胶原蛋白的性质及其应用

胶原蛋白的性质及其应用

摘要：

胶原是动物所有结缔组织(皮、肌腱、韧带、软骨等)的主要蛋白成分，占哺乳动物蛋白总量的3O 。由于胶原蛋白有诸多优良性质，具有广泛用途，尤其是近十年来，随着对胶原以增殖细胞为首的许多生物功能的认识，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.本文着重讲了胶原蛋白的生物学性质及其在各方面的应用。关键字：胶原蛋白；应用；生物医用

1.胶原蛋白的生物学性质

1.1.胶原蛋白的结构

胶原蛋白是生物体内一种重要的蛋白质，也是结缔组织的主要蛋白成份，其含有的十八种氨基酸中有种是人体必须的，它还含有人体所必须的部分金属微量元素，是紧密的螺旋结构1.1.胶原蛋白的生物相溶性

是指胶原蛋白与宿主细胞及组织之间良好的相互作用。因胶原蛋白本身就是构成细胞外基质的骨架，胶原分子特有的三股螺旋结构及其交联形成的纤维或网络构成细胞重要组成成分，故胶原材料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。

1.2.低抗原性

与其它具有免疫原性的蛋白质相比，胶原蛋白的免疫原性非常低。过去人们曾认为胶原不具有抗原性，近十年来的研究表明：胶原具有低免疫原性，不含端肽时免疫原性尤其低

1.3.可生物降解性(易被人体吸收)

由于天然胶原紧密的螺旋结构，大多数蛋白酶只能打断胶原侧链，只有特定的蛋白酶才能使胶原蛋白肽键断裂。在胶原酶的存在下，胶原的肽键将逐渐打断而水解，胶原肽链的断裂随即造成螺旋结构的破坏，从而胶原将被蛋白酶彻底水解，这就是胶原的可生物降解性，可生物降解性是胶原蛋白能作器官移植材料被利用的基础。

1.4.促进血小板凝聚

胶原纤维一旦与血液接触，流动血液中的血小板立刻与胶原纤维吸附在一起，发生凝聚反应，生成纤维蛋白，并形成血栓，进而血浆结块阻止流血，达到促凝血作用。

1.5.力学性能

天然胶原紧密的螺旋结构对高强度的力学性能起重要作用，在生物体中，胶原是为结缔组织提供强度的主要蛋白组分，因而可在广范围内满足肌体对机械强度的要求

2.胶原蛋白在人体的存在

2.1.人体内的胶原蛋白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。通过计算，我们知道，体重为50kg的人体中约含有3kg的胶原蛋白。

2.2.皮肤中的胶原蛋白胶原蛋白存在于人体的哪些部位呢?

首先，存在于皮肤中，研究表明，皮肤中有70％几乎都是胶原蛋白。皮肤的真皮中充满了胶原蛋白，它以胶原蛋白纤维形式包裹着毛根、皮脂腺和细胞，象一个胶原蛋白纤维的袋子将人体包裹于其中。表皮和真皮的交界处有基底膜，它与真皮紧密结合，配合真皮波浪状的构造而起伏，表皮与之配合起伏，从而使表皮不会轻易脱落。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。

2.3.骨骼中的胶原蛋白

其骨骼与肌肉相连处的“肌腱”80％以上是胶原蛋白纤维，具有非常强的机械强度和坚韧性，使人体可以承受很大压力及进行大强度运动和劳作。骨骼和牙齿，看起来是凝固的钙质，但是，能够让钙质紧密连接的骨细胞就是胶原蛋白，其含量约为骨骼总重量的20％，相当于骨骼中蛋白质含量的80％，这使得骨骼和牙齿并不象石头一样硬而脆，而是具有弹性的。此外，连接骨骼的软骨中也充满了胶原蛋白，籍此才使得我们的椎间盘、颈椎、膝盖及手肘等关节能够自由行动，灵活自如。

2.4.内脏中的胶原蛋白

内脏中的胶原蛋白肠胃、肝脏、心脏、肺、肾脏、血管等内脏均是被一层外壁所包裹，内脏的外壁与皮肤相似，尤其是肠胃，外壁中的胶原蛋白纤维也是存在于与食物接触的上皮组织的下方，胶原蛋白纤维相当于强化塑料管内侧和外侧之间的铁丝。脑和肝脏中充满了细胞，胶原蛋白纤维包住这些脏器，形成保护膜，而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，都有胶原蛋白存在，这些脏器的胶原蛋白含量较少，但对于细胞在发挥旺盛功能上，却是不可或缺的，研究表明，补充脑营养细胞的神经胶质细胞是由胶原蛋白组织支撑的，一旦劣化或消失，脑神经细胞就无法得到营养，就会变成“痴呆症”

2.5.眼睛中的胶原蛋白

眼睛中的胶原蛋白的研究表明，眼睛的角膜是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的，正是藉于这种结构，才使光线得以顺利通过。此外，肌肉中是以肌纤蛋白及肌球蛋白等蛋白质为主体，但也含有胶原蛋白。

胶原蛋白的水产品的提取

水产品胶原蛋白的结构特征迄今为止，已发现27种不同类型的胶原蛋白[71。从鱼类肌肉和皮肤中分离鉴定出至少2种含量较多和较少的胶原蛋白，分别是I型胶原蛋白和V型胶原蛋白。I型胶原蛋白是一种纤维状胶原，而且是水产品废弃物，即皮、骨、磷和鱼鳍中含量最多的一种蛋白质。胶原蛋白相对分子质量为300 ku，其最普遍的结构特征是三螺旋结构，由3条链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型。3条左手螺旋链相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构[81。胶原蛋白的氨基酸组成由于来源和胶原蛋白类型不同有一定的差异，但是几种主要的氨基酸组成大致相同，即含1／3左右的甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，其中羟脯氨酸是胶原蛋白特有的氨基酸。羟脯氨酸对维持胶原蛋白三螺旋结构的稳定性具有重要的作用。水产品胶原蛋白的氨基酸组成与陆生动物胶原蛋白氨基酸的组成非常相似，其最大的不同在于水产品胶原蛋白羟脯氨酸的含量比陆生动物胶原蛋白少，而蛋氨酸的含量却比陆生动物胶原蛋白高的多。所以，陆生动物胶原蛋白的变性温度比水产品胶原蛋白的变性温度要高(大约1O℃左右)。胶原蛋白的氨基酸组成直接关系到其分子的理化性质，如热稳定性、溶解度和交联能力等。水产品胶原蛋白中亚氨基酸(脯氨酸和羟脯氨酸)水平在鱼类中差别很大，亚氨基酸的含量，特别是羟脯氨酸取决于鱼的生存环境温度，它影响胶原蛋白的热稳定性。相对于温暖条件下生存的鱼类，从生存在较冷环境鱼类中获得的胶原蛋白中羟脯氨酸含量较低，而且它们的热稳定性也比较低，这是因为羟脯氨酸在胶原蛋白中参与链氢键的形成而使其三螺旋结构稳定。尼罗河小鲈鱼皮和大鲈鱼皮酸溶性胶原蛋白的氨基酸组成没有明显的差异，表明氨基酸的组成与鱼的生长年龄无关。但是，鲈鱼皮胶原蛋白中的脯氨酸和羟脯氨酸含量却较高，约为20％，接近于猪皮胶原蛋白的22％和牛皮胶原蛋白的21．5％

3胶原蛋白在水产品中的存在及其性质

3．1 胶原蛋白的热稳定性

胶原蛋白氨基酸组成的差异导致胶原蛋白的性质有所不同。胶原蛋白中亚氨基酸的含量比较高时，其热稳定性也比较高p叫。胶原蛋白的热稳定性通常是用胶原蛋白溶液的热变性温度(Td)和胶原纤维的热收缩温度(Ts)表示。研究表明，来源于哺乳动物的胶原蛋白的热变性温度较高，猪皮胶原蛋白的热变性温度为37℃，而来源于水生生物的胶原蛋白的热变性温度较低。日本鲈鱼皮胶原蛋白的变性温度为30℃，金枪鱼皮胶原蛋白的变性温度为29．7℃悯，尼罗罗非鱼鱼皮胶原蛋白的变性温度为28℃【l81。这是因为它们的亚氨基酸(脯氨酸和羟脯氨酸)含量不同。胶原蛋白的热稳定性可能与动物的生活温度密切相关。

3．2 胶原蛋白的溶解性

作为化妆品的添加成分必须是可溶的，才有利于组织的吸收，因此，胶原蛋白用作化妆品原料的一个重要问题就是可溶性的问题。胶原蛋白的溶解性主要取决于胶原蛋白与水的相互作用以及水合作用程度，而水合程度又与蛋白质大分子中可电离的基团和亲水基团的多少有关。

3．3 胶原蛋白的乳化性

胶原蛋白的乳化性是胶原蛋白应用于食品工业的一个重要指标。王碧等研究了水解胶原蛋白的乳化性，发现胶原蛋白的乳化性和乳化稳定性将随着溶液浓度的增加而增大，在酸、碱溶液中均有较高的乳化性和乳化稳定性Toledano等研究了改性后的胶原蛋白的乳化性，发现在胶原蛋白链上接人芳香基团，可以提高胶原蛋白的乳化性1321。而国内外对于胶原蛋白尤其是淡水鱼胶原蛋白的乳化性研究的很少。所以水产品胶原蛋白的乳化性和乳化稳定性有待于进一步研究。

3．4 胶原蛋白的凝胶特性

胶原蛋白在一定条件下可以形成凝胶，这是胶原蛋白之间及胶原蛋白与溶剂之间相互作用的结果。凝胶强度的大小受各种因素的影响，如胶原蛋白的浓度、提取工艺、加热温度和时间、盐浓度等。水解胶原蛋白因为分子质量较低，只具有较弱的凝胶能力，表现在胶原蛋白浓度较低的情况下不能形成凝胶，只有在高浓度时才具有形成凝胶的能力。因而胶原蛋白凝胶强度受溶液浓度的影响较大。近年来发现它们是制备互联网络聚合物的理想材料，将在新材料的研制开发方面具有特殊的作用。

4 胶原蛋白的应用

4．1 胶原蛋白在食品工业中的应用

在食品工业领域，胶原蛋白主要应用于功能食品、食品添加剂、食品包装材料等方面。胶原的水解产物一明胶可用作肉制品改良剂，加人肉制品中可以改善结缔组织的嫩度，使其具有良好的品质，增加蛋白质含量。鱼胶原蛋白有其独特的性质，是一种可以口服的蛋白，从深海鱼类中精炼的鱼胶原蛋白提取物，含有大量的黏多糖及丰富的胶原蛋白，鱼胶原蛋白具有保持皮肤水分的作用。鱼皮胶原蛋白应用于

食品中，其污染少、安全性好、品质优良、功效好。

4．2 胶原蛋白在医药工业中的应用

胶原作为生物医学材料，具有低免疫源性、与宿主细胞及组织之间的协调作用、可生物降解性、止血作用等优势，可以作为组织的支持物，对细胞、组织乃至器官行使正常功能并对外伤修复具有重要作用。在治疗骨折中，将胶原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮溶在柠檬酸缓冲液里制的胶原蛋白一PVP聚合物(C—PVP)，用于受伤骨骼的加固效果好，安全性高，不会引起肝和肾的代谢紊乱，也不诱发人体产生抗C—PVP的抗体，还可用于治疗尿不尽等方面的治疗。鱼皮胶原蛋白利于上皮细胞的增生修复，促进创面愈合，可广泛用于烧伤和创伤的治疗。4．3 胶原蛋白在化妆品中的应用

由于胶原及其水解物与人体皮肤胶原的结构相似，相容性好，存在着离子键、氢键等相互作

用，用它制备的材料可以扩散到皮肤的深层，对人的皮肤有很好的营养作用；同时因其分子中含有大量的羟基，故有着相当好的保湿作用；其分子中的氨基和羧基又赋予它一定的表面活性，这使得它与其它材料的相容性很好，且对皮肤无刺激性。利用鱼皮胶原蛋白的高度可溶性、亲水性、乳化性等性质可以生产美容护肤品，如保湿乳液、保湿霜、洗面奶等

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