摘 要：本文阐述了胶原蛋白缝合线降解的原理、胶原酶的来源、胶原酶的活化机理和影响因素以及低免疫原性等问题,为中学生物学教学提供参考。
关键词:胶原蛋白缝合线;胶原酶;降解;
人教版高中生物学教材必修1的第2章第4节以胶原蛋白缝合线作为问题探讨进行导课,以激发学生的学习兴趣,树立社会责任和担当。但因师生对蛋白缝合线的了解不多,加之高中知识的有限,于是部分师生产生了许多困惑和不解。例如,食物中的蛋白质在消化酶的作用下分解成氨基酸才能被吸收,胶原蛋白缝合线是如何被降解的呢?若是酶催化下的降解,那么降解胶原蛋白缝合线的酶又是什么细胞合成分泌的?为什么用某些动物组织提取的胶原蛋白制作的手术缝合线不会引起免疫反应?组成动物和人体的胶原蛋白是相似的物质,用某些动物组织提取的胶原蛋白制作手术缝合线能被人体组织产生的酶降解,那么该酶是否每时每刻也降解肌体自身的胶原蛋白呢?本文就上述问题进行阐述,以供参考。
1 胶原蛋白缝合线降解的原理
从动物组织中提取的胶原蛋白由三条链构成,具有典型的三螺旋结构,即每条肽链的每三个氨基酸残基形成一圈左螺旋,三条肽链形成的三股左螺旋紧密结合在一起再右螺旋形成胶原蛋白。胶原蛋白是拥有完整的四级结构的生物蛋白质。胶原蛋白缝合线的主要成分是胶原蛋白及添加的交联剂。交联剂能被水解或降解。胶原蛋白特殊的结构使得一般蛋白酶不能降解。在胶原酶特异性的作用下,胶原蛋白的肽链被切割,其三螺旋结构被破坏,使胶原蛋白被分解成各种片段。形成的胶原蛋白片段会进一步通过两种方式被降解:①在体温条件下,胶原蛋白片段快速自发变性,变性后的片段在其他酶的作用下进一步被降解为寡肽或氨基酸,从而被机体吸收利用或代谢排出;②通过细胞的吞噬作用被降解,如炎症细胞和结缔组织细胞等,都能将胶原大片段吞噬,吞噬泡与溶酶体融合,从而使这些片段进一步降解[1,2]。
2 胶原酶的来源
降解胶原蛋白缝合线的酶是由什么细胞合成分泌的?
胶原酶是能够水解原生胶原蛋白的一类酶的统称,微生物、植物和动物中均有胶原酶。胶原酶的研究主要集中在基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase, MMP)及微生物胶原酶(collagenase)两类上,基质金属蛋白酶是一大类依赖钙离子激活和锌离子结合催化域表现水解活性的肽链内切酶,MMP类胶原酶来源于基质细胞、巨噬细胞、上皮细胞和白细胞等细胞。
3 MMP酶原的活化机理及MMP活性的影响因素[3]
细胞分泌的MMP酶最初是以无活性的MMP酶原的形式存在,MMP具有其独特的酶活性激活方式,即“半胱氨酸开关(cysteine switch)”。该类酶原可在某些蛋白酶的作用下被水解,或在硫氰化钠和十二烷基硫酸钠的作用下改变结构,也可被部分氧化剂或重金属离子影响从而产生活性。
MMP的活性受多种因素的影响,如白介素、转化生长因子、血小板衍生生长因子、荷尔蒙和类固醇等因素都可通过提高或者降低MMP基因的转录水平从而影响MMP基因的转录;组织抑制剂即能抑制MMP活性,也能抑制MMP酶原的活化,此外还有翻译修饰、酶原的激活效率及内源性物质抑制等的影响。
4 低免疫原性原因
为什么用某些动物组织提取的胶原蛋白制作的手术缝合线不会引起免疫反应?
同一组织中常以某一种为主同时含有其他类型的胶原蛋白。常见的Ⅰ型胶原蛋白分布于机体的各个部分,主要分布在肌腱、皮肤及韧带中;Ⅱ型胶原蛋白主要分布于玻璃体、透明软骨中;Ⅲ型胶原蛋白广泛分布于如疏松结缔组织等伸展性大的组织中。不同型胶原蛋白的结构差异主要是由多肽链的初级结构(即氨基酸组成和排列顺序不同)所致,但哺乳动物的同型胶原蛋白在氨基酸的种类、数目和序列上基本相同[2],同型胶原蛋白种属间存在差异较小。
用某些动物组织提取的胶原蛋白制作的手术缝合线不会引起免疫反应的原因主要有:①由于胶原蛋白分子结构的特殊性和复杂性,胶原蛋白与其他大分子蛋白相比,其本身的免疫原性就很低;②主要抗原性位点位于分子氮末端和碳末端区域(即短的、非螺旋氨基酸序列组成又叫肽端),其起着主要的免疫作用。在提取胶原时,这两个区域被选择地去除或水解而失活,这样就降低了其抗原性,仅在胶原蛋白分子三螺旋内保留微弱的免疫原性,不足以引起明显的排异反应[2,4,5]。
5 缝合线中的胶原蛋白与肌体胶原蛋白的区别
组成动物和人体的胶原蛋白是相似的物质,用某些动物组织提取的胶原蛋白制作手术缝合线能被人体组织产生的酶降解,那么该酶是否每时每刻也在降解肌体自身的胶原蛋白呢?
缝合线中的胶原蛋白的提取、固化条件和时间,以及缝合线的制作条件和所添加的交联剂等因素,都不同程度地造成缝合线中胶原蛋白易被胶原酶结合和降解。而肌体胶原蛋白自身的羟基化、糖基化的修饰、聚合成胶原纤维、共价交联及与肌体其他物质相结合而使得胶原酶不被结合和催化。因此,胶原酶能降解胶原蛋白缝合线而不会降解肌体正常的胶原蛋白。
[1] 厉盈颖,张俊杰,吴志明,等.胶原蛋白的制备、生物学特性及应用[J].食品工业,2021,42(8):192-195.
[2] 朱梅湘,穆畅道,林炜,等.胶原作为生物医学材料的优势与应用[J].化学世界,2003(3):161-164.
[3] 宋易航,王楚浩,方柏山.胶原酶研究进展与应用[J].化工学报,2019,70(9):3213-3218.
[4] 李永岚,王维民,汪晓蕾,等.从皮肤的细胞外基质(NECM)中制取可注射胶原[J].实用美容整形外科杂志,1998,9(6):299-301.
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