膠原化學(xué)與現(xiàn)代生活

膠原化學(xué)與現(xiàn)代生活四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院1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@2課程說明課程類別：文化素質(zhì)公選課課程號(hào)：309316020學(xué)分：2目的：了解膠原的物理化學(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)域的應(yīng)用。

成績(jī)?cè)u(píng)定：平時(shí)成績(jī)占40%

期末考試占60%。3主要內(nèi)容第一章膠原化學(xué)與現(xiàn)代生活概述膠原的分布、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現(xiàn)代生活中的應(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

4第四章膠原與美容護(hù)膚膠原用于化妝品中的特殊性質(zhì)；膠原化妝品的保養(yǎng)功用；膠原在美容矯形方面的應(yīng)用第五章膠原在生物醫(yī)學(xué)及臨床方面的應(yīng)用膠原在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用；膠原在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用第六章膠原與其它工業(yè)5教材/參考資料教材：《膠原化學(xué)》,

李國(guó)英,劉文濤.中國(guó)輕工業(yè)出版社,2013.參考資料：《膠原物理與化學(xué)》,

湯克勇.科學(xué)出版社,2012.《膠原與膠原蛋白》,蔣挺大.化學(xué)工業(yè)出版社,2006.《皮具品鑒》,時(shí)濤,金小芳.中國(guó)紡織出版社,2010.《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,2009.《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,2003.6第一章膠原化學(xué)與現(xiàn)代生活概述膠原在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用膠原概述

膠原的定義和分類；結(jié)構(gòu)特征；分布7似曾相識(shí)的膠原蛋白8膠原蛋白是人體中最重要的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)現(xiàn)已確認(rèn)有19種類型。人體中的膠原蛋白占各種蛋白質(zhì)總質(zhì)量的30％～40％，人類體重的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的人體中約含有3kg的膠原蛋白。9皮膚中的膠原蛋白皮膚的70％,位于真皮層.由于膠原蛋白纖維兼具一定堅(jiān)固性、韌性和彈性，使得人的手腳可以自由彎曲而不會(huì)僵硬，同時(shí)皮膚也不致因人體活動(dòng)而破裂，從而使皮膚具有最佳性質(zhì)。松弛、皺紋、老年斑、缺少水分、失去彈性斑痕10骨骼中的膠原蛋白肌腱的80％,骨骼與肌肉相連處.骨骼總重量的20％,讓鈣質(zhì)緊密連接,具有彈性.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(dòng).關(guān)節(jié)組織退化、關(guān)節(jié)痛活動(dòng)范圍減少關(guān)節(jié)變形、關(guān)節(jié)炎11內(nèi)臟中的膠原蛋白保護(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)胞的微血管、以及負(fù)責(zé)供給細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)的其他細(xì)胞周圍補(bǔ)充腦營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞的神經(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12眼睛中的膠原蛋白

角膜：由粗細(xì)均勻的膠原蛋白纖維井然有序地排列成層面而構(gòu)成。視力下降易患白內(nèi)障、青光眼等膠原蛋白的美容功能保濕滋養(yǎng)亮膚緊膚防皺修復(fù)營(yíng)養(yǎng)美乳13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食品中的應(yīng)用1415膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單天然膠原緊密的螺旋結(jié)構(gòu)---力學(xué)性能,機(jī)械強(qiáng)度16膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：皮革制品17膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：皮革制品1819皮草是指利用動(dòng)物的皮毛所制成的服裝。常用來制作皮草的動(dòng)物包括兔子、狐貍、貂類等稀有的動(dòng)物，也是皮草的來源之一。

皮草也許是一種生活品質(zhì)，一種女人與生俱來的魂?duì)繅?mèng)繞的情結(jié)。人類最早的衣著原料不是絲、棉、麻，而是皮草。皮草是人類最具深度的時(shí)尚代名詞。膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：皮革制品---皮草21膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：皮革制品---皮草皮草的類別貂皮獺兔皮狐貍皮屬于細(xì)皮毛裘皮，皮板優(yōu)良，輕柔結(jié)實(shí)，毛絨豐厚，色澤光潤(rùn)。用它制成的皮草服裝，雍容華貴，是理想的裘皮制品，有“裘中之王”的美稱，因此又成為了人們富貴的象征。在國(guó)外，被稱為“軟黃金”。貂皮具有“風(fēng)吹皮毛毛更暖，雪落皮毛雪自消，雨落皮毛毛不濕”的三大特點(diǎn)

貂皮最早在1919年出現(xiàn)于法國(guó)。因其皮毛柔軟平滑且整齊得猶如剪理過，簡(jiǎn)直可與水獺相媲美，故在中國(guó)享有獺兔之美譽(yù)。獺兔是非常著名的短毛皮兔，短而整齊的毛發(fā)保暖性能好且不易脫落。獺兔皮

毛皮色彩極為廣泛，幾乎具有各種裘皮的顏色。針毛長(zhǎng)且有光澤，底絨豐厚且柔軟，色澤艷麗，板質(zhì)柔韌。狐貍皮品種包括銀狐、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。狐貍皮是裘皮中的珍品，既美麗又保暖，被譽(yù)為世界三大裘皮支柱之一。狐貍皮膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單強(qiáng)韌性與延展性：皮膚、血管的彈性，關(guān)節(jié)的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、韌帶的重要成份組織與架構(gòu)：人體重要的代謝原材料促進(jìn)傷口愈合及組織修復(fù)：傷口愈合的時(shí)間、狀態(tài)25膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：生物醫(yī)學(xué)可吸收縫線藥物控釋載體人工骨人工角膜人工皮膚2627膠原以增殖細(xì)胞為首的許多生物功能，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?jiǎng)┩猓瑖?guó)外研究者主要集中于研究利用膠原蛋白制備對(duì)人體軟組織具有擴(kuò)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。.膠原蛋白不止這么簡(jiǎn)單：功能材料膠原基天然產(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層析柱分離前后的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(gè)雷達(dá)波段均有較強(qiáng)吸收28膠原相關(guān)研究工作29膠原概述定義結(jié)構(gòu)30（一）、膠原的定義Collagen，源自希臘語(yǔ)。是具有共同結(jié)構(gòu)特征的一組蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱至少有一個(gè)三股螺旋結(jié)構(gòu)域；三條鏈構(gòu)成一個(gè)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）311、膠原類型在原纖維中發(fā)現(xiàn)了28種膠原，其中5種含量最豐富的膠原類型是：I型膠原是骨、腱、角膜和韌帶中的主要膠原，最高可達(dá)體內(nèi)所有膠原的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，與其他三種膠原共存于原纖維中。

32332、膠原分布膠原是動(dòng)物中的主要纖維蛋白，是所有多細(xì)胞動(dòng)物，包括海綿體、無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物的細(xì)胞外基質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)成分。膠原原纖維占人和高等動(dòng)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(gè)結(jié)締組織所需要的特殊力學(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)總量的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具有重要作用。另外很多遺傳病的起因也被證明是由于膠原發(fā)生了突變，而膠原在其合成、降解或免疫學(xué)方面的微小變化也可以引起許多疾病。34膠原是一類由20種常見的氨基酸合成而來的蛋白質(zhì)，但是它在氨基酸組成、重復(fù)的序列模式、高度的翻譯后修飾和特有的分子內(nèi)交聯(lián)上別具一格。天然的膠原蛋白是一個(gè)由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子。膠原的超螺旋結(jié)構(gòu)是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性的。原膠原：3條肽鏈形成的螺旋，含三種結(jié)構(gòu)：螺旋區(qū)、非螺旋區(qū)及球形結(jié)構(gòu)域。35膠原纖維結(jié)構(gòu)組成36（二）、膠原的結(jié)構(gòu)37膠原的結(jié)構(gòu)38394041膠原的一級(jí)結(jié)構(gòu)存在其它蛋白質(zhì)中不存在的羥賴氨酸，以及其他蛋白質(zhì)很少含有的羥脯氨酸，脯氨酸和羥脯氨酸含量是各種蛋白質(zhì)中最高的；膠原蛋白α-鏈的Ｎ-端氨基酸是焦谷氨酸，它在一般蛋白質(zhì)中是少見的。/pdb424344膠原的二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu):多肽鏈本身折疊產(chǎn)生的、由氫鍵維系的有規(guī)律的構(gòu)象（盤繞方式）。不涉及氨基酸側(cè)鏈的構(gòu)象。由于肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，使參與肽鍵形成的六個(gè)原子共面，即肽平面。45由于-碳原子與其他原子之間形成單鍵,因此兩相鄰的肽鍵平面可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)4647（a）每個(gè)第三個(gè)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）甘氨酸是最小的氨基酸（c）三股螺旋使得甘氨酸殘基指軸內(nèi)，而另外兩個(gè)殘基處于螺旋表面（d）脯氨酸和羥脯氨酸的殘基與多肽鏈結(jié)合，增強(qiáng)分子的剛性。

形成左手螺旋膠原氨基酸殘基的側(cè)鏈對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的影響蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)以一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ).-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-4849膠原的二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu):整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。主要維系力:

疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等對(duì)于單一多肽鏈的蛋白質(zhì)，三級(jí)結(jié)構(gòu)是它的最高結(jié)構(gòu)，并具有全部的生物功能。亞基(subunit)

含有兩個(gè)或多個(gè)肽鏈的蛋白質(zhì)，每一條肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基。主要維系力:

疏水鍵、氫鍵、離子鍵、VanderWaals力等5051膠原的二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)5253膠原的超分子聚集5455565758前膠原、原膠原原膠原：構(gòu)成膠原纖維組織的最小結(jié)構(gòu)單元即去除N端前肽和C端前肽的前膠原分子不同來源的相同類型膠原的氨基酸組成差別大；同種膠原的不同a鏈氨基酸組成差別大。59原膠原分子二級(jí)結(jié)構(gòu)原膠原形成膠原纖維膠原纖維電鏡圖6061明膠(gelatin)——膠原的水解產(chǎn)物

氨基酸組成相同而分子量分布很寬的多肽混合物分子量一般在幾萬至十幾萬，無生物活性水解膠原(collagenhydrolysate)——膠原的水解產(chǎn)物

相對(duì)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)——具有三股螺旋結(jié)構(gòu)域、由三條肽鏈構(gòu)成的、能夠形成超分子聚集體的一類存在于細(xì)胞外基質(zhì)中的蛋白質(zhì)。

61膠原、明膠和水解膠原的區(qū)別62電泳圖譜標(biāo)樣膠原明膠水解膠原制備工藝不同分子量差異生物活性應(yīng)用領(lǐng)域不同62明膠和水解膠原蛋白是膠原的變性產(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。63制備工藝不同分子量差異生物活性應(yīng)用領(lǐng)域不同膠原低溫、酸性條件，胃蛋白酶提取三股螺旋結(jié)構(gòu)完整，具有生物活性有成纖性能；促進(jìn)角質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)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）；照相明膠；藥用明膠（膠囊、明膠海綿等）；工業(yè)明膠。64膠原、明膠和水解膠原的區(qū)別6465思考題1、I型牛皮膠原的一級(jí)結(jié)構(gòu)是怎樣影響其空間結(jié)構(gòu)的？維持空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵有哪些？2、膠原、明膠、水解膠原的區(qū)別與聯(lián)系二、膠原的提取從膠原蛋白較為豐富的組織（例如皮膚和肌腱）中提取傳統(tǒng)來源：豬牛羊皮新興來源：魚鱗、胎盤、基因生物技術(shù)從轉(zhuǎn)基因動(dòng)物獲取重組人膠原蛋白等問題一：如何從原料中提取蛋白？問題二：如何從蛋白中分離膠原蛋白？問題三：如何檢驗(yàn)得到的蛋白是膠原蛋白？66從組織中提取I型膠原蛋白關(guān)鍵：破壞膠原蛋白分子間的共價(jià)交聯(lián)提取步驟：前處理粗分級(jí)（粗提）細(xì)分級(jí)（分離純化）67破碎組織細(xì)胞，使蛋白更好地與外界條件接觸盡量保持蛋白的天然構(gòu)象和生物活性注意控制條件必要時(shí)加入蛋白保護(hù)劑可以先將某一細(xì)胞組分分離出來前處理動(dòng)物材料：除脂肪組織---電動(dòng)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68稱取新鮮豬皮100g，用氯仿/乙醇（2:1）溶液對(duì)其進(jìn)行脫脂后切除皮下脂肪，去毛并細(xì)切。將用蒸餾水洗滌后的組織小塊放入高速組織搗碎機(jī)中搗碎成糊狀（12000r/min），用含4.5mol/LNaCl的0.05mol/LTris-HCl緩沖液（pH7.5）充分洗滌以去除脂質(zhì)及血清等成分。低溫離心（8000r/min，30min，4OC）。膠原蛋白提取的前處理69提取膠原蛋白常使用的溶劑是中性鹽溶液(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的膠原以及交聯(lián)度可以忽略的膠原。稀酸，例如0.05-0.5mol/L醋酸，0.15mol/L檸檬酸緩沖液，pH值在2~3之間的鹽酸溶液，要比中性鹽溶劑更為有效，但仍只能溶解出組織中大約2%的膠原。（端肽）利用10%的NaOH溶液共同處理組織48h左右，可以溶解出大部分膠原。與不溶性膠原結(jié)合在一起的脂肪被皂化，非螺旋的端肽被切除，膠原纖維瓦解。最終所得膠原的大小和分子質(zhì)量，取決于處理時(shí)間以及堿的濃度。酶可以將膠原蛋白分子的端肽切除或部分水解，使之易溶于水提取70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71在粗提膠原蛋白溶液中緩慢加入6mol/LNaOH至pH=7，冷凍離心去除沉淀，在上清液中加入NaCl攪拌，4℃保存過夜；離心取沉淀，用稀HAc溶解，將溶液裝入透析袋中，用0.1mol/L的Hac透析1天，再用蒸餾水透析1天。72三、膠原的性質(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)的反應(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(zhǎng)、生物相容性和安全性731、膠原的物理化學(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(shí)，溶液的pH值。蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的測(cè)定方法:

酸堿滴定、電泳、Zeta電位

溶液與固體的等電點(diǎn)測(cè)定方法

74光譜性質(zhì)原二色譜：稀溶液測(cè)定蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的方法。光學(xué)活性物質(zhì)對(duì)組成平面偏振光的左旋和右旋圓偏振光的吸收系數(shù)(ε)是不相等的，εL≠εR，即具有圓二色性。如果以不同波長(zhǎng)的平面偏振光的波長(zhǎng)λ為橫坐標(biāo)，以吸收系數(shù)之差Δε=εL-εR為縱坐標(biāo)作圖，得到的圖譜即是圓二色光譜，簡(jiǎn)稱CD。

膠原溶液200nm附近有一個(gè)強(qiáng)的負(fù)吸收峰，210-230nm范圍內(nèi)有一個(gè)弱的正吸收峰。正負(fù)吸收峰強(qiáng)度的比值的絕對(duì)值在0.12-0.15之間是判斷三股螺旋結(jié)構(gòu)的必要條件。75紅外光譜

分子中官能團(tuán)振動(dòng)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的新方法。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。275nm激發(fā)，305nm處有最