胶原的生物合成

 

结缔组织中的原胶原分子主要由成纤维细胞合成，软骨中胶原由软骨细胞合成，骨胶原来自成骨细胞，基底膜中胶原则由上皮或内皮细胞合成。胶原的生物合成可分为细胞内和细胞外两大阶段。

图13－8　胶原结构示意图

1.细胞内合成阶段

在结缔组织细胞中，首先是按蛋白质合成的原则先合成一条很长的，约1400个氨基酸残基的肽链，称为溶胶原蛋白，而后转入内质网中进行羟基化和糖基化修饰。

(1)羟基化修饰

胶原分子组成中含有羟脯氨酸和羟赖氨酸，这两种氨基酸并无遗传密码、反密码及tRNA引导入肽链，而是在内质网中，由脯氨酸、赖氨酸残基经羟化生成的。由脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylase)和赖氨酸羟化酶(lysyl hydroxylase)催化，此酶为加单氧酶，需Fe++和维生素C为辅因子，α-酮戊二酸作辅底物。如脯氨酸的羟化反应：

此羟化反应中需分子氧，缺氧会妨碍胶原的生成，因而缺氧可使伤口愈合延迟。而维生素C是维持羟化酶活性所必需的，缺乏维生素C，胶原合成不能形成正常的纤维，可出现皮肤结节，血管脆弱及伤口愈合缓慢等症状。羟化作用对三股螺旋的坚固性有重要作用，羟化不足的链在体温下不能形成坚固的三股螺旋，因而不能从细胞内排出。

(2)糖基化修饰

胶原分子中含有共价连接的糖基，根据组织不同，糖含量可达0.4－12%。其中糖基主要为葡萄糖、半乳糖及它们的双糖。在内质网中由半乳糖基转移酶及葡萄糖基转移酶催化将糖基联于5－羟赖氨酸残基上。

糖基化的作用目前尚未完全阐明，研究发现这些糖基位于胶原纤维中原胶原的接头处。推测糖基化与纤维的定向排列有关。

经羟基化和糖基化修饰的溶胶原蛋白，形成三股螺旋而排出细胞外。

2.细胞外胶原纤维成熟阶段

分泌到细胞外的溶胶原由内切酶作用，水解N―末端和C―末端的附加肽链，形成原胶原蛋白，原胶原分子可在中性pH条件下，借分子间各部分不同电荷的相互吸引而自动聚合成胶原纤维，此种聚合不稳定，经共价交联成网使之进一步固定。�

胶原纤维的共价交联由赖氨酸氧化酶(lysyl oxidase)催化，此酶含Cu++，是参与交联反应过程的唯一酶，能将赖氨酸转变为醛赖氨酸(allysine)ε－醛赖氨酸与另一α－肽链的ε赖氨酸醛醛缩合生成ε－醛赖氨酸醛酸（Allysine aldol)，再与组氨酸反应生成醇醛组氨酸(aldol histidine)，后者再与5－羟赖氨酸进行醛胺缩合形成希夫碱结构(图13－9)可使4条α－肽链间共价交联。

通过共价交联，胶原微纤维的张力加强，韧性增大，溶解度降低，最终形成不溶性的胶原纤维。

图13－9　胶原纤维的交联过程

胶原蛋白分子共价交联对胶原正常功能有重要意义。例如人或动物进食山藜豆所致的山藜豆中毒(lathyrivsm)表现为严重的骨、关节及大血管壁的异常，其发病即因为山藜豆毒素β―氨基丙晴(β―mino propionitrile)

与赖氨酸氧化酶活性位点共价结合而使之失活，从而导致胶原纤维变脆弱。

胶原蛋白与许多人类疾病相关。如骨形成不全(osteogenesis imperfecta)或称脆骨病(brittle bone diesease)，即是由于胶原蛋白生物合成或转录后的修饰作用障碍所致。现已清楚是由于I型胶原突变所致，据突变发生的位置及性质不同，发病的严重性亦不同。此外，有些胶原性疾病涉及多种胶原合成紊乱或合成过程中酶(如赖氨酸羟化酶，赖氨酸氧化酶)活性的异常。如Ehlers�Danlos综合症即有10种以上不同胶原的缺陷，其症状主要为关节过度伸张，皮肤弹性增高、脆弱，血管脆弱及外伤后皮下粘蛋白或皮下脂肪小结形成等，又被称为“印第安橡皮人”(India�rubber man)。