胶原蛋白的结构与特性

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/mm2），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Ⅰ型胶原分子分子量约285kD，宽14A，长约3000A。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13－3中。

表13－3 胶原的主Array

要类型

胶原蛋白的氨基酸组成有如下特征：①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－X－Y)n 来表示。②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—羟脯氨酸(4—hydroxyproline,Hyp)含量高达15～30%。同时还含有少量3—羟脯氨酸(3hydroxyproline)和5—羟赖氨酸(5—hydroxylysine,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(Ⅳ型)中含hyl较多，含糖也较多，可能与基底膜的滤过功能有关。③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)。每个原胶原分子由三条α－肽链组成，α－肽链自身为α螺旋结构，三条α－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13－6)。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α－肽链是交错排列的，因而使三条α－肽链中的Gly、X、Y残基位于同一水平上，借Gly中的N－H基与相邻链X残基上羟基形成牢固的氢键(图13－7)，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13－4)

表13－4 胶原纤维在不同组织中的排列

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、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子，其主要分布于皮肤、肌腱，等组织，

其中Ⅱ型胶原蛋白由软骨细胞产生；基底膜胶原蛋白通常是指Ⅳ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