胶原蛋白结构组成及生物合成流程包括哪些？

性质优、应用广，规模化生产推进中。

胶原蛋白为人体重要的结构蛋白，分步广泛、全方位参与人体组织器官 的修复和再生。胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的主要组成成分，是人 体组织器官的主要结构蛋白，约占人体蛋白质总量的 30—40%，广泛地 存在于动物骨、腱、软骨和皮肤及其它结缔组织中。人体约 90%的胶原 蛋白存在于皮肤和骨头中，人体真皮结缔组织中含有 95%的胶原蛋白， 正常骨骼中含有 80%的胶原蛋白，肌腱组织中胶原蛋白含量高达 85% （以脱脂后的干重计）。胶原蛋白不仅是结缔组织重要的结构蛋白，起 着支撑器官、保护机体的物理功能，同时还可通过细胞外基质受体分子 与细胞间实现信号传递，参与调控细胞的行为，与组织的形成、细胞增 生、分化、免疫、伤口愈合和血液凝固等有密切关系。

目前已发现超 28 种胶原蛋白， I 型（支撑）、III 型（嫩肤）胶原蛋白 对皮肤有重要作用。不同型别的胶原蛋白在机体内含量、位置和功能不 同，在成年人体内 I、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白合计占比 90%以上，其中含量最 高的是Ⅰ型胶原，约占胶原总量的 80%-90%。成人皮肤胶原蛋白中 I 型、 III 型占比约 80%、20%，均对皮肤有重要作用：I 型胶原蛋白是多细胞 生物细胞外基质的主要结构大分子，能促进上皮细胞增生，使皮肤具有 弹性；III 型胶原蛋白散布在 I 型胶原周围，能够为细胞提供充足的营养， 促进新血管形成，是维持皮肤组织的饱满的关键。成人自身真皮成纤维 细胞只能合成 I 型胶原蛋白，III 型胶原蛋白在新生儿皮肤中含量最高， 随年龄增长，人体皮肤中 I 型和 III 型胶原蛋白的比例逐步下降。

胶原蛋白具有四级结构，其中氢键等作用力形成的三级结构三螺旋对胶 原的稳定、坚固性以及生物活性有重要作用。作为蛋白质，胶原同样拥 有四级结构，其中一级结构指氨基酸连接的顺序，是蛋白质的基本结构； 二级、三级、四级结构为三维空间结构，是蛋白质的高级结构。 1）一级结构（肽链）：胶原分子单位即“原胶原”拥有三条肽链（α链）， 每条肽链约有 1000 多个氨基酸、分子量约为 100kDa，胶原域的氨基酸 结构为甘氨酰-X-Y（X、Y 表示其他氨基酸残基）的重复序列，X 常为 脯氨酰、Y 常为其他蛋白质中较为少见的羟脯氨酸、羟赖氨酸残基（甘 氨酰-脯氨酰-羟脯氨酰为最常见结构），其中羟脯氨酸影响三螺旋的形 成（三级结构），羟赖氨酸参与后续糖化过程，与部分组织特定功能及 胶原纤维定向排列有关。

2）二级结构（单条肽链螺旋）：单条α链空间上呈左手螺旋结构。 3）三级结构（三螺旋）：由三条α肽链组成的右手螺旋结构，即原胶原、 分子量为 300kDa，三螺旋构象是胶原理化特性和生物活性的基础，使其 具备高拉伸强度、生物降解性能、低抗原活性、低刺激性、低细胞毒性 以及促进细胞生长、粘附和组织协同修复创伤等特性，稳定三螺旋的力主要有氢键、范德华力和共价交联键。 4）四级结构（聚合）：原胶原排列后通过共价交联进一步聚集成束，以 多级聚合的方式存在于人体内，使得胶原纤维具备抗拉伸性。

胶原的生物合成复杂、需多种酶催化，其中内质网的脯氨酸羟化酶催化 的羟化反应影响胶原三螺旋的形成。胶原的生物合成较为复杂，分为胞 内和胞外两阶段，具体流程包括： 1）在细胞内对胶原基因转录、翻译 mRNA 合成α肽链； 2）肽链转入内质网进行羟化和糖化，其中羟化与胶原的三螺旋形成直接 相关，由于胶原中特有的、与三螺旋形成有关的羟脯氨酸是由 Y 残基位 的脯氨酰经过内质网脯氨酰羟化酶催化羟化反应形成的，因此羟化程度 与三螺旋稳定性正相关，糖化是将糖基链接在羟赖氨酸（由赖氨酸羟化 酶催化赖氨酸的羟化反应形成）等位点上，与胶原纤维定向排列以及部 分组织特定功能有关； 3）三链结合后（三螺旋，即三级结构形成）形成的前胶原进入高尔基体 通过胞吐释放到胞外； 4）前胶原在内切酶作用下水解氨基端和羧基端（N、C 端）的附加肽链 形成原胶原，并在两端各留下一小段非三螺旋域、称为端肽； 5）原胶原平行排列通过共价交联、多级聚合形成胶原纤维（胶原蛋白四 级结构完成）。