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3胶原的生物合成
不同胶原蛋白的基因类型及定位不同，在人类六条不同染色体上至少有26个定位基因指导合成不同类型胶原。I型胶原的α1（I）链由位于17q21.3q22的COL1A1基因编码，而α2（I）链由位于7q21.3q22的COL1A2基因编码。每条链的三螺旋结构域由42个外显子编码，由甘氨酸密码子起始，在进化过程中高度保守。COL1A2基因第2内含子有可变启动子，而胶原编码序列外有一段短的开放阅读框架。因而通过不同启动子启动转录，COL1A2基因能编码不同的多肽[28]（图1）。
前胶原（procollagen）是原胶原的前体和分泌形式。细胞合成的前胶原除三股螺旋结构外在N末端及C末端分别存在球形结构域。前胶原由3条前α链构成，每条前α链分别在两端存在N端前肽及C端前肽。前肽区没有GlyXY序列，却含有较多酸性氨基酸及芳香族氨基酸，并含有半胱氨酸，故可形成链内或链间二硫交联键。3条前α链的前肽共同构成前胶原分子的3股螺旋结构两端的球形结构域。
经转录、翻译、翻译后修饰等复杂过程，机体合成了不同的胶原蛋白，其合成的共同特点：（1）首先在细胞内合成较大的前体分子—原胶原。原胶原合成步骤包括：切除信号肽，在羟化酶作用下，脯氨酸和赖氨酸羟化，脯氨酸残基的羟化反应是在与膜结合的脯氨酰4羟化酶及脯氨酰3羟化酶的催化下进行的，这些酶的羟化过程中需要二价铁、维生素C、氧分子和α酮戊二酸作为辅因子。羟化程度还依靠非螺旋肽数量而定。随着赖氨酰残基羟化，糖的残基加在羟化赖氨酰上。这种糖基化过程由两种特定的葡萄糖基和半乳糖基转移酶催化[29]。三种初生链聚集成三股螺旋结构，其作用是使蛋白的结构稳定。胶原螺旋的稳定性是由赖氨酰残基适当羟化，通过链间氢键结合决定的。妨碍这一过程的任何条件都能改变胶原分子的热稳定性，减低其变性温度及增加蛋白水解。在这些结构域引导下，原胶原羧基端由二硫键相连，形成三螺旋结构核心，三螺旋构象以拉链样方式延伸至链的氨基端，成为右手超螺旋。（2）原胶原合成后，以可溶性方式分泌至胞外，在N蛋白酶及C蛋白酶作用下，切除氨基端及羧基端成为胶原分子，再进一步组装成不溶性胶原纤维。（3）最后赖氨酸及羟赖氨酸残基转化为醛化衍生物，形成交联物，保证胶原纤维有序排列及结构完整[30]。
4角膜病理状态下胶原的改变
Maurice[31]提出的格子理论阐明角膜的透明性问题，他认为基质中胶原直径相等，且排列成格子状，同时纤维与纤维间隔距离小于一个波长。这种纤维格子网对所有散射光线起栅栏作用，产生破坏性干扰，使其相互抵消，而对那些与投射光相同方向的光线则不进行干扰，反而互相加强，使组织显得透明。胶原纤维是角膜基质中最丰富的结构大分子，纤维蛋白与基质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以及翻译后水平的差错均可导致角膜疾患。
4.1圆锥角膜与胶原的改变
圆锥角膜是一种慢性、进展性、非炎症性病变，好发于青年人，常为双侧性，女性多见。尽管有许多学者提出关于圆锥角膜病因学的假说，该病的发病机理一直未阐明，它与胶原的异常有着密切的关系。不同结构特点的胶原分布在角膜各层，行使着不同的功能，正常角膜基质的胶原成分也存在于圆锥角膜的正常部位。圆锥角膜的主要病理改变为角膜基质变薄、角膜前凸，这可能与胶原数量减少、胶原纤维的结构变化造成的异常分布排列有关。胶原量的减少或异常排列导致角膜的机械抵抗力降低，因而角膜前凸变薄。角膜基质的稳定性可能部分取决于不同类型胶原纤维表达的比例。
胶原I型对于建立和维持角膜支架有重要作用，I型胶原的减少会导致角膜的稳定性降低。有学者检测到在圆锥角膜的基质瘢痕区可见II，Ⅲ型胶原纤维呈斑块状不规则形的强阳性表达，分析II，Ⅲ型胶原在瘢痕区的增多可能与它增加调节结缔组织中胶原束的组成作用有关[7,11]。对角膜的透明起重要作用的VI型胶原对于建立和维持合适的胶原原纤维间隙有重要作用，VI型胶原的减少会导致纤维间隙的稳定性降低。不同类型胶原纤维在组织中的特异分布及不同胶原类型的比例可能影响胶原纤维的聚集，这些主要胶原成分的改变可能会使角膜基质变的不稳定。
4.2 准分子屈光术后角膜与胶原的改变
早在1991年Lohmann等[32]就观察到，PRK术后切削区上皮过度增生，基质细胞活化增殖，产生I型、III型、IV型等新的胶原和空泡，纤维连结蛋白、黏蛋白等细胞外基质沉积。超微结构显示，基底细胞内有空泡形成，基膜不完整，可见半桥粒、锚状细丝及锚状斑。基质细胞内粗面内质网丰富，表明有活跃的合成功能。Fitzsimmons等[33]还发现PRK术后角膜基质中透明质酸含量平均增加了28倍，改变了水分平衡，影响了角膜的厚度、曲率及折光力，而且透明质酸的存在为细胞分裂提供一个有利环境，构成成纤维细胞的支架，促进胶原纤维的合成和增生。新生角膜上皮及基质细胞增多，角膜上皮的基底膜不完整，基质细胞内空泡形成，胶原粗大且排列紊乱，细胞外基质异常沉积，形成haze。
有研究发现位于瞳孔中央的角膜比在外周的角膜表现得更加紧密，角膜瞳孔区的胶原间的平均空间间隙要比瞳孔以外的胶原间的平均空间间隙要小5%～7%。各轴位密集排列的纤维决定了角膜的透明性和屈光力。生物动力学的观点，在角膜瞳孔区的高密度排列，增强了在此区的胶原纤维强度，这对维持这一组织厚度低的角膜的强度和曲率是必需的。这些结果可能对于正在发展的角膜屈光手术模式有重要的提示作用[34]。
5展望
随着对角膜胶原研究的深入，科学家们已经对角膜胶原的分子结构有了清晰的认识，但是对于它们的功能以及相互的作用的研究尚不甚透彻。由于角膜的透明性很大程度上取决于角膜胶原纤维的有序排列和功能的正常，相信随着科学家们对角膜胶原纤维的生物合成、功能以及基因转录调控研究的深入，将为临床角膜病的诊治及角膜手术后的恢复治疗带来一片新的天地。
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