胶原蛋白是一簇具有三螺旋结构且白色透明、无分支的原纤维细胞外基质蛋白,是人体内最丰富的蛋白质,约占总蛋白量的30%。
胶原蛋白是由3条α多肽链组成,在氨基酸残基的相互作用下,以同一轴为中心,以右手螺旋方式形成稳定的三股螺旋结构[1]。
胶原蛋白的螺旋区域是由多个Gly-X-Y的重复序列组成的,X、Y位置可以是任何氨基酸,多为脯氨酸(Pro)和羟脯氨酸(Hyp)[2],其中Pro可以在X或Y位置,而Hyp仅存在于Y的位置上[3]。
Gly-Pro-Hyp是胶原蛋白中最丰富的三螺旋结构,共占胶原蛋白总氨基酸的57%[4],这3种氨基酸对于合成胶原蛋白至关重要。
甘氨酸(Gly)和脯氨酸(Pro)
Gly是化学结构最简单的天然氨基酸,侧链为单个氢原子[5],由于侧链非常小,它可以在胶原蛋白合成中占据其他氨基酸无法占据的空间,比如作为胶原螺旋内的氨基酸,而且Gly还能够将胶原蛋白的水溶性降低100倍,因此Gly是胶原蛋白合成中很重要的氨基酸,约占总氨基酸的1/4-1/3[2]。
Pro是人体内合成蛋白质的18种氨基酸之一,脯氨酸在体内可被转化为羟基赖氨酸和羟脯氨酸,以帮助形成胶原蛋白,Pro还可以刺激细胞迁移,有助于新的组织发育,换句话说,Pro具备改善皮肤屏障、抗氧化和增强新陈代谢的功能,是合成胶原蛋白的另一大关键物质。
胶原蛋白的合成是在成纤维细胞中由氨基酸,主要是Gly和Pro,通过正常的细胞内蛋白合成途径形成的。起始过程发生在核糖体上,核糖体上新合成的胶原蛋白前导链被称为原胶原[6],原胶原进入到粗面内质网中进一步修饰,修饰后的原胶原复合物进入高尔基体用于进一步加工,产生大的电子致密团聚体。在高尔基体内,原胶原被包装成膜结合的囊泡,由成纤维细胞通过胞外分泌进入细胞外空间,在细胞外空间,前胶原的前肽在成熟过程中均被原胶原肽酶裂解,并通过赖氨酸在2条三螺旋链之间形成交联,最后变成成熟的胶原蛋白[7]。
羟脯氨酸(Hyp)
与Gly和Pro不同,Hyp不是合成胶原蛋白的底物,是胶原蛋白的特征氨基酸,它不直接参与胶原蛋白的生物合成,而是通过已经合成的胶原蛋白肽链中的Pro在羟化酶的作用下转化而来的[8,9,10]。
但Hyp对维持胶原蛋白的三螺旋结构是必需的,Hyp上的额外OH会与三螺旋结构中的其他链的氢键结合,从而稳定胶原蛋白结构。
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