胶原化学与现代生活

胶原化学与现代生活四川大学轻纺与食品学院1任课教师主讲教师：张文华，Email：[e-mail]合作教师：曾运航博士，Email：[e-mail]王亚楠博士，Email：[e-mail]2课程说明课程类别：文化素质公选课课程号：309316020学分：2目的：了解胶原的物理化学性质；熟悉胶原在皮革、食品、美容护肤和生物医学等领域的应用。成绩评定：平时成绩占40%期末考试占60%。3主要内容第一章胶原化学与现代生活概述胶原的分布、结构和物理化学性质；胶原、明胶及胶原水解蛋白在现代生活中的应用；第二章胶原与食品保健胶原类保健食品；食品添加剂第三章胶原与皮革工业及皮革鉴赏胶原与皮革工业、毛皮工业；皮革及毛皮制品加工概述；皮革及毛皮制品保养；皮革及毛皮制品鉴赏4第四章胶原与美容护肤胶原用于化妆品中的特殊性质；胶原化妆品的保养功用；胶原在美容矫形方面的应用第五章胶原在生物医学及临床方面的应用胶原在生物医学方面的应用；胶原在临床医学的应用第六章胶原与其它工业5教材/参考资料教材：《胶原化学》,李国英,刘文涛.中国轻工业出版社,2013.参考资料：《胶原物理与化学》,汤克勇.科学出版社,2012.《胶原与胶原蛋白》,蒋挺大.化学工业出版社,2006.《皮具品鉴》,时涛,金小芳.中国纺织出版社,2010.《毛皮服装设计》,蔡凌霄,于晓坤,刘晓刚.东华大学出版社,2009.《胶原蛋白与临床医学》,顾其胜,蒋丽霞,第二军医大学出版社,2003.6第一章胶原化学与现代生活概述胶原在现代生活中的应用胶原概述胶原的定义和分类；结构特征；分布7似曾相识的胶原蛋白8胶原蛋白是人体中最重要的结构蛋白质现已确认有19种类型。人体中的胶原蛋白占各种蛋白质总质量的30％～40％，人类体重的65％是水，16％是蛋白质，14％是脂肪，5％是钙质等无机物。体重为50kg的人体中约含有3kg的胶原蛋白。9皮肤中的胶原蛋白皮肤的70％,位于真皮层.由于胶原蛋白纤维兼具一定坚固性、韧性和弹性，使得人的手脚可以自由弯曲而不会僵硬，同时皮肤也不致因人体活动而破裂，从而使皮肤具有最佳性质。松弛、皱纹、老年斑、缺少水分、失去弹性斑痕10骨骼中的胶原蛋白肌腱的80％,骨骼与肌肉相连处.骨骼总重量的20％,让钙质紧密连接,具有弹性.软骨中也充满了胶原蛋白:椎间盘、颈椎、膝盖及手肘等关节能够自由行动.关节组织退化、关节痛活动范围减少关节变形、关节炎11内脏中的胶原蛋白保护膜:肠胃、心脏、血管、大脑等内脏.象网眼一样遍布脑细胞或肝细胞的微血管、以及负责供给细胞营养的其他细胞周围补充脑营养细胞的神经胶质细胞是由胶原蛋白组织支撑血管变硬、弹性降低血压不正常12眼睛中的胶原蛋白角膜：由粗细均匀的胶原蛋白纤维井然有序地排列成层面而构成。视力下降易患白内障、青光眼等胶原蛋白的美容功能保湿滋养亮肤紧肤防皱修复营养美乳13•胶原类保健食品1.胶原蛋白粉2.阿胶•食品添加剂1.肉制品、糖果、乳制品等添加剂2.冷冻食品改良剂3.饮料澄清剂14食品中的应用1415胶原蛋白不止这么简单天然胶原紧密的螺旋结构---力学性能,机械强度16胶原蛋白不止这么简单：皮革制品17胶原蛋白不止这么简单：皮革制品1819皮草是指利用动物的皮毛所制成的服装。常用来制作皮草的动物包括兔子、狐狸、貂类等稀有的动物，也是皮草的来源之一。皮草也许是一种生活品质，一种女人与生俱来的魂牵梦绕的情结。人类最早的衣着原料不是丝、棉、麻，而是皮草。皮草是人类最具深度的时尚代名词。胶原蛋白不止这么简单：皮革制品---皮草21胶原蛋白不止这么简单：皮革制品---皮草皮草的类别貂皮獭兔皮狐狸皮属于细皮毛裘皮，皮板优良，轻柔结实，毛绒丰厚，色泽光润。用它制成的皮草服装，雍容华贵，是理想的裘皮制品，有“裘中之王”的美称，因此又成为了人们富贵的象征。在国外，被称为“软黄金”。貂皮具有“风吹皮毛毛更暖，雪落皮毛雪自消，雨落皮毛毛不湿”的三大特点貂皮最早在1919年出现于法国。因其皮毛柔软平滑且整齐得犹如剪理过，简直可与水獭相媲美，故在中国享有獭兔之美誉。獭兔是非常著名的短毛皮兔，短而整齐的毛发保暖性能好且不易脱落。獭兔皮毛皮色彩极为广泛，几乎具有各种裘皮的颜色。针毛长且有光泽，底绒丰厚且柔软，色泽艳丽，板质柔韧。狐狸皮品种包括银狐、十字狐、水晶狐、蓝狐、红狐、灰狐、及白狐等。狐狸皮也可染成各种颜色。狐狸皮是裘皮中的珍品，既美丽又保暖，被誉为世界三大裘皮支柱之一。狐狸皮胶原蛋白不止这么简单强韧性与延展性：皮肤、血管的弹性，关节的紧固控制分子通透性：皮肤保湿、隔绝内外交换支持与保护：骨骼、软骨、韧带的重要成份组织与架构：人体重要的代谢原材料促进伤口愈合及组织修复：伤口愈合的时间、状态25胶原蛋白不止这么简单：生物医学•可吸收缝线•药物控释载体•人工骨•人工角膜•人工皮肤2627胶原以增殖细胞为首的许多生物功能，使得胶原基生物医学材料格外引人注目。在医学领域，除外科用敷料膜、止血海绵、手术缝合线、止血剂外，国外研究者主要集中于研究利用胶原蛋白制备对人体软组织具有扩张功能的胶原注射液，胶原基药物输送系统，皮肤、骨骼、心血管、食管、气管的替代材料等。.胶原蛋白不止这么简单：功能材料•胶原基天然产物吸附分离材料•胶原基重金属吸附材料•胶原基非均相催化剂•胶原基雷达吸波材料05101520253003006009001200黄芩素mAU时间(min)黄芩苷分离前0510152025300150300450600mAU时间(min)黄芩苷分离后黄芩提取物经CFA层析柱分离前后的HPLC谱图从核燃料生产废液中回收U6+胶原纤维负载Au钠米催化剂在整个雷达波段均有较强吸收28胶原相关研究工作29胶原概述定义结构30（一）、胶原的定义Collagen，源自希腊语。是具有共同结构特征的一组蛋白质的统称至少有一个三股螺旋结构域；三条链构成一个胶原分子。能够形成超分子聚集体；存在于细胞外基质中。成纤维胶原（7）与非成纤维胶原（21）311、胶原类型在原纤维中发现了28种胶原，其中5种含量最丰富的胶原类型是：I型胶原是骨、腱、角膜和韧带中的主要胶原，最高可达体内所有胶原的90%。II型胶原在软骨、玻璃体和脊髓中形成原纤维。III型胶原与I型胶原并存于结缔组织。V型和VI型为异三聚体，与其他三种胶原共存于原纤维中。32332、胶原分布胶原是动物中的主要纤维蛋白，是所有多细胞动物，包括海绵体、无脊椎动物和脊椎动物的细胞外基质的主要结构成分。胶原原纤维占人和高等动物总蛋白量可高达30%，其作用是保持组织完整以及提供每一个结缔组织所需要的特殊力学性能。人体中有16％左右是蛋白质，胶原占体内蛋白质总量的30-40％，主要存在于皮肤、肌肉、骨骼、牙齿内脏和眼睛等部位。从生物医学角度，胶原在发育、伤口愈合、血小板活化和血管生成中具有重要作用。另外很多遗传病的起因也被证明是由于胶原发生了突变，而胶原在其合成、降解或免疫学方面的微小变化也可以引起许多疾病。34胶原是一类由20种常见的氨基酸合成而来的蛋白质，但是它在氨基酸组成、重复的序列模式、高度的翻译后修饰和特有的分子内交联上别具一格。天然的胶原蛋白是一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。原胶原：3条肽链形成的螺旋，含三种结构：螺旋区、非螺旋区及球形结构域。35胶原纤维结构组成36（二）、胶原的结构37胶原的结构38394041胶原的一级结构存在其它蛋白质中不存在的羟赖氨酸，以及其他蛋白质很少含有的羟脯氨酸，脯氨酸和羟脯氨酸含量是各种蛋白质中最高的；胶原蛋白α-链的Ｎ-端氨基酸是焦谷氨酸，它在一般蛋白质中是少见的。胶原的二、三、四级结构二级结构:多肽链本身折叠产生的、由氢键维系的有规律的构象（盘绕方式）。不涉及氨基酸侧链的构象。由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键形成的六个原子共面，即肽平面。45由于-碳原子与其他原子之间形成单键,因此两相邻的肽键平面可以相对旋转4647（a）每个第三个氨基酸残基是甘氨酸，X和Y通常是脯氨酸和羟脯氨酸残基（b）甘氨酸是最小的氨基酸（c）三股螺旋使得甘氨酸残基指轴内，而另外两个残基处于螺旋表面（d）脯氨酸和羟脯氨酸的残基与多肽链结合，增强分子的刚性。形成左手螺旋胶原氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构以一级结构为基础.-N-C-CO-HHH-N-C-CO-H2CCH2CH2H-N-C-CO-H2CCH2CHHOH甘氨酸Gly-脯氨酸Pro-羟脯氨酸Hyp-4849胶原的二、三、四级结构三级结构:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。肽链中所有原子在三维空间的排布位置。主要维系力:疏水键、氢键、离子键、VanderWaals力等对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高结构，并具有全部的生物功能。亚基(subunit)含有两个或多个肽链的蛋白质，每一条肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。主要维系力:疏水键、氢键、离子键、VanderWaals力等5051胶原的二、三、四级结构5253胶原的超分子聚集5455565758前胶原、原胶原原胶原：构成胶原纤维组织的最小结构单元即去除N端前肽和C端前肽的前胶原分子不同来源的相同类型胶原的氨基酸组成差别大；同种胶原的不同a链氨基酸组成差别大。59原胶原分子二级结构原胶原形成胶原纤维胶原纤维电镜图6061明胶(gelatin)——胶原的水解产物氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽混合物分子量一般在几万至十几万，无生物活性水解胶原(collagenhydrolysate)——胶原的水解产物相对分子质量小于明胶，无生物活性3、胶原、明胶、水解胶原蛋白胶原(collagen)——具有三股螺旋结构域、由三条肽链构成的、能够形成超分子聚集体的一类存在于细胞外基质中的蛋白质。61胶原、明胶和水解胶原的区别62电泳图谱标样胶原明胶水解胶原制备工艺不同分子量差异生物活性应用领域不同62明胶和水解胶原蛋白是胶原的变性产物在低温和酸性条件下胃蛋白酶提取胶原，不含端肽，保留三股螺旋结构，约为30万。明胶：胶原经高温作用后，破坏了三股螺旋结构，但仍有a链及其二聚体，小于30万。水解胶原蛋白：较高温度下酶解，X千-5万。63制备工艺不同分子量差异生物活性应用领域不同胶原低温、酸性条件，胃蛋白酶提取三股螺旋结构完整，具有生物活性有成纤性能；促进角质细胞生长胶原止血海绵明胶胶原经高温作用三股螺旋结构破坏，无生物活性食用明胶（食品添加剂，肉皮冻子、肉食罐头，奶油糖、饮料、啤酒等）；照相明胶；药用明胶（胶囊、明胶海绵等）；工业明胶。64胶原、明胶和水解胶原的区别6465思考题1、I型牛皮胶原的一级结构是怎样影响其空间结构的？维持空间结构的化学键有哪些？2、胶原、明胶、水解胶原的区别与联系二、胶原的提取从胶原蛋白较为丰富的组织（例如皮肤和肌腱）中提取传统来源：猪牛羊皮新兴来源：鱼鳞、胎盘、基因生物技术从转基因动物获取重组人胶原蛋白等问题一：如何从原料中提取蛋白？问题二：如何从蛋白中分离胶原蛋白？问题三：如何检验得到的蛋白是胶原蛋白？66从组织中提取I型胶原蛋白关键：破坏胶原蛋白分子间的共价交联提取步骤：前处理粗分级（粗提）细分级（分离纯化）67破碎组织细胞，使蛋白更好地与外界条件接触尽量保持蛋白的天然构象和生物活性注意控制条件必要时加入蛋白保护剂可以先将某一细胞组分分离出来动物材料：除脂肪组织---电动捣碎机、匀浆器、超声波植物组织：去种皮---石英砂、玻璃粉细菌细胞：超声波震荡、砂研磨、高压、溶菌酶68称取新鲜猪皮100g，用氯仿/乙醇（2:1）溶液对其进行脱脂后切除皮下脂肪，去毛并细切。将