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对人体有益的I型胶原蛋白的结构与功能
2017-1-18 阅读(3971)
胶原蛋白的种类及其在组织中的分布根据其结构，可以分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚定胶原、六边网状胶原、非纤维胶原、跨膜胶原等。根据它们在体内的分布和功能特点，可以将胶原分成间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子。
I型胶原的序列结构 I型胶原分子含有3条α 多肽链每条链含有1000多个氨基酸不同的脊椎动物I型胶原α 链的氨基酸序列结构只有微小的差别。 α 多肽链中每3个氨基酸序 胶原类型 组织分布 I 型 皮肤、骨、角膜、肌腱、肿瘤 Ⅱ型 软骨、玻璃体 Ⅲ型 皮肤、子宫壁、血管壁 Ⅳ型 基底膜、胎盘 V 型 皮肤、胎盘、羊膜 Ⅵ型 子宫壁、皮肤、角膜 Ⅶ 型 羊膜、皮肤 Ⅶ 型 内皮细胞 Ⅸ型 软骨 x 型 软骨 Ⅺ 型 软骨、脊椎盘 Ⅻ 型 皮肤、腱 xⅢ型 内皮细胞 列组成中就有一个重复的甘氨酸因为甘氨酸有zui小的侧链基团这样的序列结构使α 链间的距离缩短、 空间zui小链与链间紧靠在一起形成的螺旋结构更稳定。大约有35%的重复结构单元Gly-X-Y中的X和Y残基分别为脯氨酸和羟脯氨酸。 羟脯氨酸是由脯氨酸被脯氨酰羟化酶羟基化作用后演变而来的其羟基对于氢键的形成以及三股螺旋结构的稳定都是必需的。 羟脯氨酸在胶原的氨基酸组成中含有大约10%的量其含量可用于定量测定胶原。此外I型胶原的螺旋和非螺旋结构区还含有赖氨酸和羟赖氨酸与羟脯氨酸的形成类似羟赖氨酸是在内质网内通过赖氨酰羟化酶的作用由赖氨酸的羟基化作用而形成的。赖氨酸和羟赖氨酸残基的共价交联有利于胶原分子三股螺旋结构的稳定同时羟赖氨酸的形成有利于糖组分的吸收，可以发生半乳糖化或葡萄糖半乳糖化通过羟赖氨酸残基位点发生O-糖基化。
1.2 结构
胶原与大多数合成聚合物相比具有*的生理和生物特性这主要来源于胶原分子结构的复杂性。I型胶原每一条α 链形成左手螺旋每个螺旋结构区大小约0.87nm3条α 链又相互缠绕形成右手螺旋结构每个螺旋结构区大小约8.6nm三股螺旋形成的胶原分子平均分子量约300kDα长度300nm直径1.5nm。三股螺旋分子间以一定间距、呈纵向对称交错排列形成原纤维。 分子间交错距离为67nm纵向相邻分子间距为40nm。胶原原纤维再聚集形成纤维然后再形成更大的纤维束。 三股螺旋分子的有序聚集使胶原纤维具有一定的强度和韧性。 (α)氨基酸序列结构 1 条 α 链的左手螺旋结构和 3 条 α 链形成的右手三股螺旋结构 (c)原纤维的聚集结。
2.1 生物医学材料与临床应用
由胶原制成的手术缝合线既有与天然丝一样的高强度又有可吸收性在使用时既有优良的血小板凝聚性能止血效果好又有较好的平滑性和弹性缝合结头不易松散操作过程中不易损伤机体组织。胶原于不同的细胞之间存在很强的亲和力与在伤口的愈合过程中起到关键作用的生长因子间也有着特殊的亲和力在血液凝固后还可以通过刺激组织的再生与修复来防止再次发生出血所以胶原可以作为凝血材料。 同时用合成材料或胶原蛋白在血浆代用品、 人造皮肤、人工血管、 骨的修复和人工骨和固定化酶的载体等方面的研究和应用方面都十分的广泛。
2.2 美容与保健
胶原蛋白由动物皮提取皮中除胶原蛋白外还含有透明质酸、硫酸软骨素等蛋白多糖它们含有大量极性基团是保湿因子且有阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素的作用故胶原蛋白有保湿、美白、防皱、祛斑等作用可广泛应用于美容、美肤、美发用品中。胶原蛋白的美容功能主要是保湿作用、修复皮肤、美白作用、润泽头发它的保健功能主要体现在减肥、降压、降血脂、补钙和排出体内的铝。
2.3 在食品中应用
胶原蛋白在食品中有两方面的应用一是功能二是营养。人们食用含胶原蛋白丰富的食品能有效地增加皮肤组织细胞的储水能力增强和维持肌肤良好的弹性延缓肌体的衰老同时还可强筋健骨增强体质。利用胶原蛋白的成膜性可将其用作固化酶的膜材料和肉食品标签现已经在欧洲实际应用胶原蛋白可作为食品粘合剂合成纤维膜用作肉类、鱼类等的包装纸。此外胶原蛋白还可作为食品保护层具有抗氧化性可保持肉食品的颜色鲜亮。
2.4 在其他工业的应用
制革工艺过程中剩下的废弃物中含有丰富的胶原蛋白可以提取出来用作饲料的动物蛋白资源实现资源利用同时近年来胶原蛋白在造纸工业、 制革工业、Et用化工业等轻工业中也有越来越多的应用。随着研究技术的不断发展和进步对于胶原蛋白的研究也将继续的深入胶原蛋白也将应用的更加广泛。
3 利用转基因生物反应器生物试剂胶原蛋白
3.1 转基因生物反应器
转基因生物反应器通常利用以下生物体为材料细菌(主要是大肠杆菌)、酵母(毕赤酵母、酿酒酵母)、单细胞藻类、昆虫细胞、哺乳动物细胞、哺乳动物的转基因反应器(奶牛、奶山羊、兔、豚鼠、大鼠或小鼠)以及动物膀胱上皮细胞反应器。 由于细菌繁殖快且培养条件要求低因此是转基因生物反应器的材料。目前有不少药用蛋白在大肠杆菌中成功地进行了转基因表达并且实现了工业化生物试剂如人胰岛素、干扰素及蛋白酶抑制剂等。然而大肠杆菌有个致命的缺陷即大肠杆菌表达系统无法进行蛋白翻译后修饰，对于一些具有构象的人的药用蛋白利用大肠杆菌表达后无法糖基化。同时由于大肠杆菌是原核生物没有ER因此也没有能帮助蛋白质折叠成构象的分子伴侣蛋白及一些修饰合成蛋白如羟基化、形成二硫键的酶。另外大肠杆菌表达的产物在分离时如稍有疏忽就会含有一些热原甚至还可能混有大肠杆菌自身的内毒素这些都是潜在的隐患。胶原蛋白这种复杂的蛋白在大肠杆菌表达系统中表达显然是无法形成结构的。 酵母作为一种真核生物自然具备分子伴侣蛋白以及一些糖基化、羟基化、 乙酰基化的酶对于一些具有结构的蛋白及需要在合成后修饰的蛋白是比较理想的而且酵母细胞的培养条件也较哺乳动物细胞低得多非常适宜于大规模的工业化发酵生物试剂。目前国内生物试剂的乙肝疫苗都是利用酵母生物试剂的。然而酵母系统对于翻译后加工的蛋白并非*等同于哺乳动物因而由酵母系统所生物试剂的重组蛋白可能会有一些不符合要求的特性如免疫原性、活性低等。活性低可能是由于重组蛋白侧链残基上的糖基化程度太高所致。 至于以昆虫细胞作为表达系统来生物试剂转基因重组蛋白目前还处于实验室水平虽然有些表达系统的产量很可观。这一系统的糖基化形式很特别相比较 而言杆状病毒系统更加适合实验室水平的生物试剂。哺乳动物细胞是生物试剂一些哺乳动物药用蛋白的的系统但它的培养条件将其局限在实验室的水平上。在生物试剂成本、所需设备与时间、生物试剂管理、产物的纯化提取等方面转基因哺乳动物的反应器都具有无比的*性。有数据表明建立一个10000L规模的哺乳动物细胞反应器要用时3-5年花费2.5亿-5.0亿美元而以一个大型哺乳动物的作为反应器的转基因 “生物农场” zui多花费不超过8000万美元甚至更少。
鉴于上述优点转基因生物反应器已经是当前开发的热点目前由表达转基因重组蛋白的量有的可以达到每升几克的水平。首先是转基因的牛或者羊从出生到性成熟能泌乳需要较长的时间其次还有泌乳周期的间断问题对于较小的动物如兔、大鼠虽然周期短但是泌乳量又受到限制而像胰岛素、白细胞介素、肿瘤坏死因子等药物蛋白对动物体自身也有毒副作用当其在中高水平表达时可能通过组织周围的微血管被重新吸收对动物体本身严重不利严重的还会造成动物死亡，这就限制了这些蛋白只能以前体或者非活性的形式在中表达。虽然转基因生物反应器还存在一些问题且目前的技术手段还无法克服但是综合生物反应器的优点用其生物试剂功能蛋白的前景还是美好的毕竟还没有一种生物反应器更具有*性与吸引力。
3.2 利用转基因生物反应器生物试剂胶原蛋白
胶原蛋白是结构蛋白与其他一些功能蛋白相比胶原蛋白对于宿主本身是很温和的至少不会因为被宿主本身吸收而对宿主产生毒副作用。早在1987年Schnieke等就将人I型原胶原蛋白[Proα1(I)]基因导入到Proα1(I)缺陷的鼠Mov-13细胞系中[此细胞系正常表达Proα2(I)]获得了具有正常功能的人鼠杂合的I型胶原蛋白。 Toman等则在酿酒酵母中同时表达了4种基因即Proα(I)、 Proα2 (I)和P4H酶的2种亚基的基因获得了稳定表达的重组人I型原胶原蛋白异源三聚体。1999年有报道将完整胶原蛋白的Proα1(I)与Proα2(I)基因转入小鼠并在小鼠中表达。Toman等也获得了转Proα1(I)原胶原基因的小鼠中表达的原胶原量已达到8 mgmL且所获得的原胶原蛋白能够形成同源三聚体的 结构但不足的是Pro与Lys残基羟基化程度不够。同源三聚体的I型胶原蛋白与成纤维原的I型胶原蛋白异源三聚体有相似的Tm 值且长度相似在正常的组织中有I型原胶原蛋白同源三聚体存在的现象。 John等在小鼠中表达了Proa2(I)与P4H的d与B亚基的基因在中获得的原胶原的产量达到50-200txgmL原胶原上的脯氨酸残基羟基化程度与生物体正常的原胶原一致并能形成同源三聚体结构还有热稳定的三螺旋结构域。但是Toman和John等在小鼠中获得的都是成熟胶原的前体形式---原胶原。以这样的形式在中表达分泌蛋白是优是劣还不能一概而论，就是对于胶原这样的结构蛋白而言也很难加以评判。因为成熟的胶原蛋白的溶解度要比原胶原低几个数量级所以在中分泌不会对宿主本身造成麻烦，但问题是以前体的形式分泌要想成品化还要通过N端、C端蛋白酶的消化以去掉前肽。
迄今，I型胶原蛋白的转基因生物试剂还处在实验室的规模还没有在大的家畜(奶牛或者奶山羊)中表达的报道。然而面对日益增长的对胶原蛋白的需求在牛或者羊的中生物试剂I型胶原蛋白势在必行目前作者所在实验室正着手这方面的研究。虽然生物反应器生物试剂蛋白还有很多问题需解决但是随着技术水平的进步新技术平台的不断出现这些问题也会迎刃而解。由于生物反应器生物试剂的重组人的药用和食甩蛋白是在zui接近人体自然状态下合成的，所以有着很大的潜力和商业价值。在不久的将来有很大一部分的人源性的药用或食用蛋白会在生物反应器中得到生物试剂。
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