Резилин
Белок насекомых
Биение максиллипедов рака Pacifastacus leniusculus, снятое с частотой кадров 1000 Гц
Про-резилин
Идентификаторы
ОрганизмДрозофила меланогастер
Символрезилин
Альтернативные символыCG15920
UniProtQ9V7U0
Искать
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро

Резилин — эластомерный белок, обнаруженный во многих насекомых и других членистоногих. Он обеспечивает мягкую резиноподобную эластичность механически активных органов и тканей; например, он позволяет насекомым многих видов прыгать или эффективно поворачивать крылья. Резилин был впервые обнаружен Торкелем Вайс-Фогом в шарнирах крыльев саранчи.

В настоящее время резилин является наиболее эффективным известным эластичным белком (Elvin et al., 2005). Сообщается, что эластичная эффективность резилина, выделенного из сухожилия саранчи, составляет 97% (только 3% запасенной энергии теряется в виде тепла). Он не имеет какой-либо регулярной структуры, но его случайно скрученные цепи сшиты ди- и тритирозиновыми связями с правильным интервалом, что обеспечивает эластичность , необходимую для перемещения некоторых прыгающих насекомых на расстояния, в 38 раз превышающие их длину (как это обнаружено у блох). Резилин должен сохраняться в течение всей жизни взрослых насекомых и, следовательно, должен работать в течение сотен миллионов расширений и сокращений ; его эластичная эффективность обеспечивает производительность в течение всей жизни насекомого. Резилин проявляет необычное эластомерное поведение только при набухании в полярных растворителях, таких как вода.

В 2005 году была синтезирована рекомбинантная форма белка резилина мухи Drosophila melanogaster путем экспрессии части гена мухи в бактерии Escherichia coli . Активные исследования изучают потенциальное применение рекомбинантных резилинов в биомедицинской инженерии и медицине.

Происшествие

После его открытия в эластичных сухожилиях стрекоз и шарнирах крыльев саранчи резилин был обнаружен во многих структурах и органах членистоногих . [1] Резилин часто встречается в виде композита с хитином в кутикуле насекомых , где хитин служит структурным компонентом. Резилин обеспечивает эластичность и, возможно, другие свойства. Он был обнаружен в слюнном насосе хищных клопов ( Rhodnius prolixus ), мух цеце и медоносных пчел , а также в механизме обеспечения сопротивления для ядораспределительного насоса жал медоносных пчел . Резилин также был обнаружен в звукопроизводящих органах членистоногих, таких как цикады и семейство молей Pyralidae , где как высокая эластичность, так и высокая упругость резилина играют важную роль из-за быстрых циклов снятия напряжения звукопроизводящих тимпанов . Помимо этих структур, резилин наиболее широко распространен в системах передвижения членистоногих. Он был обнаружен в шарнирах крыльев для обеспечения восстановления после деформации элементов крыла и для гашения аэродинамических сил, ощущаемых крылом; в амбулаторных системах тараканов и мух для облегчения быстрой деформации суставов; в механизмах прыжков резилин с большой эффективностью сохраняет кинетическую энергию и высвобождает ее при разгрузке. Он также в изобилии присутствует в кутикуле, окружающей брюшки термитов, муравьев и пчел, которые значительно расширяются и набухают во время процесса питания и размножения. [1]

Состав резилина

Аминокислотные компоненты

Аминокислотный состав резилина

Аминокислотный состав резилина был проанализирован в 1961 году Бейли и Торкелем Вайс-Фог , когда они наблюдали образцы преалярных связок руки и крыльевого шарнира саранчи. Результат показывает, что в аминокислотном составе резилина отсутствуют метионин , гидроксипролин и цистеин . [2]

Последовательность белка

Резилин был идентифицирован как продукт гена Drosophila melanogaster CG15920 из-за сходства между аминокислотными составами резилина и продукта гена. [3] Ген Drosophila melanogaster состоит из 4 экзонов , которые кодируют 4 функциональных сегмента в CG15920: сигнальный пептид и 3 пептида, кодируемых экзоном 1, 2 и 3. [4] Сигнальный пептид направляет прорезилин во внеклеточное пространство, где белки резилина агрегируются и перекрестно связываются, образуя сеть, а затем отрезается от пептидов, так что возникающий резилин становится зрелым резилином. С N-конца сегмент, кодируемый экзоном 1, содержит 18 копий повторяющейся последовательности из 15 остатков (GGRPSDSYGAPGGGN); сегмент, соответствующий экзону 2, содержит 62 аминокислоты консенсусной последовательности хитин-связывающего Реберса-Риддифорда (RR) ( Pfam PF00379); пептид, кодируемый экзоном 3, доминирует над 11 копиями 13-остаточной повторяющейся последовательности (GYSGGRPGGQDLG). В то время как обогащенные глицин и пролин в экзонах 1 и 3 вводят циклические структуры в белок, остатки тирозина способны образовывать ди- и тритирозиновые поперечные связи между белками.

Вторичная структура

Механизм действия резилина

Резилин — это неупорядоченный белок; однако его сегменты могут приобретать вторичные структуры при различных условиях. Обнаружено, что пептидная последовательность, кодируемая экзоном 1, демонстрирует неструктурированную форму и не может быть кристаллизована, что позволяет сегменту пептидной последовательности быть очень мягким и высокогибким. Пептид, кодируемый экзоном 3, принимает неструктурированную форму до нагрузки, но трансформируется в упорядоченную структуру бета-поворота после приложения стресса. Между тем, сегмент, кодируемый экзоном 2, служит доменом связывания хитина. [4] Предполагается, что при приложении стресса или при поступлении энергии пептид, кодируемый экзоном 1, немедленно реагирует из-за своей высокой гибкости. Как только это происходит, энергия передается на пептид, кодируемый экзоном 3, который трансформируется из неструктурированной формы в структуру бета-поворота для хранения энергии. После того, как стресс или энергия устранены, сегмент, кодируемый экзоном 3, обращает структурную трансформацию и выводит энергию в сегмент, кодируемый экзоном 1. [4]

Другая вторичная структура, которую могут иметь соответствующие пептиды экзона 1 и экзона 3, — это полипролиновая спираль (PPII), на что указывает высокое содержание пролина и глицина в этих 2 сегментах. Структура PPII широко распространена в эластомерных белках, таких как абдуктин , эластин и титин . [5] Считается, что она вносит вклад в процесс самосборки и эластичность белка. [4] Предполагается, что эластичный механизм резилина связан с энтропией . В расслабленном состоянии пептид сворачивается и обладает большой энтропией, но как только он растягивается, энтропия уменьшается по мере развертывания пептида. Сосуществование PPII и бета-поворота играет важную роль в увеличении энтропии, поскольку резилин возвращается в свою неупорядоченную форму. [6] Другая функция PPII заключается в содействии процессу самосборки: обнаружено, что квазирасширенный PPII способен взаимодействовать посредством межмолекулярной реакции и инициировать образование фибриллярной надмолекулярной структуры. [6]

Иерархическая структура

В то время как вторичные структуры определяются энергетическим состоянием и водородными связями, образованными между аминокислотами, иерархические структуры определяются гидрофобностью пептида . Пептид, кодируемый экзоном 1, в основном гидрофильный и более протяженный при погружении в воду. [7] Напротив, пептид, кодируемый экзоном 3, содержит как гидрофобные, так и гидрофильные блоки, что предполагает образование мицелл, где гидрофобный блок будет группироваться внутри, а гидрофильная часть будет его окружать. [7] Таким образом, один полный белок резилин при погружении в воду принимает структуру, в которой сегмент, кодируемый экзоном 1, простирается от мицеллы, кодируемой экзоном 3, образует пептид. [7]

После того, как резилин переносится наружу из клетки, их пептиды, кодируемые экзоном 2, хитин-связывающие сегменты, связываются с хитином. [1] Между тем, ди- или тритирозиновые сшивки образуются путем окислительного связывания , опосредованного пероксидазой , между остатками тирозина . [1] Как и в других эластомерных белках, степень сшивки в резилине низкая, что обеспечивает низкую жесткость и высокую упругость. Сшитые пептиды, кодируемые экзоном 1, имеют упругость более 93%, в то время как кодируемые экзоном 3 имеют упругость 86%. Кроме того, природный резилин имеет упругость 92%, аналогичную упругости экзона 1, что снова предполагает, что экзон 1 может играть более важную роль в упругих свойствах резилина. [4]

Остатки тирозина в резилине

В 1996 году Андерсен обнаружил, что остатки тирозина участвуют в химически ковалентных сшивках во многих формах, таких как дитирозин , тритирозин и тетратирозин. [8] В первую очередь, в резилине тирозин и дитирозин служили химическими сшивками , в которых группы R тирозина и дитирозина добавляются к остову растущей пептидной цепи. [1] Андерсен пришел к такому выводу на основе исследования с участием этих двух соединений, в котором он смог исключить другие формы сшивки, такие как дисульфидные мостики, сложноэфирные группы и амидные связи. [1] Хотя механизм сшивки тирозина понятен и происходит посредством радикальной инициации, сшивка резилина все еще остается загадкой. Сшивка резилина происходит очень быстро, и это, возможно, является результатом температуры. При повышении температуры скорость сшивания остатков увеличивается, что приводит к образованию высокосшитой резилиновой сети. [1]

Аминокислотный состав резилина указывает на то, что пролин и глицин имеют относительно высокое присутствие в аминокислотном составе резилина. Присутствие глицина и пролина в составе резилина вносит большой вклад в эластичность резилина. [9] Однако у резилина отсутствует альфа-спираль, что приводит к беспорядочно скрученной структуре и неупорядоченной структуре. [10] Это в первую очередь связано со значительно высоким содержанием пролина в резилине. Пролин — это объемная аминокислота, которая обладает способностью вызывать перегиб пептидной цепи, и из-за стерически затрудненных боковых цепей она не может вписаться в альфа-спирали. Однако сегменты резилина способны принимать формы вторичной структуры при различных условиях.

Характеристики

Как и другие биоматериалы, резилин представляет собой гидрогель , то есть он набухает от воды. Содержание воды в резилине при нейтральном pH составляет 50-60%, и отсутствие этой воды будет иметь большое значение для свойств материала: в то время как гидратированный резилин ведет себя как резина, дегидратированный резилин имеет свойства стекловидного полимера. [1] Однако дегидратированный резилин способен вернуться в свое резиноподобное состояние, если доступна вода. Вода служит пластификатором в сети резилина, увеличивая количество водородных связей. [4] Высокая концентрация пролина и глицина, полипролиновых спиралей и гидрофильных участков служит для увеличения содержания воды в сети белка резилина. Увеличение водородных связей приводит к увеличению подвижности цепи, таким образом, снижая температуру стеклования . Чем больше содержание воды в сети резилина, тем менее жестким и более упругим является материал. Дегидратированный резилин ведет себя как стеклянный полимер с низкой жесткостью, деформацией и упругостью, но относительно высоким модулем сжимаемости и температурой стеклования. [1]

Резиноподобные белки, такие как резилин и эластин, характеризуются высокой упругостью , низкой жесткостью и большой деформацией . [11] Высокая упругость указывает на то, что достаточное количество энергии может быть сохранено в материале и впоследствии высвобождаться. Примером подвода энергии является растяжение материала. Натуральный резилин (гидратированный) имеет упругость 92%, что означает, что он может сохранять 92% энергии для высвобождения во время разгрузки, что указывает на очень эффективную передачу энергии. Для лучшего понимания жесткости и деформации резилина следует учитывать закон Гука. Для линейных пружин закон Гука гласит, что сила, необходимая для деформации пружины, прямо пропорциональна величине деформации на константу, которая является характеристикой пружины. Материал считается эластичным, когда его можно деформировать в большой степени с помощью ограниченного количества силы. Гидратированный резилин имеет модуль упругости при растяжении 640–2000 кПа, модуль упругости при неограниченном сжатии 600–700 кПа и предел прочности на разрыв 300% [4] .

Таблица 1: Свойства гидратированного и дегидратированного резилина
ХарактеристикиГидратированный резилинОбезвоженный резилин
Модуль упругости588 кПа [1]-
Модуль упругости при сжатии600-700 кПа [4]10200 ± 2% кПа [4]
Модуль упругости при растяжении640-2000 кПа [4]-
Предел прочности4МПа [4]-
Максимальная деформация300% [4]-
Устойчивость92% [4]-
Т г °<37 °С [4]>180 °С [4]

Хотя фактических данных о сроке службы резилина до усталости не получено, мы можем думать об этом интуитивно. Если рассмотреть случай медоносных пчел, которые живут около 8 недель, в течение которых они летают по 8 часов в день, взмахивая крыльями со скоростью 720 000 циклов в час, они, вероятно, взмахнут крыльями более 300 миллионов раз [9]. Поскольку резилин функционирует в течение всей жизни насекомых, его срок службы до усталости должен быть значительно большим. Однако у живых насекомых молекула резилина может постоянно вырабатываться и заменяться, что вносит ошибку в наши выводы.

Рекомбинантный резилин

Начальные исследования

Благодаря замечательной эластичности резилина, ученые начали изучать рекомбинантные версии для различных материалов и медицинских применений. С развитием ДНК- технологий эта область исследований увидела быстрый рост синтеза биосинтетических белковых полимеров, которые можно настроить на определенные механические свойства. Таким образом, эта область исследований является довольно многообещающей и может предоставить новые методы лечения заболеваний и расстройств, которые влияют на популяцию. Рекомбинантный резилин был впервые изучен в 2005 году, когда он был экспрессирован в Escherichia coli из первого экзона гена CG15920 Drosophila Melanogaster . [12] Во время его исследования чистый резилин был синтезирован в гидрогель с 20%-ной массой белка и был сшит с катализируемым рутением тирозином в присутствии ультрафиолетового света. [12] Эта реакция дала продукт, рекомбинантный резилин (rec1-Resilin). [12]

Одним из наиболее важных аспектов успешного синтеза rec1-Resilin является то, что его механические свойства соответствуют свойствам исходного резилина (нативного резилина). В указанном выше исследовании сканирующая зондовая микроскопия (SPM) и атомно-силовая микроскопия (AFM) использовались для изучения механических свойств rec1-Resilin и нативного резилина. [1] Результаты этих испытаний показали, что устойчивость как рекомбинантного, так и нативного резилина была относительно схожей, но может различаться в его применении. [1] В этом исследовании rec1-Resilin можно было поместить в полимерный каркас для имитации внеклеточного матрикса с целью генерации клеточных и тканевых реакций. Хотя эта область исследований все еще продолжается, она вызвала широкий интерес в научном сообществе и в настоящее время изучается для различных биомедицинских приложений в областях регенерации и восстановления тканей.

Флуоресценция рекомбинантного резилина

Одним из уникальных свойств rec1-Resilin является его способность быть идентифицированным благодаря автофлуоресценции. Флуоресценция резилина обусловлена ​​в первую очередь дитирозином, который является результатом сшивок остатков тирозина. Когда ультрафиолетовый свет облучает образец rec1-Resilin с излучением от 315 нм до 409 нм, rec1-Resilin начинает демонстрировать синюю флуоресценцию. [12] Пример синей флуоресценции, демонстрируемой остатками дитирозина в резилине, показан на рисунке ниже блохи.

Изображение блохи CSIRO с детальным изображением резилиновой подушечки

Устойчивость

Еще одним уникальным свойством резилина является его высокая упругость. Рекомбинантный резилин продемонстрировал превосходные механические свойства, аналогичные свойствам чистого резилина. Элвин и др. стремились сравнить упругость rec1-Resilin с другими каучуками, используя сканирующий зондовый микроскоп . В этом исследовании сравнивалась упругость rec1-Resilin с двумя различными типами каучука: хлорбутилкаучуком и полибутадиеновым каучуком, оба каучука обладают высокими упругими свойствами. [12] В этом исследовании сделан вывод о том, что rec1-Resilin был упруг на 92% по сравнению с хлорбутилкаучуком (56%) и полибутадиеновым каучуком (80%) соответственно. [12] При такой высокой механической упругости свойства rec1-Resilin могут быть применены в других клинических приложениях в области материаловедения и медицины. Это исследование рекомбинантного резилина привело к нескольким годам исследований по использованию резилиноподобных белков для нескольких биомедицинских приложений, которые сохраняют механические свойства резилина. Текущие результаты исследований с использованием рекомбинантного резилина могут привести к дальнейшим исследованиям, в ходе которых могут быть изучены другие неизученные механические свойства и химическая структура резилина.

Клинические применения

Рекомбинантные резилины изучались на предмет потенциального применения в областях биомедицинской инженерии и медицины. В частности, гидрогели, состоящие из рекомбинантных резилинов, использовались в качестве тканевых инженерных каркасов для механически активных тканей, включая сердечно-сосудистые, хрящевые и голосовые связки. Ранние работы были сосредоточены на оптимизации механических свойств, химии и цитосовместимости этих материалов, но также были проведены некоторые испытания гидрогелей резилина in vivo . [13] Исследователи из Университета Делавэра и Университета Пердью разработали методы создания эластичных гидрогелей, состоящих из резилина, которые были совместимы со стволовыми клетками и демонстрировали аналогичную эластичность резины , как у натурального резилина. [14] [15] [16] [17] Также сообщалось о полусинтетических гидрогелях на основе резилина, которые включают полиэтиленгликоли . [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghijkl Деминг Т. (2012). Материалы на основе пептидов . Springer Publishing.
  2. ^ Нейрат Х. (1966). Состав, структура и функции белков . Academic Press Inc.
  3. ^ Ardell DH, Andersen SO (сентябрь 2001 г.). «Предварительная идентификация гена резилина у Drosophila melanogaster». Биохимия насекомых и молекулярная биология . 31 (10): 965–70. CiteSeerX 10.1.1.20.4948 . doi :10.1016/s0965-1748(01)00044-3. PMID  11483432. 
  4. ^ abcdefghijklmno Su RS, Kim Y, Liu JC (апрель 2014 г.). «Ресилин: эластомерные биоматериалы на основе белка». Acta Biomaterialia . Биологические материалы. 10 (4): 1601–11. doi :10.1016/j.actbio.2013.06.038. PMID  23831198.
  5. ^ Аджубей АА, Штернберг МЖ, Макаров АА (июнь 2013). «Спираль полипролина-II в белках: структура и функция». Журнал молекулярной биологии . 425 (12): 2100–32. doi :10.1016/j.jmb.2013.03.018. PMID  23507311.
  6. ^ ab Bochicchio B, Tamburro AM (ноябрь 2002 г.). «Структура полипролина II в белках: идентификация с помощью хироптической спектроскопии, стабильность и функции». Хиральность . 14 (10): 782–92. doi :10.1002/chir.10153. PMID  12395395.
  7. ^ abc Qin G, Hu X, Cebe P, Kaplan DL (2012-08-14). "Механизм эластичности резилина". Nature Communications . 3 : 1003. Bibcode : 2012NatCo...3.1003Q. doi : 10.1038/ncomms2004. PMC 3527747. PMID  22893127 . 
  8. ^ Невилл А. (1975). Биология кутикулы членистоногих. Берлин: Springer Publishing. ISBN 978-3-642-80912-5.
  9. ^ Cheng S, Cetinkaya M, Gräter F (декабрь 2010 г.). «Как последовательность определяет эластичность неупорядоченных белков». Biophysical Journal . 99 (12): 3863–9. Bibcode :2010BpJ....99.3863C. doi :10.1016/j.bpj.2010.10.011. PMC 3000487 . PMID  21156127. 
  10. ^ Connon C, Hamley I (март 2014). Гидрогели в клеточной терапии . Королевское химическое общество. doi : 10.1039/9781782622055. ISBN 978-1-84973-798-2.
  11. ^ Gosline J, Lillie M, Carrington E, Guerette P, Ortlepp C, Savage K (февраль 2002 г.). «Эластичные белки: биологические роли и механические свойства». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 357 (1418): 121–32. doi :10.1098 / rstb.2001.1022. PMC 1692928. PMID  11911769. 
  12. ^ abcdef Elvin CM, Carr AG, Huson MG, Maxwell JM, Pearson RD, Vuocolo T и др. (октябрь 2005 г.). «Синтез и свойства сшитого рекомбинантного прорезилина». Nature . 437 (7061): 999–1002. Bibcode :2005Natur.437..999E. doi :10.1038/nature04085. PMID  16222249. S2CID  4411986.
  13. ^ Li L, Mahara A, Tong Z, Levenson EA, McGann CL, Jia X и др. (январь 2016 г.). «Рекомбинантные резилин-основанные биоэластомеры для применения в регенеративной медицине». Advanced Healthcare Materials . 5 (2): 266–75. doi :10.1002/adhm.201500411. PMC 4754112 . PMID  26632334. 
  14. ^ Ким Y, Гилл EE, Лю JC (август 2016 г.). «Ферментативное сшивание белков на основе резилина для применения в инженерии сосудистой ткани». Биомакромолекулы . 17 (8): 2530–9. doi :10.1021/acs.biomac.6b00500. PMID  27400383.
  15. ^ McGann CL, Levenson EA, Kiick KL (январь 2013 г.). «Гибридные гидрогели на основе резилина для инженерии сердечно-сосудистых тканей». Macromolecules . 214 (2): 203–213. doi :10.1002/macp.201200412. PMC 3744378 . PMID  23956463. 
  16. ^ Tjin MS, Low P, Fong E (2014-08-01). «Рекомбинантные эластомерные белковые биополимеры: прогресс и перспективы». Polymer Journal . 46 (8): 444–451. doi : 10.1038/pj.2014.65 . ISSN  0032-3896.
  17. ^ Li L, Teller S, Clifton RJ, Jia X, Kiick KL (июнь 2011 г.). «Настраиваемая механическая стабильность и деформационный отклик эластомера на основе резилина». Biomacromolecules . 12 (6): 2302–10. doi :10.1021/bm200373p. PMC 3139215 . PMID  21553895. 
  18. ^ McGann CL, Akins RE, Kiick KL (январь 2016 г.). «Гибридные гидрогели резилин-ПЭГ дают деградируемые эластомерные каркасы с гетерогенной микроструктурой». Biomacromolecules . 17 (1): 128–40. doi :10.1021/acs.biomac.5b01255. PMC 4850080 . PMID  26646060. 
  • «Проект Resilin показывает почти идеальные 98%» (PDF) . CSIRO.
  • Резюме от Университета Южной Австралии
  • Торкель Вайс-Фог: Научные труды и переписка
На Викискладе есть медиафайлы по теме Резилины .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Resilin&oldid=1195590669"