胶原蛋白结构 合成

通过对文章的分析可以了解，成骨不全可以通过常染色体显性遗传，也可以通过常染色体隐形遗传，不管是I型胶原基因的突变还是涉及到修饰初始链、监控分泌途径、装配三螺旋结构的相关基因的突变都是通过影响胶原蛋白的合成而影响其正常结构导致OI表型的。

I型胶原蛋白的结构
在分子结构上，原胶原蛋白是由平行线型链组成，每一线型链由三条扭曲左旋的a-肽链通过链间相互作用紧密结合而形成一极强的右旋三重螺旋（triplehelix）结构（如图1a所示），含有三种结构：螺旋区（由重复的Gly-X-Y 三联体序列构成），非螺旋区（在N端和C端的2个前肽形成非螺旋的结构域）及球形结构域（非螺旋结构域再进一步形成球形结构），后两者即是原胶原蛋白与胶原蛋白的区别。

胶原蛋白的三股螺旋由二条α1（Ⅰ）链及一条α2（Ⅰ）链构成。

每条α链约含1050个氨基酸残基，由重复的Gly-X-Y 三联体序列构成。

其中X、Y是Gly之外的任何氨基酸残基，但X通常是Pro（脯氨酸）,Y通常是不由DNA碱基密码子编码的羟基脯氨酸（Hyp），它是在蛋白质一级结构序列形成之后由特定的酶—脯氨酸-4-羟化酶（P4H）作用于序列中的Pro形成的；另外,还含有一定量的羟赖氨酸（Hyl），它具有与Hyp相类似的作用。

由于Pro 和Hyp的侧链是环形的它们的a-碳和酰胺氮之间的键不能旋转，因此高含量的这些氨基酸残基促进a-肽链螺旋结构的形成和稳定。

在三重螺旋结构中，Gly残基位于螺旋形的中心，而其它具有侧链的氨基酸残基位于螺旋的外侧（如图1b 所示）。

由于三重螺旋结构是一种错位的结构，来自三条肽链的Gly残基沿着螺旋的中心轴堆积。

在三维空间上，一条链上的Gly处于和其它两条链的X 和Y残基相邻的位置，如图1b中，A链上的Gly与C 链上的X和B链上的Y 距离较近。

因此，每个Gly残基的N-H(氮氢键)就与相邻的X残基上的C=O形成氢键。

由于Hyp残基的羟基也参与链间氢键的形成，三重螺旋结构得到了稳定和增强。

对于胶原蛋白而言，真正可发挥其生物功能和力学性能的必须是由三条缠绕的直链组成，成为三重螺旋结构。

胶原蛋白在生物体内的合成与纤维的形成
胶原蛋白在生物体内的合成如图2所示。

I型胶原蛋白的基因长约40kb，包含了52个外显子，编码的单体a肽链包约含1050个氨基酸残基。

单体的原胶原多肽链由粗面内质网（rER）上的核糖体所合成，其前体（pro）a 链上含有1 个22 氨基酸残基的信号肽序列，该信号肽序列为内质网（ER）膜上的信号肽受体所识别，在一些移位子（translocator）
的帮助下穿过ER的膜进入ER 腔中，前体a链上的信号肽被ER 腔中的信号肽酶切割形成原胶原的单体分子。

原胶原分子在分泌出细胞之前，在ER中还要经历一系列翻译后的修饰过程，据报道新合成的原胶原多肽链进入ER腔以后至少受到9 种分子伴侣与酶的作用。

多肽链中的脯氨酸与赖氨酸要被脯氨酸3位羟化酶（P3H）、脯氨酸4位羟化酶（P4H）及赖氨酸4位羟化酶（L4H）有选择性地羟基化,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。

多肽链还需经糖基化作用形成三螺旋结构。

之后三聚体的I型前胶原分子被转运至高尔基体进行寡糖
基修饰。

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。

不同于其他蛋白质合成的特点是胶原蛋白三聚体的形成不是从N端开始而是从C端成核化（nucleation）开始的，然后类似拉链一样形成胶原蛋白的三聚体结构。

ER中的PPI（肽基脯氨酸顺反异构酶）和原胶原特异分子伴侣蛋白Hsp47 则是原胶原三聚体正确构象形成的保证。

小鼠的Hsp基因敲除实验研究显示，Hsp基因敲除后的小鼠发育严重受阻，突变体小鼠平均在出生11.5d 内死亡，剖检发现其间充质组织与基底膜组织中所含有的胶原蛋白分子结构严重异常，根本无法自组装成胶原纤维。

在这些突变的小鼠个体中，几乎没有检测到基底膜组分，由此可见没有Hsp47的协助，I型胶原蛋白无法自发形成一种刚性的三螺旋结构。

在内质网中，Hsp47在帮助原胶原蛋白折叠成正确的构象之后，一直结合在原胶原蛋白分子上，然后通过高尔基体顺面成熟的方式而不是以分泌泡的形式进入高尔基体，接着Hsp47从原胶原三聚体的分子上解离下来，再返回内质网，这个过程中Hsp47上一段叫做ER驻留信号。

经过ER中的伴侣蛋白及一些专一酶的处理，具有正确构象的三股螺旋的原胶原分子在Hsp47的“护送”下进入高尔基体，排列整齐后以分泌小泡的形式分泌到细胞外空间。

具体的Hsp47对三螺旋结构各种影响文献中都有提及，不过大多都在研究过程中，具体机制尚不明了。

原胶原蛋白分泌到胞外后，经羧基肽酶和氨基肽酶的作用下，将C-端和N-端的球状蛋白水解下来,从而形成胶原分子。

胶原分子首尾相随,平行排列而成纤维束，通过共价交联，形成具有抗张强度的胶原原纤,进一步通过分子内或分子间的相互作用聚集成束，成为稳定原纤维的结构。