结构生物化学/胶原蛋白

胶原蛋白简介
胶原蛋白是哺乳动物中最丰富的蛋白质，也是皮肤、骨骼、肌腱、软骨和牙齿的主要纤维成分。人类皮肤的干重超过 1/3 由胶原蛋白组成。这种细胞外蛋白是一种棒状分子，大约 3000 Å 长，直径仅 15 Å。至少有 28 种不同的胶原蛋白类型，它们由至少 46 种不同的多肽链组成，这些多肽链位于椎骨和其他含有胶原蛋白结构域的蛋白质中。胶原蛋白的决定性特征是它是一种结构蛋白，由三个平行左手聚脯氨酸 II 型螺旋的右手束组成。由于 PPII 螺旋在三螺旋内紧密堆积，每三个残基（即一个氨基酸）都是 Gly（甘氨酸）。这导致了 XaaYaaGly 序列的重复模式。虽然这种模式出现在所有类型的胶原蛋白中，但在非纤维状胶原蛋白的三螺旋结构域内某些区域存在一些这种模式的破坏。取代序列中 Xaa 的氨基酸最可能是 (2S) -脯氨酸 (Pro, 28%)。Yaa 位置最可能的替代氨基酸是 (2s,4R)- 4-羟脯氨酸 (Hyp, 38%)。这意味着 ProHypGly 序列是胶原蛋白中最常见的三个一组。许多研究一直在努力弄清楚胶原蛋白三螺旋结构的结构以及它们的化学性质如何影响胶原蛋白的稳定性。已经发现，立体电子效应和预组织是决定胶原蛋白稳定性的重要因素。一种称为 I 型胶原蛋白的胶原蛋白的结构已被详细揭示。合成人工胶原蛋白原纤维（更小的纤维链）现在已经成为可能，并且现在可以包含天然胶原蛋白原纤维所具有的特性。通过不断了解天然胶原蛋白原纤维的机械和结构特性，将有助于研究设计和开发方法来创造可以应用于我们生活许多方面的（如生物医学和纳米技术）人工胶原蛋白材料。

胶原蛋白三螺旋结构.

胶原蛋白的结构
胶原蛋白的结构在整个历史上得到了深入的研究。首先，Astbury 和 Bell 提出了他们的观点，即胶原蛋白是由一条单一的扩展多肽链组成的，所有酰胺键都处于顺式构象。1951 年，其他研究人员正确地确定了α螺旋和β折叠的结构。鲍林和科里提出了他们的结构，即三个多肽链通过氢键以螺旋构象结合在一起。1964 年，Ramachandran 和 Kartha 为胶原蛋白开发了一种先进的结构，即它是三个左手多肽 2 螺旋的右手三螺旋，所有肽键都处于反式构象，每个三个一组中有两个氢键。之后，Rich 和 Crick 将该结构细化成今天公认的三螺旋结构，其中每个三个一组包含一个链间 N-H(Gly)...O=C(Xaa) 氢键，以及具有 28.6 A 轴向重复的十重螺旋对称性。

功能和多样性
胶原蛋白存在于所有多细胞生物体中，它不是一种蛋白质，而是一系列结构相关的蛋白质。不同的胶原蛋白具有非常不同的功能。骨骼和牙齿的极其坚硬的结构包含胶原蛋白和磷酸钙聚合物。在肌腱中，胶原蛋白形成具有高抗拉强度的绳状纤维，而在皮肤中，胶原蛋白形成松散编织的纤维，可以向所有方向扩展。不同类型的胶原蛋白以不同的多肽组成来区分。每种胶原蛋白都由三条多肽链组成，这些多肽链可能完全相同，也可能是两种不同的链。一个 I 型胶原蛋白分子具有 285kDa 的分子量、1.5nm 的宽度和 300nm 的长度。

类型	多肽组成	分布
I	[alpha 1(I)]2, alpha 2(I)	皮肤、骨骼、肌腱、角膜、血管
II	[alpha 1(II)]3	软骨、椎间盘
III	[alpha 1(III)]3	胎儿皮肤、血管
IV	[alpha 1(IV)]2, alpha 2(IV)	基底膜
V	[alpha 1(V)]2, alpha 2(V)	胎盘、皮肤

生物合成概述
胶原蛋白多肽由粗面内质网 (RER) 上的核糖体合成。多肽链然后通过 RER 和高尔基体，然后被分泌出去。在此过程中，它会进行翻译后修饰：Pro 和 Lys 残基被羟基化，并添加碳水化合物。在分泌之前，三条多肽链结合在一起形成三螺旋结构，称为前胶原蛋白。然后前胶原蛋白被分泌到结缔组织的细胞外空间，在那里 N 和 C 末端的多肽链延伸部分（延伸肽）被肽酶去除，形成原胶原蛋白。原胶原蛋白分子聚集并广泛交联以生成成熟的胶原蛋白纤维。

三螺旋结构的稳定性
胶原蛋白对动物很重要，因为它包含许多基本特性，例如热稳定性、机械强度以及与其他分子结合和相互作用的能力。了解这些性质如何受到影响需要了解胶原蛋白的结构和稳定性。用其他氨基酸取代 XaaYaaGly 位置的任何氨基酸都会以多种方式影响胶原蛋白的结构和稳定性。

甘氨酸替换
在 XaaYaaGly 序列中取代甘氨酸位置通常会导致疾病，因为它与多种胶原蛋白的三螺旋和非三螺旋结构域的突变有关。对胶原蛋白的破坏性突变是由与三螺旋内最后一个氢键相关的 Gly 的取代引起的。例如，取代 Gly 的氨基酸和取代的位置会影响成骨的病理。在胶原蛋白序列的富含脯氨酸的区域中取代 Gly 的破坏性小于在富含脯氨酸的区域中的破坏性。甘氨酸取代引起的时间延迟导致前胶原蛋白链过度修饰，从而改变了三螺旋结构的正常状态，并因此促成了成骨的发展。

高阶胶原蛋白结构。

胶原蛋白由从较小的单个 TC 单体单位组成的层级组件组成，这些单位自组装成大分子纤维。在 I 型胶原蛋白中，单体构成微纤维，然后构成纤维。

纤维结构。
I 型胶原蛋白的 TC 单体有一个奇怪的特征，即它们在体温下不稳定，这意味着它们更喜欢无序而不是结构化和有序。问题是如何才能让不稳定的东西成为像胶原蛋白的三螺旋结构那样稳定的东西的组成部分。这个问题的答案是胶原蛋白原纤维形成稳定了三螺旋，这意味着当单体结合在一起时，它们具有稳定作用。这有助于胶原蛋白三螺旋结构的强度。

胶原蛋白原纤维形成通过形成称为微纤维的中间尺寸的原纤维片段而发生。为了理解胶原蛋白原纤维的分子结构，需要回答两个基本问题。第一个问题是构成微纤维的单个 TC 单体的排列方式。第二个问题是这些微纤维如何构成胶原蛋白原纤维。这些问题很难回答，因为无法分离单个天然微纤维，而成熟的胶原蛋白原纤维的尺寸大和不溶性使得标准技术无法弄清楚其结构。

I 型胶原蛋白纤维 - 透射电镜

胶原蛋白生物合成（fr）

参考文献

• David Hames，Nigel Hooper。生物化学。第三版。泰勒与弗朗西斯集团，纽约，2005 年。
• Saad Mohamed (1994) "低分辨率结构和使用同步辐射 X 射线的肌腱中胶原蛋白晶体域的堆积研究，结构因子的确定，同构置换方法的评估和其他建模。" 博士论文，格勒诺布尔第一大学约瑟夫·傅立叶大学 链接