胶原蛋白研究概况

胶原蛋白研究概况1胶原蛋白简介胶原蛋白是一种生物高分子纤维蛋白，动物结缔组织中的主要成分，也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白，占蛋白质总量的25％～30％。与组织的形成、成熟、细胞闻信息的传递以及关节润滑、伤口愈合、钙化作用、血液凝固和衰老等有着密切的关系。胶原蛋白是生物科技产业最关键的原材料之一，在医学材料、化妆品、食品工业中均有广泛应用。2胶原蛋白的功能及性质2.1胶原蛋白在人体内的作用2.1.1保护皮肤，提高皮肤的弹性胶原蛋白占皮肤成分的70％，表面积相当大，人体四肢活动时，皮肤中胶原蛋白发挥功能，使皮肤具有保护功能，有适当弹性及坚硬度。2.1.2钙质与骨细胞结合骨骼中胶原蛋白含量约占20％，占骨中总蛋白含量的80％。骨骼钙的流失会导致骨质疏松[1]。因此当钙流失时，若只增加钙摄取量是无法有效地改善骨质疏松的，因为钙无法在骨中保存，这时，就要先补充胶原蛋白。此外，胶原蛋白的存在能使骨骼与牙齿在坚硬的同时带有弹性，使得钙质与骨细胞结合，不致流失。骨与骨相连接部分，如膝盖、关节等软骨组织主要成分也是胶原蛋白，可使运动时筋骨可保持柔软并具有弹性。2.1.3联结骨骼与肌肉骨骼与肌肉能够相互联接也是靠胶原蛋白，这里的胶原蛋白特称为肌腱，其在人体运动时可保持筋骨柔软而有弹性[2]。在一般动物的筋骨中也含有许多胶原蛋白，称为“骨胶原”，因此，可从动物筋骨中抽取胶原蛋白作医药及工业用途。2.1.4保持眼角膜透明胶原蛋白是眼角膜主要蛋白质成分，眼角膜中所含胶原蛋白纤维呈现规则排列，此结构不但可以让光线透过，还可使眼角膜呈现透明[3]。目前还出现以胶原蛋白为材料制成的隐形眼镜，提高了眼镜的保水力。2.2胶原蛋白的物理化学性质2.2.1收缩温度在水溶液中引起胶原湿热收缩变性的温度称为收缩温度，其指示胶原蛋白热变性的临界温度，在提取皮胶原过程必须控制操作温度不高于收缩温度，以免引起胶原变性。一般来讲，陆生动物的收缩温度要高一些，为65℃左右。这可能与胶原中羟脯氨酸含量有关，羟脯氨酸含量越高，收缩温度越高。2.2.2盐析与盐溶作为蛋白质的一类，胶原也具有盐溶、盐析等性质，如在中性溶液中氯化钠浓度小于1.0mol/L时，有利于Ⅰ型胶原的溶解，而当氯化钠浓度大于1.0mol/L时。则有利于Ⅳ型胶原的沉淀[4]。依据不同类型胶原溶解度与氯化钠浓度的关系，可以对不同类型的胶原进行分离。2.2.3酸和碱水解胶原是天然的极性蛋白质，如Ⅳ型胶原含有4.4％天冬氨酸(Asp)残基，7.2％谷氨酸(Glu)残基，2.8％赖氨酸(Lys)残基，所以酸、碱对胶原均有作用。低离子浓度酸可以破坏分子间盐键和Schiff碱，从而引起胶原纤维膨胀、溶解，因此，可以采用0.5mol/L的乙酸、柠檬酸或盐酸控制pH2-3提取胶原[5]，此条件不能引起胶原的全部水解，要得到完全游离的氨基酸，必须使胶原在105℃、6mol/LHCl中彻底水解。2.2.4酶解对胶原作用的酶大致分为3类：动物胶原酶、作用于胶原非螺旋区段的蛋白酶及细菌胶原酶。胶原酶是一种能在中性pH环境下特异分解天然胶原的酶。动物胶原酶的作用位点在第775与776位氨基酸之间，因为缺少亚氨基，三股螺旋结构较松散[6]。α链被切成两段后就很容易被其它蛋白酶继续水解，因此，在提取用于生物医用材料的胶原时不能使用胶原酶。2.3胶原蛋白的基本生物学性能2.3.1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α-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。2.3.2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。2.3.3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。3胶原蛋白的结构胶原蛋白在体内以胶原原纤维(collagenfibril)或称胶原纤维(collagenfiber)的形式存在。胶原原纤维的基本结构单位是原胶原分子，其相对分子质量为2.85×105，由三股缠绕的多肽链组成，分子间和分子内的交联使得胶原纤维的稳定性得到提高。赖氨酰氧化酶在吡哆醛磷酸参与下催化赖氨酸侧链氧化脱氨，生成§-醛基赖氨酸衍生物。2个这样的赖氨酸侧链醛基发生醛醇缩合而共价交联。赖氨酸残基侧链的§-氨基和§-醛基赖氨酸残基侧链的醛基之间发生亲核加成，发生交联生成羟赖氨酸正亮氨酸衍生物。原胶原的分子间交联键是在一个原胶原的N末端区和一个相邻原胶原的C末端区之间形成的。胶原蛋白的机械强度和共价交联的程度有关，皮肤老化就是胶原高度交联的结果[7-8]。图1胶原纤维的结构A——电镜下胶原纤维呈明暗交替的条纹图案；B——胺原纤维中胶原原分子的排列；C——原胶原分子是一种右手三股螺旋；D——三股螺旋中的每股链是左手螺旋；E——三股螺旋的原分子水平模型。4胶原蛋白的应用及展望4.1在食品方面的应用胶原蛋白本身就可以作为一种食品，食用胶原蛋白一般来源于动物的真皮、肌腱和骨胶原，其外观通常为白色，口感柔和，味道清淡，易消化。但多数情况下胶原蛋白在食品中会被用作功能物质或营养成分。4.1.1在功能保健食品中的应用作为预防疾病类食品研究表明，胶原蛋白可以降低血甘油三酯和胆固醇，并可增高体内某些缺乏的必需微量元素，从而使其维持在一个相对正常的范围内，是一种理想的减肥降血脂食品。4.1.2在食品添加剂中的应用饮料、酒类澄清剂鱼胶是一种功能性鱼蛋白，由鱼体组织的胶原制成的水产品，包括明胶、粗胶和鱼漂胶。它是国际上公认的最高级的胶澄清剂，在啤酒和葡萄酒行业。鱼胶和明胶作为沉降、澄清剂，获得了很好的效果，产品质量也非常稳定。4.1.3在食品包装材料中的应用人造肠衣用胶原蛋白质为主制作的胶原肠衣本身是营养丰富的高蛋白物质，在热处理过程中。随着水分和油脂的蒸发与溶化，胶原几乎与肉食品的收缩率一致，而其它可食用包装材料还没有发现具有这种优点。4.2在化妆品方面的应用在化妆品工业中，各种不同的蛋白质已经被作为原材料，目的是保护皮肤结构，改善其功能。胶原蛋白作为化妆品原料的有效性已经确定。胶原蛋白用于化妆品中的主要功效如下[9]：1)营养性：可以补充皮肤层所需的养分，补充17种对人体有益的氨基酸。2)修复性：胶原蛋白和周围组织的亲和性好，从而使其具有独特的修复组织功能。3)保湿性：天然保湿因子是保持皮肤水分的重要物质，其主要成分是甘氨酸、羟脯氨酸、丙氨酸、天门氨酸、丝氨酸等游离的氨基酸。4.3在其他方面的应用4.3.1在生物、医学领域的应用胶原蛋白具有很强的生物活性及生物功能，能参与细胞的迁移、分化和增殖，使骨、腱、软骨和皮肤具有一定的机械强度。因其弱的抗原性和良好的生物相容性可作为生物医药材料的基础材料。在烧、创伤治疗、创面止血、眼角膜疾病治疗、制造人造代血浆、硬组织修复、血管修复等等医药卫生领域得到广泛应用。4.3.2在饲料生产中的应用饲料用胶原蛋白粉是以制革的残次皮料、皮边角余料等副产物为原料，运用物理、化学或生物技术方法处理得到的蛋白质产品。水解胶原蛋白粉是一种新型的饲料蛋白质添加剂，替代或部分替代了进口鱼粉，用于混、配合饲料的生产，具有很高的营养价值及较好的饲喂效果4.3.3在造纸工业中的用作为原料的应用胶原纤维分子中含有大量的羧基、氨基、羟基，而纤维素中也含有大量羟基和少量羧基，正是由于这两种天然高分子中含有许多的活性基团和活性部位，可通过化学或物理的方法制成复合材料，用于制造书面革、膜塑包装材料、壁纸、生活用纸、遮光纸、农副产品包装材料、生物胶原包装纸、复合生物降解材料等。作为辅助剂的应用：胶原蛋自在造纸中还可作为增强剂、黏合剂、表面活性剂和絮凝剂等，可用于砂布、砂纸等的制造。此外，胶原蛋白的水解产物明胶是照相工业中制造感光胶片的重要原料之一。4.4前景展望胶原蛋白作为天然的生物资源，具有优越的生物相容性和生物可降解性，应用十分广泛。加工成的胶原蛋白粉可直接加入咖啡、茶饮料、啤酒、果汁、葡萄酒中，食用十分方便。欧洲食品安全局也已证实了即使是动物骨骼来源的胶原蛋白也是安全的。不存在感染疯牛病和其它相关疾病的可能。胶原蛋白用在化妆品中可防止皮肤老化，预防衰老、修复或减轻皱纹、眼袋、黑眼圈、色斑等症状。胶原蛋白来源非常广泛，可由动物副产品，如皮肤、骨骼、皮革加工厂的废弃料、鱼类的鳞片、鱼皮等制得。综合利用这些副产品可减少环境污染，其制备也相对容易，成本低，可增值几十上百倍，因而有巨大的应用前景。参考文献[1]王沥浩,王文慧,郭咏昕,杨晶.胶原蛋白功能概述[J],黑龙江农业科学,2014(3)：150-156.[2]DuanceVC，WottonSF，YoungRD．TypeIXcollagenfunctioninarticularcartilage[J]．AnnalsoftheNewYorkAcademyofSciences，1990，580(1)：480-483．[3]KontadakisG，KymionisG，PortaliouD，etc．Effectofcornealcollagencrosslinkingoncornealsensitivity，tearfunctionandinnervation：aclinicalandconfocalmicroscopicstudy[J]．Acta0phthaImologica，2009，87(244)：1-4．[4]永井，裕藤本大三郎．胶原蛋白实验方法[M]．上海：上海中医学院出版社，1992,10:110-115．[5]WolfgangenFriess.Collagen-biomaterialfordrugdelivery[J].EuropeanJournalofPharmaceuticsandBiopharmaceutics,1998,45:113-136．[6]BarbaraBrodsky,JohnAMRamshaw.TheCollagenTriple-HelixStructure[J].MatrixBiology,1997,4:545-554．[7]张楚富.生物化学原理[M].北京:高等教育出版社,2011,2：67-70．[8]王镜岩，朱圣庚，徐长法．生物化学[M]．北京：高等教育出版社，2002．215-217．[9]陈冬英．胶原蛋白与化妆品[J]，香料香精化妆品，2001(6)：18-19．