胶原蛋白与胶原纤维

椎间盘中的纤维有胶原纤维、弹性纤维和网状纤维，以胶原纤维为主，后两种所占比例很少。

1．胶原纤维　胶原纤维（collagenous fiber）主要由胶原蛋白构成，约占椎间盘干重的1/2，是细胞间质中的主要有形成分。新鲜状态下的胶原纤维呈白色，又称白纤维，常成束存在于疏松结缔组织、致密结缔组织、骨及软骨中。胶原纤维长短不一、粗细不等、波浪形走行、相互缠绕呈不规则网状结构，构成细胞间的支架。其横断面近似椭圆形，直径在1～20μm之间，用石灰水和苦味酸水溶液可将纤维间的黏合质溶解，从而获得分离的胶原原纤维。胶原纤维有嗜酸性，可被酸性染料伊红或酸性复红染成红色。Mallory和Masson三色染色法均被染为蓝色。在偏光显微镜下胶原纤维具有正单轴双折光的属性，如用苦味酸－Sirius红偏振光法染色，染料与胶原分子结合，与纤维平行排列，增强了纤维的双折光性，用偏光显微镜观察纤维呈亮红色。这种染色方法也可用来分析不同类型纤维的分布，鉴别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原，染色强度与胶原浓度呈量的线性关系。

胶原蛋白易被胃蛋白酶消化，用水久煮亦可使其溶解，经冷冻后又成凝胶状，亦即明胶。胶原纤维易溶于稀碱溶液，如稀氢氧化钾溶液，或较强的酸溶液，如浓的冰醋酸溶液中。在稀酸溶液中，胶原纤维产生可逆性膨胀，故在新鲜的结缔组织铺片上，胶原纤维的横纹，可因加稀酸而消失。由于这种原因，凡是用含有稀酸的固定液处理过的组织，不可直接用水洗，而宜用酒精或能防止胶原纤维膨胀的硫酸钠或硫酸锂浸洗。

构成胶原纤维的超微结构单位为胶原原纤维（collagenous fibril），经黏合质黏合而成胶原纤维，黏合质为蛋白多糖和糖蛋白，故过碘酸希夫反应（periodic acid Schiff reaction，PAS）呈阳性。在电镜下，胶原原纤维上可见64～70nm周期性的横纹（图4－9）。胶原原纤维直径一般在10～50nm之间，但聚合程度低的直径较小，仅几个纳米，也不显周期性的横纹，横纹是否出现并不完全依赖于原纤维的粗细。

在各种不同结缔组织中，胶原原纤维的直径差别亦甚大，其粗细及聚合模式并不决定于胶原分子遗传上的差异，而是受翻译后的修饰和基质蛋白多糖及局部微环境等因素的影响。直径大于50nm，有横纹的胶原原纤维分布较广，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白构成。另外，随年龄增长及组织老化，纤维可增粗至200nm。胶原纤维的抗拉性能甚强，如肌腱每立方毫米可承受6kg的拉力，但牵张延伸性较差，只有其长度的5%。

图4－9　胶原纤维及其分子结构模式图

2．胶原蛋白　胶原蛋白分子为一种由3股多肽链呈螺旋形缠绕而成的绳索状长分子，长约300nm，直径约1．5nm，是细胞间质中结构性的超分子聚合体，它们平行聚合成胶原原纤维。由于3股多肽链相互平行的相邻分子之间错开1/4分子长度（约70nm），而同一直线上首尾相随的两胶原蛋白分子之间又保持着约40．2nm的距离，故相邻平行的胶原蛋白分子间首尾约26．2nm的段落相互重叠。以胶原蛋白分子作为单体，按此方式聚合成的胶原原纤维上，出现疏密间隔相同的周期性横纹区，每个周期宽64（干）～70 nm（湿），一个胶原蛋白分子约有4．48个周期。

胶原蛋白分子中的每条多肽链约含1　050个氨基酸残基，以羟脯氨酸含量最多。按照氨基酸组成及排列顺序不同，可分为α1、α2、和α3三类，各类又有多种亚型。α肽链虽然很长，但其合成速度却是相当快的，在供氧充足的情况下，5～10min便可形成一条前胶原蛋白分子。至今已发现19种不同类型的胶原（Ⅰ～ⅩⅨ），以上各类胶原中只有Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型形成光镜下可见的纤维结构，其它各型只有用电镜或免疫荧光法才能显示。Erriigton用免疫组织化学的方法对椎间盘内的胶原进行定位研究，结果发现在正常的纤维环、髓核及软骨终板中，含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ、Ⅺ等型胶原。不同结构的胶原来源不同，如纤维环和软骨终板内的胶原由软骨细胞合成，髓核内的胶原由脊索细胞或软骨样细胞合成。Ⅰ型胶原分布广泛，它构成的原纤维直径为50～90nm，有横纹，常形成胶原纤维或聚集成胶原纤维束。Ⅰ型胶原可与Ⅲ型、Ⅴ型胶原共同存在于一条胶原纤维内。Ⅱ型胶原构成的原纤维很细，不形成较长的纤维，只有在偏光显微镜下或经苦味酸猩红染色才能显示。由Ⅲ型胶原形成的纤维称网状纤维，因其有嗜银性，又称嗜银纤维，只有用硝酸银染色才能显示，呈棕黑色。以Ⅲ型胶原为主的胶原纤维具有较强的伸展性，可赋予所在的器官一定的弹性。Ⅴ型胶原数量少，但分布广泛，不形成纤维，可能参与纤维内和纤维间的连接，维持和调节Ⅰ型胶原原纤维的直径。Ⅵ型胶原量很少，存在于Ⅰ和Ⅲ型胶原所在的部位，它是一种短链分子，由长约100nm两端带有球形区的3股螺旋肽链组成，分子常侧侧聚合形成多聚体。在某些情况下，四聚体可端端连接形成细小（直径5～10nm）串珠状的原纤维。Ⅸ型胶原的α2肽链上独具共价结合的硫酸软骨素链的糖链环绕在Ⅱ型胶原的表面，可能具有限制原纤维增粗、稳定纤维形态的作用。Ⅸ型胶原是Ⅱ型胶原原纤维交叉部位的偶联物，有维持胶原原纤维在软骨内的三维空间排列的作用，它可作为软骨形成的标志物。

胶原蛋白的合成过程复杂，历经多个步骤，至少有8种以上的酶参与催化，每一步骤都涉及终产物的正常结构和功能，羟脯氨酸对形成胶原蛋白的3股螺旋肽链至关重要。胶原蛋白的合成过程受很多因素的影响和调控，酶的异常或某些病理因素可引起胶原合成异常或中断，引起所在器官胶原质和量的异常，而缺乏氧气、维生素C和铁则可影响胶原蛋白的合成和排泌，最终会导致器官的功能改变。胶原酶可将胶原裂解为两部分，再由非特异性酶降解。