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。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。