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菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
1美国新泽西州皮斯卡塔韦市罗格斯州立大学罗伯特伍德约翰逊医学院病理与检验医学系
收到的日期: 23/05/2017;接受日期:18/07/2017;发布日期: 25/07/2017
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000181
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胶原蛋白是哺乳动物细胞外基质(ECM)中的主要结构蛋白。ecm作为生物机械传感器，可以防止组织过早的机械失效，存储和传输肌肉变形产生的能量，并在施加的压力和负荷增加时放大蛋白质合成和细胞分裂(机械化学转导)。纤维胶原蛋白在健康和疾病过程中发挥着重要作用，这在很大程度上取决于这些组织的力学特性。本文就脊椎动物纤维胶原蛋白的结构与力学性能之间的关系作一综述。
胶原蛋白是脊椎动物细胞外基质(ECM)中含量最多的蛋白质。它形成了许多组织的纤维主干或薄壁组织，支持组织界面上的细胞，是肌肉骨骼系统的主要结构组成部分。胶原蛋白家族由多个胶原亚家族组成，包括形成纤维的胶原蛋白、珠状纤维、锚定纤维和形成网络的胶原蛋白[1］．组织的结构稳定是肌腱中胶原原纤维、纤维束、纤维和束的形成的结果，而在其他组织中，胶原原纤维和纤维是结构成分。1］．本文的目的是将胶原原纤维和纤维的结构层次与胶原组织的力学行为联系起来，以帮助更好地理解胶原蛋白在健康和疾病中的作用。
胶原蛋白在组织中的机械和代谢作用
脊椎动物细胞外基质(ECM)中的胶原纤维具有重要的力学作用，包括防止过早的机械故障和调节相邻组织之间的力传递[2，3.］．它们在肌肉变形时储存弹性能量，在关节运动时传递储存的能量，将关节的多余能量转移回附着的肌肉以耗散，并通过称为机械化学转导的过程促进细胞和组织合成的调节[4］．它们扮演机械传感器的角色，将肌肉骨骼和其他组织承受的压力有序地传递给附着的细胞，并由于机械负荷的变化而调节组织代谢的上升或下降[3.］．胶原纤维将机械负荷转化为蛋白质化学合成的变化，从而导致能量以高分子量蛋白质的形式储存(机械化学转导)。因此，胶原纤维和纤维结构与:能量的储存、传递、耗散、组织过早的机械失效、组织代谢的上调和下调密切相关。在癌症、瘢痕、骨关节炎和炎症等疾病中，胶原蛋白结构的变化已经被注意到，这表明胶原蛋白结构的变化可能是这些疾病早期诊断的有用参数。
脊椎动物中胶原组织的位置和功能
胶原原纤维和纤维存在于全身的各种组织中。它们可以在非矿化组织和矿化组织中发现，并可分为以下类别:(1)表面和内部内衬组织，(2)导管和支撑结构，(3)实质或器官支持组织，以及(4)牙齿和肌肉骨骼组织[5］．
表面和内部衬里的ECM由胶原蛋白、蛋白多糖、弹性蛋白、糖蛋白、细胞和水组成，存在于与空气或内部组织界面的内外衬里结构中[5］．例如角膜、皮肤、肺泡、口腔黏膜、阴道和子宫。这些片状组织提供了机械、化学和微生物的屏障，以防止环境中的物质渗透到宿主组织中(图1)．内部内衬，如胸膜和腹膜膜保护胸腹腔器官免受损伤。这类组织中的胶原原纤维和纤维被发现为网络，可被认为是提供机械支持的平面增强元件，但它们也参与机械传导，如下所述[3.］．皮肤和角膜是表面和内部结构的例子，包含覆盖胶原支撑层的表面细胞层。
图1:皮肤的组织学图像，一个表面和内部衬里结构的例子。(上)从使用图像分析程序重建的人体皮肤组织学横截面获得的图像蒙太奇。最上面的暗层是表皮，由死亡的角质化细胞组成。大部分部分的粉红色物质是由胶原纤维组成的。(中)皮肤表面高倍镜显示:(1)皮肤表面坏死角质层脱落;(2)一系列由7到10层圆形到椭球形的细胞层组成的表皮;以及(3)在真皮层中发现的支持皮肤的粉红色胶原纤维。在胶原纤维之间发现的黑色细长细胞核主要是成纤维细胞。(下)这张显微照片是在偏振光下拍摄的，显示了皮肤横截面内胶原纤维的双轴方向。这些胶原纤维在机械加载时与拉伸方向一致，并防止皮肤的机械故障。 Collagen fibers in the dermis are round to ellipsoid in shape when skin is sectioned either parallel to the surface or in cross-section.
组织的第二种分类包括导管和夹持结构这是由三层或三层以上的管子和容器组成的墙壁。例如，血管(图2)包括与流动血液接触的内膜或细胞层，肌肉层或内侧层，以及与周围组织混合的称为外膜的雷竞技网页版外层。其他管状结构相似，包括内部细胞层(粘膜)，被肌肉层(肌层)包围，以及外部ECM包含层(浆膜)。这些组织中的胶原原纤维和纤维与弹性组织和平滑肌细胞混合，可增强组织壁[5］．
图2:一个导管的形态和持有结构的例子。用范吉森染色和伊红反染色的猪股动脉组织学切片。注意显微照片上的动脉充满了被困在中心的蛋白质。暗环由弹性纤维(介质)组成，位于非常薄的称为内膜的细胞层上，太小了，在显微镜下看不见。外膜围绕中膜并与围绕血管壁的组织融合。粉红色的胶原纤维构成了外层的大部分。
薄壁组织和器官支持胶原蛋白构成肝、肾、心、淋巴结等主要器官的支架[5］．这些组织中的胶原原纤维和纤维支持细胞，并与其他组织成分结合，允许在固定的细胞组织中发生基于细胞的生理过程。在肝脏中，胶原原纤维支持血管内皮细胞正弦曲线允许大量的血液被过滤。
组织的最后一种分类是牙齿组织和肌肉骨骼组织。这些组织包括前交叉韧带和其他韧带、绵密的长骨、牙周韧带、肌腱和背部椎间盘[5］．这些组织的胶原原纤维和纤维在羟基磷灰石存在或不存在的情况下保持结构稳定(图3)．
图3:牙齿和肌肉骨骼结构的例子。肌腱的结构层次。(A)该图说明了胶原蛋白分子、原纤维、纤维、束和肌腱单位之间的关系。虽然图中没有显示原纤维亚基，但胶原原纤维似乎是由整合在称为微原纤维的原纤维中的中间产物自我组装而成的。(B)大鼠尾腱纤维的扫描电子显微照片，显示组成腱单元的束(见星号)。肌腱单位由胶原原纤维、纤维和束组成。胶原蛋白和骨骼肌束主要存在于肌肉骨骼组织中。
因此，纤维胶原蛋白几乎存在于脊椎动物的每一个组织和器官中。胶原纤维由胶原蛋白三螺旋分子组成，这些分子来源于构成胶原蛋白家族的28种胶原蛋白中的一种或多种[1］．虽然我们将集中在纤维胶原蛋白在本文中，其他亚家族的胶原蛋白在哺乳动物组织结构和功能中发挥着额外的作用。
胶原蛋白分子结构
所有胶原蛋白都含有gly-X-Y的氨基酸序列，其中X和Y通常是脯氨酸和羟脯氨酸。序列gly-X-Y导致左手三螺旋的形成，三个左手三螺旋形成右手超螺旋。三螺旋的长度段不同的胶原亚家族，在形成纤维的胶原中发现最长的三螺旋段，在单个左手螺旋中有大约1000个氨基酸。
在形成胶原蛋白的纤维中，这个三链分子形成了一个右旋三螺旋结构，其中含有埋藏在圆柱形分子中心的甘氨酸残基，并以较长的前体形式合成，称为胶原原(图4)．最丰富的亚科是纤原性胶原蛋白，其中I型胶原蛋白存在于肌腱、皮肤、角膜、骨肺和血管壁[6］．这种胶原蛋白被认为是肌腱中胶原纤维抗拉强度高的原因;此外，它积极参与
图4:图示显示胶原蛋白分子的生物合成前体——前胶原蛋白的结构。前胶原蛋白分子在细胞内形成，分子末端的大前肽在自组装成胶原纤维的过程中被细胞外裂解。如图中箭头所示，胶原蛋白分子为长约300nm的三螺旋棒。弹性剖面如下所示的胶原蛋白三螺旋图和300纳米(3000埃)线，代表三螺旋部分。图底部的深色竖线表示刚性区域，浅色区域表示胶原蛋白三螺旋结构的柔性区域。沿着三螺旋胶原蛋白分子轴的氨基酸残留数显示在柔韧性剖面的底部。请注意，胶原蛋白三重螺旋结构是柔性和刚性区域的复合结构。柔性区域不含脯氨酸和羟脯氨酸，它们是在拉伸过程中第一个在拉伸载荷下可逆变形的区域。
由氨基酸合成的胶原蛋白开始于细胞质内的核糖体;在脯氨酸羟基化完成后，合成的链折叠成三螺旋结构。然后，分子通过高尔基体运输，包装成囊泡，然后添加到细胞膜内凹处生长的原纤维中。然而，胶原原纤维在从细胞释放和机械负荷开始后交联才会机械稳定[7，8］．
前胶原蛋白三重螺旋在分子的C端和N端包含额外的片段，称为前肽(图4)．前肽在胶原蛋白组装过程中依次被去除。胶原蛋白三螺旋，1.5纳米宽，300纳米长，被包装成“四分之一交错”的包装模式，导致最近的相邻分子纵向交错约22%的分子长度，在一个分子的头部和下一个分子的尾部之间有一个空间或洞(图5)．早期研究发现，5个胶原蛋白分子交错排列形成微原纤维[9，10]通过电子显微镜鉴定[11］．现在认为胶原蛋白分子横向排列成四分之一交错的准六边形单位，这些单位又纵向排列成微纤维。胶原微纤维被认为是连续的，贯穿整个组织;它们在大多数组织中横向融合成原纤维和纤维[7，8，12，13］．
图5:胶原原纤维中胶原分子四分之一交错排列的二维图。在四分之一错开排列模式中，4.4D长的胶原蛋白分子相对于它们的邻居错开排列。在肌腱中，胶原蛋白分子相对于彼此移动的距离D等于67纳米。当用金属离子染色胶原蛋白分子，然后在电子显微镜下观察时，在原纤维的轴上观察到一系列的浅色和深色带，并指定为b2, b1, a4, a3, a2, a1, e2, e1, d, c2和c1。距离D由约0.6 D的孔区和约0.4 D的重叠区组成，D期是纤维胶原蛋白的特征指纹。D周期的带在底部放大，柔性带电区域用弹簧表示，刚性带电区域用圆柱表示。所示的弹簧与底部所示的浅色区域相同图4．当胶原蛋白被拉伸时，三螺旋延长，D期增加。D期的增加是可逆的，是胶原纤维储能能力的基础。请注意，这种能量存储能力需要在图中圆圈和箭头所示的位置上以4D交错排列的相邻分子之间形成交联。
20世纪70年代，通过观察到胶原蛋白分子的平移扩散常数为0.86 × 10，认为胶原蛋白分子是一根刚性棒6平方厘米/秒，这非常接近于1.5纳米宽、300纳米长的长椭球的计算值[14］．然而，后来的测量，基于胶原蛋白分子的旋转阴影图像，表明分子有许多弯曲，如图所示图6［12］．对I型、II型和III型胶原蛋白分子序列的分析表明，胶原蛋白三重螺旋的灵活性来自于序列中缺乏脯氨酸和羟脯氨酸的区域，这两种亚胺酸限制了分子的旋转和灵活性[13) (图5)．进一步的分析表明，当分子以准六角形排列时，这些柔性区域得以保留，这表明柔性是胶原纤维结构的一个重要方面[13］．
图6:ECMs中胶原蛋白的结构层次。(上)胶原蛋白分子是半柔性棒(见6a, b中的弯曲)，在组织中形成交叉纹状原纤维，重复周期在64 - 67 nm 6 c-e之间)或丝状结构(6f)。胶原原纤维形成于细胞膜深处(6g,h)，在偏振光下，真皮呈平面双轴结构(6i)，骨呈正交结构(见6j中胶原分子方向箭头)，肌腱呈卷曲平面波形(6k)。这个数字是根据Birk等人[12]修改的。胶原纤维的非线性粘弹性行为是由于胶原纤维的几何取向和其他成分的存在(下)胶原原纤维在角膜。透射电子显微照片，显示存在于角膜中的胶原原纤维的排列。这张显微照片显示，角膜中的胶原原纤维呈首选方向片状;每片胶原原纤维的方向都不同。角膜的透明度要求原纤维的直径与光的波长相比要小。皮肤和肌腱中的胶原原纤维要大得多，因为这些组织不需要透明。
胶原蛋白的超分子结构
在透射显微镜下，组织中的胶原蛋白是通过有规律地重复带电氨基酸残基来识别的。在四分之一交错排列模式中，横截面上五个分子的氨基酸序列每64至67纳米重复一次，这段距离称为D周期(图5)．D期阳性染色子带(见图6)可以被描绘成弹簧(见图5)，并可直接用重金属染色(图6)．D周期根据来源组织的不同，在64 ~ 67 nm之间变化。在肌腱中，D期约为64纳米，在皮肤中约为67纳米(图6 c-6e)．在光镜下，肌腱中的胶原纤维与其他组织蛋白的区别在于偏振光下所见的卷曲呈交叉条纹状(图6 k)．其他组织在偏振光下可见的对齐(肌腱)和定向网络(皮肤)中含有胶原纤维。
例如，在肌腱中，胶原纤维直径在20 ~ 280 nm之间，胶原纤维直径在1 ~ 300 μm之间[13］．虽然胶原原纤维是由小原纤维横向添加形成的，但它们形成称为束的大原纤维束，如图所示图3．成群的纤维束形成束束，这些束束依次构成腱束的横截面(图3)．这些结构元素的共同作用产生了肌腱的机械性能，并允许像手指关节这样的结构独立弯曲。
肌腱的超微结构作为成熟的功能已被广泛研究。胶原微原纤维似乎是由含有蛋白聚糖的纤维间质基质连接在一起的。这些胶原原纤维被观察到具有平面波形，称为卷曲，并且是承载单元[15) (图6 k)．变形时，去除压接后，肌腱的应力-应变曲线向上弯曲[15］．出生后，大鼠尾腱的纤维直径分布相当平坦，这支持了纤维束横向融合导致纤维直径和长度增加的概念[7，8，12，16，17］．胶原原纤维在成熟过程中体积分数逐渐增大，达到0.5左右;在肌腱的原纤维横切面上，小的胶原原纤维填补了大原纤维之间的空间[16］．
胶原蛋白交联
形成纤维的胶原储存、传输和耗散能量的能力需要微纤维内的分子之间以及微纤维与其他结构单元之间的交联形成[3.]如图5．这些交联包括赖氨酸和羟赖氨酸衍生物以及其他氨基酸残基，包括组氨酸[3.，18］．交联也发生在衰老过程中，涉及葡萄糖分子[1］．与老化相关的胶原纤维变硬和能量耗散不良可能与紫外线照射和葡萄糖交联引起的胶原纤维断裂有关。这导致细胞外基质能量耗散能力的丧失，并与心血管系统搏动血流期间的大量能量损失有关[19］．
胶原纤维具有粘弹性，并表现出随时间变化的力学行为(图7)．粘弹性可能在抵抗低应变率冲击载荷方面很重要，特别是在肌肉骨骼中，然而，它使对ECM行为的理解复杂化，因为对这些组织的大多数实时测量同时包含弹性和粘性贡献[2］．弹性行为根据胶原纤维取向、加载速率和其他组织成分的数量，从高达总应力的约75%的肌腱到低至约50%的皮肤不等[2］．近年来的研究结果表明，利用光学相干层析成像和振动分析，可以测量组织的共振频率，从而测量胶原组织的弹性模量，这是非侵入性和非破坏性的[20.，21］．
图7:脱细胞人体真皮在单轴拉伸下的典型应力-应变曲线，说明了卸载后恢复到零应力和应变的粘弹性和时间依赖性。以应变增量的形式加载真皮，并在添加另一个应变增量之前记录每个应变处的力。加载曲线高于卸载曲线，经过30分钟左右的恢复时间，试样恢复到零应力和零应变状态。非线性是多种因素的结果，包括纤维取向、低应变下其他组分(弹性纤维)的载荷和粘弹性。这个数字是根据Shah et al.[20]改编的。
胶原蛋白在能量储存、传输和耗散中的作用
能量存储、传输和耗散是脊椎动物组织中发现的ECM纤维形成胶原所提供的许多关键机械功能之一。这些功能是通过机械传导过程实现有效运动、组织再生和修复所必需的[3.］．以上机械功能是脊椎动物实现运动和高效移动所必需的。脊椎动物必须能够发展肌肉力量，储存弹性能量，并将这些能量转移到附着的关节，以便进行运动。此外，运动完成后剩余的多余能量必须从关节转移回肌肉，在那里以热量的形式散发出去[3.］．在分子和组织水平上研究能量的储存、传输和耗散是很重要的。
力学上，在肌腱的机械加载过程中，随着应变的增加，观察到D周期的张力增加，这与:(1)在三螺旋结构水平上的分子伸长;(2)微原纤维中一个三螺旋末端与下一个三螺旋开始之间的间隙距离增加;(3)分子滑移[22］．分子拉伸发生在较低的应力下，随后间隙间距增加(图5)和分子滑动;后者发生在较高的应力下[23］．
分子建模程序已用于计算与I型胶原蛋白三螺旋排列成五元单元的h间距增加1-3%相关的自由能变化。所得的自由能计算结果与分子应力应变曲线下的能量变化进行了比较。根据这些考虑，可以确定拉伸胶原微原纤维时自由能的变化与分子应力-应变曲线下的能量变化成正比[24］．此外，当施加压力时，没有亚胺酸的区域似乎“打开”或展开。它们似乎是可以弹性地储存能量的场所。彼得里尼等人。[25预测这些区域可以在胶原蛋白三重螺旋结构中形成褶皱;当施加压力和储存能量时，褶皱可能会展开。分子模拟结果表明，拉伸增加了三螺旋结构的空间能量，这可归因于范德华斯和带电氨基酸之间的静电相互作用[24］．
机械传导与机械化学传导
ecm在一系列磷酸化事件中调节内部机械力以改变生化信号，这一过程被称为机械转导[3.］．如果蛋白质和新的高分子量组织形成，这一过程就成为机械化学转导。这个过程的一个例子可以通过反复举重几个月来描述。在这种情况下，肌肉产生的力量增加(机械传导)，肌肉的大小和皮肤的数量增加(机械化学传导)[3.，13］．发生这些变化是因为人体内的许多ecm处于内部张力之下。需要平衡举重产生的外力和胶原网络和常驻细胞所表现出的内力，驱动机械化学转导[3.］．ECM中发现的作用于常驻细胞的外部和内部机械力之间的平衡改变，导致基因表达的变化和随后ECM蛋白的产生[3.］．与举重对组织的刺激相反，长时间卧床休息和减少外部机械负荷会导致组织分解代谢。这会导致肌肉减少和肌肉骨骼系统萎缩[3.］．因此，作用在ecm上的外部和内部机械力平衡的任何变化都会导致细胞水平上机械化学转导的变化。这些变化似乎是哺乳动物调节需求的重要机制，通过它们来存储、传输和消散在引力场中身体运动所需的能量[3.］．
机械化学转导是导致健康和疾病中ECM层次结构变化的重要过程。因此，必须更详细地考虑力学行为与层次结构之间的关系。图8总结了将机械负荷转化为组织结构变化所涉及的一些步骤。
图8:说明在组织中施加的机械张力，如皮肤中兰格线的张力，通过激活磷传递通路影响细胞行为的图表。由于ECM所经历的机械负荷的变化，整合素和非整合素依赖通路参与激活或失活蛋白质合成和基因表达。在整合素依赖的机械传导过程中，胶原纤维中的张力引起连接到胶原原纤维特定带的整合素亚基的构象变化。这导致局灶性粘连的形成，他林的结合，其他细胞内分子，包括f -肌动蛋白。这导致细胞质中FAK的激活，随后是MAP激酶通路的激活，导致蛋白质合成和基因表达的改变。例如，举重增加了肌肉的工作，或捶打锤子对手掌的机械力，会导致皮肤细胞上调蛋白质合成和细胞有丝分裂。当这些组织处于紧张状态时，这分别导致更多的皮肤覆盖在肌肉上和手掌上的皮肤变厚。
非侵入性和非破坏性的方法来确定组织的机械性能
在体内监测胶原蛋白和ecm的力学特性的能力是疾病早期诊断和跟踪疾病进展能力所需的重要测量。100多年来，医生们已经能够“触诊”到与肿瘤和钙化相关的组织性质的变化;这表明，在疾病过程中，胶原蛋白和ecm的结构和性质发生了重大变化。临床医生能够评估胶原纤维和纤维水平的结构变化，以准确诊断和治疗癌症和骨关节炎等疾病是至关重要的。已经开发了几种新方法，试图在疾病过程的早期识别这些变化。必须对这些方法进行验证，以便测量的特性具有一定的意义。
我们已报道[20.，21]使用振动分析配合光学相干断层扫描(OCT)来测量许多组织的谐振频率和模量。测量的谐振频率与增量应力-应变实验得到的拉伸模量(图9)．该方法最近扩展到测量体内正常皮肤和疤痕组织的模量[21］．
图9:从振动研究中确定的模量与从拉伸增量应力-应变试验中确定的模量的对比图。所示的校准曲线是根据Shah等人[21]修改的。注意斜率约为1.0。
胶原蛋白是哺乳动物ECMs中发现的主要结构蛋白。它以多种不同的形式存在，对组织的结构稳定性很重要。ecm作为生物机械传感器，可以防止组织过早的机械失效。ecm存储和传输由肌肉变形产生的能量，并随着施加的压力和负荷的增加而放大蛋白质合成和细胞分裂(机械化学转导)。它们通过改变对组织的局部机械需求来调节自己的大小和形状。组织代谢的变化被转导为ecm成分的合成和分解代谢的增加或减少。在合成高分子量时大分子，能量以共价键的形式储存。如果需要，这些能量可以通过组织分解代谢释放出来。
能量储存和弹性行为主要涉及在交联胶原原纤维中发现的胶原三螺旋中缺乏亚胺酸残基的柔性区域的拉伸。由于不同ecm的组织结构不同，因此可以储存和消耗的能量也不同。
现在可以利用OCT和振动分析来评估ecm在体内的结构-性质关系。这使临床医生能够“定量触诊”组织，以阐明健康和疾病的结构和性质之间的关系。
