Исследование конформационных изменений макромолекул коллагена I типа методом ИК- Фурье спектроскопии

1. Исследование конформационных изменений макромолекул коллагена I типа методом ИК-Фурье спектроскопии

Авторы: Темников О.В., Нащекина Ю.А., Марков Д.П., Сироткина М.Ю.,
Нащекин А.В.
Тула
2026

2. Актуальность

Актуальной задачей медицины является создание искусственной
роговицы, имеющей те же механические и оптические свойства, что
и натуральная ткань
2

3. Строение роговицы глаза

Строма роговицы представляет собой сложную
структуру, ее основной компонент-коллаген в
фибриллярной форме, структурированный особым
образом. Размеры молекулы около 1.5 х 300 нм.
3

4. Цели и задачи

Цель работы: выявление особенностей в молекулярной структуре коллагена I типа в
зависимости от внешних факторов методом ИК-Фурье спектроскопии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Исследовать влияние ионной силы на структурную организацию молекул коллагена I типа;
Проанализировать зависимость структурной организации коллагена I типа от pH;
Оценить структурные особенности фибриллярного коллагена I типа, сформированного при
разных значениях температуры;
Выявить отличия во вторичной структуре бандлов от молекулярного коллагена;
Определить оптимальное время формирования бандлов под действием электрического
поля
4

5. Исследуемые образцы

Образец
Буфер, инициирующий
фибриллообразование
Раствор
молекулярного
коллагена
Получение
пленки
pH3
pH11
Кислотная
экстракция
5

6. Вторичные структуры коллагена

Спираль коллагена
α-спирали
Антипараллельные
β-листы
Параллельные
β-листы
7

7. ИК-Фурье спектроскопия коллагена I типа

Разложение полосы Амида I
Спектр поглощения коллагена I типа
Амид A : 3000-3500 см-1 (N-H)
Амид B : 3100-2900 см-1 (vas(CH2))
Амид I : 1700-1600 см-1 (C=O, N-H)
Амид II : 1600-1550 см-1 (N-H, C-N)
Амид III : 1300-1230 см-1 (N-H, C-N)
8

8. Влияние температуры на молекулярную структуру коллагена I типа

Влияние температуры на молекулярную структуру
коллагена I типа
СОДЕРЖАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР,
%
30 °C
37 °C
16%
14%
13%
18%
7%
11%
12%
20%
23%
25 °C
ТР О ЙНЫЕ СПИР А Л И
А Л ЬФА СПИР А Л И
БЭ ТА Л ИСТЫ
С
С увеличением температуры количество спиральных структур уменьшается, при
этом образуется много -листов. Это связано с тем, что -листы более гибкие и
менее подвержены колебаниям, связанным с изменением температуры
11

9. Влияние pH на молекулярную структуру коллагена I типа

Влияние pH на молекулярную структуру
коллагена I типа
СОДЕРЖАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР, %
ТР О ЙНЫЕ СПИР А Л И
6%
10%
12%
10%
8%
19%
22%
pH9
24%
pH7,4
22%
pH6
А Л ЬФА СПИР А Л И
БЭ ТА Л ИСТЫ
С увеличением pH в растворе уменьшается содержание
ионов водорода, из-за чего аминокислотные цепочки
отталкиваются друг от друга,
-листы разрушаются и формируют спиральные
структуры
10

10. Влияние ионной силы на молекулярную структуру коллагена I типа

Влияние ионной силы на
молекулярную структуру коллагена I типа
СОДЕРЖАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР, %
200 мг/ммоль
11%
12%
8%
14%
13%
18%
150 мг/моль
17%
100 мг/ммоль
18%
17%
16%
15%
21%
0 мг/ммоль
ТР О ЙНЫЕ СПИР А Л И
НЕ УПО Р ЯДО ЧЕ ННЫЕ
СТР УК ТУР Ы
БЭ ТА Л ИСТЫ
Ионы соли в растворе экранируют заряды на радикалах аминокислот, поэтому
неупорядоченные структуры начинают формировать тройные спирали с
увеличением концентрации NaCl, однако, при избытке соли ионы начинают
разрушать водородные связи, стабилизирующие тройную спираль
9

11. Вторичная структура бандла и молекулярного коллагена

СОДЕРЖАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР,
%
молекулярный коллаген
ТР О ЙНЫЕ СПИР А Л И
А Л ЬФА СПИР А Л И
11%
17%
13%
14%
25%
28%
бандл
БЭ ТА Л ИСТЫ
Под действием электрического поля, к электроду, около которого
находится изоэлектрическая точка коллагена, притягиваются в
основном тройные спирали
11

12. Влияние времени действия электрического поля на вторичную структуру бандлов

СОДЕРЖАНИЕ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР,
%
4 min
8 min
12 min
ТР О ЙНЫЕ СПИР А Л И
А Л ЬФА СПИР А Л И
9%
6%
6%
14%
22%
17%
18%
16%
24%
26%
33%
38%
2 min
БЭ ТА Л ИСТЫ
С увеличением времени действия электрического поля, на бандл
начинают налипать агрегаты
12

13. Заключение

• С ростом температуры количество спиральных структур уменьшается, при этом количество
-листов увеличивается.
С увеличением pH -листы разрушаются и формируют спиральные структуры.
• С увеличением ионной силы раствора коллагена до концентрации NaCl 150 мМ образуется
больше тройных спиралей, а при дальнейшем добавлении соли, тройные спирали
разворачиваются.
• В структуре бандлов преобладают нативные тройные спирали, в молекулярном растворе
коллагена большую долю составляют β-листы.
• Оптимальное время формирования бандла – 2 минуты. При дальнейшем увеличении
времени, на бандл начинают налипать агрегаты.
14

14. Спасибо за внимание!

Работа выполнена при поддержке фонда РНФ (грант No. 21-74-20120-П).
14