【摘要】角膜的透明性对角膜而言很重要，一旦受到破坏，必将影响物体在视网膜上成像的清晰度，而角膜的透明性主要取决于基质层中胶原纤维的有序排列。本文简要概括了角膜胶原的分子结构、分布、生理生化和病理改变等方面的研究。
【关键词】 角膜；胶原；分子结构；生物合成
Research advances of cornea collagen protein
LüHong Deng, WeiLi Li
Department of Ophthalmology, the Second Affiliated Hospital of Nanhua University, Hengyang 421001, Hunan Province, China
Correspondence to: LüHong Deng. Department of Ophthalmology, the Second Affiliated Hospital of Nanhua University, Hengyang 421001, Hunssan Province, China. [email protected]
Abstract Transparency is important to cornea. Once transparency is destructed, retinal image quality would be affected. The transparency of cornea is mainly decided by the orderly arrangement of the collagen fibers in corneal stroma layer. We reviewed the molecular constitution, distribution, physiological functions, biochemistry and pathology of corneal collagen.
KEYWORDS: cornea; collagen; molecular constitution; biosynthesis
引言
角膜是位于眼球前壁的一层透明膜，约占纤维膜的前1/6，具有透明、内无血管和感觉神经丰富的特点，其前凸、表面光滑、质地坚韧并有弹性。角膜的透明性对角膜而言很重要，一旦受到破坏，必将影响物体在视网膜上成像的清晰度。而角膜的透明性主要取决于基质层中胶原纤维及其多糖共轭物的有序排列[1]，角膜透明性的维持依赖于有规律的细胞外基质转换。胶原纤维是角膜基质中最丰富的结构大分子，占角膜干重的71%[2]。纤维蛋白与基质中特异性糖蛋白相互作用产生正常透明的基质，合成胶原纤维类型的改变及翻译后水平的差错均可导致角膜疾患。本文简要概括了角膜胶原的分子结构、分布、生理生化和病理改变等方面的研究。
1角膜的组织结构
在组织学上角膜由外向内分为五层：上皮细胞层、前弹力层（又称Bowman膜）、基质层、后弹力层（又称Descemet膜）、内皮细胞层。上皮细胞层厚约50μm，占整个角膜厚度的10%，由5～6层细胞所组成，角膜周边部上皮增厚，细胞增加到8～10层。上皮基底膜主要分布Ⅳ型胶原。前弹力层位于上皮基底膜后面，厚约8～14μm。用光镜观察是一层相当均匀的非细胞层，但通过电镜观察，该层是类似基质的特殊层，并非真正的膜，而是表层基质的致密层，主要分布I型胶原纤维，不能与基质层分离。该层不能再生，损坏后会成为不透明的疤痕组织，该层上有小孔，角膜神经由此到达上皮。基质层主要由I型、Ⅳ型胶原纤维构成，厚约500μm，占整个角膜厚度的90％，基质层共包含200～250个板层，板层相互重叠在一起。板层与角膜表面平行，板层与板层之间也平行，保证了角膜的透明性。后弹力层是角膜内皮细胞的基底膜，主要分布Ⅳ型胶原，很容易与相邻的基质层及内皮细胞分离，后弹力层坚固，对化学物质和病理损害的抵抗力强。内皮细胞为一单层细胞，约由50万个六边形细胞所组成。
2角膜胶原分子结构、分布和功能
胶原的单体是原胶原。每个原胶原分子由三条α肽链组成，α肽链自身为α螺旋结构，三条α肽链则以平行、右手螺旋形式缠绕成“草绳状”三股螺旋结构，电镜下测得直径为15A，长约280A，呈棒状结构，分子量近300000。各种胶原分子是由三条同样或异型复合体α链组成，且每种胶原的三股螺旋分子重量有很大不同[34]，但其基本结构是重复三组甘氨酸XY（X代表脯氨酸，Y代表羟脯氨酸或羟赖氨酸），因此甘氨酸占胶原分子的1/3，它的固定位置限制了三股螺旋结构。丙氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸各占氨基酸总量的10%，天冬氨酸和谷氨酸共占10%，精氨酸和丝氨酸约各占5%，其余20%包括少量的羟赖氨酸、无色氨酸和半胱氨酸。
胶原一般为白色、透明、无分支的原纤维，具有四级结构。胶原分子的α链上特定的氨基酸顺序构成其一级结构；其二级结构指的是α链上因为出现了甘脯Y三肽而形成胶原特有的、紧密的左手螺旋；而由于甘氨酸在三肽周期中的存在，使得三条左手螺旋链互相弯绕形成一股紧密的右手复合螺旋，这是胶原的三级结构；四级结构一般指原胶原分子按“四分之一错列”方式超分子聚集形成很稳定的韧性很强的原纤维。不同类型胶原的主要区别在于分子中非螺旋部位的范围和分布，同时它也决定整体蛋白的易变性和生物物理特性。
2.1 I型胶原
I型胶原属于间质胶原，蛋白分子量约285kDa，宽14A，长约3000A。其三股螺旋由二条α1（I）链及一条α2（I）链构成，每条α链约含1050个氨基酸残基，长约300nm，相对分子质量约为100000左右。α1（I）和α2（I）肽链的主体部分由338个重复的GlyXY序列构成。在αl(I)链的两端分别有一个短的序列，其排列顺序不规则，与主体部分不同。N端有16个，C端有25个。每条α链均为左手螺旋，螺距为187nm，每转一圈有313个。三条肽链又相互缠绕形成一个长螺旋，为右手螺旋，螺距为916nm，每圈有36个，形成了蛋白分子特有的三螺旋杆状结构[5]。各学者[68]研究发现I型胶原在人角膜中主要分布于基质中，其次分布在上皮层和内皮层，I型胶原占胶原总量的64％，起支架作用，它是保持机械张力的重要因素之一，I型胶原的减少将会导致角膜的稳定性降低。
2.2 II型胶原
II型胶原的三股螺旋由三条α1（II）链构成，每条α1链的分子量为100kDa[9]。II型胶原主要存在于角膜基质层，其次分布在前弹力层。II型胶原的减少和增多，可干扰调节结缔组织中胶原束的组成。
2.3 III型胶原
Ⅲ型胶原的三股螺旋由三条α1（Ⅲ）链构成，肽键内有二硫键，是一种二硫键结合的分子，变性时仍以三聚体的形式存在。Ⅲ型胶原在人角膜基质中只占有很小一部分，平滑肌、成纤维细胞可以合成Ⅲ型胶原[10]。各学者对于人角膜中Ⅲ型胶原蛋白的含量报道结果不一[1113]，有的认为Ⅲ型胶原在人角膜中含量较低，主要分布在角膜基质层，其次分布在上皮层和内皮层，但也有报道在人角膜中不含Ⅲ型胶原，这些检测结果的不同可能与抗原的暴露和检测方法有关。也有人证明，Ⅲ型胶原只出现在婴儿角膜中[1416]。Ⅲ型胶原的减少和增多，可干扰调节结缔组织中胶原束的组成。
2.4 IV型胶原
IV型胶原是由3条不同的α（IV）链组成的异质三聚体，在正常情况下主要存在于基膜，由上皮来源的细胞合成表达，也可由某些间质细胞合成，构成基膜的网状支架，调节着细胞的分化和增殖，而细胞周围Ⅳ型胶原的出现，是细胞保持其形态学稳定性的特征[16]。角膜组织中Ⅳ型胶原主要分布在前弹力层及后弹力层[17]。
2.5 V型胶原
V型胶原是由3条相同的的或不同的α（V）链组成的三聚体，其中富含半胱氨酸、3羟脯氨酸和糖化的赖氨酸。分子中3条链相互缠绕，构成彼此有别的3个区域三螺旋区。V型胶原由角膜的成纤维细胞合成，它存在于I型胶原组成的纤维中，为I型胶原纤维形成支架，I、V型胶原相互作用调节小纤维直径的大小，对角膜的透明性起重要作用[18]。角膜组织中V型胶原主要分布在上皮层、前弹力层，是纹状纤维的组成成分，在基膜和基质之间起着“桥梁”的作用。I，V型胶原相互结合组成了一个异型的纤维帽覆盖V型胶原的螺旋状抗原表位，这个表位可以抑制V型胶原的特异性单克隆抗体结合，异型纤维与V型胶原的相互作用提示它可能对于调节纤维的同一性起作用[19]。
2.6 VI型胶原
VI型胶原是一种异三聚体[α1（VI），α2（VI），α3（VI）]，多肽分子量分别为150，140和300kDa。Ⅵ型胶原的微丝长100nm，呈周期性的串珠状。每条多肽链包括3个不同区域，球蛋白在氨基和羧基末端有一短的三联体螺圈分离，哑铃状单体通过侧面连接形成四分体，Ⅵ型胶原的超微结构显示四分体尾尾连接形成串珠样丝状结构[20]。VI型胶原在角膜中含量丰富，分布在前弹力层、后弹力层和基质层，主要在基质层中表达，是纤维间基质的构成成分,并是胶原连接组织的主要成分，与角膜基质及细胞外基质蛋白均可发生作用[21]，与细胞间质间黏附有关，并且与细胞外基质成分相互作用，包括胶原、透明质酸及蛋白多糖。作为一种结构蛋白，VI型胶原对于组织内部固定基底层间接触有重要作用并可限制胶原原纤维向侧方移位[22]。VI型胶原对于建立和维持合适的胶原原纤维间隙很重要，从而维持角膜透明。
2.7其它类型胶原
VIII型胶原被认为是细胞间的和细胞基质间的一种跨膜蛋白，它存在于正常角膜、圆锥角膜与疤痕角膜中。在正常人类角膜中，通过免疫定位的方法检测出VIII型胶原主要分布在角膜上皮层中，其次分布于角膜基质层中。然而在圆锥角膜，在前弹力层破裂的区域，上皮层中的VIII型胶原减少，基质层中的VIII型胶原呈现强免疫荧光表达。在瘢痕角膜中，疤痕区域的基质层中的VIII型胶原免疫荧光表达明显增强，而疤痕周围区域的荧光表达则有所减弱。
XII型胶原作用是参与间质的构建以及维持纤维组织[23,24]，是一种纤维协助胶原。原位杂交的上皮方法显示细胞和内皮细胞都可以合成XII型胶原，在体外培养的细胞说明除上皮细胞外，间质成纤维细胞也有合成XII型胶原的能力，免疫荧光分析XII型胶原在前弹力层中具有热稳定性[25]。
另外，XIII型胶原主要限制于正常角膜的基底细胞中，它的作用可能是将角膜上皮细胞相互粘合在一起及将它们与基底膜结合，同时，在角膜疤痕中的高表达表明它参与了角膜损伤的愈合过程[26,27]。
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