コラーゲンの水和と脱水と機械的変形
私たちの体の約70％は水で占められており、生命維持するためには水分保持は非常に重要です。
体が重たく動かしにくくなるのも、結合組織の脱水が原因で起こっていることが多くあります。
結合組織である細胞外マトリックスの主成分はコラーゲンであり、その機械的特性に大きな影響を与えているのは、水和する結合水（構造水）です。
また、コラーゲン線維の力学的な変化は、細胞の代謝やミトコンドリアの働きにも大きな影響を与えています。
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Collagen dehydration
Int J Biol Macromol. 2022 Sep 1:216:140-147. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.06.180
Understanding the inelastic response of collagen fibrils: A viscoelastic-plastic constitutive model
Acta Biomater. 2023 Jun:163:78-90. doi: 10.1016/j.actbio.2022.07.011
コラーゲンの階層構造
コラーゲンは私たちの結合組織である細胞外マトリックスの主成分です。
基底膜、皮膚、血管、骨などの結合組織において、生物学的機能性を確保するために必要な機械的特性を与えています。
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I 型コラーゲン鎖は約 1,000 個のアミノ酸を含み、Gly（グリシン）-X-Y繰り返し単位で構成されています。
多くの場合、X-Y はプロリンとヒドロキシプロリンです。
コラーゲンは 3 つの左巻きのポリペプチド鎖で構成され、これが巻かれて右巻きの三重らせん構造、つまりトロポコラーゲン（コラーゲン分子）を形成します。
トロポコラーゲンは自己組織化して、中間の原線維構造 （ミクロフィブリル） を形成します。
これがさらに会合して、原線維の強度を最大化する整然とした分子パッキング構造を形成して、コラーゲン線維となります。
これが様々な組織や臓器（腱、靭帯、皮膚など）の構成要素となり、それらの機械的強度を決定します。
Nanomechanics of Type I Collagen より引用
Biophys J. 2016 Jul 12;111(1):50-6. doi: 10.1016/j.bpj.2016.05.038
コラーゲン分子の長さと直径はそれぞれ 300 nm と 1.5 nm です。
これらの分子は特別な方法で配置され、ギャップ（0.46 D）領域とオーバーラップ（0.54 D）領域が交互に存在する周期的な D バンド（D = 67 nm ）を形成します。
オーバーラップ領域は断面にすべての分子が存在し、ギャップ領域は断面に20 % の分子が欠落しています。
D バンド内での分子の互い違いは、コラーゲン分子に沿った正と負に帯電した残基の繰り返しから発生し、コラーゲン線維に独特の電荷プロファイルを与えます。
ギャップ領域は正の電荷を持ち、オーバーラップ領域は負の電荷を持ちます。
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コラーゲンの水和と脱水
コラーゲン分子の自己組織化の過程で、水はコラーゲン分子と相互作用し、最終的なネットワークの機械的特性に影響を与えます。
水はコラーゲン分子を取り囲み、しっかりと結合して、コラーゲンの特性を制御する水和殻を形成します。
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水和は、コラーゲンの構造と力学の関係において重要な役割を果たしています。
原線維は、オーバーラップ領域とギャップ領域が交互に存在しますが、コラーゲンが水和すると、ギャップ領域の長さはオーバーラップ領域の長さとほぼ同じになります。
脱水すると、原線維の長さが縮むことが知られています。幅（原繊維の直径）が広くなり、トロポコラーゲンがより密集します。
コラーゲン原繊維の脱水は、2 段階の脱水プロセスをもたらすことがわかっています。
最初は D 周期にほとんど変化がなく、脱水によりオーバーラップ領域の長さが減少し、ギャップ領域の長さが増加して、原繊維の長さがほぼ一定に保たれます。
コラーゲン分子間の横方向の分子間隔が減少します。
脱水の第 2 段階では、D 周期が減少し、オーバーラップ領域の長さがさらに減少して、コラーゲン原繊維の長さが大幅に減少します。
らせん回転距離がさらに減少し、コラーゲン分子間の分子間隔も減少します。
コラーゲン原線維の力学は、水和の程度に大きく依存し、結合水の損失（脱水）は原繊維の収縮につながり、それに応じて機械的特性に影響を及ぼします。
コラーゲンの機械的変形
単一のコラーゲン原線維の変形に関しては、粘弾性および塑性変形と、背応力の存在がこれまでに特定されています。
弾性変形は、コラーゲン分子の伸張に起因すると考えられています。
粘性変形は、コラーゲン分子の再配置や、コラーゲン分子以外のメカニズム、例えば原線維内の水分子の再配置および分子間の水素結合のダイナミクスに起因すると考えられています。
原線維の塑性変形は、共有結合の破壊を伴う 2 つのトロポコラーゲン分子間の滑りが原因と考えられます。
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Mechanics of isolated individual collagen fibrils
Acta Biomater. 2023 Jun:163:35-49. doi: 10.1016/j.actbio.2022.12.008
分子動力学シミュレーションでは、コラーゲン原線維の張力中に生じるさまざまな変形メカニズムとして、コラーゲン分子の直線化、巻き戻し、分子間滑り、分子内滑り、骨格の伸張が予測されます。
弱い力で張力をかけると、分子のねじれがまっすぐになり、三重らせんの小さな領域が解けます。一方、より強い負荷がかかると、三重らせんの骨格が引き伸ばされます。
コラーゲン分子の骨格伸張はより高い剛性をもたらしますが、コイルの巻き戻しと直線化はより低い力で起こり、剛性が低くなります。
コラーゲンの三重らせんがほどけてまっすぐになる一方で、分子内水素結合が破壊され、コラーゲンと水の水素結合が形成されます。
水素結合の破壊と再形成が、張力下でのコラーゲン原線維の粘性挙動に大きな影響を与えています。
まとめ
コラーゲンは 3 つの左巻きのポリペプチド鎖で構成され、これが巻かれて右巻きの三重らせん構造、つまりトロポコラーゲン（コラーゲン分子）を形成します。
コラーゲン分子は自己組織化して、中間の原線維構造 （ミクロフィブリル） を形成します。
水はコラーゲン分子を取り囲み、しっかりと結合して、コラーゲンの特性を制御する水和殻を形成します。
脱水すると、原線維の長さが縮むことが知られています。幅（原繊維の直径）が広くなり、コラーゲン分子がより密集します。
コラーゲン原線維の力学は、水和の程度に大きく依存し、結合水の損失（脱水）は原繊維の収縮につながり、それに応じて機械的特性に影響を及ぼします。
コラーゲン原繊維の機械的変形は、弱い力で張力をかけると、分子のねじれがまっすぐになり、三重らせんの小さな領域が解けます。一方、より強い負荷がかかると、三重らせんの骨格が引き伸ばされます。
コラーゲンの三重らせんがほどけてまっすぐになる一方で、分子内水素結合が破壊され、コラーゲンと水の水素結合が形成されます。
水素結合の破壊と再形成が、張力下でのコラーゲン原線維の粘性挙動に大きな影響を与えています。
