NEAR INFRARED AND TWO-DIMENSIONAL CORRELATION INFRARED SPECTROSCOPIC STUDY ON THE HEAT DENATURATION OF COLLAGEN IN AQUEOUS SOLUTION

Abstract

The thermal behaviors of collagen in aqueous solution were studied by in situ near infrared spectroscopy (NIR) and two-dimensional correlation infrared spectroscopy (2D-IR). The spectral data of water molecule and Amide I region fairly provided the dynamic details about the changes of water molecules and imino groups (–NH) in collagen under a temperature evolution from 25 to 54 °C. The splitting of combination bands of water molecule separately at 1455 nm and 1395 nm revealed that there are two different states of water molecules in collagen molecule, the surrounding free water molecules and the structural participating water molecules. Additionally, the two-step phase shift of the combination band of water molecule suggested that the interaction between collagen and water molecule experience two significant changes during the process of thermal denaturation transition. Based on the study of NIR and 2D-IR, a novel molecular model about the micro-changes of collagen from native to thermally denatured state was proposed. In this model, the breaking of hydrogen-bonded –NH groups occurs at first upon heating and the released –NH groups form hydrogen bonds with water molecules immediately to build a new stable water-mediated hydrogen-bonding structure simultaneously. With the increase of temperature, the collagen triple helix collapses gradually, accompanied by the breaking of water-mediated hydrogen bonds of inter-triple helix at 36 °C, and the breaking of intra-helix hydrogen bonds at 48 °C.ResumenLos comportamientos térmicos del colágeno en solución acuosa fueron estudiados in situ por medio de espectroscopia infrarroja cercana (NIR) y con espectroscopia infrarroja de correlación en dos dimensiones (2D-IR). Los datos espectroscópicos de las moléculas de agua y la región de la Amida I casi proveyeron los detalles dinámicos acerca de los cambios sufridos por las moléculas de agua y los grupos iminos (-NH) en colágeno bajo una evolución térmica entre 25 y 54?C. La separación de las bandas combinadas de 1455nm y 1395nm demostraron que hay dos diferentes estados de las moléculas de agua en el colágeno, las moléculas de agua participando en la estructura colagénica y las moléculas libres rodeando el colágeno. Adicionalmente, el desplazamiento en dos pasos de las fases de la banda combinada de las moléculas de agua sugiere que la interacción entre el colágeno y el agua experimenta dos cambios significativos durante el proceso de transición en el proceso de denaturación térmica. Basado en el estudio de las NIR y 2D-IR, un nuevo modelo molecular de los micro cambios del colágeno de estado nativo a térmicamente desnaturalizado, se propone. En este modelo, la ruptura de enlaces de hidrógeno de los -NH grupos se produce en un primer momento después del calentamiento y los grupos -NH liberados forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua inmediatamente para construir una nueva estructura estable de agua por medio de puentes de hidrógeno simultáneamente. Con el aumento de la temperatura, la triple hélice del colágeno colapsa gradualmente, acompañada por la ruptura de los puentes de hidrógeno del agua de la inter triple hélice a 36°C, y la ruptura de los enlaces de hidrógeno dentro de la hélice a 48°C.