生物化學(xué)與分子生物學(xué):第二節(jié)　膠原蛋白

膠原蛋白(collagen)存在所有多細(xì)胞動物體內(nèi)，是體內(nèi)含量最多的一類蛋白質(zhì)，存在于幾乎所有組織中，是一種細(xì)胞外蛋白質(zhì)，以不溶纖維形式存在，具高度抗張能力，是決定結(jié)締組織韌性的主要因素。

一、膠原蛋白的結(jié)構(gòu)

單個的Ⅰ型膠原分子分子量約285kD，寬14A，長約3000A。由三條多肽鏈組成。哺乳動物個體中有30種不同的多肽鏈構(gòu)成16種不同的膠原，其中最常見的列于表13－3中。

表13－3　膠原的主要類型

圖13－6　膠原的右手超螺旋結(jié)構(gòu)

膠原蛋白的氨基酸組成有如下特征：①甘氨酸幾乎占總氨基酸殘基的三分之一，即每隔兩個其他氨基酸殘基(X，Y)即有一個甘氨酸，故其肽鏈可用(甘－X－Y)n來表示。②含有較多在其他蛋白質(zhì)中少見的羧脯氨酸和羧賴氨酸殘基，也有較多脯氨酸(pro)和賴氨酸。如脯氨酸(Pro)和4—羥脯氨酸(4—hydroxyproline,Hyp)含量高達(dá)15～30%。同時還含有少量3—羥脯氨酸(3hydroxyproline)和5—羥賴氨酸(5—hydroxylysine,Hyl)。羥脯氨酸殘基可通過形成分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定膠原蛋白分子。例如，正常膠原在39℃變性，而在缺乏脯氨酸羥化酶條件下合成的膠原在24℃變性成為白明膠(gelatin)。而羥賴氨酸上可結(jié)合半乳糖－葡萄糖苷，與特定組織功能相關(guān)。如在基底膜膠原(Ⅳ型)中含hyl較多，含糖也較多，可能與基底膜的濾過功能有關(guān)。③膠原中缺乏色氨酸，所以它在營養(yǎng)上為不完全蛋白質(zhì)。

在膠原纖維中，膠原蛋白分子單位稱為原膠原(tropo collagen)。每個原膠原分子由三條α－肽鏈組成，α－肽鏈自身為α螺旋結(jié)構(gòu)，三條α－肽鏈則以平行、右手螺旋形式纏繞成“草繩狀”三股螺旋結(jié)構(gòu)(圖13－6)。肽鏈中每三個氨基酸殘基中就有一個要經(jīng)過此三股螺旋中央?yún)^(qū)，而此處空間十分狹窄，只有甘氨酸適合于此位置，由此可解釋其氨基酸組成中每隔兩個氨基酸殘基出現(xiàn)一個甘氨酸的特點。而且三條α－肽鏈?zhǔn)墙诲e排列的，因而使三條α－肽鏈中的Gly、X、Y殘基位于同一水平上，借Gly中的N－H基與相鄰鏈X殘基上羥基形成牢固的氫鍵(圖13－7)，以穩(wěn)定其分子結(jié)構(gòu)。

原膠原分子平行排列成束，通過共價交聯(lián)，可形成穩(wěn)定的膠原微纖維(microfibvil)，進(jìn)一步行聚集成束，形成膠原纖維。膠原分子通過分子內(nèi)或分子間的交聯(lián)成為不溶性的纖維。因膠原分子氨基酸組成中缺乏半胱氨酸，不可能象角蛋白那樣以二硫鍵相聯(lián)，而是通過組氨酸與賴氨酸間的共價交聯(lián)，一般發(fā)生在膠原分子的C－或N末端之間。

圖13－7　膠原樣多聚體三螺旋軸的C端投影圖

膠原纖維在不同組織中的排列方式與其功能相關(guān)。如在肌腱、皮膚及軟骨，要分別在一維、二維和三維方向承受張力，因而其膠原纖維排列分別為平行束狀，多角的纖維片層及不規(guī)則排列等方式。(表13－4)

表13－4　膠原纖維在不同組織中的排列

二、膠原的生物合成

結(jié)締組織中的原膠原分子主要由成纖維細(xì)胞合成，軟骨中膠原由軟骨細(xì)胞合成，骨膠原來自成骨細(xì)胞，基底膜中膠原則由上皮或內(nèi)皮細(xì)胞合成。膠原的生物合成可分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外兩大階段。

圖13－8　膠原結(jié)構(gòu)示意圖

1.細(xì)胞內(nèi)合成階段

在結(jié)締組織細(xì)胞中，首先是按蛋白質(zhì)合成的原則先合成一條很長的，約1400個氨基酸殘基的肽鏈，稱為溶膠原蛋白，而后轉(zhuǎn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行羥基化和糖基化修飾。

(1)羥基化修飾

膠原分子組成中含有羥脯氨酸和羥賴氨酸，這兩種氨基酸并無遺傳密碼、反密碼及tRNA引導(dǎo)入肽鏈，而是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，由脯氨酸、賴氨酸殘基經(jīng)羥化生成的。由脯氨酸羥化酶(prolylhydroxylase)和賴氨酸羥化酶(lysyl hydroxylase)催化，此酶為加單氧酶，需Fe++和維生素C為輔因子，α-酮戊二酸作輔底物。如脯氨酸的羥化反應(yīng)：

此羥化反應(yīng)中需分子氧，缺氧會妨礙膠原的生成，因而缺氧可使傷口愈合延遲。而維生素C是維持羥化酶活性所必需的，缺乏維生素C，膠原合成不能形成正常的纖維，可出現(xiàn)皮膚結(jié)節(jié)，血管脆弱及傷口愈合緩慢等癥狀。羥化作用對三股螺旋的堅固性有重要作用，羥化不足的鏈在體溫下不能形成堅固的三股螺旋，因而不能從細(xì)胞內(nèi)排出。

(2)糖基化修飾

膠原分子中含有共價連接的糖基，根據(jù)組織不同，糖含量可達(dá)0.4－12%。其中糖基主要為葡萄糖、半乳糖及它們的雙糖。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中由半乳糖基轉(zhuǎn)移酶及葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶催化將糖基聯(lián)于5－羥賴氨酸殘基上。

糖基化的作用目前尚未完全闡明，研究發(fā)現(xiàn)這些糖基位于膠原纖維中原膠原的接頭處。推測糖基化與纖維的定向排列有關(guān)。

經(jīng)羥基化和糖基化修飾的溶膠原蛋白，形成三股螺旋而排出細(xì)胞外。

2.細(xì)胞外膠原纖維成熟階段

分泌到細(xì)胞外的溶膠原由內(nèi)切酶作用，水解N—末端和C—末端的附加肽鏈，形成原膠原蛋白，原膠原分子可在中性pH條件下，借分子間各部分不同電荷的相互吸引而自動聚合成膠原纖維，此種聚合不穩(wěn)定，經(jīng)共價交聯(lián)成網(wǎng)使之進(jìn)一步固定。��

膠原纖維的共價交聯(lián)由賴氨酸氧化酶(lysyloxidase)催化，此酶含Cu++，是參與交聯(lián)反應(yīng)過程的唯一酶，能將賴氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿┵嚢彼?allysine)ε－醛賴氨酸與另一α－肽鏈的ε賴氨酸醛醛縮合生成ε－醛賴氨酸醛酸（Allysinealdol)，再與組氨酸反應(yīng)生成醇醛組氨酸(aldol histidine)，后者再與5－羥賴氨酸進(jìn)行醛胺縮合形成希夫堿結(jié)構(gòu)(圖13－9)可使4條α－肽鏈間共價交聯(lián)。

通過共價交聯(lián)，膠原微纖維的張力加強(qiáng)，韌性增大，溶解度降低，最終形成不溶性的膠原纖維。

圖13－9　膠原纖維的交聯(lián)過程

膠原蛋白分子共價交聯(lián)對膠原正常功能有重要意義。例如人或動物進(jìn)食山藜豆所致的山藜豆中毒(lathyrivsm)表現(xiàn)為嚴(yán)重的骨、關(guān)節(jié)及大血管壁的異常，其發(fā)病即因為山藜豆毒素β—氨基丙晴(β—mino propionitrile)

與賴氨酸氧化酶活性位點共價結(jié)合而使之失活，從而導(dǎo)致膠原纖維變脆弱。

膠原蛋白與許多人類疾病相關(guān)。如骨形成不全(osteogenesis imperfecta)或稱脆骨病(brittle bonediesease)，即是由于膠原蛋白生物合成或轉(zhuǎn)錄后的修飾作用障礙所致�，F(xiàn)已清楚是由于I型膠原突變所致，據(jù)突變發(fā)生的位置及性質(zhì)不同，發(fā)病的嚴(yán)重性亦jfsoft.net.cn/zhuyuan/不同。此外，有些膠原性疾病涉及多種膠原合成紊亂或合成過程中酶(如賴氨酸羥化酶，賴氨酸氧化酶)活性的異常。如Ehlers�睤anlos綜合癥即有10種以上不同膠原的缺陷，其癥狀主要為關(guān)節(jié)過度伸張，皮膚彈性增高、脆弱，血管脆弱及外傷后皮下粘蛋白或皮下脂肪小結(jié)形成等，又被稱為“印第安橡皮人”(India�瞨ubber man)。

三、膠原的分解代謝

膠原纖維由于廣泛的共價交聯(lián)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易被一般蛋白酶水解。體內(nèi)有特異作用于膠原的膠原酶(calagenase)，對其分解起關(guān)鍵作用。此酶在N椂嗽?/4處切斷原膠原，切斷后的碎片可自動變性，經(jīng)細(xì)胞外非特異性蛋白酶及肽酶水解或被細(xì)胞吞噬后由溶酶體酶進(jìn)一步分解，形成小分子寡肽或游離氨基酸。

膠原酶在某些修復(fù)或再生組織如分娩后子宮、重建的骨組織以及愈合的傷口等含量較高，Ca++為其激活劑。血清中α2巨球蛋白能與膠原酶結(jié)合而抑制其活性。膠原酶對溫度十分敏感，36℃時酶活性比30℃大10倍。炎癥局部溫度升高，可能因此加速膠原分解。

膠原分解后產(chǎn)生的寡肽及氨基酸中均含有羥脯氨酸，這在其它蛋白分解產(chǎn)物中少見。因而測定尿中羥脯氨酸或含羥脯氨酸的短肽的含量，可作為判斷體內(nèi)膠原分解的指標(biāo)。