“Nuestra esperanza es ésa entendiendo a los mecánicos de materiales en el nivel atomístico, nosotros podrá a un día crea un principio rector que dirija la síntesis de nuevos materiales,” dijo a profesor Markus Buehler, investigador del plomo en el trabajo.
En un papel publicó en la aplicación en línea del 13 de febrero letras nanas, Buehler y el estudiante de tercer ciclo Sinan Keten describen cómo utilizaron el modelado atomístico para demostrar que los racimos de tres o cuatro enlaces de hidrógeno que aten juntos los apilados de filamentos beta cortos en una proteína estructural rompen simultáneamente algo que secuencialmente cuando están colocados bajo tensión mecánica. Esto permite que la proteína soporte más fuerza que si sus filamentos beta tenían solamente uno o dos enlaces. Extrañamente bastante, los pequeños racimos también soportan más energía que más de largo filamentos beta con muchos enlaces de hidrógeno.
“Usar solamente uno o dos enlaces de hidrógeno en la construcción de una proteína proporciona no o la resistencia mecánica muy pequeña, porque los enlaces son muy débiles y casi se rompen sin la provocación,” dijo a Buehler, a la Esther y a profesor adjunto de Harold E. Edgerton en el departamento de ingeniería civil y ambiental. “Pero usar tres o cuatro enlaza lleva a una resistencia que exceda realmente el de muchos metales. Usar más de cuatro enlaza lleva a una resistencia mucho-reducida. La fuerza se maximiza en tres o cuatro enlaces.”
Después de observar la ruptura simultánea de estos hidrógeno-enlazar los racimos dentro de las proteínas en sus simulaciones atomísticas, Buehler y Keten quiso saber porqué los enlaces adaptan pequeños racimos, incluso en filamentos largos con muchos enlaces de hidrógeno. Utilizaron las leyes de la termodinámica para explicar este fenómeno. El papel en letras nanas describe cómo la fuerza externa cambia la energía entrópica en el sistema y lleva a la ruptura de los enlaces de hidrógeno. Calculando la energía necesaria iniciar el proceso del despliegue en una molécula de proteína, demostraron eso que agregaba más enlaces de hidrógeno en filamentos más largos no aumentarían la fuerza de material.
“Usted tendría simplemente esta cadena larga de filamentos beta con los enlaces perezosos que no contribuyen a la fuerza de la asamblea,” dijo Keten. “Solamente un material que emplea muchos filamentos beta cortos doblados y conectados por tres o cuatro enlaces de hidrógeno puede exhibir la fuerza mayor que el acero. En metales, la energía sería almacenada directo en enlaces mucho más fuertes, llamados los enlaces metálicos, hasta que los enlaces rompan uno por uno. En proteínas, las cosas son más complicado debido a la elasticidad entrópica del tallarines-como las cadenas y la naturaleza cooperativa de los enlaces de hidrógeno.”
Las proteínas estructurales contienen una preponderancia de las beta-hojas, las secciones que doblan de una manera tal que parezcan un poco el caramelo pasado de moda de la cinta; las ondas cortas o los filamentos aparecen ser apilados encima de uno otro, cada uno apenas la longitud correcta para permitir que tres o cuatro enlaces de hidrógeno la conecten con la sección arriba y debajo.
Las hojas beta con longitudes cortas del filamento conectaron por tres o cuatro enlaces de hidrógeno son la conformación más común entre todas las proteínas beta-estructuradas, incluyendo ésos que abarcan el tejido del músculo, según datos experimentales del proteomics sobre las estructuras de la proteína en el banco de datos de la proteína.
Esta correlación de una configuración geométrica común entre beta hoja-que sean uno de la proteína más frecuente dos estructura adentro existencia-sugiere que la fuerza de una proteína es una fuerza impulsora evolutiva importante detrás de su diseño físico. Los investigadores observaron el mismo comportamiento en pequeños racimos similares en proteínas estructurales alfa-helicoidales, la otra proteína más frecuente, pero todavía no han estudiado a esas asambleas detalladamente.
Por una parte, los materiales sintéticos como el acero tienen una estructura muy diversa y cristalina ligada por el pegamento más fuerte de enlaces metálicos. Porque el acero y otros materiales sintéticos tienden a ser densos, y por lo tanto pesado, consumen mucha energía en la fabricación y el transporte.
Los “metales se configuran con los enlaces que son mucho más fuertes y requieren una fuerza mucho mayor romperse,” dijeron Buehler. “Sin embargo, el enrejado cristalino de la estructura de un metal nunca es perfecto; contiene los defectos que reducen con eficacia la fuerza de material absolutamente drástico. Cuando usted pone una carga en el metal, el defecto puede fallar, posiblemente haciendo una grieta propagar. En las hojas beta de la proteína, la naturaleza confinada de los racimos del enlace de hidrógeno ayuda a disipar la energía sin el compromiso de la fuerza del material. Esto demuestra la ingeniosidad y la eficacia asombrosas de materiales naturales.”
Esta investigación fue apoyada por una beca graduada presidencial del MIT, la oficina de la investigación del ejército, una concesión de CARRERA del National Science Foundation, el fondo de investigación de Solomon Buchsbaum AT&T, y una concesión del centro de la superinformática de San Diego (SDSC).
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