《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 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

類型鏈組成分布TypeChain CompositionDistributionⅠ[a1(Ⅰ)]2a2(I)皮膚、骨、肌腱、血管、角膜Ⅱ[a1(Ⅱ)]3軟骨、椎間盤Ⅲ[al(Ⅲ)]3血管、新生兒皮膚

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

組織排列肌腱平行束皮膚多角的纖維片層軟骨無規(guī)則排列角膜交叉排布的光滑片層使光的散身最小化