头发角蛋白展开力学的比较分子动力学表征

角蛋白是毛发纤维的基本结构组成成分，对其机械韧性、弹性和抗断裂性能具有重要贡献。然而，针对不同类型角蛋白展开力学的系统性分子尺度表征仍然有限，这限制了蛋白质层面变形机制与分层毛发纤维力学之间的关联建立。本文建立了一个基于分子动力学的比较研究框架，用于表征经筛选的51种角蛋白数据集中各蛋白的展开行为与纳米力学响应。我们开展了隐式全原子分子动力学（MD）模拟，包括平衡过程以及在四种加速拉伸速度下进行的引导分子动力学（SMD），以量化展开力、能量吸收以及结构—性质关系。这些加速拉伸条件被解释为对分子尺度相对趋势的计算探针，而非对实验毛发纤维应变速率条件的直接再现。在这些加速SMD条件下，模拟结果显示，随着拉伸速率增加，展开力和能量吸收呈现速率敏感性的增长，这与更快分子拉伸过程中分子弛豫受限的现象一致。在较高拉伸速率下，纳米力学性质与分子描述符之间呈现出更强的相关性，同时还比较了不同角蛋白类型（I型和II型）的纳米力学响应。上述发现从分子层面揭示了蛋白质展开机制，这些机制可能对分层角蛋白结构的力学行为产生贡献。本研究建立了一个用于比较角蛋白展开力学的定量框架，为未来毛发纤维行为的多尺度建模提供了分子层面的描述符。这些结果支持其在生物材料设计、毛发纤维耐久性分析以及仿生材料工程中的应用。未来工作将把这些纳米力学描述符与纤维层面力学及基于机器学习的角蛋白设计相结合。

角蛋白是毛发纤维的基本结构组分，对其机械韧性、弹性和抗断裂性能具有重要贡献。然而，针对不同蛋白类型的角蛋白展开力学开展系统性的分子尺度表征仍然较为有限，这限制了将蛋白水平的变形机制与层级化毛发纤维力学联系起来。本文建立了一个基于分子动力学的比较性框架，用于表征经过筛选的51种角蛋白数据集的展开行为和纳米力学响应。我们开展了隐式全原子分子动力学（MD）模拟，包括平衡过程以及在四种加速拉伸速度下的牵引分子动力学（SMD）模拟，以量化展开力、能量吸收以及结构—性质关系。这些加速拉伸条件被解释为用于探测相对分子尺度趋势的计算手段，而非对实验中毛发纤维应变速率条件的直接再现。在这些加速SMD条件下，模拟结果表明，展开力和能量吸收随速率增加而升高，这与更快分子拉伸过程中分子弛豫受限的现象一致。在较高拉伸速率下，纳米力学性质与分子描述符之间呈现出更强的相关性，同时还比较了不同角蛋白类型（I型和II型）的纳米力学响应。这些发现为蛋白质展开机制提供了分子层面的认识，而这些机制可能有助于解释层级化角蛋白结构的力学行为。该研究建立了一个用于比较角蛋白展开力学的定量框架，为未来毛发纤维行为的多尺度建模提供了分子层面的描述符。这些结果支持其在生物材料设计、毛发纤维耐久性分析和仿生材料工程中的应用。未来工作将把这些纳米力学描述符与纤维尺度力学及基于机器学习的角蛋白设计相结合。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.06.730563v1?rss=1

🏷️ 角蛋白 分子动力学 蛋白质展开 纳米力学 毛发纤维 结构-性质关系