膠原蛋白的性質及其應用

1、膠原蛋白的性質及其應用摘要：膠原是動物所有結締組織(皮、肌腱、韌帶、軟骨等)的主要蛋白成分，占哺乳動物蛋白總量的3o 。由于膠原蛋白有諸多優(yōu)良性質，具有廣泛用途，尤其是近十年來，隨著對膠原以增殖細胞為首的許多生物功能的認識，使得膠原基生物醫(yī)學材料格外引人注目，在醫(yī)學領域，除外科用敷料膜、止血海綿、手術縫合線、止血劑外，國外研究者主要集中于研究利用膠原蛋白制備對人體軟組織具有擴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性質及其在各方面的應用。關鍵字： 膠原蛋白；應用；生物醫(yī)用1. 膠原蛋白的生物學性質1.1. 膠原蛋白的結構膠

2、原蛋白是生物體內一種重要的蛋白質，也是結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，是緊密的螺旋結構1.1. 膠原蛋白的生物相溶性是指膠原蛋白與宿主細胞及組織之間良好的相互作用。因膠原蛋白本身就是構成細胞外基質的骨架，膠原分子特有的三股螺旋結構及其交聯形成的纖維或網絡構成細胞重要組成成分，故膠原材料無論是在被吸收前作為新組織的骨架，還是被吸收同化進入宿主，成為宿主組織的一部分，都與細胞周圍的基質有著良好的相互作用，表現出相互影響的協(xié)調性，并成為細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相比，膠原蛋白的

3、免疫原性非常低。過去人們曾認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構，大多數蛋白酶只能打斷膠原側鏈，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構的破壞，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。1.4. 促進血小板凝聚膠原纖維一旦與血液接觸，流動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，生成纖維蛋白，并形成血栓，進而血漿結塊阻止流血，達到促凝

4、血作用。1.5. 力學性能天然膠原緊密的螺旋結構對高強度的力學性能起重要作用，在生物體中，膠原是為結締組織提供強度的主要蛋白組分，因而可在廣范圍內滿足肌體對機械強度的要求2. 膠原蛋白在人體的存在2.1. 人體內的膠原蛋白膠原蛋白是人體中最重要的結構蛋白質，現已確認有19種類型。人體中的膠原蛋白占各種蛋白質總質量的3040 ，人類體重的65是水，16是蛋白質，14是脂肪，5是鈣質等無機物。通過計算，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、皮脂腺和細胞，象一個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，它與真皮緊密結合，配合真皮波浪狀的構造而起伏，表皮與之配合起伏，從而使表皮不會輕易脫落。由于膠原蛋白纖維兼具一定堅固性、韌性和彈性，使得人的手腳可以自由彎曲而不會僵硬，同時皮膚也不致因人體活動而破裂，從而使皮膚具有最佳性質。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，具有非常強的機械強度和堅韌性，使人體可以承受很大壓力及進行大強度運動和勞作。骨骼和牙齒，看起來是凝固的鈣質，但是，能夠讓鈣質緊密連接的骨細胞就是膠原蛋白，其含量約為骨骼總重量的

6、20 ，相當于骨骼中蛋白質含量的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、膝蓋及手肘等關節(jié)能夠自由行動，靈活自如。2.4. 內臟中的膠原蛋白內臟中的膠原蛋白腸胃、肝臟、心臟、肺、腎臟、血管等內臟均是被一層外壁所包裹，內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，膠原蛋白纖維相當于強化塑料管內側和外側之間的鐵絲。腦和肝臟中充滿了細胞，膠原蛋白纖維包住這些臟器，形成保護膜，而象網眼一樣遍布腦細胞或肝細胞的微血管以及負責供給細胞營養(yǎng)的其他細胞周圍，都有膠原蛋白存在，

7、這些臟器的膠原蛋白含量較少，但對于細胞在發(fā)揮旺盛功能上，卻是不可或缺的，研究表明，補充腦營養(yǎng)細胞的神經膠質細胞是由膠原蛋白組織支撐的，一旦劣化或消失，腦神經細胞就無法得到營養(yǎng)，就會變成“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均勻的膠原蛋白纖維井然有序地排列成層面而構成的，正是藉于這種結構，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為主體，但也含有膠原蛋白。膠原蛋白的水產品的提取水產品膠原蛋白的結構特征迄今為止，已發(fā)現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，而且是水產品廢棄物，即皮、骨、磷和魚鰭中含量最多的一種蛋白質。膠原蛋白相對分子質量為300 ku，其最普遍的結構特征是三螺旋結構，由3條 鏈多肽組成，每一條膠原鏈都是左手螺旋構型。3條左手螺旋鏈相互纏繞成右手螺旋結構，即超螺旋結構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。羥脯氨酸對維持膠原蛋白三螺旋結構的穩(wěn)定性具有重要的作用。水產品膠原蛋白的氨基酸組成與陸生動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品膠原蛋白羥

9、脯氨酸的含量比陸生動物膠原蛋白少，而蛋氨酸的含量卻比陸生動物膠原蛋白高的多。所以，陸生動物膠原蛋白的變性溫度比水產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系到其分子的理化性質，如熱穩(wěn)定性、溶解度和交聯能力等。水產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，這是因為羥脯氨酸在膠原蛋白中參與鏈氫鍵的形成而使其三螺旋結構穩(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。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膠原蛋白在水產品中的存在及其性質31 膠原蛋白的熱穩(wěn)定性膠原蛋白氨基酸組成的差異導致膠原蛋白的性質有所不同。膠原蛋白中亞氨基酸的含量比較高時，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。這是因為它們的亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)含量不同。膠原蛋白的熱穩(wěn)定性可能與動物的生活溫度密切相關。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大分子中可電離的基團和親水基團的多少有關。33 膠原蛋白的乳化性膠原蛋白的乳化性是膠原蛋白應用于食品工業(yè)的一個重要指標。王碧等研究了水解膠原蛋白的乳化性，發(fā)現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)現在膠原蛋白鏈上接人芳香基團，可以提高膠原蛋白的乳化性1321。而國內外對于膠原蛋白尤其是淡水魚膠原蛋白的乳化性研究的很少。所以水產品膠原蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性有待于進一步研究。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果。凝膠強度的大小受各種因素的影響，如膠原蛋白的濃度、提取工藝、加熱溫度和時間、鹽濃度等。水解膠原蛋白因為分子質量較低，只具有較弱的凝膠能力，表現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

13、才具有形成凝膠的能力。因而膠原蛋白凝膠強度受溶液濃度的影響較大。近年來發(fā)現它們是制備互聯網絡聚合物的理想材料，將在新材料的研制開發(fā)方面具有特殊的作用。4 膠原蛋白的應用41 膠原蛋白在食品工業(yè)中的應用在食品工業(yè)領域，膠原蛋白主要應用于功能食品、食品添加劑、食品包裝材料等方面。膠原的水解產物一明膠可用作肉制品改良劑，加人肉制品中可以改善結締組織的嫩度，使其具有良好的品質，增加蛋白質含量。魚膠原蛋白有其獨特的性質，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。魚皮膠原蛋白應用于食品中，其污染少、安全性好、品質優(yōu)良、功效好。42 膠原蛋白在醫(yī)藥工業(yè)中的應用膠原作為生物醫(yī)學材料，具有低免疫源性、與宿主細胞及組織之間的協(xié)調作用、可生物降解性、止血作用等優(yōu)勢，可以作為組織的支持物，對細胞、組織乃至器官行使正常功能并對外傷修復具有重要作用。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，不會引起肝和腎的代謝紊亂，也不誘發(fā)人體產生抗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胞的增生修復，促進創(chuàng)面愈合，可廣泛用于燒傷和創(chuàng)傷的治療。4