modelowanie włókien kolagenowych metodą dynamiki molekularnej

modelowanie włókien kolagenowych metodą dynamiki molekularnej

Łukasz MAZUR, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Andrzej MŁYNIEC, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza,
Kraków
Tadeusz UHL, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
MODELOWANIE WŁÓKIEN KOLAGENOWYCH METODĄ
DYNAMIKI MOLEKULARNEJ I COARSE-GRAIN
MODELING OF COLLAGEN FIBRILS USING MOLECULAR
DYNAMICS AND COARSE-GRAIN METHODS
Słowa kluczowe:dynamika molekularna,coarse-grain, deformacja, włókna kolagenowe
1. WSTĘP
Kolagen, najbardziej powszechne białko u ssaków, odpowiada za zapewnienie stabilności
mechanicznej i wytrzymałości tkanek łącznych, takich jak kości, ścięgna i więzadła.
Tropokolagen (TC), podstawowa jednostka strukturalna kolagenu, jestpodłużnym
polipeptydem, tworzącym potrójną helisę.Posiada on podstawową sekwencję aminokwasów
składającą się z proliny (Pro), hydroksyproliny (Hyp) i glicyny (Gly). Cząsteczki kolagenu
tworzą strukturę nakładających się molekuł z widocznych okresem D, który posiada regiony
luk i zachodzenia na siebie cząsteczek. W takim ułożeniu są budowane mikrowłókienka
kolagenowe, które tworzą większe fibryle[1]. Ze względu na swoją hierarchiczną strukturę
własności mechaniczne włókien kolagenowych mogą być zrozumiane tylko poprzez
zrozumienie własności poszczególnych poziomów jego struktury oraz ich wzajemnego
oddziaływania. Głównym celem prezentowanej pracy było zbudowanie trójwymiarowego
modelu nanowłókna kolagenowego w oparciu o molekularny model cząsteczki TC i jej
własności mechanicznych.
2. STRUKTURA MODELU NANOWŁÓKNA KOLAGENOWEGO
Do budowy modelu cząsteczki TC została wykorzystana struktura peptydu 1QSU
uzyskana przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej [2] oraz pole siłowe AMBER [3], które jest
powszechnie używane w symulacjach protein.Tak zbudowany model symulowano
wykorzystując dynamikę molekularną (MD). W celu zmierzenia oddziaływania zarówno
wewnątrz cząsteczki jak i między cząsteczkamizostały przeprowadzone eksperymenty
rozciągania i ścinania. Obliczona wartość modułu Younga dla małych odkształceń wyniosła
8,44 GPa, co jest zgodne z eksperymentalnymi wynikami uzyskanymi metodą rozpraszania
Brillouina [4], gdzie moduł wyniósł 9 GPa.
Trójwymiarowy model nanowłókna kolagenowego został zbudowany przy wykorzystaniu
metody shape-basedcoarse-grain (CG) [5], która przy pomocy sieci neuronowej zastępuje
grupy atomów ziarnami. Pojedyncze cząsteczki TC w modelu CG zostały połączone
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 78
iustawione w nakładającą się strukturę, odpowiadającą budowie włókna kolagenowego.
Potrzebne parametry pola siłowego zostały otrzymane z pełnej symulacji atomowej w stanie
równowagi, a następnie dopasowanedo wyników symulacji rozciągania (oddziaływania
wiążące) oraz symulacji ścinania (oddziaływania niewiążące) poprzez skalowanie.
Nanowłókna kolagenowe zostały wykorzystane do symulacji rozciągania, aby zbadać ich
sztywność i mechanizm pękania. Uzyskana wartość modułu Younga dla nanowłókna
wyniosła 7,64 GPa, co jest zgodne z wynikami testu AFM [6], gdzie moduł Younga wyniósł
2-7 GPa.
Rys.1. Modele atomowy i coarse-graintropokolagenu oraz model coarse-grainnanowłókna kolagenowego
3. WNIOSKI
Model nanowłókna kolagenowego przedstawiony w niniejszej pracy wnosi wkład w
zrozumieniewłasności mechanicznych hierarchicznej struktury kolagenowej. Może on zostać
wykorzystany do badania wpływu zmian w sekwencji molekularnej na włókno oraz badania
formowania się uszkodzeń włókien.
Dalszy rozwój prezentowanego modelu może zawierać wpływ gęstości wiązań
krzyżowych między cząsteczkami kolagenu na własności mechaniczne włókien. Ponadto
możliwe jest dodanie środowiska wodnego, które ma znaczący wpływ na sztywność i lepkość
kolagenu.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Fratzl P, Collagen: Structure and Mechanics, Springer, 2008.
Kramer R.Z, Venugopal M.G, Bella J, Mayville P, Brodsky B, Berman H.M,
Staggered molecular packing in crystals of a collagen-like peptide with a single
charged pair. Journal of Molecular Biology, 301(5),2000,s.1191–205.
Cornell W.D, Cieplak P, Bayly C.I, et al., A Second Generation Force Field for the
Simulation of Protein , Nucleic Acids, and Organic Molecules. Journal of American
Chemical Society, 117(19), 1995, s.5179–5197.
Harley R, James D, Miller A, White J.W, Phonons and the elastic moduli of collagen
and muscle. Nature, 267(5608),1977,s.285–7.
Arkhipov A, Yin Y, Schulten K, Four-scale description of membrane sculpting by
BAR domains. Biophysical Journal, 95(6),2008,s.2806–21.
van der Rijt J.A.J, van der Werf K.O, Bennink M.L, Dijkstra P.J, Feijen J,
Micromechanical testing of individual collagen fibrils. Macromolecular Bioscience,
6(9), 2006, s.697–702.