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胶原蛋白分子结构

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单个胶原蛋白分子,原胶原蛋白可用于构成较大的胶原蛋白聚集体,例如原纤维。它长约300 nm、直径1.5 nm,由三条多肽链组成,每条多肽链均具有左手螺旋的构象-请勿将其与右手的alpha螺旋。这三个左手螺旋被扭曲成一个右手三重螺旋或“超级螺旋”,这是一个由许多键稳定的协同四级结构。对于I型胶原蛋白,可能还有所有的原纤维胶原蛋白(如果不是全部的话),每个三重螺旋会结合成一个右手的超级超螺旋,称为胶原微纤维。每个微纤丝与其相邻的微纤丝相互交叉的程度可能表明它们是个别不稳定的,尽管在胶原纤丝中,它们是如此有序以至于结晶。

胶原蛋白的一个显着特征是这些胶原蛋白亚基的三个链中每个氨基酸的规则排列。该序列通常遵循Gly-Pro-X或Gly-X-Hyp模式,其中X可以是各种其他氨基酸残基中的任何一个。脯氨酸或羟脯氨酸约占总序列的1/6。甘氨酸占序列的1/3,这意味着大约一半的胶原序列不是甘氨酸,脯氨酸或羟脯氨酸,由于不寻常的GX 1 X 2的干扰,经常会遗漏这一事实α-肽的特征。胶原蛋白的高甘氨酸含量对于胶原蛋白螺旋的稳定化是重要的,因为这允许分子内的胶原蛋白纤维非常紧密地缔合,从而促进氢键和分子间交联的形成。这种规则的重复和高甘氨酸含量仅在少数其他纤维蛋白发现,例如丝素蛋白。

胶原蛋白分子结构

胶原不仅是一种结构蛋白。由于其在确定细胞表型、细胞粘附、组织调节和基础设施方面的关键作用,因此其富含非脯氨酸的区域的许多部分都具有细胞或基质的缔合/调节作用。脯氨酸和羟脯氨酸环的含量相对较高,具有受几何约束的羧基和(仲)氨基,以及丰富的甘氨酸,这说明单个多肽链会自发形成左旋螺旋的趋势,而没有任何链内氢键。

因为甘氨酸是没有侧链的最小氨基酸,所以它在纤维结构蛋白中起着独特的作用。在胶原蛋白中,每三个位置都需要Gly,因为三螺旋的组装将残基置于螺旋的内部(轴),在该内部没有比甘氨酸的单个氢原子更大的侧基的空间。出于相同的原因,Pro和Hyp的环必须朝外。这两个氨基酸有助于稳定三重螺旋,Hyp比Pro更为稳定。诸如鱼等动物的体温需要较低的浓度低于大多数温血动物。脯氨酸和羟脯氨酸含量较低是冷水鱼类的特征,但不是温水鱼类的特征。后者的脯氨酸和羟脯氨酸含量往往与哺乳动物相似。冷水鱼和其他Poikilotherm动物的脯氨酸和羟脯氨酸含量较低,导致其胶原蛋白的热稳定性低于哺乳动物胶原蛋白。这种较低的热稳定性意味着源自鱼胶原蛋白的明胶不适合许多食品和工业应用。

原胶原蛋白亚基自发自组装,具有规则的交错末端,在组织的细胞外空间甚至更大的阵列。额外的原纤维组装是由成纤维细胞引导的,成纤维细胞从成纤维细胞沉积完全形成的原纤维。在原纤维胶原蛋白中,分子与相邻分子错开约67  nm(一个称为“ D”的单位,并根据聚集体的水合状态而变化)。在微纤维的每个D周期重复中,一部分包含五个分子的横截面,称为“重叠”,一部分仅包含四个分子,称为“间隙”。这些重叠和间隙区域在微纤维组装成纤维时得以保留,因此可以使用电子显微镜观察。微原纤维中的三重螺旋对流胶原以准六边形堆积模式排列。

在三重螺旋内有一些共价交联,并且在原胶原蛋白螺旋之间形成了组织良好的聚集体(例如原纤维)的共价交联量可变。借助于几种不同类型的蛋白质(包括不同的胶原蛋白类型),糖蛋白和蛋白聚糖形成较大的原纤维束,从而由相同关键参与者的交替组合形成不同类型的成熟组织。胶原蛋白的不溶性是单体胶原蛋白研究的障碍,直到发现幼仔中的胶原蛋白可以被提取,因为它尚未完全交联。。但是,显微镜技术(即电子显微镜(EM)和原子力显微镜(AFM))和X射线衍射技术的进步使研究人员能够就地获得越来越详细的胶原蛋白结构图像。这些后来的进展对于更好地了解胶原蛋白结构如何影响细胞与细胞和细胞与基质的通讯以及组织在生长和修复中的构造以及在发育和疾病中的变化特别重要。例如,使用基于AFM的纳米压痕技术,已显示单个胶原纤维在其轴向上是异质材料,其间隙和重叠区域的机械性能显着不同,这与这两个区域的不同分子组织相关。

胶原蛋白原纤维/聚集体在各种组织中以不同的组合和浓度排列以提供不同的组织特性。在骨骼中,整个胶原蛋白三重螺旋呈平行、交错排列。原胶原蛋白亚基末端之间的40 nm间隙(大约等于间隙区域)可能是成核位点,用于沉积长而坚硬的矿物成分细晶体,该晶体是羟磷灰石(大约)Ca 10(OH)2(PO 46。I型胶原蛋白赋予骨骼抗张强度。


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