胶原蛋白

胶原蛋白(collagen) ，又叫胶原质，是细胞外基质的主要成分，主要以不溶性纤维蛋白的形式存在。其广泛存在于动物的骨、腱、肌鞘、韧带、肌膜、软骨和皮肤中，是结缔组织中极其重要的一种蛋白质，占动物体内蛋白质总量的25% ～ 30%，起着支撑器官、保护肌体的功能, 也是组成细胞间质的最重要功能蛋白质。 胶原蛋白的种类很多，一般皮肤和骨骼中的是Ⅰ型胶原蛋白，软骨中的是Ⅱ型胶原蛋白，胚胎皮肤中的是Ⅲ型胶原蛋白，细胞基底膜中的是Ⅳ型胶原蛋白。 胶原蛋白的结构特征是三螺旋结构，其独特的三重螺旋结构，使该分子结构非常稳定，且具有低免疫原性和良好的可生物降解性等特征。胶原蛋白作为天然的生物资源，其独特的生物相容性和生物可降解性是当今合成高分子材料无法比拟的，另外还有其他特性如高拉伸强度、低免疫性、止血性能以及促进细胞生长等性能。因此，被广泛应用于临床医学、化妆品、食品、化工原料与研究等领域。
组成
胶原蛋白的营养十分丰富，其富含除色氨酸和半胱氨酸外，同时还含有在一般蛋白质中少见的羟脯氨酸和焦谷氨酸。
1.除了胱氨酸和色氨酸外,胶原蛋白富含18种氨基酸,其中包括7种维持人体必需的氨基酸。
2.胶原蛋白中甘氨酸含量占到将近1/3。
3.胶原蛋白中存在羟赖氨酸和羟脯氨酸,这在其他蛋白质中很缺乏。

图1为胶原蛋白的成分组成 在分子结构上, 胶原蛋白是由平行线型链组成,每一线型链由三条扭曲左旋的α-肽链通过链间相互作用紧密结合而形成一极强的右旋三重螺旋(triplehelix)结构。每条α-肽链由多达300个以上的Gly-X-Y三联体重复构成, 两端连接具有不同结构的其它小片段。组成胶原蛋白的氨基酸残基均为α-氨基酸, 其中X、Y是Gly之外的任何氨基酸残基, 但X通常是Pro,Y通常是不由DNA碱基密码子编码的羟基脯氨酸(Hyp), 它是在蛋白质一级结构序列形成之后由特定的酶---脯氨酸-4-羟化酶(prolyl-4-hydroxylase , P4H)作用于序列中的Pro形成的,Hyp羟基通过分子间氢键对稳定胶原螺旋结构起着非常重要的作用；另外, 还含有一定量的羟赖氨酸(Hyl), 它具有与Hyp相类似的作用。由于Pro 和Hyp 的侧链是环形的, 它们的α-碳和酰胺氮之间的键不能旋转( 角一般固定在-60°左右), 因此高含量的这些氨基酸残基促进了α-肽链螺旋结构的形成和稳定。在三重螺旋结构中,Gly基位于螺旋形的中心, 而其它具有侧链的氨基酸残基位于螺旋的外侧。右旋三重螺旋的螺距为8.55 nm,半径为1.5nm , 每圈每条肽链上包含30个残基；而每条左旋肽链的螺旋为0.952 nm , 每圈约含3.3个残基, 其轴向相邻氨基酸残基间的距离大约为0.286nm。由于三重螺旋结构是一种错位的结构, 来自三条肽链的Gly 残基沿着螺旋的中心轴堆积。在三维空间上, 一条链上的Gly处于和其它两条链的X 和Y残基相邻的位置,A链上的Gly与C链上的X和B链上的Y距离较近。因此,每个Gly残基的N-H就与相邻的X残基上的CO形成氢键。由于Hyp残基的羟基也参与链间氢键的形成, 三重螺旋结构得到了稳定和增强。有研究表明, 二价铁离子存在于胶原多肽的N末端时可以提高三重螺旋结构的稳定性。另外, 圆二色光谱分析显示, 多羟基的化合物如糖醇类的物质可以与胶原蛋白发生聚合, 分子力学计算进一步显示,这种聚合通常发生在胶原蛋白三联体的X为Ser的位置上,但是胶原蛋白的稳定性会随着该类化合物碳原子的增加而减弱。

图2为胶原蛋白的三维结构 胶原蛋白质是一种两性电解质, 这取决于两个因素, 其一, 胶原每个肽链具有许多酸性或碱性的侧基；其二, 胶原每个肽链的两端有α-羧基和α-氨基, 这些基团都具有接受或给予质子的能力, 这些可解离的基团在特定的pH值范围内, 解离产生正电荷或负电荷, 换句话说, 随着介质的pH值不同胶原即成为带有许多正电荷或负电荷的离子。胶原肽链侧基的PKI值与其组成氨基酸侧基的PKI值略有不同, 这是由于在蛋白质分子中受到邻近电荷的影响所造成的。胶原(牛皮)的等电点是7.5 ～ 7.8, 呈现出偏碱性, 因为胶原的肽链中碱性氨基酸比酸性氨基酸多一点。胶原是高分子化合物, 在水溶液中具有胶体性质和一定粘度, 粘度在等电点时最低, 而且温度越低, 粘度越大。
有关胶原蛋白的组成、结构特点、应用等是由Chemicalbook的东方编辑整理。（2016-01-13） 天然胶原蛋白来源广泛，主要存在于动物的肌腱、骨、皮肤、韧带等组织中。目前应用较广的还是以天然获取的胶原为主，一般从牛、猪、鼠、鱼类等动物的肌腱、真皮和尾巴中提取[1]。胶原蛋白的提取方法有酸法、碱法、盐法、酶法等。碱法提取易导致胶原蛋白变性且会发生消旋反应，一般医用胶原蛋白不采用此法。因组织材料中可溶性胶原蛋白含量较少，提取率不高，盐法提取也较少使用。有研究发现碱法和盐法提取的胶原蛋白三级结构被破坏，没有完整的三螺旋结构。目前，采用酸法和酶法结合提取胶原蛋白的应用较多。酸性溶剂如乙酸等，可使组织溶胀，打开其交联键，利于胶原蛋白的提取；同时，酶制剂如胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等具有专一性，可切断胶原分子N及C端的非胶原性肽，而不改变三螺旋结构。受动物疾病如疯牛病、口蹄疫等影响，鱼类等水产类胶原蛋白的研究应用越来越受到关注。目前，天然胶原仍是胶原蛋白原料的主要来源。

人工合成胶原虽然天然来源的胶原蛋白应用广泛，但其难以修饰，并可能产生致病和免疫不良反应及其批次间的差异性问题，人工重组合成胶原蛋白成为一种新的途径。重组类人胶原蛋白是采用生物基因工程技术将胶原蛋白的基因片段，借助工具酶拼接到适合的载体然后转移到宿主细胞中诱导表达得到，具有质量可控、加工性强、水溶性好、周期性短、较低排斥反应等优点，常见的宿主表达系统有大肠杆菌、酵母菌等。此外，人工化学合成胶原蛋白也是一种来源。研究发现这种人工合成仿生胶原纤维可以黏附和激活血小板，形成凝块，促进愈合，不引起炎症反应，具有作为止血剂的潜力。

提取胶原蛋白的大概过程是去除油脂，去除杂蛋白，胶原蛋白析出，纯化等。它的提取方法有以下几种：热水提取法，酸提取法，碱提取和酶提取法。
1.热水提取法
热水提取法是将原料经过除杂蛋白等前处理之后，直接在热水中提取已经变性了的胶原蛋白或胶原蛋白水解物的方法，使用的温度有100℃沸水浴、60-70℃、40-42℃、45℃。
2.酸提取法
酸提取法常用的酸有：甲酸、乙酸、盐酸、草酸、柠檬酸、乳酸等。低离子浓度酸可以破坏分子间盐键和希夫氏碱，引起胶原纤维膨胀、溶解。
使用酸提取胶原时，根据酸浓度、水解温度、水解时间等条件的不同，可以得到分子量不均的胶原水解物。但是在等浓度酸彻底水解过程中色氨酸会全部被破坏，丝氨酸和酪氨酸也会部分被破坏。因此，酸法溶出生物医用胶原要准确控制酸度、温度、时间等影响因素。
3.碱提取法
碱提取通常使用氢氧化钠，碳酸钠等，碱性条件下提取胶原，易引起蛋白质变性，如胶原肽键水解，含羟基、疏基的氨基酸全部被破坏；所得产物等电点pH值较低，天冬酞胺和谷氨酞胺分别转变为天冬氨酸和谷氨酸；如果水解严重，则会产生D、L型氨基酸消旋混合物，若D型氨基酸含量高过L 型氨基酸，则会抑制L-型氨基酸的吸收，有些D型氨基酸有毒，有的甚至有致癌、致畸和致突变的作用。因此，在提取结构完整、使用安全的胶原时，很少采用碱法提取胶原。
4.酶提取法
用蛋白酶处理猪皮，不仅可以水解掉胶原纤维蛋白的末端肽，提高胶原蛋白的产率；而且还不会破坏胶原蛋白的三股螺旋结构，保持其优良的物理和生化特性。通常使用的蛋白酶主要有中性蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、胰蛋白酶和胃蛋白酶等。影响酶提取的因素有很多，如酶浓度、酶与底物的比例、酶解时间、酶解温度、pH值以及料液比等。在实际操作中，大多数采用酶复合法提取胶原蛋白。 1.低免疫原性
胶原作为医用生物材料, 最重要的特点在于其低免疫原性。胶原有三种类型的抗原分子, 第一类是胶原肽链非螺旋的端肽, 第二类是胶原的三股螺旋的构象, 第三类是a-链螺旋区的氨基酸顺序。其中第二类抗原因子仅存在于天然胶原分子中, 第三类只出现在变性胶原中, 而第一类抗原因子在天然和变性胶原中均存在。
2.生物相容性
生物相容性是指胶原与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。无论是在被吸收前作为新组织的骨架, 还是被吸收同化进入宿主成为宿主的一部分, 都与细胞周围的基质有着良好的相互作用, 表现出相互影响的协调性, 并成为细胞与组织正常生理功能整体的一部分。
3.可生物降解性
胶原能被特定的蛋白酶降解, 即生物降解性。因胶原具有紧密牢固的螺旋结构, 所以绝大多数蛋白酶只能切断其侧链, 只有特定的蛋白酶在特定的条件下才能降解胶原蛋白, 胶原肽键才会断裂。胶原的肽键一旦断裂, 其螺旋结构随即被破坏, 断裂的胶原多肽就被蛋白酶彻底水解。 1.在医疗卫生行业中的应用
胶原蛋白在组织工程中主要用作支架材料、皮肤和骨骼等。随着胶原蛋白在组织工程方面的应用，生物工程膜的应用也更加广泛，如血管膜、心脏瓣膜以及韧带等。
胶原蛋白具有良好的生物相容性和可生物降解安全性，可降解吸收，且黏着力好，因而具有独特的皮肤修复功能，其改性后可用于制作皮肤移植材料。胶原蛋白可构成细胞外基质的骨架，是细胞重要的组成成分，对细胞起到锚定和支持作用，并可为细胞的增殖和生长提供适当的微环境，并能提供良好的营养供应。因此，胶原无论是在被吸收前作为新组织的骨架还是被吸收同化进入宿主，成为宿主组织的一部分，都与细胞周围的基质有着良好的协调作用，利于上皮细胞的增生修复，从而能促进创面的愈合，可用于烧伤、创伤的修补、治疗和护理，可以减轻和缓解烧伤、烫伤的程度。胶原蛋白生物敷料具有两方面的优势: 一是制备方法简便、灭菌方便、易于加工；二是具有黏附性好、适于肉芽组织和上皮细胞形成、能减少伤口的挛缩和抗原反应、止血性能好、易吸收组织溢泌物等特点。
胶原蛋白因其独特的特性还可用于眼科疾病的治疗。胶原蛋白能够促进角膜上皮细胞损伤的修复和细胞生长，并可溶解于泪液中，具有引导上皮细胞潜入缺损区的能力。同时它的降解产物能被新生细胞利用，合成新的胶原，起到连接细胞的作用。因此，在眼科疾病的治疗中应用相当广泛。胶原蛋白还可以作为眼睛给药的载体，具有提高药物浓度、延长药物作用时间、减少药物的全身药物毒性的作用，具有广阔的发展前景。
胶原蛋白在临床医学中还被广泛地用于美容矫形、牙周疾病的治疗、硬组织修复、神经的修复与再生、牙周神经修复包裹材料、人工器官、心脏起搏器、人体内脏的充添物等。
2.在化妆品中的应用
胶原蛋白可从动物皮中提取，动物皮中除了含有胶原蛋白外还含有透明质酸、硫酸软骨素等蛋白多糖，它们都属于天然保湿因子，是保持皮肤水分的重要物质，而且有阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素的作用。胶原蛋白与皮肤中的胶原结构和皮肤角质层相似，能促进上皮细胞的增生和修复，补充氨基酸等营养成分，改善皮肤细胞生存的环境、促进皮肤组织的新陈代谢并增强循环，使受损和老化的皮肤得到填充和修复，并具有与皮肤良好的相容性、亲和力和渗透性，可被皮肤充分吸收，从而使皮肤丰满、皱纹舒展，同时能够提高皮肤密度，产生张力。故胶原蛋白有纯天然保湿、美白、祛斑、防皱等作用，可广泛应用于化妆品行业，如今市场中销售的面膜、眼霜、护肤霜等化妆品中很多都含有胶原蛋白。
3.在食品工业中应用
胶原蛋白在食品中有两方面的应用: 一是功能，二是营养。胶原蛋白肽可单独作为功能性食品直接食用，如咀嚼片、运动员所需蛋白质粉和肠内营养制剂等。人们食用含胶原蛋白丰富的食品，除了能有效地延缓机体的衰老、强筋健骨、增强体质外，还可起到减肥降压和补钙等保健效果。胶原蛋白用特定的酶处理后，可破坏其分子内的氢键，使其原有的紧密超螺旋结构破坏，所形成结构较为松散的小分子物质，加入肉制品中可以改善结缔组织，增加蛋白质含量，口感好而且有营养。胶原蛋白的酶解产物还可作为冷冻食品的改良剂，用作增黏剂且熔点较低，易于溶化，具有入口即化的特点。因此胶原蛋白广泛应用于果冻、乳酪酸、火腿、罐头、面包等食品中。另外利用胶原蛋白的成膜性，可将其用作固化酶的膜材料和肉食品标签。胶原蛋白还可作为食品黏合剂合成纤维膜及作为食品保护层，用作肉类、鱼类等的包装纸，作为食品保护层，具有抗氧化性而保持肉食品的颜色鲜亮。
4.在其他领域的应用
随着对胶原蛋白的不断研究，胶原蛋白在其他领域的应用也日益增多且具有良好的发展前景。如将制革工艺过程中剩下的废弃物中含有丰富的胶原蛋白提取出来，可以用作饲料的动物蛋白资源，实现资源利用。将胶原蛋白经变性处理后，可改善其纺织性能而应用于纺织工业。同时近年来胶原蛋白在造纸工业、制革工业、日用化工业等轻工业中也有越来越多的应用。随着研究技术的不断发展和进步，对于胶原蛋白的研究也将继续的深入，胶原蛋白也将应用得更加广泛。 微黄色片状冻干物；是皮肤、结缔组织和骨、齿的有机物的主要成分，不同来源的胶原蛋白类型不同，但都含有三条α链，排列成三层螺旋构象，初级结构上的细微差别形成不同类型，变性后的胶原蛋白称为明胶。 手术缝合用纤维，用作测定胶原蛋白的底物。 以牛筋、牛跟腱等为原料，经磷酸氢二钠溶液和KCl溶液抽提，将残留物经水洗、脱水、干燥后得成品。