結構生物化學/膠原蛋白

膠原蛋白簡介
膠原蛋白是哺乳動物中最豐富的蛋白質，也是皮膚、骨骼、肌腱、軟骨和牙齒的主要纖維成分。人類皮膚的乾重超過 1/3 由膠原蛋白組成。這種細胞外蛋白是一種棒狀分子，大約 3000 Å 長，直徑僅 15 Å。至少有 28 種不同的膠原蛋白型別，它們由至少 46 種不同的多肽鏈組成，這些多肽鏈位於椎骨和其他含有膠原蛋白結構域的蛋白質中。膠原蛋白的決定性特徵是它是一種結構蛋白，由三個平行左手聚脯氨酸 II 型螺旋的右手束組成。由於 PPII 螺旋在三螺旋內緊密堆積，每三個殘基（即一個氨基酸）都是 Gly（甘氨酸）。這導致了 XaaYaaGly 序列的重複模式。雖然這種模式出現在所有型別的膠原蛋白中，但在非纖維狀膠原蛋白的三螺旋結構域內某些區域存在一些這種模式的破壞。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-羥脯氨酸 (Hyp, 38%)。這意味著 ProHypGly 序列是膠原蛋白中最常見的三個一組。許多研究一直在努力弄清楚膠原蛋白三螺旋結構的結構以及它們的化學性質如何影響膠原蛋白的穩定性。已經發現，立體電子效應和預組織是決定膠原蛋白穩定性的重要因素。一種稱為 I 型膠原蛋白的膠原蛋白的結構已被詳細揭示。合成人工膠原蛋白原纖維（更小的纖維鏈）現在已經成為可能，並且現在可以包含天然膠原蛋白原纖維所具有的特性。透過不斷了解天然膠原蛋白原纖維的機械和結構特性，將有助於研究設計和開發方法來創造可以應用於我們生活許多方面的（如生物醫學和奈米技術）人工膠原蛋白材料。

膠原蛋白三螺旋結構.

膠原蛋白的結構
膠原蛋白的結構在整個歷史上得到了深入的研究。首先，Astbury 和 Bell 提出了他們的觀點，即膠原蛋白是由一條單一的擴充套件多肽鏈組成的，所有醯胺鍵都處於順式構象。1951 年，其他研究人員正確地確定了α螺旋和β摺疊的結構。鮑林和科裡提出了他們的結構，即三個多肽鏈透過氫鍵以螺旋構象結合在一起。1964 年，Ramachandran 和 Kartha 為膠原蛋白開發了一種先進的結構，即它是三個左手多肽 2 螺旋的右手三螺旋，所有肽鍵都處於反式構象，每個三個一組中有兩個氫鍵。之後，Rich 和 Crick 將該結構細化成今天公認的三螺旋結構，其中每個三個一組包含一個鏈間 N-H(Gly)...O=C(Xaa) 氫鍵，以及具有 28.6 A 軸向重複的十重螺旋對稱性。

功能和多樣性
膠原蛋白存在於所有多細胞生物體中，它不是一種蛋白質，而是一系列結構相關的蛋白質。不同的膠原蛋白具有非常不同的功能。骨骼和牙齒的極其堅硬的結構包含膠原蛋白和磷酸鈣聚合物。在肌腱中，膠原蛋白形成具有高抗拉強度的繩狀纖維，而在皮膚中，膠原蛋白形成鬆散編織的纖維，可以向所有方向擴充套件。不同型別的膠原蛋白以不同的多肽組成來區分。每種膠原蛋白都由三條多肽鏈組成，這些多肽鏈可能完全相同，也可能是兩種不同的鏈。一個 I 型膠原蛋白分子具有 285kDa 的分子量、1.5nm 的寬度和 300nm 的長度。

型別	多肽組成	分佈
I	[alpha 1(I)]2, alpha 2(I)	皮膚、骨骼、肌腱、角膜、血管
II	[alpha 1(II)]3	軟骨、椎間盤
III	[alpha 1(III)]3	胎兒皮膚、血管
IV	[alpha 1(IV)]2, alpha 2(IV)	基底膜
V	[alpha 1(V)]2, alpha 2(V)	胎盤、皮膚

生物合成概述
膠原蛋白多肽由粗麵內質網 (RER) 上的核糖體合成。多肽鏈然後透過 RER 和高爾基體，然後被分泌出去。在此過程中，它會進行翻譯後修飾：Pro 和 Lys 殘基被羥基化，並新增碳水化合物。在分泌之前，三條多肽鏈結合在一起形成三螺旋結構，稱為前膠原蛋白。然後前膠原蛋白被分泌到結締組織的細胞外空間，在那裡 N 和 C 末端的多肽鏈延伸部分（延伸肽）被肽酶去除，形成原膠原蛋白。原膠原蛋白分子聚集並廣泛交聯以生成成熟的膠原蛋白纖維。

三螺旋結構的穩定性
膠原蛋白對動物很重要，因為它包含許多基本特性，例如熱穩定性、機械強度以及與其他分子結合和相互作用的能力。瞭解這些性質如何受到影響需要了解膠原蛋白的結構和穩定性。用其他氨基酸取代 XaaYaaGly 位置的任何氨基酸都會以多種方式影響膠原蛋白的結構和穩定性。

甘氨酸替換
在 XaaYaaGly 序列中取代甘氨酸位置通常會導致疾病，因為它與多種膠原蛋白的三螺旋和非三螺旋結構域的突變有關。對膠原蛋白的破壞性突變是由與三螺旋內最後一個氫鍵相關的 Gly 的取代引起的。例如，取代 Gly 的氨基酸和取代的位置會影響成骨的病理。在膠原蛋白序列的富含脯氨酸的區域中取代 Gly 的破壞性小於在富含脯氨酸的區域中的破壞性。甘氨酸取代引起的時間延遲導致前膠原蛋白鏈過度修飾，從而改變了三螺旋結構的正常狀態，並因此促成了成骨的發展。

高階膠原蛋白結構。

膠原蛋白由從較小的單個 TC 單體單位組成的層級元件組成，這些單位自組裝成大分子纖維。在 I 型膠原蛋白中，單體構成微纖維，然後構成纖維。

纖維結構。
I 型膠原蛋白的 TC 單體有一個奇怪的特徵，即它們在體溫下不穩定，這意味著它們更喜歡無序而不是結構化和有序。問題是如何才能讓不穩定的東西成為像膠原蛋白的三螺旋結構那樣穩定的東西的組成部分。這個問題的答案是膠原蛋白原纖維形成穩定了三螺旋，這意味著當單體結合在一起時，它們具有穩定作用。這有助於膠原蛋白三螺旋結構的強度。

膠原蛋白原纖維形成透過形成稱為微纖維的中間尺寸的原纖維片段而發生。為了理解膠原蛋白原纖維的分子結構，需要回答兩個基本問題。第一個問題是構成微纖維的單個 TC 單體的排列方式。第二個問題是這些微纖維如何構成膠原蛋白原纖維。這些問題很難回答，因為無法分離單個天然微纖維，而成熟的膠原蛋白原纖維的尺寸大和不溶性使得標準技術無法弄清楚其結構。

I 型膠原蛋白纖維 - 透射電鏡

膠原蛋白生物合成（fr）

參考文獻

• David Hames，Nigel Hooper。生物化學。第三版。泰勒與弗朗西斯集團，紐約，2005 年。
• Saad Mohamed (1994) "低解析度結構和使用同步輻射 X 射線的肌腱中膠原蛋白晶體域的堆積研究，結構因子的確定，同構置換方法的評估和其他建模。" 博士論文，格勒諾布林第一大學約瑟夫·傅立葉大學 連結