金属离子介导的胶原蛋白交联及其性质表征

发布时间：2021-06-14 02:37

　　胶原蛋白是细胞外基质中的关键蛋白,是人体器官和组织必不可少的构造骨架,并参与调控细胞粘附、组织重塑、器官形态发生等重要的生理过程。因其具有优良的生物相容性、生物降解性、低免疫原性等性质,胶原蛋白是组织工程领域应用最多的生物材料之一。然而,天然胶原蛋白的力学性能较弱,影响了其临床应用的效果。因此,如何交联胶原蛋白使其获得优良的力学强度和合适的酶降解速度,同时又不破坏其三重螺旋结构和生物活性,一直是胶原蛋白领域的一个研究热点。目前,已经开发的物理交联法和生物交联法的交联效果尚不理想,而化学交联法仍然难以克服细胞毒性的潜在风险。基于此,本论文旨在开发新的绿色安全的银离子和铁离子介导的生物矿化法,来实现基因重组胶原蛋白和动物提取胶原蛋白的高效交联,其主要内容如下:第一章:主要介绍了胶原蛋白的定义与分类、结构与体内合成,总结归纳了胶原蛋白的制备方法与胶原基生物材料,以及胶原蛋白交联方法的研究进展。第二章:我们首次发现,室温放置的重组胶原蛋白和硝酸银的混合溶液,在可见光照射条件下,会快速自组装形成精致有序的胶原纤维。通过改变重组胶原蛋白浓度、银离子浓度、pH和光照时间等条件,重组胶原蛋白和Ag

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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胶原蛋白组装形成肌腱的示意图[3]

兰州大学硕士学位论文金属离子介导的胶原蛋白交联及其性质表征3在皮肤、骨骼、肌腱、韧带和血管中，也是肝、肺等重要脏器间质组织中的核心成分。I型胶原具有活化上皮细胞、促进上皮细胞増生等生物功能，并赋予皮肤组织合适的张力和弹性。I型胶原蛋白是肌腱和韧带最重要的有机成分，它占肌腱干重的~70-80％，韧带干重的80％以上。I型胶原蛋白的存在及其超分子结构对肌肉骨骼结缔组织的功能发挥重要作用。肌腱是由I型胶原纤维层层组装形成的分层结构(图1-1)。I型胶原纤维丝捆绑在一起形成纤维，并进一步与肌腱细胞一起组装形成纤维束。胶原纤维束进一步聚集形成肌腱组织，其外边缘全部由表皮覆盖。I型胶原的高含量和特殊的空间结构，赋予肌腱和韧带组织在低能量、低负载力条件下的高韧性，以及在高负载力下的高刚度。1.1.2胶原蛋白的结构所有不同类型的胶原蛋白都具有一个共同的结构元素，三重螺旋结构。胶原蛋白具有特征性的一级结构，即(Gly-X-Y)n重复氨基酸序列，其中Gly为甘氨酸。X和Y位置可以是任意类型的氨基酸，但是它们出现的频率相差很大，研究发现，X位置通常为脯氨酸(Pro)，而Y位置通常为羟脯氨酸(Hyp)。据统计，在I型胶原蛋白所有的Gly-X-Y三肽序列中，Gly-Pro-Hyp出现的频率最高，约12%；而Gly-Pro-Y和Gly-X-Hyp形式的三肽序列出现的频率累计高达44%。三条α肽链，环绕同一个轴，缠绕结合形成右手的三重螺旋结构(图1-2)。因为甘氨酸的侧链只含有一个氢原子，空间位阻最小，所以甘氨酸总是位于轴心。三重螺旋结构的紧密排列要求胶原氨基酸序列中的每第三个氨基酸均为甘氨酸，它位于三重螺旋结构的中间，而X和Y位置的氨基酸则处于外围(图1-2)。图1-2胶原蛋白的三重螺旋结构[4].

成羟脯氨酸，进一步稳定了三重螺旋结构。羟脯氨酸的稳定性作用主要通过两种方式：(1)分子内氢键[5]。胶原蛋白分子内有两种对三重螺旋结构稳定极为关键的氢键,一类是甘氨酸的氨基与相邻肽链的脯氨酸的羰基形成的直接氢键，另一类是羟脯氨酸羟基，在水分子的辅助下，形成的间接氢键。(2)羟基的吸电子诱导效应稳定了Y位置的立体异构体的向外扭曲[4]。1.1.3胶原蛋白的体内合成胶原蛋白的体内生物合成途径十分复杂，包含基因转录、胶原蛋白单体的分泌、功能性纤维的形成等多步过程，需要大量生化步骤在时间和空间上的协调(图1-3)。首先，经过mRNA对胶原蛋白基因的转录和翻译，在核糖体上合成前体胶原蛋白的不同α链。新生的胶原α链进入内质网中，经过一系列步骤，包括脯氨酸的羟基化修饰、赖氨酸的羟基化修饰、氮端及氧连接处的糖基化、分子的三聚、二硫键的形成、脯氨酰异构化以及三重螺旋折叠，产生前体胶原蛋白分子。对于I型胶原蛋白，前体胶原蛋白的球状区域-C端肽，可互相识别并形成三聚体，进而引发从碳端到氮端的三重螺旋折叠。在这个过程中有许多蛋白质的参与，包括脯氨酸-4-羟化酶(P4H)、蛋白质二硫化异构酶(PDI)等。其中，PDI负责在前体肽区域引发分子内和分子间二硫键的形成[6]。图1-3胶原蛋白的生物合成[7].前体胶原蛋白进入高尔基体中，在一些包覆蛋白复合物及酶、载体的作用下被分泌出来。在高尔基体分泌蛋白的过程中或分泌后，会进行前体胶原蛋白分子的后加工，即金属蛋白酶进行酶切。前体α链的碳端和氮端区域被酶切，产生无


本文编号：3228884