有关胶原蛋白的理化性质

1、医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日有关胶原蛋白的理化性质生物高分子，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、细胞间信息的传递，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。 胶原蛋白也是生物科技 产业最具关键性的原材料之一，在医学材料、化妆品、食品工业等均 有着广泛应用。一、化学一般是白色、 透明的粉状物， 分子呈细长的棒状， 相对分子质量 从约2kD至300kD不等。胶原蛋白具有很 强的延伸力，不溶于冷水、 稀酸、稀碱溶液，具有良好的保水性和乳化性。胶原蛋白不易

2、被一般 的蛋白酶水解，但能被动物胶原酶断裂，断裂的碎片白动变性，可被 普通蛋白酶水解。当环境pH低于中性时，胶原的变性温度为40 41C，当环境pH为酸性时，胶原的变性温度为3839C。胶原蛋白是一种两性电解质，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，每个肽链的两端有a-愈基 和a-氨基，都具有接受或给予质子的能力，它们可在特定的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pKa值与其组成氨基酸侧基的pKa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。等电点是7.57

3、.8,呈现出偏碱性， 因为胶原的肽链医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日中碱性氨基酸比酸性氨基酸多一点。由于是高分子， 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。不同分子量分布胶原蛋白溶液的黏度与溶质浓度、溶剂、pH、温度和外加电解质有关。在等电点时胶原蛋白溶液的黏度最低，pH值低于或高于等电点时，胶原蛋白及多肽均将带一定电荷，溶液的黏度相应增大，离等电点越远，溶液的黏度越大；不同分子量分布胶原 蛋白及多肽溶液的黏度均随温度升高而下降。胶原蛋白分子量越大， 浓度越大，溶液的黏度越高，高分子量胶原蛋白溶液的黏度随浓度增 加呈指数上升

4、，而低分子量胶原蛋白溶液的黏度则随浓度增加近似直 线上升；在胶原蛋白及多肽溶液中加入电解质会导致其黏度明显上 升。胶原蛋白的水解产物含有多种氨基酸，其中以甘氨酸最为丰富。其次为丙氨酸、谷氨酸和精氨酸，半胱氨酸、色氨酸、酪氨酸以及蛋 氨酸等必需氨基酸含量低，因此，胶原蛋白属不完全蛋白质。水解猪 皮胶原所得的肽类产物中含有19种氨基酸，其中包括7种成人必需 氨基酸和2种幼儿必需的半必需氨基酸；而且氨基酸总量高达90%以 上。在八种人体必需氨基酸中含有六种：异亮氨酸（Ile）为1.21%,亮氨酸（Leu用苯丙氨酸（Phe肉4.89%,缴氨酸（Val）2.95%,苏氨酸（Thr）为1.95%,赖氨酸（

5、Lys）为1.94%。胶原的相对分子质量大，电泳图有3条泳带，在100kD附近出现 的2条泳带分别是胶原分子的也1链和疔链，在200 kD附近出现的1条泳带是胶原分子的（3链。即胶原的每条多肽链相对分子质量可达100kD, 1个胶原分医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日子相对分子质量为300kD。多肽分子量的测定方 法常用SDS-PAGE,凝胶色谱法以及质谱法。有人采用凝胶过滤色谱 法测定脱铭革屑中胶原水解产物分子量分布在16.1KD左右。飞行时间质谱法测定比目鱼皮胶原寡肽分子量的分布主要集中在0.61.8kD。动物蛋白酶水解后的胶原多肽的分子量在27kD,比植物蛋 白

6、酶水解的胶原多肽分子量范围更广。胶原的热稳定性是指测定其在水系中纤维的热收缩温度（Ts）,或溶液中分子的热变性温度（Td）。Ts和Td之差一般在2025C ,而Ts值较Td值容易测定。Td还可以表示胶原螺旋被破坏的温度， 另外还 与其亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）的含量有关，尤其是羟脯氨酸含量， 它们之间存在正相关，冷水性鱼类的羟脯氨酸含量最低，所以冷水性鱼类胶原蛋白Td值明显低于暖水性鱼类，而又都低于陆生动物。但 鱼皮胶原蛋白与鱼肉胶原蛋白相比，其真皮的Td要比肌肉的低1C左右，这与肌肉胶原中脯氨酸的羟基化率较真皮胶原高有关。有人测定了多种鱼皮可溶性胶原蛋白的氨基酸组成， 并与牛皮的氨基酸组成

7、 进行了比较，发现鱼皮胶原蛋白的羟脯氨酸和脯氨酸等亚氨酸含量比 牛皮的低。此外，鱼皮明胶与牛皮明胶相比，其固有的粘度、热变隹 温度均比较低。胶原蛋白的热变性温度可以通过测定胶原蛋白溶液增比黏度的 变化来确定。其方法是将胶原蛋白样品溶于一定量的缓冲溶液中，并配制成一定浓度的溶液，然后用乌式黏度计测量溶液在一定温度区间 内保持一定时间后的增比黏度，以增比黏度对温度作图，当增比黏度 变化50%时所医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日对应的温度即为热变性温度。热变性温度还可通过拉曼 光谱和差示扫描量热法等进行测定。有人测得皱鱼、鲫鱼和蛹鱼鱼皮 胶原蛋白的热变性温度分别为25、2

8、7和30C,它们的栖息水温分别 为2627、29和32C，亚氨基酸含量分别为17.2%18.1晰日18.6%,与3种鱼皮胶原的热变性温度相吻合H型胶原和XI型胶原H型胶原 由三条a1肽链组成，即招（“）3,富含羟赖氨酸，并且糖化率高，含 糖量可达4%,是软骨中的主要胶原。另外，即使同一生物，皮和骨 胶原蛋白的热变形温度也可能不一，像来白日本海皱、结鱼、大头鲨 和眼斑乌屯的皮胶原蛋白的变性温度为25.卜26.5C,而骨胶原蛋白的变性温度则为29.砰30.0C。 附带结论是骨胶原蛋白的变性温度范围 整体上比皮胶原蛋白的变性温度范围要高。 而且骨胶原蛋白和皮胶原 蛋白在不同pH时的溶解度不同。这表明

9、皮和骨胶原蛋白的分子特性 和构型存在差异。作为生物高分子，胶原的强度不大，有研究表明胶原蛋白的凝胶 强度与其浓度的平方几乎成正比关系，强度测定可用凝胶强度计。特别提示：明胶、胶原蛋白和水解胶原蛋白并不相同。明胶是胶 原在高温作用下的变性产物，其组成复杂，相对分子质量分布宽，由 于高温造成胶原蛋白变性，胶原分子的3股螺旋结构被破坏，但可能 有部分济链的螺旋链还存在，因此一定浓度的明胶溶液能成凝胶状。在食品工业、摄影和制药业中被广泛应用。据报道，全世界每年生产 的明胶产品中，有65%用于食品工业，20%用于照相工业，10%用于 制药工业。水解胶原蛋白是在较高温度下用蛋白酶水解胶原或明胶得 到的，受

10、温度和酶的双重作用，使水解胶原蛋白的相对分子质量比明 胶更小，由于在较高温度条医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日件下，蛋白酶对胶原肽键的水解是随机的， 使水解得到的蛋白液组成也很复杂，是相对分子质量从几千到几万的 蛋白多肽的混合物。由于分子量小，水解胶原蛋白容易降解，所以在 营养保健品和日用化学品开发方面拥有一定的市场。水解胶原蛋白可用于生物发酵培养基，也可以作为一种高蛋白饲料营养添加剂替代进 口鱼粉用于混、配合饲料生产。胶原、明胶和水解胶原蛋白这3种物 质虽具有同源性，但在结构和性能上却有很大的区别。 胶原保留特有 的天然螺旋结构，在某些方面表现出明显优于明胶和水解

11、胶原蛋白的 性能，如胶原止血海绵止血性能优于明胶海绵， 作为澄清剂用的鱼胶 原如果变性则沉降能力明显降低。然而，人们对这3种物质的认识常 常产生混淆，认为它们具有相同性质，甚至认为它们是同一种物质。水解胶原蛋白和胶原多肽也并不相同， 可以近似认为是宏观和微 观的关系。胶原蛋白分子经水解后主要形成相对分子量较小的胶原多 肽，由于胶原蛋白独特的三股超螺旋结构，性质十分稳定，一般的加 工温度及短时间加热都不能使其分解，从而造成其消化吸收较困难， 不易被人体充分利用。水解后其吸收利用率可以提高很多， 且可以促 进食品中的其它蛋白质的吸收。胶原多肽除了肽链的两端含有未缩合 的末端愈基和氨基外，在侧链上还

12、含有Lys的&NH2以及Asp和Glu的-COOH。 胶原多肽可完全溶解于水(冷水亦可溶解)，水溶液低粘度，在60%的高浓度下也有流动性，耐酸碱性能好，在酸、碱存在的情况 下均无沉淀；耐高温性能好，20OC加热亦无沉淀，同时它还具有良 好的吸油性、起泡性和吸水性等。医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日二、结构一级结构是蛋白质分子中氨基酸以肽键连接的顺序，每一种蛋白质分子，都有其特定的氨基酸组成和排列方式，由此就决定了不同的空间结构和功能。蛋白质分子中一级结构关键部位氨基酸的改变，会直接影响其功能，这个关键部位就是蛋白质分子的活性中心。已发现并确认了不下30种类型

13、的胶原蛋白。一般的蛋白质是双螺旋结构，而作为细胞外基质(ECM)的一种结 构蛋白，胶原蛋白由三条多肽链构成三股螺旋结构，或称胶原域，即3条多肽链的每条都左旋形成左手螺旋结构，再以氢键相互咬合形成 牢固的右手超螺旋结构。胶原特有的左旋a链相互缠绕构成胶原的右 手复合螺旋结构，这一区段称为螺旋区段，螺旋区段最大特征是氨基 酸呈现(Gly-X-Y)n周期性排列，其中x、Y位谿为脯氨酸(PrO)和羟 脯氨酸(Hyp)，是胶原蛋白的特有氨基酸，约占25%,是各种蛋白质 中含量最高的；胶原蛋白中存在的羟基赖氨酸(Hyl)在其它蛋白质中不 存在，它不是以现成的形式参与胶原的生物合成，而是从已经合成的 胶原的

14、肽链中的脯氨酸（Pro）经羟化酶作用转化来的。而一般陆生哺乳 动物蛋白质中羟脯氨酸和焦谷氨酸的含量极微少。 与陆生动物相比， 水生动物中的胶原蛋白，其脯氨酸和羟脯氨酸的总量少，而含硫元素 的蛋氨酸（Met）含量要远大于陆生动物中的胶原蛋白。一级结构是组成胶原蛋白多肽链的氨基酸序列；胶原蛋白分子是由3条左手螺旋（二级结构）的多肽链组成，它们相互缠绕形成一个在 中心分子轴周围的右手螺旋（三级结构）；完整的胶原蛋白分子的长度 约280nm,医学美容教育网第1卷298期 胶原蛋白2015年06月03日直径约1.5nm;在I型胶原原纤维的二维结构（小角X线 衍射图谱和透射电子显微照片）中，胶原分子通过一个或多个4D距 离与另一个胶原分子交错，D表示在小角X线衍射图谱中所见的基 本重复距离，或电子显微照片中所见的重复距离。因为胶原分子的长度约是4.4D,胶原分子的交错引起约有0.4D的折叠区和约0.6D的缺 损区。胶原蛋白中甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala、脯氨酸（Pro）和谷氨酸（Glu）含量较高，特别是甘氨酸，约占总氨基酸的27%,也有报道说占1/3,即每隔两个其它氨基酸残基（X, Y）即有一个甘氨酸，故其肽链可用（Gly-X-Y）n来表示。每个原胶原分子由三条a-肽链组成，a-肽链白身 为a螺旋结构，肽链中每三个氨基酸残基中就有一个要经过此三股螺 旋中央区，