2013年8月 多组织和器官都具有液晶特征[1,是以软物质(如皮)或硬物质(如骨)形式存在生物体内的生物液晶 目前对体内结缔组织细胞调控胶原超纤维形成生物液晶的机理了解不多,在体外用重建胶原分子 ( reconstituted collagen)模拟方式已取得进展,其目的是对相应组织的发生、发育、病理结构及组织工程 重建等研究提供有益信息。 2最基本的自组装产物原胶原分子 结缔组织中胶原超纤维有序特征与原胶原( procollagen)分子的特殊结构密切相关,然而原胶原分子 本身也是自组装产物。胶原蛋白是一个大家族,迄今文献已报道27种胶原分子。以体内含量最丰富的 I型胶原为例,由三条各含1052个氨基酸的多肽链扭曲而成,分子结构表示为[an(I)]2a2(I)。与功能相 关的蛋白质空间结构由肽链间组装实现,丰富多彩的蛋白质空间结构构成,有的只有一条多肽链(例如肌 红蛋白),有的两条(如胰岛素)、三条(如原胶原分子,见图3),甚至多条多肽链(如血红蛋白分子有四条 多肽链)等。但大多数蛋白质的同一条多肽链中,氨基酸一般不会有周期性的重复顺序,原胶原分子域的 肽链中却有Gly-X-Y三肽的高重复序列存在。在空间位阻和非共价键力的共同作用下,不但促使左手a 螺旋的单肽链形成,也留下α-肽链进一步组装成右手超三螺旋结构的余地。 三重螺旋结构是一种错位的结构,来自三条肽链的Gly残基沿着螺旋的中心轴堆积(如图4所示) 在三维空间上,一条链上的Gly处于和其它两条链的X和Y残基相邻的位置,因而使三条a肽链中的 Gly、X、Y残基位于同一水平上。借每个Gly残基中的N一H(氮氢键)与另一条肽链上相连的X残基上 的C=O形成牢固的氢键,由于Hyp残基的羟基通过与水形成氢键,三重螺旋结构得到了稳定和增强 同时原胶原分子端肽链间的共价键(如一S—S—)交联是稳定三螺旋结构的进一步作用力。因此,原胶原 分子三螺旋结构是空间位阻、非共价键力及共价键交联等作用下肽链间自组装成更稳定结构的结果,得 到的是一个具有手性、表面带有沟槽和很大长径比的棒状分子(分子长约300nm,直径约1.5nm)。 图3原胶原分子三螺旋结构域示意图 图4原胶原分子三螺旋投影示意图 Figure 3 Schematic illustration of triple helix igure 4 Schematic illt of triple helix domain for procollagen molecule projection for procollagen molecu 3胶原分子液晶 在酸性稀溶液中重建胶原分子无规地分布在溶剂中,得到各向同性的分散结构。随着浓度增加这个 稳定的分散结构变得不稳定,当超过某个临界浓度后分子向某种有序的状态——一向列相转变,得到各向 异性结构。随着胶原浓度进一步增加,胶原分子逐次发生向列相转变、预胆甾相起伏、胆甾相扭曲,如 图51所示。迄今为止在体外已发现胶原分子形成向列相、预胆甾相、胆甾相三种液晶结构:1。令人 惊讶的是,动物结缔组织中纤维的排列方式与体外变换浓度获得的胶原分子有序排列方式极其相似,真 皮中对齐的胶原束类似于分子向列相排列,腱中起伏原纤维规则的卷曲类似于预胆甾相2,角 C1994-2013ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net多组织和器官都具有液晶特征［１４］，是以软物质（如皮）或硬物质（如骨）形式存在生物体内的生物液晶。 目前对体内结缔组织细胞调控胶原超纤维形成生物液晶的机理了解不多，在体外用重建胶原分子 （ｒｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｄｃｏｌｌａｇｅｎ）模拟方式已取得进展，其目的是对相应组织的发生、发育、病理结构及组织工程 重建等研究提供有益信息。 ２ 最基本的自组装产物原胶原分子 结缔组织中胶原超纤维有序特征与原胶原（ｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎ）分子的特殊结构密切相关，然而原胶原分子 本身也是自组装产物。胶原蛋白是一个大家族，迄今文献已报道２７种胶原分子。以体内含量最丰富的 Ⅰ型胶原为例，由三条各含１０５２个氨基酸的多肽链扭曲而成，分子结构表示为［α１（Ｉ）］２α２（Ｉ）。与功能相 关的蛋白质空间结构由肽链间组装实现，丰富多彩的蛋白质空间结构构成，有的只有一条多肽链（例如肌 红蛋白），有的两条（如胰岛素）、三条（如原胶原分子，见图３），甚至多条多肽链（如血红蛋白分子有四条 多肽链）等。但大多数蛋白质的同一条多肽链中，氨基酸一般不会有周期性的重复顺序，原胶原分子域的 肽链中却有 Ｇｌｙ－Ｘ－Ｙ 三肽的高重复序列存在。在空间位阻和非共价键力的共同作用下，不但促使左手α 螺旋的单肽链形成，也留下α－肽链进一步组装成右手超三螺旋结构的余地。 三重螺旋结构是一种错位的结构，来自三条肽链的 Ｇｌｙ残基沿着螺旋的中心轴堆积（如图４所示）。 在三维空间上，一条链上的 Ｇｌｙ处于和其它两条链的 Ｘ 和Ｙ 残基相邻的位置，因而使三条α肽链中的 Ｇｌｙ、Ｘ、Ｙ 残基位于同一水平上。借每个 Ｇｌｙ残基中的 Ｎ—Ｈ（氮氢键）与另一条肽链上相连的 Ｘ 残基上 的Ｃ Ｏ形成牢固的氢键，由于 Ｈｙｐ残基的羟基通过与水形成氢键，三重螺旋结构得到了稳定和增强。 同时原胶原分子端肽链间的共价键（如—Ｓ—Ｓ—）交联是稳定三螺旋结构的进一步作用力。因此，原胶原 分子三螺旋结构是空间位阻、非共价键力及共价键交联等作用下肽链间自组装成更稳定结构的结果，得 到的是一个具有手性、表面带有沟槽和很大长径比的棒状分子（分子长约３００ｎｍ，直径约１．５ｎｍ）。 图３ 原胶原分子三螺旋结构域示意图 Ｆｉｇｕｒｅ３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｉｐｌｅｈｅｌｉｘ ｄｏｍａｉｎｆｏｒｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅ 图４ 原胶原分子三螺旋投影示意图 Ｆｉｇｕｒｅ４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｉｐｌｅｈｅｌｉｘｉｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｆｏｒｐｒｏｃｏｌｌａｇｅｎｍｏｌｅｃｕｌｅ ３ 胶原分子液晶 在酸性稀溶液中重建胶原分子无规地分布在溶剂中，得到各向同性的分散结构。随着浓度增加这个 稳定的分散结构变得不稳定，当超过某个临界浓度后分子向某种有序的状态———向列相转变，得到各向 异性结构［１５］。随着胶原浓度进一步增加，胶原分子逐次发生向列相转变、预胆甾相起伏、胆甾相扭曲，如 图５［１６］所示。迄今为止在体外已发现胶原分子形成向列相、预胆甾相、胆甾相三种液晶结构［１７，１８］。令人 惊讶的是，动物结缔组织中纤维的排列方式与体外变换浓度获得的胶原分子有序排列方式极其相似，真 皮中对齐的胶原束类似于分 子向列相排列［１９］，腱中起伏原纤维规则的卷曲类似于预 胆甾相［２０］，角 · ８３ · 高 分 子 通 报 ２０１３年８月