医用胶原在体内降解过程
摘要
MMPs:基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinase）是指一个肽链内切酶大家族，功能是降解ECM（细胞外基质）,其家族成员具有相似的结构
目前MMPs家族已分离鉴别出二十余种以上，根据结构及底物特异性,将MMPS分为6类
/p>
胶原酶（MMPs1,8,13和18），主要水解底物是纤维类胶原，即即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、V、Ⅸ型胶原。
明胶酶（MMPs2和9），主要降解Ⅳ、V、Ⅶ、X、Ⅺ及XⅣ型胶原，明胶、弹力蛋白、蛋白多糖以及纤维粘连蛋白。
基质溶解素（MMPs3和10），其中MMP3和MMP-10的水解底物比较广泛,如Ⅲ、Ⅳ、V、Ⅶ、Ⅸ及X型胶原，弹力蛋白、纤维粘连蛋白以及rudogen等。
基质降解素，包括基质溶解因子1（MMP7)和基质溶解因子2(MMP26），是最小的MMPs，底物有Ⅳ型胶原、弹力蛋白、纤维粘连蛋白和腱生蛋白。
膜型基质金属蛋白酶MT-MMPs（MMPs14、15、16和17）
其他类型MMP
part.1降解机制
体内医用胶原的降解过程以酶法降解为主，其个别酶可以实现很好的降解，但是在特定情况下，哪种特定的酶解机制占主导地位目前尚不清楚。
胶原蛋白可被四大分类的内肽酶降解：（i）金属蛋白酶，（ii）丝氨酸蛋白酶，（iii）半胱氨酸蛋白酶和（iv）天冬氨酸蛋白酶。
假定降解主要在生理pH下发生，所以金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶将处于其最佳功能能力。在局部酸性环境中，半胱氨酸蛋白酶（组织蛋白酶B、H、L和S）和天冬氨酸蛋白酶（组织蛋白酶D）在酸性pH下作用于细胞外时具有最佳活性，尽管在胶原片段的吞噬作用之后，它们的主要作用可能在细胞内的溶酶体内。然而，它们的相对作用却随着环境的不同而有所不同，并且它们还能够协同作用于消化胶原蛋白。尽管一些过程通过原纤维片段的吞噬发生，但通常认为，细胞内消化不是吸收过程中的关键事件。
part.2四大內肽酶酶解分析
金属蛋白酶
MMP是17个或更多个结构上和功能上相关的锌依赖性内肽酶（现被称为基质金属蛋白酶）的亚家族。直到最近才普遍认为，胶原酶组仅由间质胶原酶MMP-1和嗜中性粒细胞胶原酶MMP-8组成；然而，针对不同于MMP-1的啮齿动物间质胶原酶，我们确认其具有被称为MMP-13的人类同系物。
所有的MMPs在生理pH下都起作用，并且需要锌用于催化功能，需要钙来确保结构稳定性，因此它们会受到阳离子螯合剂（例如EDTA）抑制。它们被合成为酶原，并分泌到细胞外空间中（除了可被隔离在特定颗粒中的嗜中性粒细胞MMP-9和并入细胞膜中的膜型MMPs（MT-MMPs）之外）。在细胞外将MMPs激活，而MT-MMPs和MMP-11则例外，它们在细胞内由fucin所活化。激活涉及前肽的切除，从而暴露含锌的活性位点。
胶原酶
胶原酶是MMPs，被合成于大多数结缔组织细胞、成纤维细胞、角质化细胞、成骨细胞和巨噬细胞中。在健康组织中MMP-1不显而易见，仅存在于伤口中少于一半的细胞中，但是基底角质化细胞是显著的主要来源，而不是成纤维细胞。它们的功能是在α1链上的Gly-Ileu处和α2链上的Gly-Leu处水解纤维胶原的三股螺旋以产生3/4和1/4分子长度的两个三螺旋片段。
不会发生进一步的水解，但是现在两个三螺旋片段的变性温度低于生理温度（完整分子的变性温度只比生理温度高1/2℃），并且它们都变性生成明胶的无规多肽链，其现在对多种蛋白酶，特别是MMP-2敏感。水解三股螺旋的速率对温度非常敏感：在37-39℃之间，水解速率会提高3倍，并且超过5℃范围后，提高15倍。应该将其与温度每上升10℃而酶反应速率正常提高约2倍相比较。
就胶原蛋白而言，认为该显著提高是由于在水解位点处三股螺旋结构的稳定性发生变化，与胶原三股螺旋的其余部分相比，这可被认为更松弛的螺旋结构域。胶原蛋白分子的酶水解是一个非常缓慢的过程，并且已经计算出酶能够每45秒水解一个分子的一个α链。胶原蛋白的性质对水解速率有深远的影响。例如，MMP-1会以不同的速率来降解纤维状胶原蛋白，对III型的活性大于I型，而对II型仅有弱的活性。
嗜中性粒细胞胶原酶（MMP-8）由多形核白细胞（嗜中性粒细胞）特异性地产生，并且与MMP-1具有60％的同一性。通过切除前肽，中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶G和基质溶解素将其激活。MMP-8被隔离在嗜中性粒细胞内的特定颗粒中；其对I型胶原蛋白的活性大于III型胶原蛋白，而II型胶原蛋白是次要底物。MMP-13由MT-1-MMP、MMP-2和纤溶酶激活，并且其活性对II型胶原蛋白最大，与其它胶原酶不同，它水解纤维胶原的N-末端肽。
明胶酶
明胶酶会特异性降解已变性的纤维胶原（明胶）（见图1）和IV型胶原蛋白。MMP-2和MMP-9具有相似的基质特异性，但是基因启动子的组织和结构中存在差异，这允许差异调节和表达两种明胶酶。
图1胶原蛋白植入物的交联纤维降解的双重机制。这些机制包括：（左）中性胶原酶水解三股螺旋的三条链，（右）酸性组织蛋白酶和中性丝氨酸蛋白酶水解含有分子间交联的非螺旋末端区（端肽）。
所有MMPs中分布最广的是MMP-2，由所有结缔组织细胞组成性地产生，并且不与其它MMPs一起协调表达。由MTMMPs（如MMP-13）的激活过程也是不同的。MMP-9由大量细胞产生，通常在炎症、血管生成和组织修复过程中表达。
可以通过明胶酶谱以极低的水平检测出MMP-2和-9（明胶酶A和B），并且通过该技术，人们可区分和定量酶的前体和活性形式。通过免疫组织化学、原位杂交和反转录-聚合酶链反应确定其它MMPs，但是这些技术不会区分活性酶和非活性酶。
通过特异性抗体技术而获得的MMPs和TIMPS的地形图已经表明，有时它们的位置与体外所观察到的显著不同。在（细胞）培养中许多类型的细胞可以表达MMP-9，但是在体内似乎仅限于某些细胞类型，如小鼠发育期间所示。组织和细胞培养表达模式之间似乎存在显著差异。
半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶（组织蛋白酶）
半胱氨酸蛋白酶（组织蛋白酶B、H、L和S）和天冬氨酸蛋白酶（组织蛋白酶D）均在pH3-5下发挥最佳功能，并且在吞噬物质的细胞内消化中起主要作用。这些蛋白酶通常储存在细胞内的溶酶体颗粒中。然而，它们以潜在的形式分泌，并且在局部酸性条件下在细胞外发挥其作用。像丝氨酸蛋白酶一样，这些组织蛋白酶的作用是将含有交联（其结合纤维中的分子）的端肽进行水解的（见图1）。它们经合成作为酶原，在哺乳动物组织中组织蛋白酶B是最丰富的，尽管组织蛋白酶L对蛋白质底物具有更大的活性。在溶解的三股螺旋变性后，单个的α-链易于被大多数蛋白酶降解，但是组织中的主要试剂是明胶酶MMP-2和-9，对降解细胞外纤维胶原十分关键。
part.3医用胶原的消化
明胶酶、组织蛋白酶和丝氨酸蛋白酶都能够将已变性的胶原蛋白植入物完全消化成其组分氨基酸，然后重新利用这些氨基酸，无论是产生于细胞内还是细胞外的消化。在正常的生理周转、降解和再合成期间，将75-80％的氨基酸重新用于新的蛋白质合成。由于不储存过量的氨基酸，它们被转化成代谢中间体。剩余的20-25％氨基酸的α-氨基发生转氨作用，形成尿素排出体外。碳骨架充当碳水化合物和脂质生物合成的底物或特定的代谢物，如核苷酸、激素、丙酮酸、草酰乙酸和α-酮戊二酸，这对于胶原蛋白中脯氨酸和赖氨酸的羟基化是重要的。
就胶原蛋白而言，有许多重要的加工后过程产生新的氨基酸，这些氨基酸在释放后，无法并入到新的蛋白质中。例如，没有针对羟脯氨酸和羟赖氨酸的三联体密码。通过脯氨酰羟化酶和赖氨酰羟化酶分别作用于肽结合脯氨酸和赖氨酸，在形成三股螺旋之前，细胞内在新生肽链上产生这些氨基酸。羟脯氨酸和羟赖氨酸（以及其所连接的二糖、半乳糖-葡萄糖）对于胶原蛋白而言实际上是独特的，因此在尿液分析测量体内，胶原蛋白转换中已经被用作胶原蛋白降解的标记物。这些标记物也被用于评估在严重伤口（例如烧伤）中发生的代谢变化。
稳定的交联，如羟基赖氨酰吡啶啉，以游离或肽结合交联的形式排泄到尿液中，并且被用作骨转换的量度。根据交联的程度和性质，化学交联的胶原蛋白植入物和敷料但可以推测，与天然醛交联结构类似的戊二醛交联对于酶的消化具有稳定性，因此在完全消化植入物后，将以与天然交联相同的方式排泄。
part.4结论
医用胶原体内降解的过程：
1、首先通过*MMPs-1（胶原酶），将三股螺旋水解为和螺旋片段，然后通过含有分子间交联的胶原分子端肽区的组织蛋白酶水解完成。
2、水解后的三螺旋片段在生理温度下发生变性为明胶。
3、明胶被许多蛋白酶（主要是明胶酶（MMPs-2和-9）和组织蛋白酶）迅速降解为氨基酸。
4、最终将胶原蛋白植入物降解为氨基酸成分，75-80%的氨基酸重新用于新的蛋白质合成。剩余的20-25%氨基酸（羟脯氨酸、羟赖氨酸以及各种交联氨基酸）的a-氨基酸发生转氨基作用，形成尿素排出体外。
—END—
文章来源
