膠原蛋白的性質(zhì)及其應(yīng)用

1、膠原蛋白的性質(zhì)及其應(yīng)用摘要：膠原是動(dòng)物所有結(jié)締組織(皮、肌腱、韌帶、軟骨等)的主要蛋白成分，占哺乳動(dòng)物蛋白總量的3o 。由于膠原蛋白有諸多優(yōu)良性質(zhì)，具有廣泛用途，尤其是近十年來，隨著對(duì)膠原以增殖細(xì)胞為首的許多生物功能的認(rèn)識(shí)，使得膠原基生物醫(yī)學(xué)材料格外引人注目，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，除外科用敷料膜、止血海綿、手術(shù)縫合線、止血?jiǎng)┩?，國外研究者主要集中于研究利用膠原蛋白制備對(duì)人體軟組織具有擴(kuò)張功能的膠原注射液，膠原基藥物輸送系統(tǒng)，皮膚、骨骼、心血管、食管、氣管的替代材料等.本文著重講了膠原蛋白的生物學(xué)性質(zhì)及其在各方面的應(yīng)用。關(guān)鍵字： 膠原蛋白；應(yīng)用；生物醫(yī)用1. 膠原蛋白的生物學(xué)性質(zhì)1.1. 膠原蛋白的結(jié)構(gòu)膠

2、原蛋白是生物體內(nèi)一種重要的蛋白質(zhì)，也是結(jié)締組織的主要蛋白成份，其含有的十八種氨基酸中有種是人體必須的，它還含有人體所必須的部分金屬微量元素，是緊密的螺旋結(jié)構(gòu)1.1. 膠原蛋白的生物相溶性是指膠原蛋白與宿主細(xì)胞及組織之間良好的相互作用。因膠原蛋白本身就是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架，膠原分子特有的三股螺旋結(jié)構(gòu)及其交聯(lián)形成的纖維或網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成細(xì)胞重要組成成分，故膠原材料無論是在被吸收前作為新組織的骨架，還是被吸收同化進(jìn)入宿主，成為宿主組織的一部分，都與細(xì)胞周圍的基質(zhì)有著良好的相互作用，表現(xiàn)出相互影響的協(xié)調(diào)性，并成為細(xì)胞與組織正常生理功能整體的一部分。1.2. 低抗原性與其它具有免疫原性的蛋白質(zhì)相比，膠原蛋白的

3、免疫原性非常低。過去人們?cè)J(rèn)為膠原不具有抗原性，近十年來的研究表明：膠原具有低免疫原性，不含端肽時(shí)免疫原性尤其低1.3. 可生物降解性(易被人體吸收)由于天然膠原緊密的螺旋結(jié)構(gòu)，大多數(shù)蛋白酶只能打斷膠原側(cè)鏈，只有特定的蛋白酶才能使膠原蛋白肽鍵斷裂。在膠原酶的存在下，膠原的肽鍵將逐漸打斷而水解，膠原肽鏈的斷裂隨即造成螺旋結(jié)構(gòu)的破壞，從而膠原將被蛋白酶徹底水解，這就是膠原的可生物降解性，可生物降解性是膠原蛋白能作器官移植材料被利用的基礎(chǔ)。1.4. 促進(jìn)血小板凝聚膠原纖維一旦與血液接觸，流動(dòng)血液中的血小板立刻與膠原纖維吸附在一起，發(fā)生凝聚反應(yīng)，生成纖維蛋白，并形成血栓，進(jìn)而血漿結(jié)塊阻止流血，達(dá)到促凝

4、血作用。1.5. 力學(xué)性能天然膠原緊密的螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度的力學(xué)性能起重要作用，在生物體中，膠原是為結(jié)締組織提供強(qiáng)度的主要蛋白組分，因而可在廣范圍內(nèi)滿足肌體對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求2. 膠原蛋白在人體的存在2.1. 人體內(nèi)的膠原蛋白膠原蛋白是人體中最重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，現(xiàn)已確認(rèn)有19種類型。人體中的膠原蛋白占各種蛋白質(zhì)總質(zhì)量的3040 ，人類體重的65是水，16是蛋白質(zhì)，14是脂肪，5是鈣質(zhì)等無機(jī)物。通過計(jì)算，我們知道，體重為50kg的人體中約含有3kg的膠原蛋白。2.2. 皮膚中的膠原蛋白膠原蛋白存在于人體的哪些部位呢?首先，存在于皮膚中，研究表明，皮膚中有70幾乎都是膠原蛋白。皮膚的真皮中充滿了膠原蛋

5、白， 它以膠原蛋白纖維形式包裹著毛根、皮脂腺和細(xì)胞，象一個(gè)膠原蛋白纖維的袋子將人體包裹于其中。表皮和真皮的交界處有基底膜，它與真皮緊密結(jié)合，配合真皮波浪狀的構(gòu)造而起伏，表皮與之配合起伏，從而使表皮不會(huì)輕易脫落。由于膠原蛋白纖維兼具一定堅(jiān)固性、韌性和彈性，使得人的手腳可以自由彎曲而不會(huì)僵硬，同時(shí)皮膚也不致因人體活動(dòng)而破裂，從而使皮膚具有最佳性質(zhì)。2.3. 骨骼中的膠原蛋白其骨骼與肌肉相連處的“肌腱”80以上是膠原蛋白纖維，具有非常強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和堅(jiān)韌性，使人體可以承受很大壓力及進(jìn)行大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和勞作。骨骼和牙齒，看起來是凝固的鈣質(zhì)，但是，能夠讓鈣質(zhì)緊密連接的骨細(xì)胞就是膠原蛋白，其含量約為骨骼總重量的

6、20 ，相當(dāng)于骨骼中蛋白質(zhì)含量的80 ，這使得骨骼和牙齒并不象石頭一樣硬而脆，而是具有彈性的。此外，連接骨骼的軟骨中也充滿了膠原蛋白，籍此才使得我們的椎間盤、頸椎、膝蓋及手肘等關(guān)節(jié)能夠自由行動(dòng)，靈活自如。2.4. 內(nèi)臟中的膠原蛋白內(nèi)臟中的膠原蛋白腸胃、肝臟、心臟、肺、腎臟、血管等內(nèi)臟均是被一層外壁所包裹，內(nèi)臟的外壁與皮膚相似，尤其是腸胃，外壁中的膠原蛋白纖維也是存在于與食物接觸的上皮組織的下方，膠原蛋白纖維相當(dāng)于強(qiáng)化塑料管內(nèi)側(cè)和外側(cè)之間的鐵絲。腦和肝臟中充滿了細(xì)胞，膠原蛋白纖維包住這些臟器，形成保護(hù)膜，而象網(wǎng)眼一樣遍布腦細(xì)胞或肝細(xì)胞的微血管以及負(fù)責(zé)供給細(xì)胞營養(yǎng)的其他細(xì)胞周圍，都有膠原蛋白存在，

7、這些臟器的膠原蛋白含量較少，但對(duì)于細(xì)胞在發(fā)揮旺盛功能上，卻是不可或缺的，研究表明，補(bǔ)充腦營養(yǎng)細(xì)胞的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是由膠原蛋白組織支撐的，一旦劣化或消失，腦神經(jīng)細(xì)胞就無法得到營養(yǎng)，就會(huì)變成“癡呆癥”2.5. 眼睛中的膠原蛋白眼睛中的膠原蛋白的研究表明，眼睛的角膜是由粗細(xì)均勻的膠原蛋白纖維井然有序地排列成層面而構(gòu)成的，正是藉于這種結(jié)構(gòu)，才使光線得以順利通過。此外，肌肉中是以肌纖蛋白及肌球蛋白等蛋白質(zhì)為主體，但也含有膠原蛋白。膠原蛋白的水產(chǎn)品的提取水產(chǎn)品膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特征迄今為止，已發(fā)現(xiàn)27種不同類型的膠原蛋白71。從魚類肌肉和皮膚中分離鑒定出至少2種含量較多和較少的膠原蛋白，分別是i型膠原蛋白和v型

8、膠原蛋白。i型膠原蛋白是一種纖維狀膠原，而且是水產(chǎn)品廢棄物，即皮、骨、磷和魚鰭中含量最多的一種蛋白質(zhì)。膠原蛋白相對(duì)分子質(zhì)量為300 ku，其最普遍的結(jié)構(gòu)特征是三螺旋結(jié)構(gòu)，由3條 鏈多肽組成，每一條膠原鏈都是左手螺旋構(gòu)型。3條左手螺旋鏈相互纏繞成右手螺旋結(jié)構(gòu)，即超螺旋結(jié)構(gòu)81。膠原蛋白的氨基酸組成由于來源和膠原蛋白類型不同有一定的差異，但是幾種主要的氨基酸組成大致相同，即含13左右的甘氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸，其中羥脯氨酸是膠原蛋白特有的氨基酸。羥脯氨酸對(duì)維持膠原蛋白三螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的作用。水產(chǎn)品膠原蛋白的氨基酸組成與陸生動(dòng)物膠原蛋白氨基酸的組成非常相似，其最大的不同在于水產(chǎn)品膠原蛋白羥

9、脯氨酸的含量比陸生動(dòng)物膠原蛋白少，而蛋氨酸的含量卻比陸生動(dòng)物膠原蛋白高的多。所以，陸生動(dòng)物膠原蛋白的變性溫度比水產(chǎn)品膠原蛋白的變性溫度要高(大約1o左右)。膠原蛋白的氨基酸組成直接關(guān)系到其分子的理化性質(zhì)，如熱穩(wěn)定性、溶解度和交聯(lián)能力等。水產(chǎn)品膠原蛋白中亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)水平在魚類中差別很大，亞氨基酸的含量，特別是羥脯氨酸取決于魚的生存環(huán)境溫度，它影響膠原蛋白的熱穩(wěn)定性。相對(duì)于溫暖條件下生存的魚類，從生存在較冷環(huán)境魚類中獲得的膠原蛋白中羥脯氨酸含量較低，而且它們的熱穩(wěn)定性也比較低，這是因?yàn)榱u脯氨酸在膠原蛋白中參與鏈氫鍵的形成而使其三螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。尼羅河小鱸魚皮和大鱸魚皮酸溶性膠原蛋白的

10、氨基酸組成沒有明顯的差異，表明氨基酸的組成與魚的生長年齡無關(guān)。但是，鱸魚皮膠原蛋白中的脯氨酸和羥脯氨酸含量卻較高，約為20，接近于豬皮膠原蛋白的22和牛皮膠原蛋白的2153膠原蛋白在水產(chǎn)品中的存在及其性質(zhì)31 膠原蛋白的熱穩(wěn)定性膠原蛋白氨基酸組成的差異導(dǎo)致膠原蛋白的性質(zhì)有所不同。膠原蛋白中亞氨基酸的含量比較高時(shí)，其熱穩(wěn)定性也比較高p叫。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性通常是用膠原蛋白溶液的熱變性溫度(td)和膠原纖維的熱收縮溫度(ts)表示。研究表明，來源于哺乳動(dòng)物的膠原蛋白的熱變性溫度較高，豬皮膠原蛋白的熱變性溫度為37，而來源于水生生物的膠原蛋白的熱變性溫度較低。日本鱸魚皮膠原蛋白的變性溫度為30 ，金

11、槍魚皮膠原蛋白的變性溫度為297憫，尼羅羅非魚魚皮膠原蛋白的變性溫度為28【l81。這是因?yàn)樗鼈兊膩啺被?脯氨酸和羥脯氨酸)含量不同。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性可能與動(dòng)物的生活溫度密切相關(guān)。32 膠原蛋白的溶解性作為化妝品的添加成分必須是可溶的，才有利于組織的吸收，因此，膠原蛋白用作化妝品原料的一個(gè)重要問題就是可溶性的問題。膠原蛋白的溶解性主要取決于膠原蛋白與水的相互作用以及水合作用程度，而水合程度又與蛋白質(zhì)大分子中可電離的基團(tuán)和親水基團(tuán)的多少有關(guān)。33 膠原蛋白的乳化性膠原蛋白的乳化性是膠原蛋白應(yīng)用于食品工業(yè)的一個(gè)重要指標(biāo)。王碧等研究了水解膠原蛋白的乳化性，發(fā)現(xiàn)膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性將隨著溶

12、液濃度的增加而增大，在酸、堿溶液中均有較高的乳化性和乳化穩(wěn)定性toledano等研究了改性后的膠原蛋白的乳化性，發(fā)現(xiàn)在膠原蛋白鏈上接人芳香基團(tuán)，可以提高膠原蛋白的乳化性1321。而國內(nèi)外對(duì)于膠原蛋白尤其是淡水魚膠原蛋白的乳化性研究的很少。所以水產(chǎn)品膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步研究。34 膠原蛋白的凝膠特性膠原蛋白在一定條件下可以形成凝膠，這是膠原蛋白之間及膠原蛋白與溶劑之間相互作用的結(jié)果。凝膠強(qiáng)度的大小受各種因素的影響，如膠原蛋白的濃度、提取工藝、加熱溫度和時(shí)間、鹽濃度等。水解膠原蛋白因?yàn)榉肿淤|(zhì)量較低，只具有較弱的凝膠能力，表現(xiàn)在膠原蛋白濃度較低的情況下不能形成凝膠，只有在高濃度時(shí)

13、才具有形成凝膠的能力。因而膠原蛋白凝膠強(qiáng)度受溶液濃度的影響較大。近年來發(fā)現(xiàn)它們是制備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚合物的理想材料，將在新材料的研制開發(fā)方面具有特殊的作用。4 膠原蛋白的應(yīng)用41 膠原蛋白在食品工業(yè)中的應(yīng)用在食品工業(yè)領(lǐng)域，膠原蛋白主要應(yīng)用于功能食品、食品添加劑、食品包裝材料等方面。膠原的水解產(chǎn)物一明膠可用作肉制品改良劑，加人肉制品中可以改善結(jié)締組織的嫩度，使其具有良好的品質(zhì)，增加蛋白質(zhì)含量。魚膠原蛋白有其獨(dú)特的性質(zhì)，是一種可以口服的蛋白，從深海魚類中精煉的魚膠原蛋白提取物，含有大量的黏多糖及豐富的膠原蛋白，魚膠原蛋白具有保持皮膚水分的作用。魚皮膠原蛋白應(yīng)用于食品中，其污染少、安全性好、品質(zhì)優(yōu)良、功效好。42 膠原蛋白在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用膠原作為生物醫(yī)學(xué)材料，具有低免疫源性、與宿主細(xì)胞及組織之間的協(xié)調(diào)作用、可生物降解性、止血作用等優(yōu)勢(shì)，可以作為組織的支持物，對(duì)細(xì)胞、組織乃至器官行使正常功能并對(duì)外傷修復(fù)具有重要作用。在治療骨折中，將膠原蛋白和聚乙烯吡咯烷酮溶在檸檬酸緩沖液里制的膠原蛋白一pvp聚合物(cpvp)，用于受傷骨骼的加固效果好，安全性高，不會(huì)引起肝和腎的代謝紊亂，也不誘發(fā)人體產(chǎn)生抗cpvp的抗體，還可用于治療尿不盡等方面的治療 。魚皮膠原蛋白利于上皮細(xì)胞的增生修復(fù)，促進(jìn)創(chuàng)面愈合，可廣泛用于燒傷和創(chuàng)傷的治療。4