胶原蛋白的生理功能特性及其应用

1、 胶原蛋白的生理功能特性及其应用 摘要胶原蛋白是一种多糖蛋白，含有少量的半乳糖和葡萄糖，是细胞外基质的主要成分。主要阐述胶原蛋白的分子结构、分类、理化特性和生物学性质，并介绍了在医学、美容保健、食品、饲料等其他工业的应用进展。 关键词 胶原蛋白 生理功能 特性 应用 胶原蛋白(也称胶原)是蛋白质中的一种，英文名“collagen”，由希腊文演化来， 是一种多糖蛋白，呈白色，含有少量的半乳糖和葡萄糖，是细胞外基质 (ECM)的主要成分，分子量为300ku。胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构，其由3条a一链多肽组成，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，形成胶原蛋白

2、独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定。胶原蛋白中含有大量的甘氨酸，约占总氨基酸的27 ，也有报道说占13，胶原 一链N一端氨基酸是焦谷氨酸，它是谷氨酰胺脱去一分子氨而闭环产生的毗咯烷酮羧酸，它在一般蛋白质中少见的。胶原蛋白中脯氨酸和羟脯氨酸的含量也特别高，是胶原蛋白质的特有氨基酸，二者均14 左右，而色氨酸、酪氨酸以及蛋氨酸等必需氨基酸含量低，因此，胶原蛋白属于不完全蛋白质。胶原蛋白主要由成纤细胞或与其来源相类似的细胞如成骨细胞、成软骨细胞合成，生物体内胶原的合成一般包括一系列的过程，首先在胞内合成胶原蛋白分子形成前胶原，进而在胞外进一步聚合成胶原纤维和胶原束。又叫胶原质，是细胞外基质的主

3、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结缔组织中，占动物体内蛋白质总量的25一30，对机体和脏器起着支持、保护、结合以及形成界隔等作用u J。胶原蛋白的营养十分丰富，其富含除色氨酸和半胱氨酸外的18种氨基酸，同时还含有在一般蛋白质中少见的羟脯氨酸和焦谷氨酸口引。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

4、、食品、化工原料与研究等领域。 1 胶原蛋白分类 胶原蛋白是一类蛋白质家族，现已至少发现了30余种胶原蛋白链的编码基因，可以形16种以上的胶原蛋白分子，根据它们在体内的分布和功能特点，目前将胶原分成间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分，包括I、型胶原蛋白分子，其主要分布于皮肤、肌腱等组织，其中型胶原蛋白由软骨细胞产生；基底膜胶原蛋白通常是指型胶原蛋白，其主要分布于基底膜；细胞外周胶原蛋白通常中指V型胶原蛋白，在结缔组织中大量存在。 2 胶原蛋白的理化特性 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

5、原每个肽链的两端有ol一羧基和 一氨基，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7578，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。 3 胶原蛋白的生物学性质 31 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

6、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一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。 32 生物相容性 胶原蛋白的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。 33 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

7、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。 4 胶原蛋白的应用 41 生物医学材料与临床应用 由胶原制成的手术缝合线既有与天然丝一样的高强度，又有可吸收性，在使用时既有优良的血小板凝聚性能，止血效果好，又有较好的平滑性和弹性，缝合结头不易松散，操作过程中不易损伤机体组织。胶原于不同的细胞之间存在很强的亲和力，与在伤口的愈合过程中起到关键作用的生长因子间也有着特殊的亲和力，在血液凝固后，还可以通过刺激组织的再生与修复来防止再次发生出血，所以胶原可以作为凝血材料。同时用合成材料

8、或胶原蛋白在血浆代用品、人造皮肤、人工血管、骨的修复和人工骨和固定化酶的载体等方面的研究和应用方面都十分的广泛。 42 美容与保健 胶原蛋白由动物皮提取，皮中除胶原蛋白外还含有透明质酸、硫酸软骨素等蛋白多糖，它们含有大量极性基团，是保湿因子，且有阻止皮肤中的酪氨酸转化为黑色素的作用，故胶原蛋白有纯天然保湿、美白、防皱、祛斑等作用，可广泛应用于美容、美肤、美发用品中。胶原蛋白的美容功能主要是：保湿作用、修复皮肤、美白作用、润泽头发，它的保健功能主要体现在减肥、降压、降血脂、补钙和排出体内的铝。 43 在食品中应用 胶原蛋白在食品中有两方面的应用：一是功能，二是营养。人们食用含胶原蛋白丰富的食品，

9、能有效地增加皮肤组织细胞的储水能力，增强和维持肌肤良好的弹性，延缓肌体的衰老，同时还可强筋健骨，增强体质。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，现已经在欧洲实际应用，胶原蛋白可作为食品粘合剂合成纤维膜，用作肉类、鱼类等的包装纸。此外，胶原蛋白还可作为食品保护层，具有抗氧化性，可保持肉食品的颜色鲜亮。 44 在其他工业的应用 制革工艺过程中剩下的废弃物中含有丰富的胶原蛋白，可以提取出来用作饲料的动物蛋白资源，实现资源利用，同时近年来胶原蛋白在造纸工业、制革工业、Et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

10、也将应用的更加广泛。 1胶原蛋白在医疗卫生行业中的应用 组织工程是研究和开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后功能和形态的生物替代物的新兴学科。它主要从四个方面进行研究：种子细胞、支架材料、器官构建和临床使用¨J。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

11、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1；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川特点。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

12、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坤o。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归J 。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、4胶原蛋白在其他领域的应用人体内脏的充添物等。 2胶原蛋白在化妆品中的应用 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¨0I ，它们

13、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¨1| ，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胶原蛋白在食品工业中应用胶原蛋白在食品中有两方面

14、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¨2| 。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u3| 。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，加人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¨4| 。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

15、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。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¨5| 。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

16、入，胶原蛋白也将应用得更加广泛。 综上所述，胶原蛋白作为一种天然的生物材料使用具有诸多优点，尤其在医疗和化妆品领域发挥日益重要的作用。胶原蛋白还有着许多实际的和潜在的用途，可以和其他生物材料结合以适用于不同的临床的要求。相信随着我国科学技术的进步以及科研学者的进一步的研究，提取胶原蛋白的工艺会更优化，从而做出更加理想的生物医学材料，胶原蛋白的应用也将更加广阔。 3 胶原蛋白应用于化妆品中的特性由于胶原蛋白具有优良的生物棚容性和低抗原性，使其成为研究化妆品热门课题，在化妆品中的应用也日益普遍。胶原蛋白应用于化妆品的功效主要有以下几点 】：营养性：胶原蛋白可以进入皮肤深层，给予皮肤所必需的营养成分

17、(氨基酸)，维持胶原纤维结构的稳定性和完整性，增强皮肤中胶原的活性，使皮肤细胞的生存环境得到改善，并促进组织的新陈代谢，达到营养滋润、美容养发的目的。保湿性：胶原蛋白中含有大量的甘氨酸、羟脯氨酸、羟赖氨酸等天然保湿因子，这些是保持皮肤水分的重要物质。胶原蛋白分子外侧存在大量的羟基和羧基等亲水基团，使胶原分子极易与水形成氢键，提高了皮肤的贮水能力，并且补充人体流失的胶原蛋白，使皮肤有着良好的亲合性。修复性：胶原蛋白与皮肤中的胶原结构相似，所以具有优良的生物学特性。胶原蛋白能促进上皮细胞的增生修复，皮肤对胶原蛋白又有良好的吸收作用，补充所需的氨基酸，使受损老化的皮肤得到填充和修复。亲和性：胶原蛋白

18、的生物相容性好，与皮肤及头皮表面的蛋白质分子有较强的亲和力，主要通过物理吸附与皮肤和头发结合。胶原蛋白分子能扩散到皮肤表皮和头发里面，达到营养皮肤的作用，且它不刺激皮肤和眼睛，性质温和。配伍性：胶原蛋白在与其他化妆品成分混合时，可以起到调节pH、稳定pH及泡沫、乳化胶体等作用。同时，胶原蛋白作为一种功能性成分在化妆品中还可减轻各种酸、碱、表面活性剂等刺激性物质对皮肤和毛发的损害。抗皱：胶原蛋白与皮肤角质层结构的相似性决定了它与皮肤良好的相容性、良好亲和力和渗透性，能渗透人皮肤表皮层，被皮肤充分吸收，并在皮肤表面形成一层极薄的膜层，从而使皮肤丰满、皱纹舒展，同时提高皮肤密度，产生张力，具有抗皱作

19、用。美白：胶原蛋白中的酪氨酸残基与皮肤中的酪氨酸竞争，与酪氨酸酶的活性中心结合，从而抑制酪氨酸酶催化皮肤中的酪氨酸转化为多巴，阻止皮肤中黑色素的形成，达到美白的作用。 31 哺乳动物胶原蛋白的应用 哺乳动物胶原蛋白在化妆品中的应用很普遍，很多胶原蛋白类化妆品所添加的都是哺乳动物骨或皮胶原蛋白。 311 骨胶原蛋白的应用 胶原蛋白是人体骨组织的重要组成物质。人体骨组织由I3有机物和23无机物组成，胶原蛋白占骨有机成分的80 90 ，它对维持骨结构完整及骨生物力学特性有非常重要的作用。骨胶原蛋白是典型的I型胶原蛋白，其分子间相互交联形成骨胶原纤维网状结构 1。骨胶原蛋白在化妆品中的应用，比其他类型

20、胶原蛋白较成熟、较广泛，市面上的很多化妆品成品都添加有骨胶原蛋白，这些都是骨胶原蛋白的成品化妆品，保湿、美白、除皱、紧肤，功效很多。目前在大力研究开发新来源的胶原蛋白的同时，研究人员对骨胶原蛋白的研究也在不断加深，力求能从原料中能提取出质量更好，功效更多的骨胶原蛋白，如刘丽莉等就对牛骨I型胶原蛋白提取做了研究及表征，确定所提蛋白为典型的I型胶原蛋白，达到了电泳纯，且较好地保持了I型胶原的3股螺旋结构 。 312 皮胶原蛋白的应用 天然动物皮中提取的胶原蛋白由于其来自于生物体，具有低抗原性的特点，能缓和化妆品中表面活性剂化学品对毛发和皮肤的刺激作用，进而改善皮肤的健康状况 引。李卫林等把从动物皮

21、中提取出来的胶原蛋白经酶水解，研究其在化妆品中的功能特性，结果表明，胶原蛋白酶解后，由于其分子结构及分子量的变化，维持蛋白质结构的作用力得到了释放，其功能特性也随之发生了变化，随着分子质量的降低，大量亲水基团暴露在外面，其吸油性降低，吸水性明显增强，在溶剂中的溶解性也有一定的变化，因此可根据不同溶剂、不同功效来选取所加的胶原蛋白，在油性化妆品中添加胶原蛋白就要求其水解程度较低、产物分子量较高，与之相反，在保湿型化妆品中则要求其水解程度高、产物分子量小，能够在极性溶剂中很好的溶解 ¨。杨华等用蛋白酶在新鲜猪皮中提取出胶原蛋白，按照配方加入纤维素衍生物、淀粉、保湿剂、交联剂等辅助原料，制

22、成胶原蛋白保湿面膜，无毒、无味、无副作用，它不仅具有双重保湿效果、好的韧性、延展性及粘接性，还具有肤感更佳、深层洁肤的功能，经济适用有效¨引。对于胶原蛋白面膜的稳定性，郑伟毛等进行了研究，将胶原蛋白进行交联，可大大提高胶原蛋白面膜的生物稳定性，从而扩大了胶原蛋白在化妆品中的应用【1引。而穆畅道等则利用双醛多糖作为交联剂改善了胶原蛋白面膜的质量，使其避免了游离小分子醛造成的代谢毒性现象 。除了传统意义上的化妆品外，吴天祥等 还发明了一种仿生皮肤化妆品 用动物表皮精制成胶原蛋白，加上壳聚糖等其他原料制成胶状物质，涂在皮肤表面形成仿生皮肤，可阻挡有害物质和环境的侵蚀，对内养护皮肤及治疗皮肤

23、疾病，这种化妆品在特殊需要的情况下更体现出优势。 32 鱼类胶原蛋白的应用 中国水产加工业的鱼皮、鱼鳞等下脚料，其中含有大量胶原蛋白，弃之可惜，又造成环境污染，对其加以利用，开发各种营养健康食品、化妆品等高附加值的产品将有广阔的发展前景 。 321 鱼皮胶原蛋白的应用 利用鱼皮胶原的高度可溶性、亲水性以及乳化性等性质，在用于生产美容护肤品，如洗面奶、保湿乳液、保湿面膜等。化妆品的添加成分必须是可溶的，可溶才有利于皮肤的吸收，胶原蛋白作为化妆品原料也必须先要解决可溶性的问题。哺乳动物如猪、牛等皮肤的胶原先要经过稀酸液处理，再经过酶法或碱法处理后才能得到可溶性较好的胶原蛋白，丽鱼皮直接经过稀酸液处

24、理就能得到的可溶性很高的胶原蛋白，比哺乳动物的工艺简单，因此，用于化妆品的可溶性胶原蛋白，从鱼皮中提取可简化生产工艺、节约生产成本 。如Kobayashi Keizo等就利用廉价的鱼皮提取出胶原蛋白应用到化妆品中l1 。对于鱼皮胶原蛋白应用于化妆品中，在近年来研究较多，不同种类的鱼皮，其胶原氨基酸排列顺序不一样，导致其在化妆品中所产生的功效也不一样。刘克海等提取鱿鱼皮胶原蛋白，测定其吸湿和保湿性能，根据配方制备出营养保湿乳，并对保湿乳进行技术性能测定，包括其感官指标、理化指标、卫生指标和有毒物质。为考察鱿鱼皮胶原蛋白乳使用中是否存在隐患，曾选择家兔为试验动物，对鱿鱼皮胶原蛋白乳进行急性皮肤刺激

25、性试验和多次皮肤刺激性试验，结果均无红斑、水肿等症况，表明安全可靠 摊J。戴岚等则开发了金目鲷鱼胶原蛋白，主要是提取金目鲷鱼的鱼皮胶原蛋白并应用于化妆品中，这种鱼皮胶原蛋白是一种很好的可溶性胶原蛋白，有较好的感官性能，热变性温度要比一般的鱼胶原蛋白高，细胞粘接性强，具有良好的吸收性和保湿性，且其氨基酸的组成、分子量大小等特征与牛胶原蛋白很相似，是适合于替代牛胶原蛋白的一种化妆品新原料【1 。闫鸣艳等将深海鱼皮胶原肽添加到面膜中制得紧肤抗衰老膏状面膜和一种干状面膜，它们都有平整细纹和延缓衰老的功效 ¨。孙丽平等提供了一种鱼皮活性胶原肽和优级原生橄榄油复配成的营养型高档护肤品及其制备方法

26、，这种方法能适用于海水鱼和淡水鱼中的一种或几种任意混合物，主要利用胶原蛋白美白、保湿、防皱、修复、营养等作用，再加上鱼皮胶原蛋白的污染少、疾病因素少、低过敏性、易水解，制备出的护肤品具有低过敏性、所含营养物质易被皮肤吸收，有利于增强皮肤抵抗力、护肤效果好 J。田代朋子等用具有40000或更大平均分子量的胶原、2005000平均分子量的胶原蛋白和类胡萝卜素开发出一种化妆品组合物，其所用胶原蛋白主要是来源于鱼皮，例如金枪鱼鱼皮。 322 鱼鳞胶原蛋白的应用 由于宗教和习俗等原因，有些地区不能使用猪等牲畜来源的胶原蛋白制品，以及近年来口蹄疫、疯牛病等世界性发生与流行的传染性疾病，人们对来源于猪牛等牲

27、畜胶原蛋白的安全性发生了怀疑，所以人很多人把胶原蛋白的来源转向了含有大量胶原蛋白的鱼鳞。因此，研究和开发鱼鳞的胶原蛋白逐渐受到人们的重视 。有研究表明，生产出的鱼鳞胶原蛋白应用于护法产品中，能使头发有光泽、顺滑、易梳理，应用于其他护肤类化妆品，比起从猪、牛中提取的传统胶原蛋白更具有优良的保湿性和光洁度 】。所以充分利用鱼鳞来源丰富，发挥髓鳞胶原蛋白的优势 制造成本低的化妆品，苗强发明了一种鱼鳞胶原蛋白化妆品，由鱼鳞胶原蛋白和常规化妆品组分组成，鱼鳞胶原蛋白的重量百分比为3 一10 ，本化妆品可改善人体血液微循环，补充氨基酸营养成分，增加皮肤弹性，具有美白、祛皱、润肤功能，易于在化妆品领域推广应用 。目前对鱼鳞胶原蛋白的开发研究还远不如鱼皮那么多，但是由于鱼鳞的资源丰富，成本低等优势，以后的研究应用还是会逐步加大。 33 其它来源胶原蛋白的应用 化妆品中的胶原蛋白，运用得比较成熟的主要是哺乳类