膠原化學(xué)與現(xiàn)代生活省公開課一等獎全國示范課微課金獎

膠原化學(xué)與當(dāng)代生活四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院11/82任課教師主講教師：

張文華，Email：zhangwh@合作教師：

曾運(yùn)航博士，Email：zengyunhang@

王亞楠博士，Email：wangyanan@22/82課程說明課程類別：文化素質(zhì)公選課課程號：309316020學(xué)分：2目標(biāo)：了解膠原物理化學(xué)性質(zhì)；熟悉膠原在皮革、食品、美容護(hù)膚和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。

成績評定：平時成績占40%

期末考試占60%。33/82主要內(nèi)容第一章膠原化學(xué)與當(dāng)代生活概述膠原分布、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)；膠原、明膠及膠原水解蛋白在當(dāng)代生活中應(yīng)用；第二章膠原與食品保健

膠原類保健食品；食品添加劑

第三章膠原與皮革工業(yè)及皮革鑒賞膠原與皮革工業(yè)、毛皮工業(yè)；皮革及毛皮制品加工概述；皮革及毛皮制品保養(yǎng)；皮革及毛皮制品鑒賞

44/82第四章膠原與美容護(hù)膚膠原用于化裝品中特殊性質(zhì)；膠原化裝品保養(yǎng)功用；膠原在美容矯形方面應(yīng)用第五章膠原在生物醫(yī)學(xué)及臨床方面應(yīng)用膠原在生物醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用；膠原在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用第六章膠原與其它工業(yè)55/82教材/參考資料教材：《膠原化學(xué)》,

李國英,劉文濤.中國輕工業(yè)出版社,.參考資料：《膠原物理與化學(xué)》,

湯克勇.科學(xué)出版社,.《膠原與膠原蛋白》,蔣挺大.化學(xué)工業(yè)出版社,.《皮具品鑒》,時濤,金小芳.中國紡織出版社,.《毛皮服裝設(shè)計(jì)》,蔡凌霄,于曉坤,劉曉剛.東華大學(xué)出版社,.《膠原蛋白與臨床醫(yī)學(xué)》,顧其勝,蔣麗霞,第二軍醫(yī)大學(xué)出版社,.66/82第一章膠原化學(xué)與當(dāng)代生活概述膠原在當(dāng)代生活中應(yīng)用膠原概述

膠原定義和分類；結(jié)構(gòu)特征；分布77/82似曾相識膠原蛋白8膠原蛋白是人體中最主要結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)現(xiàn)已確認(rèn)有19種類型。人體中膠原蛋白占各種蛋白質(zhì)總質(zhì)量30％～40％，人類體重65％是水，16％是蛋白質(zhì)，14％是脂肪，5％是鈣質(zhì)等無機(jī)物。體重為50kg人體中約含有3kg膠原蛋白。8/829皮膚中膠原蛋白皮膚70％,位于真皮層.因?yàn)槟z原蛋白纖維兼具一定堅(jiān)固性、韌性和彈性，使得人手腳能夠自由彎曲而不會僵硬，同時皮膚也不致因人體活動而破裂，從而使皮膚含有最正確性質(zhì)。松弛、皺紋、老年斑、缺乏水分、失去彈性斑痕9/8210骨骼中膠原蛋白肌腱80％,骨骼與肌肉相連處.骨骼總重量20％,讓鈣質(zhì)緊密連接,含有彈性.軟骨中也充滿了膠原蛋白:椎間盤、頸椎、膝蓋及手肘等關(guān)節(jié)能夠自由行動.關(guān)節(jié)組織退化、關(guān)節(jié)痛活動范圍降低關(guān)節(jié)變形、關(guān)節(jié)炎10/8211內(nèi)臟中膠原蛋白保護(hù)膜:腸胃、心臟、血管、大腦等內(nèi)臟.象網(wǎng)眼一樣遍布腦細(xì)胞或肝細(xì)胞微血管、以及負(fù)責(zé)供給細(xì)胞營養(yǎng)其它細(xì)胞周圍補(bǔ)充腦營養(yǎng)細(xì)胞神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞是由膠原蛋白組織支撐血管變硬、彈性降低血壓不正常11/8212眼睛中膠原蛋白

角膜：由粗細(xì)均勻膠原蛋白纖維井然有序地排列成層面而組成。視力下降易患白內(nèi)障、青光眼等12/82膠原蛋白美容功效保濕滋養(yǎng)亮膚緊膚防皺修復(fù)營養(yǎng)美乳1313/82膠原類保健食品

1.膠原蛋白粉

2.阿膠食品添加劑

1.肉制品、糖果、乳制品等添加劑

2.冷凍食品改良劑

3.飲料澄清劑

14食品中應(yīng)用1414/8215膠原蛋白不止這么簡單天然膠原緊密螺旋結(jié)構(gòu)---力學(xué)性能,機(jī)械強(qiáng)度15/8216膠原蛋白不止這么簡單：皮革制品16/821717/82膠原蛋白不止這么簡單：皮革制品1818/821919/82皮草是指利用動物皮毛所制成服裝。慣用來制作皮草動物包含兔子、狐貍、貂類等稀有動物，也是皮草起源之一。

皮草可能是一個生活品質(zhì)，一個女人與生俱來魂?duì)繅衾@情結(jié)。人類最早衣著原料不是絲、棉、麻，而是皮草。皮草是人類最具深度時尚代名詞。膠原蛋白不止這么簡單：皮革制品---皮草20/8221膠原蛋白不止這么簡單：皮革制品---皮草皮草類別貂皮獺兔皮狐貍皮21/82屬于細(xì)皮毛裘皮，皮板優(yōu)良，輕柔堅(jiān)固，毛絨豐厚，色澤光潤。用它制成皮草服裝，雍容華貴，是理想裘皮制品，有“裘中之王”美稱，所以又成為了人們富貴象征。在國外，被稱為“軟黃金”。貂皮含有“風(fēng)吹皮毛毛更暖，雪落皮毛雪自消，雨落皮毛毛不濕”三大特點(diǎn)

貂皮22/82最早在1919年出現(xiàn)于法國。因其皮毛柔軟平滑且整齊得如同剪理過，簡直可與水獺相媲美，故在中國享受獺兔之美譽(yù)。獺兔是非常著名短毛皮兔，短而整齊毛發(fā)保暖性能好且不易脫落。獺兔皮23/82

毛皮色彩極為廣泛，幾乎含有各種裘皮顏色。針毛長且有光澤，底絨豐厚且柔軟，色澤艷麗，板質(zhì)柔韌。狐貍皮品種包含銀狐、十字狐、水晶狐、藍(lán)狐、紅狐、灰狐、及白狐等。狐貍皮也可染成各種顏色。狐貍皮是裘皮中珍品，既漂亮又保暖，被譽(yù)為世界三大裘皮支柱之一。狐貍皮24/82膠原蛋白不止這么簡單強(qiáng)韌性與延展性：皮膚、血管彈性，關(guān)節(jié)緊固控制分子通透性：皮膚保濕、隔絕內(nèi)外交換支持與保護(hù)：骨骼、軟骨、韌帶主要成份組織與架構(gòu)：人體主要代謝原材料促進(jìn)傷口愈合及組織修復(fù)：傷口愈合時間、狀態(tài)2525/82膠原蛋白不止這么簡單：生物醫(yī)學(xué)可吸收縫線藥品控釋載體人工骨人工角膜人工皮膚2626/8227膠原以增殖細(xì)胞為首許多生物功效，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含有擴(kuò)張功效膠原注射液，膠原基藥品輸送系統(tǒng)，皮膚、骨骼、心血管、食管、氣管替換材料等。.27/82膠原蛋白不止這么簡單：功效材料膠原基天然產(chǎn)物吸附分離材料膠原基重金屬吸附材料膠原基非均相催化劑膠原基雷達(dá)吸波材料黃芩提取物經(jīng)CFA層析柱分離前后HPLC譜圖從核燃料生產(chǎn)廢液中回收U6+膠原纖維負(fù)載Au鈉米催化劑在整個雷達(dá)波段都有較強(qiáng)吸收2828/82膠原相關(guān)研究工作2929/82膠原概述定義結(jié)構(gòu)3030/82（一）、膠原定義Collagen，源自希臘語。是含有共同結(jié)構(gòu)特征一組蛋白質(zhì)統(tǒng)稱最少有一個三股螺旋結(jié)構(gòu)域；三條鏈組成一個膠原分子。能夠形成超分子聚集體；存在于細(xì)胞外基質(zhì)中。

成纖維膠原（7）與非成纖維膠原（21）3131/821、膠原類型在原纖維中發(fā)覺了28種膠原，其中5種含量最豐富膠原類型是：I型膠原是骨、腱、角膜和韌帶中主要膠原，最高可達(dá)體內(nèi)全部膠原90%。II型膠原在軟骨、玻璃體和脊髓中形成原纖維。III型膠原與I型膠原并存于結(jié)締組織。V型和VI型為異三聚體，與其它三種膠原共存于原纖維中。

3232/823333/822、膠原分布膠原是動物中主要纖維蛋白，是全部多細(xì)胞動物，包含海綿體、無脊椎動物和脊椎動物細(xì)胞外基質(zhì)主要結(jié)組成份。膠原原纖維占人和高等動物總蛋白量可高達(dá)30%，其作用是保持組織完整以及提供每一個結(jié)締組織所需要特殊力學(xué)性能。人體中有16％左右是蛋白質(zhì)，膠原占體內(nèi)蛋白質(zhì)總量30-40％，主要存在于皮膚、肌肉、骨骼、牙齒內(nèi)臟和眼睛等部位。從生物醫(yī)學(xué)角度，膠原在發(fā)育、傷口愈合、血小板活化和血管生成中含有主要作用。另外很多遺傳病起因也被證實(shí)是因?yàn)槟z原發(fā)生了突變，而膠原在其合成、降解或免疫學(xué)方面微小改變也能夠引發(fā)許多疾病。3434/82膠原是一類由20種常見氨基酸合成而來蛋白質(zhì)，不過它在氨基酸組成、重復(fù)序列模式、高度翻譯后修飾和特有分子內(nèi)交聯(lián)上別具一格。天然膠原蛋白是一個由3條含有左手螺旋鏈相互纏繞形成右手超螺旋分子。膠原超螺旋結(jié)構(gòu)是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋反向盤繞維持其穩(wěn)定性。原膠原：3條肽鏈形成螺旋，含三種結(jié)構(gòu)：螺旋區(qū)、非螺旋區(qū)及球形結(jié)構(gòu)域。3535/82膠原纖維結(jié)構(gòu)組成36（二）、膠原結(jié)構(gòu)36/8237膠原結(jié)構(gòu)37/823838/823939/824040/8241膠原一級結(jié)構(gòu)存在其它蛋白質(zhì)中不存在羥賴氨酸，以及其它蛋白質(zhì)極少含有羥脯氨酸，脯氨酸和羥脯氨酸含量是各種蛋白質(zhì)中最高；膠原蛋白α-鏈Ｎ-端氨基酸是焦谷氨酸，它在普通蛋白質(zhì)中是少見。/pdb41/824242/824343/8244膠原二、三、四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu):多肽鏈本身折疊產(chǎn)生、由氫鍵維系有規(guī)律構(gòu)象（盤繞方式）。不包括氨基酸側(cè)鏈構(gòu)象。因?yàn)殡逆I含有部分雙鍵性質(zhì)，使參加肽鍵形成六個原子共面，即肽平面。44/8245因?yàn)?碳原子與其它原子之間形成單鍵,所以兩相鄰肽鍵平面能夠相對旋轉(zhuǎn)45/824646/8247（a）每個第三個氨基酸殘基是甘氨酸，X和Y通常是脯氨酸和羥脯氨酸殘基（b）甘氨酸是最小氨基酸（c）三股螺旋使得甘氨酸殘基指軸內(nèi)，而另外兩個殘基處于螺旋表面（d）脯氨酸和羥脯氨酸殘基與多肽鏈結(jié)合，增強(qiáng)分子剛性。

形成左手螺旋膠原氨基酸殘基側(cè)鏈對二級結(jié)構(gòu)形成影響蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ).47/82-N-C-CO-HHH-N-C-CO-H2CCH2CH2H-N-C-CO-H2CCH2CHHOH甘氨酸Gly-脯氨酸Pro-羥脯氨酸Hyp-4848/8249膠原二、三、四級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu):整條肽鏈中全部氨基酸殘基相對空間位置。肽鏈中全部原子在三維空間排布位置。主要維系力:

疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等49/82對于單一多肽鏈蛋白質(zhì)，三級結(jié)構(gòu)是它最高結(jié)構(gòu)，并含有全部生物功效。亞基(subunit)

含有兩個或多個肽鏈蛋白質(zhì)，每一條肽鏈都有完整三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)亞基。主要維系力:

疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等5050/8251膠原二、三、四級結(jié)構(gòu)51/825252/8253膠原超分子聚集53/825454/825555/825656/825757/825858/82前膠原、原膠原原膠原：組成膠原纖維組織最小結(jié)構(gòu)單元即去除N端前肽和C端前肽前膠原分子不一樣起源相同類型膠原氨基酸組成差異大；同種膠原不一樣a鏈氨基酸組成差異大。5959/82原膠原分子二級結(jié)構(gòu)原膠原形成膠原纖維膠原纖維電鏡圖6060/8261明膠(gelatin)——膠原水解產(chǎn)物

氨基酸組成相同而分子量分布很寬多肽混合物分子量普通在幾萬至十幾萬，無生物活性水解膠原(collagenhydrolysate)——膠原水解產(chǎn)物

相對分子質(zhì)量小于明膠，無生物活性3、膠原、明膠、水解膠原蛋白膠原(collagen)——含有三股螺旋結(jié)構(gòu)域、由三條肽鏈組成、能夠形成超分子聚集體一類存在于細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白質(zhì)。

6161/82膠原、明膠和水解膠原區(qū)分62電泳圖譜標(biāo)樣膠原明膠水解膠原制備工藝不一樣分子量差異生物活性應(yīng)用領(lǐng)域不一樣6262/82明膠和水解膠原蛋白是膠原變性產(chǎn)物在低溫和酸性條件下胃蛋白酶提取膠原，不含端肽，保留三股螺旋結(jié)構(gòu)，約為30萬。明膠：膠原經(jīng)高溫作用后，破壞了三股螺旋結(jié)構(gòu)，但仍有a鏈及其二聚體，小于30萬。水解膠原蛋白：較高溫度下酶解，X千-5萬。6363/82制備工藝不一樣分子量差異生物活性應(yīng)用領(lǐng)域不一樣膠原低溫、酸性條件，胃蛋白酶提取三股螺旋結(jié)構(gòu)完整，含有生物活性有成纖性能；促進(jìn)角質(zhì)細(xì)胞生長膠原止血海綿明膠膠原經(jīng)高溫作用三股螺旋結(jié)構(gòu)破壞，無生物活性食用明膠（食品添加劑，肉皮凍子、肉食罐頭，奶油糖、飲料、啤酒等）；攝影明膠；藥用明膠（膠囊、明膠海綿等）；工業(yè)明膠。64膠原、明膠和水解膠原區(qū)分6464/8265思索題1、I型牛皮膠原一級結(jié)構(gòu)是怎樣影響其空間結(jié)構(gòu)？維持空間結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵有哪些？2、膠原、明膠、水解膠原區(qū)分與聯(lián)絡(luò)65/82二、膠原提取從膠原蛋白較為豐富組織（比如皮膚和肌腱）中提取傳統(tǒng)起源：豬牛羊皮新興起源：魚鱗、胎盤、基因生物技術(shù)從轉(zhuǎn)基因動物獲取重組人膠原蛋白等問題一：怎樣從原料中提取蛋白？問題二：怎樣從蛋白中分離膠原蛋白？問題三：怎樣檢驗(yàn)得到蛋白是膠原蛋白？6666/82從組織中提取I型膠原蛋白關(guān)鍵：破壞膠原蛋白分子間共價(jià)交聯(lián)提取步驟：前處理粗分級（粗提）細(xì)分級（分離純化）6767/82破碎組織細(xì)胞，使蛋白更加好地與外界條件接觸盡可能保持蛋白天然構(gòu)象和生物活性注意控制條件必要時加入蛋白保護(hù)劑能夠先將某一細(xì)胞組分分離出來前處理動物材料：除脂肪組織---電動搗碎機(jī)、勻漿器、超聲波植物組織：去種皮---石英砂、玻璃粉細(xì)菌細(xì)胞：超聲波震蕩、砂研磨、高壓、溶菌酶6868/82稱取新鮮豬皮100g，用氯仿/乙醇（2:1）溶液對其進(jìn)行脫脂后切除皮下脂肪，去毛并細(xì)切。將用蒸餾水洗滌后組織小塊放入高速組織搗碎機(jī)中搗碎成糊狀（1r/min），用含4.5mol/LNaCl0.05mol/LTris-HCl緩沖液（pH7.5）充分洗滌以去除脂質(zhì)及血清等成份。低溫離心（8000r/min，30min，4OC）。膠原蛋白提取前處理6969/82提取膠原蛋白常使用溶劑是中性鹽溶液(0.15~2mol/LNaCl)或是稀醋酸溶液。前者只適合提取組織中最新合成膠原以及交聯(lián)度能夠忽略膠原。稀酸，比如0.05-0.5mol/L醋酸，0.15mol/L檸檬酸緩沖液，pH值在2~3之間鹽酸溶液，要比中性鹽溶劑更為有效，但仍只能溶解出組織中大約2%膠原。（端肽）利用10%NaOH溶液共同處理組織48h左右，能夠溶解出大部分膠原。與不溶性膠原結(jié)合在一起脂肪被皂化，非螺旋端肽被切除，膠原纖維瓦解。最終所得膠原大小和分子質(zhì)量，取決于處理時間以及堿濃度。酶能夠?qū)⒛z原蛋白分子端肽切除或部分水解，使之易溶于水提取7070/82純化透析超濾凝膠過濾/層析/離子交換色譜密度梯度離心電泳等電聚焦7171/82在粗提膠原蛋白溶液中遲緩加入6mol/LNaOH至pH=7，冷凍離心去除沉淀，在上清液中加入NaCl攪拌，4℃保留過夜；離心取沉淀，用稀HAc溶解，將溶液裝入透析袋中，用0.1mol/LHac透析1天，再用蒸餾水透析1天。7272/82三、膠原性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)：兩性電解質(zhì)性質(zhì)、光譜性質(zhì)、側(cè)鏈基團(tuán)反應(yīng)活性生物學(xué)性質(zhì)：低抗原性、凝血、促進(jìn)細(xì)胞存活與生長、生物相容性和安全性7373/821、膠原物理化學(xué)性質(zhì)兩性電解質(zhì)性質(zhì)

等電點(diǎn)：兩性粒子正負(fù)電荷數(shù)值相等時，溶液pH值。蛋白質(zhì)等電點(diǎn)測定方法:

酸堿滴定、電泳、Zeta電位

溶液與固體等電點(diǎn)測定方法

7474/82光譜性質(zhì)原二色譜：稀溶液測定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)方法。光學(xué)活性物質(zhì)對組成平面偏振光左旋和右旋圓偏振光吸收系數(shù)(ε)是不相等，εL≠εR，即含有圓二色性。假如以不一樣波長平面偏振光波長λ為橫坐標(biāo)，以吸收系數(shù)之差Δε=εL-εR為縱坐標(biāo)作圖，得到圖譜即是圓二色光譜，簡稱CD。

膠原溶液200nm附近有一個強(qiáng)負(fù)吸收峰，210-230nm范圍內(nèi)有一個弱正吸收峰。正負(fù)吸收峰強(qiáng)度比值絕對值在0.12-0.15之間是判斷三股螺旋結(jié)構(gòu)必要條件。7575/82紅外光譜

分子中官能團(tuán)振動酰胺二維紅外光譜：研究分子內(nèi)官能團(tuán)間相互作用和分子間相互作用新方法。紫外光譜膠原特征吸收峰230nm左右熒光光譜苯丙氨酸和酪氨酸殘基產(chǎn)生。275