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胶原蛋白的结构和功能

胶原原纤维和纤维的显微图像。

胶原原纤维和纤维的显微图像。

胶原蛋白是什么?

细胞外基质中最丰富的结缔组织是纤维胶原蛋白。它们主要参与细胞外基质(ECM)和基底膜[13]中纤维和微纤维网络的形成。在ECM中有许多类型的胶原结构,包括原纤维、网络和跨膜胶原结构域。

在人体中,胶原蛋白占合成蛋白质总量的三分之一。它占皮肤干重的四分之三。间质型I、II和III型胶原形成由三条α-链组成的三螺旋结构。严格重复的Gly-X-Y序列允许形成三螺旋构象。到目前为止,已经发现了28种不同类型的胶原蛋白和46种不同的多肽链。

最初人们认为胶原蛋白的功能是有限的;额外蛋白质结构域的发现导致了胶原蛋白的各种已知功能。例如,IV型胶原蛋白更灵活,在基底膜中形成网状结构,而VI型胶原蛋白含有更多的二硫键,这使它们能够形成长而稳定的微纤维。

胶原蛋白表达和功能的探索有助于更好地了解成骨不全、大疱性表皮松解症、Alport综合征和Ehler’s Danlos综合征等疾病。胶原蛋白的网络形成能力有助于支架的形成和组织修复再生,在医疗和化妆品行业有应用[13]。

胶原蛋白和纤维组合的间隙和重叠区域示意图。

胶原蛋白和纤维组合的间隙和重叠区域示意图。

胶原蛋白的结构是什么?

组成胶原蛋白分子的主要残基三联体是Gly-X-Y。X和Y的位置不同空间属性这就导致了残基的变化。例如,较大的侧链优先出现在X位置[10]和large非极性残留也聚在X位置[10,11]。

三螺旋构象倾向于与邻近链的X和Y位置在相似的轴向水平和方向上结合。此属性允许盐桥形成I型胶原蛋白沿着分子均匀分布

这些结果表明,大的非极性残基和亚氨基对的分布与胶原原纤维中分子之间的相互作用有关,疏水相互作用势决定了分子在原纤维[11]中的三维排列。

I型胶原蛋白分子的晶体阵列由间隙区和重叠区组成。在重叠区域,循环集之间的相互作用较强,形成了准六边形填充阵列[11]。由于缺乏对布拉格反射的显著贡献,关于原纤维间隙区域的信息更加难以获得。

布拉格反射的不活跃表明这些部分比重叠区域的部分更具有流动性。这可能有助于胶原蛋白的抗拉强度和柔韧性。

研究发现,与重叠区域相比,间隙区域的流动性增加了四个特性:1)降低了填充密度。2)含有稳定胶原螺旋的亚胺酸残基的三联体含量较低。3)降低羟脯氨酸残基含量,提高变性温度。4)较低浓度的芳香残基可使球状蛋白[9]具有刚性。

合成胶原蛋白在活的有机体内

胶原蛋白的合成是一个多步骤的过程,涉及很多细胞的细胞器.胶原合成的调节基于细胞类型,但其他因素如细胞因子、TGF-β、成纤维细胞生长因子和胰岛素样生长因子也控制合成。

选择性剪接已经报道了各种类型的胶原蛋白可能导致各种多肽链的发现。许多胶原蛋白基因显示出复杂的3-117外显子引子-外显子模式。mRNA在粗糙内质网的核糖体上翻译,并合成成前胶原蛋白分子。

前胶原蛋白分子经过翻译后修饰的多个步骤,包括脯氨酸和赖氨酸残基的羟基化,c -前肽二硫键的形成,c端结构域的排列,最终启动向n端发展的三螺旋结构。进一步的酶,如肽酰脯氨酸顺式反式-异构酶(PPI)和伴侣如HSP47有助于胶原原链的正确折叠。

然后,三螺旋分子被包装进高尔基腔室,形成分泌囊泡,并释放到ECM中。原纤维的ECM形成已经得到了广泛的研究体外。体外。

自我组装的能力被编码在胶原蛋白的结构中。疏水和静电的相互作用被认为会导致聚合成五股原纤维,从而进一步聚合成更大的原纤维。然后,原纤维可以定向成不同类型的平行结构的组织或纤维网,并通过共价交联稳定,这有助于原纤维的弹性[12,13]。胶原蛋白的合成和组装模型概述如下。

胶原蛋白合成与组装模型

胶原蛋白是如何从mRNA组装成纤维的。

胶原蛋白是如何从mRNA组装成纤维的。

人工合成的局限性

利用定量质量作图和电子显微镜研究了细胞介导的纤维组装调节的结构基础。而不是胶原纤维的生长在体外,鸡肌腱中形成的原纤维尖端在轴向质量分布中呈现出一个突变的平台。

当对单个肌腱原纤维进行分析时,可以观察到长度的增长可以独立于直径发生,并涉及到有调节的尖端生长。这可能解释了细胞如何在ECM组装时合成直径非常恒定的长胶原原纤维。然而,在人造胶原蛋白合成中实现恒定的直径一直是一个挑战。

在体外胶原蛋白的合成已显示出良好的效果。人造胶原原纤维具有天然胶原原纤维的某些特性,现在可以通过化学合成和自组装[12]获得。众所周知,原胶原蛋白N和C蛋白酶去除N和C前肽会产生胶原分子,胶原分子可以自组装成原纤维。

一个在体外已经开发了一个系统,其中纯化的前胶原蛋白用前胶原n蛋白酶裂解,得到的pc胶原蛋白与纯化的前胶原c蛋白酶孵育。该系统的一个独特特征是仅从n端向纤维尖端生长。

另一个限制在体外以这种方式合成的原纤维不显示均匀的轴向质量分布,因此不具有均匀直径的轴在活的有机体内胶原原纤维可以[7,8]。

启动一个尽可能准确的自我组装模型可能在组织再生治疗中发挥潜在作用。

胶原蛋白间隙和重叠模型

胶原蛋白间隙和重叠模型

胶原蛋白降解和功能丧失

已知氧化应激促进胶原蛋白降解[3,4]。一项研究观察了344只4-8个月大的雄性大鼠牙龈胶原蛋白密度的退化。Tomarina,将含有消炎成分(吡gnogenol、甘草酸二钾、生育酚乙酸酯、尿囊素、川芎提取物、牡丹提取物)、抗菌成分(氯化十六烷基吡啶)的牙膏涂抹于龈沟,观察大鼠10个月。与对照组[2]水平下降相比,实验组随着年龄的增长,血清氧化应激升高幅度较小,牙龈胶原蛋白未见下降。

该研究结果与多酚的研究结果一致,即多酚具有抗氧化剂的作用,其效果可以降低退行性疾病的风险[1]。需要进行进一步的实验,以确定这些局部应用对老年大鼠群体的影响,因为已知老化细胞中胶原合成减少和对生长因子的反应性丧失在活的有机体内在体外[4]。

另一项研究表明,来自3名新生儿供体(1天大)的真皮成纤维细胞的胶原合成相对基础水平高于4名老年供体暴露和未暴露皮肤[4]。当1天大的新生儿和60- 76岁老人的成纤维细胞在单层和胶原凝胶中培养时,发现胶原凝胶中的光老化成纤维细胞比同一个体中的老化成纤维细胞表现出更多的基础胶原合成,而在单层培养中则表现出类似的基础胶原合成。

在单层培养中,新生成纤维细胞对抗坏血酸的反应性大于光老化和老化成纤维细胞。光老化和老化的成纤维细胞对转化生长因子- β和干扰素- γ的反应似乎与新生成纤维细胞相同,尽管通过光老化或老化细胞[4]下调了胶原蛋白合成的基础水平。

几个在活的有机体内而且在体外研究表明,供体年龄与胶原蛋白合成水平呈反比关系[5,6]。

胶原蛋白的其他功能

特异性受体介导与胶原蛋白的相互作用,如整合素、盘状蛋白结构域受体、糖蛋白VI。信号通路决定细胞的粘附、分化、生长和存活。它们的生物过程可能不限于这些活动。它们在细胞微环境中发挥作用,在生长因子和细胞因子的传递中发挥作用,在器官发育中发挥作用。[13]。

这些重要的性质引起了制药方面的兴趣,并发现了胶原IV, XV和XVIII的非胶原片段,称为基质ryptins,已被证明影响血管生成和肿瘤发生[14]。

胶原蛋白的三维结构

胶原蛋白的三维结构

胶原蛋白简介视频

参考文献

  1. Chiva-Blanch G., Visoli F.,多酚与健康。超越抗氧化剂。J贝瑞保留区。2012;2 (2): 63 - 71
  2. 李志刚,李志刚,等。含有抗氧化、抗炎和抗菌药物的树突酸对大鼠牙龈胶原蛋白降解的抗衰老作用。口腔生物学杂志。2013;59: 60 - 65
  3. 陈志伟,陈志伟,陈志伟,等。氧化应激介导的人RPE细胞MMP-1和MMP-3的诱导《眼科调查与视觉科学杂志》2009;50(11): 495 - 503。
  4. 郑海杰,尹海松,权绍武,等。抗坏血酸、转化生长因子- β和干扰素- γ在三维胶原凝胶培养的人真皮成纤维细胞中合成胶原蛋白的调控是光老化和老化无关的。皮肤科学杂志,1997;15: 188 - 200
  5. 约翰逊B. D.,佩奇R. C.,纳拉亚南A. S.等。供体年龄对体外人二倍体成纤维细胞合成蛋白质和胶原蛋白的影响。实验室调查。1986;55岁:490 - 496
  6. 菲利浦C. L.,康姆斯S. B.,平奈尔S. R.抗坏血酸对人真皮成纤维细胞增殖和胶原合成的影响与供体年龄有关。调查皮肤病学杂志1994;103: 228 - 232
  7. 霍尔姆斯D. F.,格雷厄姆H. K.,卡德勒E. K.在发育中的肌腱中形成的胶原原纤维在生长尖端处表现出早期和突然的直径限制。分子生物学杂志,1998;283: 1049 - 1058
  8. 陈志伟,陈志伟,陈志伟,等。胶原原原c蛋白酶酶切I型胶原蛋白的研究进展。临界浓度实验表明,该过程是经典的熵驱动自组装过程。生物化学杂志,1987;268: 15696 - 15701
  9. 弗雷泽r.d.b.,麦克雷t.p.分子包装在I型胶原原纤维。分子生物学杂志,1987;193: 115 - 125
  10. 胶原分子构象的一些立体化学意义。以色列化学杂志1974;12: 435 - 439
  11. 张志刚,张志刚。胶原蛋白结构设计特征分析。分子生物学杂志,1991;218: 209 - 219
  12. 肩部博士,Rainer T. R.胶原蛋白结构和稳定性。生物化学年度评论。2009;78: 929 - 958
  13. 格尔瑟·K,波施勒·E,艾格纳。,胶原蛋白-结构,功能和生物合成。《先进给药评论》2003;55岁:1531 - 1546
  14. 基底膜胶原非胶原结构域的新功能作用。细胞科学杂志,2002;115: 4201 - 4214

据作者所知,这些内容是准确和真实的,并不意味着要取代来自合格专业人士的正式和个性化的建议。

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