蛋白质组学

胶原的结构、功能以及为什么不能通过饮食补充

胶原是动物体内含量最丰富的结构蛋白,构成皮肤、骨骼、软骨、肌腱、牙齿的主要纤维成分。胶原蛋白是动物结缔组织中最重要的蛋白质,约占结缔组织的20~30%。胶原蛋白使结缔组织具有良好的结构与机械力学性能,如张力强度、拉力、弹力等,从而对机体起到支撑、保护的作用。胶原这么重要,难怪很多人想要通过饮食来补充。可惜,这是不可能的。

胶原蛋白模型

胶原有很多种,结构比较相似,都是以原胶原为基本单位,阶梯式平行排列构成的。原胶原是一种由三条特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。每条左手螺旋是一条肽链,约含1000个氨基酸残基,主要由重复的Gly-X-Y序列构成。Gly是甘氨酸,X常为脯氨酸,Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸。但这些羟脯氨酸和羟赖氨酸不是在合成蛋白的时候加上去的,而是在蛋白合成完毕以后,由正常的脯氨酸和赖氨酸经过羟化而形成的。

蛋白质是由核糖体合成的,合成的时候一个个氨基酸都要由转运RNA携带着,才能被催化形成肽键。负责这一步的氨酰tRNA合成酶是绝对专一性的代表,只能识别、催化基本氨基酸。而羟脯氨酸和羟赖氨酸不属于基本氨基酸,遗传密码字典里面没有它们的密码,所以它们完全无法进入翻译系统。我们吃进去的羟脯氨酸和羟赖氨酸,无论是以胶原的形式,还是以水解后的明胶、小肽或者游离氨基酸的形式,都无法被用来合成蛋白质。它们唯一的去向,是被分解,然后可以彻底氧化,也可以用来合成其他生物分子。这就是胶原无法通过食物补充的原因。

脯氨酸的羟化是在脯氨酸羟化酶的催化下进行的。这个酶需要维生素C以使其活性中心的铁原子保持亚铁状态。缺少维生素C会使胶原羟化不完全,熔点低,不能正常形成纤维,造成皮肤损伤和血管脆裂,引起出血、溃烂,即坏血病。所以维生素C又叫抗坏血酸。大多数情况下,缺乏胶原都是缺乏维生素C引起的,多吃水果就好了。羟脯氨酸和羟赖氨酸的羟基参与形成氢键,起着稳定原胶原结构的作用。

原胶原中脯氨酸的羟化反应

原胶原的三股螺旋构象比较特殊,其形成需要有一系列加工、装配的过程。细胞内核糖体合成的原初产物称为前原胶原,除了用来构成三股螺旋的序列之外,还含有2段用来指导原胶原定位和组装的序列,即信号肽和前肽。信号肽用于引导原胶原分泌到细胞外,前肽用于将三条前原胶原对齐,以便这三条肽链形成整齐的三股螺旋构象。当三股螺旋构象形成之后,前肽会被专门的蛋白酶切除,只剩下整齐的草绳状螺旋杆。

实验证明,胶原变性之后是不能重新形成这种三股螺旋结构的,因为指导正确折叠的序列已经被切除了。所以,试图从食物中摄入胶原蛋白,或水解后的肽段,都不可能把他们直接掺入结缔组织中,转变成自身胶原结构。这不仅是因为食物中的蛋白质无法整体吸收,还因为这些胶原或肽段没有合适的构象,不能掺入正常的胶原中。即使注射到结缔组织中,也只能形成散乱的胶冻,无法与自身胶原融合到一起。。

原胶原的三条链之间通过二硫键等形成共价交联,可以稳定构象,成为具有抗张强度的不溶性分子。胚胎及新生动物的胶原因为缺乏分子间的交联而强度较低。很多原胶原之间彼此阶梯式平行排列,并互相交联,就构成了胶原原纤维,最后装配形成胶原纤维。在骨骼中,一个原胶原的头和另一个原胶原的尾之间有40纳米的空隙,其中可以填充磷酸钙,即骨的无机成分。

胶原的剪切与装配过程,引自J Cell Sci. 2005 Apr 1;118(Pt 7):1341-53.

最后说一下食物中胶原的最终去向。胶原蛋白被水解成氨基酸后吸收,正常的氨基酸可以用来合成人体自身的蛋白质,也可以氧化分解提供能量,还可以被转化成糖和脂肪。而羟脯氨酸和羟赖氨酸因为不能用于合成蛋白质,所以只能被分解或转化。羟脯氨酸经过五步反应,可以分解生成丙酮酸。丙酮酸经过转氨可以生成丙氨酸,丙氨酸可以用于蛋白质的合成。

这也就是同位素标记的胶原蛋白最终可以进入人体各种组织的原因。所以,这个实验并不能像某个广告里说的那样证明吃胶原蛋白能直接补充胶原,而是恰好相反,它证明吃进去的胶原已经降解成氨基酸(或者更小)。如果胶原或羟脯氨酸能直接掺入胶原蛋白中的话,它们就不会出现在不含胶原蛋白的组织中。

一部分未分解的羟脯氨酸会随尿液排出。长时间吃胶原蛋白的人士可以检测血、尿中羟脯氨酸含量,如果高于正常值,且医生认为可以排除甲亢、骨质疏松等相关疾病,那就很可能是补胶原补过量了。

当然,胶原蛋白也不是没有用处。胶原蛋白在医学上可以用作人工皮肤、烧伤敷料和可降解缝线等,这是利用其较低的抗原性和良好的生物相容性,作为外用材料。生物学上还可以用于细胞培养等。





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