胶原蛋白的结构与特性

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1、胶原蛋白的结构与特性 胶原蛋白的结构类似绳索，由无数根胶原纤维束所组合而成。胶原蛋白最基本的单位为原胶原，是由三条多胜肽（polypeptides）链所组成的，而此三条多胜肽链则以平行及链间的氢键紧密地结合在一起，形成稳定的三股螺旋结构。由多个原胶原聚集成胶原分子，而平行排列的胶原分子形成束形的胶原蛋白微纤维，胶原蛋白微纤维再纠集成较大的纤维束。由于每一条多胜肽链（称为 alpha 链）的组成相似，但不一定完全相同，所组成的胶原蛋白形式也不相同，有由三条完全相同的 alpha 链所组成的（如第二型） ，也有由完全不相同的 alpha 链所组成的（如第四型） 。到目前为止，已发现的动物胶原蛋白可

2、分成 21 种型式，依着组织的不同而有不同的胶原蛋白，其中以第一型胶原蛋白的含量最多，约占全部胶原蛋白含量的 90，也是用途最广的胶原蛋白。胶原蛋白的分子量约为 283,000 道尔顿（daltons） ，长约 280 奈米，直径 1.5 奈米，具有特别的机械性质，例如具有方向性的胶原蛋白纤维抗拉强度可高达 5 10 公斤/毫米平方（kg/mm 2） ，因此提供结缔组织所需的张力、拉力强度等。在生化性质方面，它可促使血小板凝集而催化血块的形成，另外胶原蛋白的功用包括可控制分子通透、促进伤口愈合与组织修复、调控细胞与组织的生理功能等。单个的型胶原分子分子量约 285kD，宽 14A，长约 300

3、0A。由三条多肽链组成。哺乳动物个体中有 30 种不同的多肽链构成 16 种不同的胶原，其中最常见的列于表133 中。表 133胶原的主要类型类型 链组成 分布Type Chain Composition Distribution a1()2a2(I) 皮肤、骨、肌腱、血管、角膜 a1()3 软骨、椎间盘 al()3 血管、新生儿皮肤胶原蛋白的氨基酸组成有如下特征：甘氨酸几乎占总氨基酸残基的三分之一，即每隔两个其他氨基酸残基(X，Y)即有一个甘氨酸，故其肽链可用(甘XY)n来表示。含有较多在其他蛋白质中少见的羧脯氨酸和羧赖氨酸残基，也有较多脯氨酸(pro)和赖氨酸。如脯氨酸(Pro)和 4羟脯

4、氨酸(4hydroxyproline,Hyp)含量高达 1530%。同时还含有少量 3羟脯氨酸(3hydroxyproline)和 5羟赖氨酸(5hydroxylysine,Hyl)。羟脯氨酸残基可通过形成分子内氢键稳定胶原蛋白分子。例如，正常胶原在 39变性，而在缺乏脯氨酸羟化酶条件下合成的胶原在 24变性成为白明胶(gelatin)。而羟赖氨酸上可结合半乳糖葡萄糖苷，与特定组织功能相关。如在基底膜胶原(型)中含 hyl 较多，含糖也较多，可能与基底膜的滤过功能有关。胶原中缺乏色氨酸，所以它在营养上为不完全蛋白质。在胶原纤维中，胶原蛋白分子单位称为原胶原(tropo collagen)。每个

5、原胶原分子由三条 肽链组成，肽链自身为 螺旋结构，三条 肽链则以平行、右手螺旋形式缠绕成“草绳状”三股螺旋结构(图 136)。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，而此处空间十分狭窄，只有甘氨酸适合于此位置，由此可解释其氨基酸组成中每隔两个氨基酸残基出现一个甘氨酸的特点。而且三条 肽链是交错排列的，因而使三条 肽链中的 Gly、X、Y 残基位于同一水平上，借 Gly 中的 NH 基与相邻链 X 残基上羟基形成牢固的氢键(图 137)，以稳定其分子结构。原胶原分子平行排列成束，通过共价交联，可形成稳定的胶原微纤维(microfibvil)，进一步行聚集成束，形成胶原纤维。胶原分

6、子通过分子内或分子间的交联成为不溶性的纤维。因胶原分子氨基酸组成中缺乏半胱氨酸，不可能象角蛋白那样以二硫键相联，而是通过组氨酸与赖氨酸间的共价交联，一般发生在胶原分子的 C或 N 末端之间。胶原纤维在不同组织中的排列方式与其功能相关。如在肌腱、皮肤及软骨，要分别在一维、二维和三维方向承受张力，因而其胶原纤维排列分别为平行束状，多角的纤维片层及不规则排列等方式。(表 134)表 134胶原纤维在不同组织中的排列组织 排列肌腱 平行束皮肤 多角的纤维片层软骨 无规则排列角膜 交叉排布的光滑片层使光的散身最小化胶原蛋白简介、组成及结构 ( 添加日期：2008-2-2 9:09 )胶原蛋白是一种生物性

7、高分子物质，在动物细胞中扮演结合组织的角色。为生物科技产业最具关键性的原材料之一，也是需求量十分庞大的最佳生医材料。其应用领域包括生医材料、化妆 品、食品工业、研究用途等。 胶原蛋白的组成胶原蛋白富含除色氨酸和半胱氨酸外的 18 种氨基酸，其中维持人体生长所必需的氨基酸有 7 种。胶原蛋白中的甘氨酸占 30 脯氨酸和羟脯氨酸共占约 25 ，是各种蛋白质中含量最高的，丙氨酸、谷氨酸的含量也比较高同时还含有在一般蛋白中少见的羟脯氨酸和焦谷氨酸和在其他蛋白质几乎不存在的羟基赖氨酸。所以胶原蛋白的营养十分丰富。胶原蛋白的结构特点胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，其分子在细胞外基质中聚集为超分子结构。分

8、子量为 300 ku。胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构。其由 3 条 a 链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型。3 条左手螺旋链叉相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构闭胶原蛋白独特的三重螺旋结构，使其分子结构非常稳定，并且具有低免疫原性和良好的生物相容性等。结构决定性质，性质决定用途，胶原蛋白的结构的多样性和复杂性决定其在许多领域的重要地位。胶原蛋白产品具有良好的应用前景。 人体之所以能够活动自如，就是因为有关节的结构，大部分的关节，不但是提供人体活动之需，并经由软骨保护骨头避免磨损，软骨当中有 65%至 80%是由水所组成，其它则有醣蛋白、胶原蛋白及软骨细胞，这些提供了软骨健康营养及

9、功能保护。事实上，软骨本身是一多孔结构，胶原蛋白是一条条细长纤维形成的网套，醣蛋白则是具有弹性的球体，水分则填塞其中，这些组成都必须完整，才可使软骨负荷重力，若胶原蛋白变少，会使醣蛋白与胶原蛋白的网套连接松弛，或是醣蛋白内含物减少，会使醣蛋白不再具有弹性，都会导致关节受力时容易变加速磨损，随着患者年龄增长，造成这些材质自然消失或功能退化，就形成所谓的退化性关节炎。所以银发族、更年期妇女、运动过度者、骨折者或关节容易酸痛者应多补充富含胶原蛋白之食物。胶原蛋白的分类与存在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。可以形成 16 种以上的胶原蛋白分子。根据它们在体内的

10、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 膠原蛋白膠原蛋白是人體的一種非常重要的蛋白質，主要存在於結締組織中。它具有很強的伸張能力，是韌帶和肌鍵的主要成份，膠原蛋白還是細胞外基質的主要組成成分。它使皮膚保持彈性，而膠原蛋白的老化，則使皮膚出現皺紋。膠原蛋白亦是眼睛角膜的主要成份，但以結晶形式組成。構成膠原的肽鏈，其胺基酸

11、序列非常有特色。首先，它富含甘氨酸和脯氨酸殘基，前者的含量達到總胺基酸殘基的 1/3 後者則接近 1/4；其次，序列中含有不由 DNA 鹼基三聯密碼子編碼的羥賴氨酸和羥脯氨酸，這兩種胺基酸是在蛋白質一級結構序列形成之後由特定的酶作用於序列中的賴氨酸和脯氨酸形成的；最後，它的序列中只含有很少的酪氨酸殘基;並且不含有色氨酸和半胱氨酸殘基。膠原蛋白一級結構的另一個特點是它的胺基酸的排列。這些胺基酸一般以-甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸-三聯交替出現的順序排列。只有很少的蛋白質有這樣規則的胺基酸排列。在空間結構上，膠原蛋白顯示出特殊的三股螺旋纏繞的結構，三條相互獨立的膠原蛋白肽鏈依靠甘氨酸之間形成的氫鍵維繫

12、三股螺旋相互纏繞的結構。膠原蛋白肽鏈的三股螺旋結構不同於普通的 螺旋結構，它的螺距更大，但每一圈螺旋所包含的胺基酸殘基數卻很小，僅為 3.3 個，因此膠原蛋白的三股螺旋顯得細而長，螺旋中間的空間很小，僅能容納一個氫原子，只有甘氨酸能夠勝任這個位置。另外脯氨酸所特有的肽平面夾角也是形成這種特殊螺旋結構的必須因素。這也是膠原蛋白肽鏈中-甘氨酸-脯氨酸-羥脯氨酸-三聯序列交替出現的原因。膠原蛋白這種特殊的三股螺旋結構保證了它的機械強度。這種三股螺旋被稱為原膠原。若幹個原膠原橫向堆積，序列中所含有的羥賴氨酸和羥脯氨酸側鏈在酶作用下氧化生成醛，相互之前發生羥醛縮合反應形成原膠原之間的共價連結，這種結構被

13、稱為膠原微纖維。許多膠原微纖維橫向堆積，以相同的方式通過共價鍵連結，形成膠原纖維。膠原纖維是膠原蛋白行使生理作用的基本形態，在生物體內膠原纖維交織成富有機械強度合彈性的網狀結構成為結締組織最基本的組成成分。目前膠原蛋白是非常受到歡迎的保健美容品，使用範圍以整型醫學、營養輔助品、保養品為三大主流，也就是以注射、口服、擦拭為應用。而其中以注射效果最好但價格昂貴，擦拭則因分子量太大而無法吸收，因此目前較為熱門的是水解過的口服膠原蛋白，不但價格適中且效果好，市面上知名的有台鹽、珍寶三旺、芳珂、金牌、白蘭氏，注射的則有雙美等廠商。事實上口服的膠原蛋白會受到胃酸破壞，無法吸收，所以口服的膠原蛋白其實對於皮膚的幫助不大，想要皮膚能夠產生膠原蛋白的話，就必須要刺激皮膚表面，讓身體自行生成膠原蛋白，才會有效，目前來說，塗抹左旋是副作用最小的方式。但也有說法指出膠原蛋白是品質較差的蛋白質來源，因為它們沒有全部的必需胺基酸-也就是說它們並不是完全蛋白質(complete protein)。業者聲稱口服膠原蛋白食品能達到改善皮膚、指甲或關節的美容保健功效，但是這個說法並沒有得到任何主流研究結果的支持。通常這些部位有問題的人，比較有可能是因為其他因素造成的，而不是因為飲食中缺乏蛋白質的關係。就算是因為缺乏蛋白質的緣故，蛋白質也能夠由其他較佳的食物來源獲得。