CC BY
87
Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, И. В. Красина
ПОСТРОЕНИЕ ОБОБЩЕННОЙ ПЛОСКОСТНОЙ
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОЛЛАГЕНА КОЖИ
Ключевые слова: коллаген, фибрилла, волокно, пористая структура, плоскостная модель,
пропорция, кожа.
В статье приведены сведения о структурах коллагена кожи. Описано построение плоскостной геометрической модели, обобщающей сведения о размерах и пропорциональных соотношениях в структурах коллагена, а также геометрические модели других авторов. Модель применима для интерпретации данных структурного анализа материалов.
Key words: collagen, fibrilla, fibre, porous structure, plane model, proportion, leather.
In article a data on structures of collagen of a leather are cited. The plane geometrical model generalising data on the sizes and proportional parities in structures of collagen, and also geometrical models of other authors is described. The model is applicable for interpretation of data of the structural analysis of materials
Натуральные кожевенные материалы являются многоуровневыми пористыми системами. Они обладают первичной и вторичной пористостью образованной пустотами в укладке первичных и вторичных волокон. Подобные структуры отнесены к серийным [1], а их пористость образована макро и микропорами [2, 3]. Графическое моделирование является распространенным методом при оценке свойств пористых материалов, а также позволяет наглядно и наиболее полно интерпретировать их структуру.
Волокнистая структура кожевенного материла в основном определяется многоуровневой организацией белка - коллагена. Коллаген образован совокупностью аминокислот, его макромолекулярные цепи уложены в тройную полипептидную спираль. Затем следует тройная последовательность волокнистых или фибриллярных структур: микрофибриллы, субфибриллы, и собственно фибриллы. Благодаря такой высокой организации авторами [4] коллаген и все образованные им ткани организма, а также материалы, полученные при их переработке, отнесены к биологическим наноструктурным материалам. Действительно, все структурные элементы вплоть до собственно фибриллы имеют геометрические размеры, не привышающие 100 нм; а прочностные, пластичные, сорбционные, технологические и гигиенические свойства коллагенсодержащих материалов во многом определяются структурой укладки цепей белка. Два последних структурных уровня коллагена в кожном покрове образуют первичные и вторичные волокна.
При рассмотрении структуры дермы, утрачивается принцип параллельной упаковки элементов, вторичные волокна образуют пространственную трехмерную сеть.
Размеры структурных образований имеют широкие пределы и зависят от множества факторов, среди них вид и возраст животного, место отбора пробы. Кроме того, в процессах химического и механического воздействия на дерму, размеры структурных элементов и межструктурных пространств изменяются.
На основе анализа разнообразных источников [5], выбраны следующие типичные размеры структурных элементов коллагена кожного покрова (табл. 1).
Таблица 1 - Размеры структурных образований коллагена кожного покрова
Наименование структурного элемента коллагена Диаметр, нм (мкм)
а- цепь 0,7 нм
Тропоколлагеновая частица 1,5 нм
Микрофибрилла 4,5 нм
Субфибрилла 21 нм
Фибрилла 100 нм
Первичное волокно 5 мкм (5000 нм)
Вторичное волокно 100 мкм (105 нм)
Для наглядного рассмотрения волокнистых структур натуральной кожи, с учетом представленных в табл. 1 размеров, построена графическая модель коллагеновых переплетений. Схемы элементов фибриллярной структуры возрастающей сложности получены путем заполнения элементами предыдущего уровня области, ограниченной диаметром элемента следующего уровня. С целью упрощения некоторые элементы предыдущего уровня заменены контуром [6].
Первым наиболее целостным агрегатом коллагена является тропоколлагеновая частица, представляющая собой суперспираль, состоящую из трех макромолекулярных а-цепей. В ряде источников [7, 8] указано, что диаметр проекции тропоколлагеновой частицы, на плоскость, перпендикулярную ее оси составляет около 1,5 нм, а диаметр проекции образующих ее а-цепей равен 0,7 нм. С учетом этого построена схема проекции тропоколлагеновой частицы, рис. 1.
Согласно взглядам ряда авторов [5] подразделение фибрилл на субэлементы, объединяющие тропоколлагеновые частицы, имеет условный (гипотетический) характер. Однако, предположение о том, что фибрилла образована из переходных элементов существенно упрощает процесс моделирования и позволяет полнее оценить масштабные соотношения в структуре.
Авторами [9, 10] предложены модели микрофибрилл, состоящие из 4 или 5 молекул тропоколлагена. Также известна графическая модель субфибриллы коллагена, состоящая из 147 молекул тропоколлагена, имеющая диаметр 21 нм [8]. При этом автором не предусматривается наличие микрофибрилл в составе субфибриллы.
С целью объединить выводы разных исследователей, предложена гексагональная модель микрофибриллы с центральным звеном, объединяющая 7 молекул тропоколлагена и имеющая диаметр 4,5 нм, рис. 2.
Рис. 1 - Схема поперечной проек- Рис. 2 - Схема поперечной проекции мик-
ции тропоколлагеновой частицы. рофибриллы коллагена.
Таким образом, модель субфибриллы, описанную в литературе [7] (рис. За), можно разделить на 2І микрофибриллу (рис. Зб-в), каждая из которых состоит из 7 молекул тро-поколлагена, то есть предложенная модель сохраняет количество тропоколлагеновых элементов аналога - І47 (рис. З г).
Рис. З - Схема субфибриллы коллагена
Параллельная агрегация субфибрилл образует фибриллу. Размеры фибрилл доступны для визуального изучения с помощью растровой электронной микроскопии и составляют 50-500 нм по данным разных исследователей. На рис. 4 представлена схема такой структуры с диаметром 100 нм. Для наглядности, составляющие фибриллу субфибриллы, на схеме обозначены контуром.
Фибриллы коллагена в кожном покрове параллельно объединяясь образуют первичные волокна. Отдельные первичные волокна объединяются в жгуты, именуемые также вторичными волокнами. Первичные и вторичные волокна образуют основную пористую структуру кожевенного материала.
При дальнейших графических построениях структурные элементы моделируются не условной криволинейной проекцией, а окружностями соответствующего диаметра. На рис. 5 представлена схема первичного волокна диаметром 5 мкм.
Рис. 4 - Схема фибриллы коллагена Рис. 5 - Схема первичного коллагеново-
го волокна
Схема вторичного волокна, диаметром 100 мкм представлена на рис. 6.
Для моделирования пористой структуры кожевенного материала выбран макроэлемент размером 1 мм х 1 мм. Схема макроэлемента представлена на рис. 7.
Рис. 6 - Схема вторичного коллагенового Рис. 7 - Схема макроэлемента порис-
волокна той структуры
Описан один из возможных методов построения графической модели фибриллярных структур натуральной кожи. Подобная модель полезна при интерпретации данных методов структурного анализа материалов, таких как электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др.
Литература
1. Плаченов, Т.Г. Порометрия/ Т.Г. Плаченов, С.Д. Колосенцев- Л.: Химия, 1988. -176 с.
2. Моделирование пористых материалов. Новосибирск: СО АН СССР, 1976. - 190 с.
3. Черемский, П.Г. Методы исследования пористости твердых тел. М: Энергоатомиздат, 1985. -112 с.
4. Пул, Ч. Нанотехнологии/ Ч. Пул, Ф.Оуэнс- М.: Техносфера, 2005-336с.
5. Зайдес, А.Л. Структура коллагена и ее изменение при обработках. - М.: Ростехиздат, 1960. -283с.
6. Абдуллин, И.Ш. Разработка графической модели микроструктуры натурального кератинсодержащего высокомолекулярного материала / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, И.В. Красина, Л.Р. Джанбекова, Е.А. Панкова// Вестник Казан. технол. университета. - 2009. - № 3. - С. 62-64.
7. Hall C. Introduction to Electron Microscopy, 1963.
8. Ramachandran G., Sasisekharan V. Archives of Biochemistry and Biophysics, 1956, 63, 255.
9. Smith J. Nature, 1969, 219, 157.
10. Luan L., Veis A. Biopolymers, 1973, 12, 1437.
© Э. Ф. Вознесенский - канд. техн. наук, докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, [email protected]; И. В. Красина - д-р техн. наук, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КГТУ, [email protected].
