膠原蛋白結(jié)構(gòu) 合成

通過(guò)對(duì)文章的分析可以了解，成骨不全可以通過(guò)常染色體顯性遺傳，也可以通過(guò)常染色體隱形遺傳，不管是I型膠原基因的突變還是涉及到修飾初始鏈、監(jiān)控分泌途徑、裝配三螺旋結(jié)構(gòu)的相關(guān)基因的突變都是通過(guò)影響膠原蛋白的合成而影響其正常結(jié)構(gòu)導(dǎo)致OI表型的。I型膠原蛋白的結(jié)構(gòu)在分子結(jié)構(gòu)上，原膠原蛋白是由平行線型鏈組成，每一線型鏈由三條扭曲左旋的a-肽鏈通過(guò)鏈間相互作用緊密結(jié)合而形成一極強(qiáng)的右旋三重螺旋 （triplehelix）結(jié)構(gòu)（如圖1a所示），含有三種結(jié)構(gòu)：螺旋區(qū)（由重復(fù)的 Gly-X-Y 三聯(lián)體序列構(gòu)成），非螺旋區(qū)（在N端和C端的2個(gè)前肽形成非螺旋的結(jié)構(gòu)域）及球形結(jié)構(gòu)域（非螺旋結(jié)構(gòu)域再進(jìn)一步形成球形結(jié)構(gòu)），后兩者即是原膠原蛋白與膠原蛋白的區(qū)別。膠原蛋白的三股螺旋由二條1（）鏈及一條2（）鏈構(gòu)成。每條鏈約含1050個(gè)氨基酸殘基，由重復(fù)的 Gly-X-Y 三聯(lián)體序列構(gòu)成。其中 X、Y是Gly之外的任何氨基酸殘基，但 X通常是 Pro（脯氨酸）,Y通常是不由DNA堿基密碼子編碼的羥基脯氨酸（Hyp），它是在蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)序列形成之后由特定的酶脯氨酸-4-羥化酶 （P4H） 作用于序列中的Pro形成的；另外,還含有一定量的羥賴氨酸（Hyl），它具有與 Hyp相類似的作用。由于Pro和Hyp的側(cè)鏈?zhǔn)黔h(huán)形的它們的a-碳和酰胺氮之間的鍵不能旋轉(zhuǎn) ，因此高含量的這些氨基酸殘基促進(jìn)a-肽鏈螺旋結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定。在三重螺旋結(jié)構(gòu)中，Gly殘基位于螺旋形的中心，而其它具有側(cè)鏈的氨基酸殘基位于螺旋的外側(cè) （如圖 1b 所示） 。由于三重螺旋結(jié)構(gòu)是一種錯(cuò)位的結(jié)構(gòu)，來(lái)自三條肽鏈的 Gly殘基沿著螺旋的中心軸堆積。在三維空間上，一條鏈上的Gly處于和其它兩條鏈的 X 和 Y殘基相鄰的位置，如圖 1b中，A鏈上的Gly與 C 鏈上的X和 B鏈上的Y距離較近。因此，每個(gè)Gly殘基的N-H(氮?dú)滏I)就與相鄰的X殘基上的C=O形成氫鍵。由于Hyp殘基的羥基也參與鏈間氫鍵的形成，三重螺旋結(jié)構(gòu)得到了穩(wěn)定和增強(qiáng)。對(duì)于膠原蛋白而言，真正可發(fā)揮其生物功能和力學(xué)性能的必須是由三條纏繞的直鏈組成，成為三重螺旋結(jié)構(gòu)。膠原蛋白在生物體內(nèi)的合成與纖維的形成膠原蛋白在生物體內(nèi)的合成如圖2所示。I型膠原蛋白的基因長(zhǎng)約40kb，包含了52個(gè)外顯子，編碼的單體a肽鏈包約含1050個(gè)氨基酸殘基。單體的原膠原多肽鏈由粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（rER）上的核糖體所合成，其前體（pro）a 鏈上含有1 個(gè) 22 氨基酸殘基的信號(hào)肽序列，該信號(hào)肽序列為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ ER）膜上的信號(hào)肽受體所識(shí)別， 在一些移位子（translocator）的幫助下穿過(guò)ER的膜進(jìn)入ER 腔中， 前體a鏈上的信號(hào)肽被 ER 腔中的信號(hào)肽酶切割形成原膠原的單體分子。原膠原分子在分泌出細(xì)胞之前， 在 ER中還要經(jīng)歷一系列翻譯后的修飾過(guò)程， 據(jù)報(bào)道新合成的原膠原多肽鏈進(jìn)入ER腔以后至少受到 9 種分子伴侶與酶的作用。多肽鏈中的脯氨酸與賴氨酸要被脯氨酸3位羥化酶（P3H） 、 脯氨酸4位羥化酶（P4H） 及賴氨酸4位羥化酶（L4H）有選擇性地羥基化, 羥化作用對(duì)三股螺旋的堅(jiān)固性有重要作用，羥化不足的鏈在體溫下不能形成堅(jiān)固的三股螺旋，因而不能從細(xì)胞內(nèi)排出。多肽鏈還需經(jīng)糖基化作用形成三螺旋結(jié)構(gòu)。之后三聚體的I型前膠原分子被轉(zhuǎn)運(yùn)至高爾基體進(jìn)行寡糖基修飾。糖基化的作用目前尚未完全闡明，研究發(fā)現(xiàn)這些糖基位于膠原纖維中原膠原的接頭處。推測(cè)糖基化與纖維的定向排列有關(guān)。不同于其他蛋白質(zhì)合成的特點(diǎn)是膠原蛋白三聚體的形成不是從N端開(kāi)始而是從C端成核化（nucleation） 開(kāi)始的， 然后類似拉鏈一樣形成膠原蛋白的三聚體結(jié)構(gòu)。ER中的PPI（肽基脯氨酸順?lè)串悩?gòu)酶）和原膠原特異分子伴侶蛋白Hsp47 則是原膠原三聚體正確構(gòu)象形成的保證。小鼠的Hsp基因敲除實(shí)驗(yàn)研究顯示， Hsp基因敲除后的小鼠發(fā)育嚴(yán)重受阻， 突變體小鼠平均在出生11.5d 內(nèi)死亡，剖檢發(fā)現(xiàn)其間充質(zhì)組織與基底膜組織中所含有的膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)嚴(yán)重異常，根本無(wú)法自組裝成膠原纖維。在這些突變的小鼠個(gè)體中，幾乎沒(méi)有檢測(cè)到基底膜組分，由此可見(jiàn)沒(méi)有Hsp47的協(xié)助，I型膠原蛋白無(wú)法自發(fā)形成一種剛性的三螺旋結(jié)構(gòu)。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，Hsp47在幫助原膠原蛋白折疊成正確的構(gòu)象之后， 一直結(jié)合在原膠原蛋白分子上，然后通過(guò)高爾基體順面成熟的方式而不是以分泌泡的形式進(jìn)入高爾基體，接著Hsp47從原膠原三聚體的分子上解離下來(lái)，再返回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，這個(gè)過(guò)程中Hsp47上一段叫做ER駐留信號(hào)。經(jīng)過(guò)ER中的伴侶蛋白及一些專一酶的處理， 具有正確構(gòu)象的三股螺旋的原膠原分子在Hsp47的“ 護(hù)送” 下進(jìn)入高爾基體， 排列整齊后以分泌小泡的形式分泌到細(xì)胞外空間。具體的Hsp47對(duì)三螺旋結(jié)構(gòu)各種影響文獻(xiàn)中都有提及，不過(guò)大多都在研究過(guò)程中，具體機(jī)制尚不明了。原膠原蛋白分泌到胞外后，經(jīng)羧基肽酶和氨基肽酶的作用下，將 C-端和 N-端的球狀蛋白水解下來(lái),從而形成膠原分子。膠原分子首尾相隨,平行排列而成纖維束，通過(guò)共