正常椎间盘的蛋白多糖

蛋白多糖（proteoglycan，PG）是由多肽（polypeptide）为主链，以氨基多糖为侧链的大分子体，为细胞外间质的重要成分，分布于软骨、结缔组织及角膜等基质内，也是椎间盘主要的大分子结构。它存在于椎间盘的髓核基质内，具有较高的渗透压，对保持髓核的含水量，维持椎间盘的抗压缩功能有十分重要的作用。

蛋白多糖由蛋白部分及糖胺聚糖（glycosaminoglycan）以共价键连接而成。蛋白部分称为核心蛋白，糖胺聚糖因含有糖胺而得名，可以是葡萄糖或半乳糖胺。体内重要的蛋白多糖有：硫酸软骨素（chondroitin sulfate）、硫酸皮肤素（dermatan sulfate）、硫酸角质素（keratan sulfate）、透明质酸（hyaluronie acid）、肝素（heparin）和硫酸类肝素（heparan sulfate）。蛋白多糖中多糖所占重量在一半以上，最多可达95%。

椎间盘中主要有硫酸软骨素、硫酸角质素和透明质酸3种蛋白多糖分子。在椎间盘软骨的蛋白多糖，含有两种类型的氨基多糖，即硫酸软骨素和硫酸角质素。在纤维环和髓核中有透明质酸。

1．硫酸软骨素（chondroitin sulfate）是体内最多的蛋白质多糖，在骨骼和软骨组织中最丰富，是关节软骨中最重要的氨基多糖，也是椎间盘中蛋白多糖主要的糖胺聚糖。用葡萄糖醛酸测定，发现硫酸软骨素是由N－乙酰半乳糖胺及葡萄糖醛酸的双糖重复单位构成。在GalNAC的第4或6位上连接硫酸，根据取代基的部位将硫酸软骨素分为4－硫酸软骨素和6－硫酸软骨素。每条糖链有40个二糖单位，相对分子质量近乎2 000。4－硫酸软骨素是胚胎性软骨和未成熟软骨所特有的。随着人的成长，6－硫酸软骨素的组织含量增加。椎间盘中硫酸软骨素的相对分子量为12 000～20 000。糖链与核心蛋白以O－连接方式连接，与透明质酸结合成蛋白多糖聚合物。

2．硫酸角质素（keratan sulfate）　其二糖单位由半乳糖和N－乙酰葡萄糖胺构成，并在葡萄糖醛酸的6－位上含有硫酸基团。有时也可在半乳糖的6－位上。硫酸角质素可分为Ⅰ、Ⅱ两型。硫酸角质素Ⅰ型多见于角膜，硫酸角质素Ⅱ型多见于软骨和髓核。硫酸角质素链以半乳糖与苏氨酸（或丝氨酸）间的糖苷键及核心蛋白相连，与硫酸软骨素共同组成聚合物，分布于软骨与结缔组织中。

3．透明质酸（hyaluronie acid）　透明质酸由N－乙酰氨基葡萄糖的重复二糖单位和葡萄糖醛酸构成，透明质酸是不含分支的单链多糖。在椎间盘中，蛋白多糖通过核心蛋白，在连接蛋白的参与下，以非共价键的方式连接于透明质酸，形成蛋白多糖聚合体。一个透明质酸分子可加载多达100个蛋白多糖单体。在椎间盘的纤维环和髓核中有透明质酸。但髓核中蛋白多糖量要比纤维环中的量大，纤维环中的透明质酸量与年龄变化无明显改变，而在髓核中随年龄变化而有波动。纤维环外层纤维由于有较多的胶原成分，故其蛋白多糖较内层纤维少。透明质酸为二糖单位，由葡萄糖醛酸和N－乙酰葡萄糖胺组成。没有硫酸，而单糖残基可达5 000个。

椎间盘蛋白多糖与关节软骨相比，椎间盘中蛋白多糖的透明质酸链较短，硫酸软骨素链较长，所形成的聚合体小于组成透明软骨的聚合体。椎间盘的不同部位蛋白多糖的含量是不同的。髓核处的蛋白多糖含量远高于纤维环，由纤维环到髓核中央蛋白多糖浓度呈梯度增加，而软骨终板中的含量比纤维环中更少。在细胞周围区域的蛋白多糖比其他地方得多。Melrose（2000）使用免疫定位的方法研究了丝氨酸蛋白酶抑制剂蛋白在支撑细胞、软骨细胞和椎间盘纤维软骨的分布。Melrose（2001）使用琼脂糖聚丙烯酰胺凝胶电泳的方法研究了不同年龄动物椎间盘蛋白多糖的时间和空间变化，发现胎儿期椎间盘主要是单分散的硫酸软骨素和硫酸角质素替代型，而非胎儿期主要为多分散的硫酸软骨素和硫酸角质素替代型。由纤维环外层到髓核的中央，蛋白多糖的含量逐渐增加。髓核中硫酸角质素与硫酸软骨素比值高于纤维环，但髓核中蛋白多糖单体所占比例小于纤维环。

蛋白多糖是细胞外间质的重要组成成分，基质中蛋白多糖或糖胺多糖的变化都将影响细胞或组织的代谢，导致生理功能发生变化或出现病理现象。蛋白多糖在体内分布很广，其功能也是多方面的。从相对直观的机械功能，特别是维持各种结缔组织的结构完整，到影响细胞动力学过程，如细胞的黏附和迁移，甚至到更复杂的目前还不十分清楚的对细胞分化及形态发生方面的影响。由于它含有很多羧基和硫酸基团，所以是一类含有多聚负离子的化合物。其许多生理功能都与所含的多聚负离子有关。蛋白多糖可与胶原或弹性蛋白相结合，形成稳定的结构，使结缔组织具有黏合、润滑及缓冲外界压力的作用，同时它们又允许能扩散的分子及动静脉穿过。蛋白多糖分子中带有大量的负电荷，产生一定的固定电荷密度，糖胺多糖对水和Ca2＋、Mg2＋、K＋、Na＋等正离子具有较大的亲和力，对保持结缔组织的水分、调节离子在组织中的分布有着重要意义。蛋白多糖水化后以凝胶状态填充在胶原纤维的网眼中，其分子体积可压缩至疏松状态的20%，产生一种抗压强度，使髓核具有弹性和膨胀性，维持髓核在压力作用下不被压缩，在承受突然外力时有吸收震荡作用。当椎间盘承受负荷解除后，蛋白多糖使椎间盘恢复原来体积。蛋白多糖聚合体体积庞大，为组织提供了良好的水合空间，其维持椎间盘内水分的能力比蛋白多糖单体大得多。在细胞与细胞及细胞与基质的识别和连接过程中扮演重要角色，也参与对生长因子、促分泌素等的应答。它们还有阻止细菌及病毒侵入细胞和促进创伤愈合的作用。它还可阻止椎间盘基质的钙化，使其富有弹性。由此可见，蛋白多糖对维持椎间盘生理功能有十分重要的作用。