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摘要：

MMPs:基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase）

是指一個(gè)肽鏈內(nèi)切酶大家族，功能是降解 ECM（細(xì)胞外基質(zhì)）,其家族成員具有相似的結(jié)構(gòu)。

 

目前 MMPs 家族已分離鑒別出二十余種以上，根據(jù)結(jié)構(gòu)及底物特異性,將MMPS分為6類:

膠原酶（MMPs 1,8,13和18），主要水解底物是纖維類膠原，即即1、Ⅱ、Ⅲ型膠原。

明膠酶（MMPs 2和9），主要水解變性膠原及基膜的主要成分Ⅳ型膠原。

基質(zhì)溶解素（MMPs 3和10），其中MMP3和MMP-10的水解底物比較廣泛,如Ⅳ型膠原、蛋白聚糖、明膠及糖蛋白等。

基質(zhì)降解素，包括基質(zhì)溶解因子1（MMP7)和基質(zhì)溶解因子 2(MMP26）

膜型基質(zhì)金屬蛋白酶MT-MMPs（MMPs 14、15、16和17）

其他類型 MMP

 

1、介紹： 

膠原蛋白植入物在組織缺損中的命運(yùn)

ALLEN J. BAILEY, MA, PhD, ScD

 

降解的機(jī)制

去除植入物的過程包含酶法降解，其個(gè)別機(jī)制實(shí)現(xiàn)地很好，但是在特定情況下，哪種特定的機(jī)制占主導(dǎo)地位目前尚不清楚。 

 

膠原蛋白可被四大分類的內(nèi)肽酶（見表格1） 降解：（i）金屬蛋白酶，（ii）絲氨酸蛋白酶，（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下發(fā)生，所以金 屬蛋白酶和絲氨酸蛋白酶將處于其最佳功能能力。在局部酸性環(huán)境中，半胱氨酸蛋白酶（組織蛋白酶B、H、L和S）和天冬氨酸蛋白酶（組織蛋白酶D）在酸性pH下作用于細(xì)胞外時(shí)具有最佳活性，盡管在膠原片段的吞噬作用之后，它們的主要作用可能在細(xì)胞內(nèi)的溶酶體內(nèi)。然而，它們的相對作用卻隨著環(huán)境的不同而有所不同，并且它們還能夠協(xié)同作用于消化膠原蛋白。盡管一些過程通過原纖維片段的吞噬發(fā)生，但通常認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)消化不是吸收過程中的關(guān)鍵事件。

 

金屬蛋白酶

MMP是17個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)上和功能上相關(guān)的鋅依賴性內(nèi)肽酶（現(xiàn)被稱為基質(zhì)金屬蛋白酶）的亞家族。15–18 直到最近才普遍認(rèn)為， 膠原酶組僅由間質(zhì)膠原酶MMP-1和嗜中性粒細(xì)胞膠原酶MMP-8組成；然而，針對不同于 MMP-1的嚙齒動物間質(zhì)膠原酶，我們確認(rèn)其具有被稱為MMP-13的人類同系物。19

 

所有的MMPs在生理pH下都起作用，并且需要鋅用于催化功能，需要鈣來確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此它們會受到陽離子螯合劑（例如 EDTA）抑制。它們被合成為酶原，并分泌到細(xì)胞外空間中（除了可被隔離在特定顆粒中的嗜中性粒細(xì)胞MMP-9和并入細(xì)胞膜中的膜 型MMPs（MT-MMPs）之外）。在細(xì)胞外將 MMPs激活，而MT-MMPs和MMP-11則例外， 它們在細(xì)胞內(nèi)由fucin所活化。激活涉及前肽的切除，從而暴露含鋅的活性位點(diǎn)。20

 

膠原酶

 

膠原酶是 MMPs，被合成于大多數(shù)結(jié)締組織細(xì) 胞、成纖維細(xì)胞、角質(zhì)化細(xì)胞、成骨細(xì)胞和 巨噬細(xì)胞中。21在健康組織中 MMP-1不顯而易見，僅存在于傷口中少于一半的細(xì)胞中，但是基底角質(zhì)化細(xì)胞是顯著的主要來源，而 不是成纖維細(xì)胞。22 它們的功能是在α1 鏈上 的 Gly（775）-Ileu（776）處和α2 鏈上的 Gly（775）-Leu（776）處水解纖維膠原的三股螺旋以產(chǎn)生 3/4 和 1/4 分子長度的兩個(gè)三螺旋片段。

 

23 不會發(fā)生進(jìn)一步的水解，但是現(xiàn)在兩個(gè)三螺旋片段的變性溫度低于生理溫度（完整分子的變性溫度只比生理溫度高 1/2℃），并且它們都變性生成明膠的無規(guī)多肽鏈， 其現(xiàn)在對多種蛋白酶，特別是 MMP-2 敏感。水解三股螺旋的速率對溫度非常敏感：在37-39℃之間，水解速率會提高 3 倍，并且超過 5℃范圍后（可能發(fā)生于嚴(yán)重的炎癥中） 提高 15 倍。應(yīng)該將其與溫度每上升 10℃而 酶反應(yīng)速率正常提高約 2 倍相比較。

 

就膠原蛋白而言，認(rèn)為該顯著提高是由于在水解位點(diǎn)處三股螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，與膠原三股螺旋的其余部分相比，這可被認(rèn)為更松弛的螺旋結(jié)構(gòu)域。24 膠原蛋白分子的酶水解是一個(gè)非常緩慢的過程，并且已經(jīng)計(jì)算出酶能夠每 45 秒水解一個(gè)分子的一個(gè)α鏈。膠原蛋白的性質(zhì)對水解速率有深遠(yuǎn)的影響。例如，MMP-1 會以不同的速率來降解纖維狀膠原蛋白，對 III 型的活性大于 I 型，而對 II 型僅有弱的活性。

 

嗜中性粒細(xì)胞膠原酶（MMP-8）由多形核白 細(xì)胞（嗜中性粒細(xì)胞）特異性地產(chǎn)生，并且 與MMP-1具有60％的同一性。通過切除前肽，中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶、組織蛋白酶G和基 質(zhì)溶解素將其激活。MMP-8被隔離在嗜中性粒細(xì)胞內(nèi)的特定顆粒中；其對I型膠原蛋白的活性大于III型膠原蛋白，而II型膠原蛋白是次 要底物。MMP-13由MT-1-MMP、MMP-2和纖溶酶激活，并且其活性對II型膠原蛋白最大，與其它膠原酶不同，它水解纖維膠原的N-末端肽。

 

明膠酶

 

明膠酶會特異性降解已變性的纖維膠原（明膠）（見圖2）和IV型膠原蛋白。MMP-2和 MMP-9具有相似的基質(zhì)特異性，但是基因啟動子的組織和結(jié)構(gòu)中存在差異，這允許差異 調(diào)節(jié)和表達(dá)兩種明膠酶。

圖 2.膠原蛋白植入物的交聯(lián)纖維降解的雙重機(jī)制。這些機(jī)制包括：（左）中性膠原酶水解三股螺旋的三條鏈，（右）酸性組織蛋白酶和中性絲氨酸蛋白酶水解含有分子間交聯(lián)的非螺旋末端區(qū)（端肽）。

 

所有MMPs中分布最廣的是MMP-2，由所有結(jié)締組織細(xì)胞組成性地產(chǎn)生，并且不與其它MMPs一起協(xié)調(diào)表達(dá)。由MTMMPs（如 MMP-13）的激活過程也是不同的。MMP-9 由大量細(xì)胞產(chǎn)生，通常在炎癥、血管生成和組織修復(fù)過程中表達(dá)。

 

可以通過明膠酶譜以極低的水平檢測出MMP-2和-9（明膠酶A和B），并且通過該技術(shù)，人們可區(qū)分和定量酶的前體和活性形式。25,26通過免疫組織化學(xué)、原位雜交和反轉(zhuǎn)錄- 聚合酶鏈反應(yīng)確定其它MMPs，但是這些技術(shù)不會區(qū)分活性酶和非活性酶。

 

通過特異性抗體技術(shù)而獲得的MMPs和TIMPS的地形圖已經(jīng)表明，有時(shí)它們的位置與體外所觀察到的顯著不同。在（細(xì)胞）培養(yǎng)中許多類型的細(xì)胞可以表達(dá)MMP-9，但是在體內(nèi)似乎僅限于某些細(xì)胞類型，如小鼠發(fā)育期間所示。組織和細(xì)胞培養(yǎng)表達(dá)模式之間似乎存在顯著差異。

 

半胱氨酸和天冬氨酸蛋白酶（組織蛋白酶）

 

半胱氨酸蛋白酶（組織蛋白酶B、H、L和S） 和天冬氨酸蛋白酶（組織蛋白酶D）均在pH3-5下發(fā)揮最佳功能，并且在吞噬物質(zhì)的細(xì)胞內(nèi)消化中起主要作用。這些蛋白酶通常儲存在細(xì)胞內(nèi)的溶酶體顆粒中。然而，它們以潛在的形式分泌，并且在局部酸性條件下在細(xì)胞外發(fā)揮其作用。像絲氨酸蛋白酶一樣， 這些組織蛋白酶的作用是將含有交聯(lián)（其結(jié)合纖維中的分子）的端肽進(jìn)行水解的（見圖2）。 它們經(jīng)合成作為酶原，在哺乳動物組織中組織蛋白酶B是最豐富的，32 盡管組織蛋白酶L對蛋白質(zhì)底物具有更大的活性。33 在溶解的三股螺旋變性后，單個(gè)的α-鏈易于被大多數(shù)蛋白酶降解，但是組織中的主要試劑是明膠酶MMP-2和-9，對降解細(xì)胞外纖維膠原十分關(guān)鍵。33,35

 

消化膠原蛋白的最終命運(yùn)

 

明膠酶、組織蛋白酶和絲氨酸蛋白酶都能夠?qū)⒁炎冃缘哪z原蛋白植入物完全消化成其組分氨基酸，然后重新利用這些氨基酸，無論是產(chǎn)生于細(xì)胞內(nèi)還是細(xì)胞外的消化。在正常的生理周轉(zhuǎn)、降解和再合成期間，將75-80％的氨基酸重新用于新的蛋白質(zhì)合成。由于不儲存過量的氨基酸，它們被轉(zhuǎn)化成代謝中間 體。剩余的20-25％氨基酸的α-氨基發(fā)生轉(zhuǎn)氨作用，形成尿素排出體外。碳骨架充當(dāng)碳水化合物和脂質(zhì)生物合成的底物或特定的代謝物，如核苷酸、激素、丙酮酸、草酰乙酸和 α-酮戊二酸，這對于膠原蛋白中脯氨酸和賴氨酸的羥基化是重要的。

 

就膠原蛋白而言，有許多重要的加工后過程產(chǎn)生新的氨基酸，這些氨基酸在釋放后，無法并入到新的蛋白質(zhì)中。例如，沒有針對羥脯氨酸和羥賴氨酸的三聯(lián)體密碼。通過脯氨酰羥化酶和賴氨酰羥化酶分別作用于肽結(jié)合脯氨酸和賴氨酸，在形成三股螺旋之前，細(xì)胞內(nèi)在新生肽鏈上產(chǎn)生這些氨基酸。羥脯氨酸和羥賴氨酸（以及其所連接的二糖、半乳 糖-葡萄糖）對于膠原蛋白而言實(shí)際上是獨(dú)特的，因此在尿液分析測量體內(nèi)，膠原蛋白轉(zhuǎn)換中已經(jīng)被用作膠原蛋白降解的標(biāo)記物。這些標(biāo)記物也被用于評估在嚴(yán)重傷口（例如燒 傷）中發(fā)生的代謝變化。

 

穩(wěn)定的成熟交聯(lián)，如羥基賴氨酰吡啶啉，以游離或肽結(jié)合交聯(lián)的形式排泄到尿液中，并且被用作骨轉(zhuǎn)換的量度。37 根據(jù)交聯(lián)的程度和性質(zhì)，化學(xué)交聯(lián)的膠原蛋白植入物和敷料但可以推測，與天然醛交聯(lián)結(jié)構(gòu)類似的戊二醛交聯(lián)對于酶的消化具有穩(wěn)定性，因此在完全消化植入物后，將以與天然交聯(lián)相同的方式排泄。

 

4、結(jié)論： 

 

膠原蛋白植入體內(nèi)降解的過程及降解產(chǎn)物總結(jié)

1、首先通過 *MMPs-1（膠原酶），將三股螺旋水解為¾和¼螺旋片段，然后通過含有分子間交聯(lián)的膠原分子端肽區(qū)的組織蛋白酶水解完成。

2、水解后的三螺旋片段在生理溫度下發(fā)生變性為明膠。

3、明膠被許多蛋白酶（主要是明膠酶（ MMPs-2和-9 ）和組織蛋白酶）迅速降解為氨基酸。

4、最終將膠原蛋白植入物降解為氨基酸成分， 75-80%的氨基酸重新用于新的蛋白質(zhì)合成。剩余的20-25%氨基酸（羥脯氨酸、羥賴氨酸以及各種交聯(lián)氨基酸）的a-氨基酸發(fā)生轉(zhuǎn)氨基作用，形成尿素排出體外。