金属离子诱导胶原纤维构象动态变化的分子机制及其在皮革老化中的意义

本研究通过分子动力学(MD)模拟揭示了金属离子(Fe3+等)与胶原纤维(Col-I)的相互作用机制，发现Fe3+因扩散系数最小、结合最强而显著影响纤维构象，其d-period长度与纤维半径平方倒数呈线性关系。该成果为理解古代铁离子鞣制皮革的分子老化机制提供了理论依据，对文化遗产保护及生物材料科学具有重要价值。

　　

胶原蛋白作为动物体内最丰富的结构蛋白，约占人体蛋白质总量的25%-35%，在维持组织机械完整性方面发挥着关键作用。其中I型胶原(Col-I)是皮革的主要成分，其老化过程深受环境因素影响。尽管温度和生物因素的研究较为充分，但金属离子对胶原纤维构象的分子机制仍属空白。这一认知缺口直接制约着古代皮革文物（多为铁/铝离子鞣制）的保护实践。

为解决这一问题，中国研究人员通过分子动力学(MD)模拟技术，系统研究了六种金属离子在胶原纤维中的传输行为及其诱导的构象变化。研究发现，Fe³⁺与胶原纤维的相互作用最强，其扩散系数最小，这解释了历史上铁离子被广泛用于皮革鞣制的分子基础。更值得注意的是，团队首次建立了胶原纤维d-period（重复单元）长度与纤维半径平方倒数之间的线性关系，为定量描述纤维形变提供了新范式。该成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为文化遗产的分子级保护策略提供了理论支撑。

关键技术方法包括：基于牛源(Bos taurus)胶原纤维的分子建模、多离子体系(Mg²⁺/Ca²⁺/Fe³⁺等)的分子动力学模拟、结合能分析与扩散系数计算等。

【胶原纤维模型】
采用Frauke Grater团队开发的在线构建平台，选择非交联的牛I型胶原纤维模型，确保模拟体系与真实皮革材料的分子结构一致性。

【构象变化】
模拟显示胶原纤维呈现螺旋扭曲形态，间隙区(gap zone)结构较重叠区(overlap zone)更松散。不同离子溶液中，Fe³⁺诱导的构象变化最显著，这与其实验观测的鞣制效果高度吻合。

【离子传输机制】
通过结合能分析发现，金属离子主要通过与羧基氧原子配位结合，其中Fe³⁺的配位键强度远超其他离子。扩散系数排序为：Fe³⁺ < Al³⁺ < Ca²⁺ < Mg²⁺，揭示了古代鞣制工艺选择铁离子的分子基础。

【结构定量关系】
突破性地发现d-period长度与1/R²（R为纤维半径）存在线性关系，首次建立了胶原纤维形态变化的数学描述模型。

该研究从原子尺度阐明了金属离子-胶原相互作用的动力学规律，不仅为延缓皮革文物老化提供了精准干预靶点（如调控Fe³⁺浓度），其建立的构象-尺寸定量模型更可推广至肌腱修复、人工皮肤等生物材料领域。作者Zhenzhuo Liu等强调，这种分子层面的机制解析，对理解胶原相关疾病（如埃勒斯-当洛斯综合征）的病理过程同样具有启示意义。