膠原蛋白的結(jié)構(gòu)與特性

膠原蛋白的結(jié)構(gòu)類似繩索，由無(wú)數(shù)根膠原纖維束所組合而成。膠原蛋白最基本的單位

為原膠原，是由三條多勝肽（polypeptides）鏈所組成的，而此三條多勝肽鏈則以平

行及鏈間的氫鍵緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的三股螺旋結(jié)構(gòu)。由多個(gè)原膠原聚集成

膠原分子，而平行排列的膠原分子形成束形的膠原蛋白微纖維，膠原蛋白微纖維再糾

集成較大的纖維束。

由于每一條多勝肽鏈（稱為alpha鏈）的組成相似，但不一定完全相同，所組成的

膠原蛋白形式也不相同，有由三條完全相同的alpha鏈所組成的（如第二型），也有

由完全不相同的alpha鏈所組成的（如第四型）。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的動(dòng)物膠原蛋

白可分成21種型式，依著組織的不同而有不同的膠原蛋白，其中以第一型膠原蛋白

的含量最多，約占全部膠原蛋白含量的90％，也是用途最廣的膠原蛋白。

膠原蛋白的分子量約為283,000道爾頓（dalt），長(zhǎng)約280奈米，直徑1.5奈

米，具有特別的機(jī)械性質(zhì)，例如具有方向性的膠原蛋白纖維抗拉強(qiáng)度可高達(dá)5~10公

斤/毫米平方（kg/mm2），因此提供結(jié)締組織所需的張力、拉力強(qiáng)度等。在生化性質(zhì)方

面，它可促使血小板凝集而催化血塊的形成，另外膠原蛋白的功用包括可控制分子通

透、促進(jìn)傷口愈合與組織修復(fù)、調(diào)控細(xì)胞與組織的生理功能等。

單個(gè)的Ⅰ型膠原分子分子量約285kD，寬14A，長(zhǎng)約3000A。由三條多肽鏈組成。哺

動(dòng)物個(gè)體中有30種不同的多肽鏈構(gòu)成16種不同的膠原，其中最常見(jiàn)的列于表13－3

中。

表13－3膠原的主

類型鏈組成分布

Distribution

要類型

TypeChainComposition

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

[a1(Ⅰ)]2a2(I)皮膚、骨、肌腱、血管、角膜

[a1(Ⅱ)]3

[al(Ⅲ)]3

軟骨、椎間盤

血管、新生兒皮膚

膠原蛋白的氨基酸組成有如下特征：①甘氨酸幾乎占總氨基酸殘基的三分之一，

即每隔兩個(gè)其他氨基酸殘基(X，Y)即有一個(gè)甘氨酸，故其肽鏈可用(甘－X－Y)n

來(lái)表示。②含有較多在其他蛋白質(zhì)中少見(jiàn)的羧脯氨酸和羧賴氨酸殘基，也有較多

脯氨酸(pro)和賴氨酸。如脯氨酸(Pro)和4—羥脯氨酸(4—hydroxyproline,Hyp)

含量高達(dá)15～30%。同時(shí)還含有少量3—羥脯氨酸(3hydroxyproline)和5—羥賴

氨酸(5—hydroxylysine,Hyl)。羥脯氨酸殘基可通過(guò)形成分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定膠原蛋

白分子。例如，正常膠原在39℃變性，而在缺乏脯氨酸羥化酶條件下合成的膠

原在24℃變性成為白明膠(gelatin)。而羥賴氨酸上可結(jié)合半糖－葡萄糖苷，

與特定組織功能相關(guān)。如在基底膜膠原(Ⅳ型)中含hyl較多，含糖也較多，可能

與基底膜的濾過(guò)功能有關(guān)。③膠原中缺乏氨酸，所以它在營(yíng)養(yǎng)上為不完全蛋白

質(zhì)。

在膠原纖維中，膠原蛋白分子單位稱為原膠原(tropocollagen)。每個(gè)原膠

原分子由三條α－肽鏈組成，α－肽鏈自身為α螺旋結(jié)構(gòu)，三條α－肽鏈則以

平行、右手螺旋形式纏繞成“草繩狀”三股螺旋結(jié)構(gòu)(圖13－6)。肽鏈中每三個(gè)

氨基酸殘基中就有一個(gè)要經(jīng)過(guò)此三股螺旋中央?yún)^(qū)，而此處空間十分狹窄，只有甘

氨酸適合于此位置，由此可解釋其氨基酸組成中每隔兩個(gè)氨基酸殘基出現(xiàn)一個(gè)甘

氨酸的特點(diǎn)。而且三條α－肽鏈?zhǔn)墙诲e(cuò)排列的，因而使三條α－肽鏈中的Gly、

X、Y殘基位于同一水平上，借Gly中的N－H基與相鄰鏈X殘基上羥基形成牢固

的氫鍵(圖13－7)，以穩(wěn)定其分子結(jié)構(gòu)。

原膠原分子平行排列成束，通過(guò)共價(jià)交聯(lián)，可形成穩(wěn)定的膠原微纖維

(microfibvil)，進(jìn)一步行聚集成束，形成膠原纖維。膠原分子通過(guò)分子內(nèi)或分

子間的交聯(lián)成為不溶性的纖維。因膠原分子氨基酸組成中缺乏半胱氨酸，不可能

象角蛋白那樣以二硫鍵相聯(lián)，而是通過(guò)組氨酸與賴氨酸間的共價(jià)交聯(lián)，一般發(fā)生

在膠原分子的C－或N末端之間。

膠原纖維在不同組織中的排列方式與其功能相關(guān)。如在肌腱、皮膚及軟骨，要分

別在一維、二維和三維方向承受張力，因而其膠原纖維排列分別為平行束狀，多

角的纖維片層及不規(guī)則排列等方式。(表13－4)

表13－4膠原纖維在不同組織中的排列

組織

肌腱

皮膚

軟骨

排列

平行束

多角的纖維片層

無(wú)規(guī)則排列

角膜交叉排布的光滑片層使光的散身最小化

膠原蛋白簡(jiǎn)介、組成及結(jié)構(gòu)(添加日期：2008-2-29:09)

膠原蛋白是一種生物性高分子物質(zhì)，在動(dòng)物細(xì)胞中扮演結(jié)合組織

的角。為生物科技產(chǎn)業(yè)最具關(guān)鍵性的原材料之一，也是需求量十分

龐大的最佳生醫(yī)材料。其應(yīng)用領(lǐng)域包括生醫(yī)材料、化妝品、食品工

業(yè)、研究用途等。

膠原蛋白的組成

膠原蛋白富含除氨酸和半胱氨酸外的18種氨基酸，其中維持

生長(zhǎng)所必需的氨基酸有7種。膠原蛋白中的甘氨酸占30％．脯

氨酸和羥脯氨酸共占約25％，是各種蛋白質(zhì)中含量最高的，丙氨酸、

谷氨酸的含量也比較高．同時(shí)還含有在一般蛋白中少見(jiàn)的羥脯氨酸和

焦谷氨酸和在其他蛋白質(zhì)幾乎不存在的羥基賴氨酸。所以膠原蛋白的

營(yíng)養(yǎng)十分豐富。

膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，其分子在細(xì)胞外基質(zhì)中聚

集為超分子結(jié)構(gòu)。分子量為300ku。膠原蛋白最普遍的結(jié)構(gòu)特征是三

螺旋結(jié)構(gòu)。其由3條a鏈多肽組成，每一條膠原鏈都是左手螺旋構(gòu)型。

3條左手螺旋鏈叉相互纏繞成右手螺旋結(jié)構(gòu)，即超螺旋結(jié)構(gòu)閉膠原蛋

白獨(dú)特的三重螺旋結(jié)構(gòu)，使其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，并且具有低免疫原

性和良好的生物相容性等。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，膠原蛋白

的結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性決定其在許多領(lǐng)域的重要地位。膠原蛋白產(chǎn)

品具有良好的應(yīng)用前景。

之所以能夠活動(dòng)自如，就是因?yàn)橛嘘P(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，大部分的

關(guān)節(jié)，不但是提供活動(dòng)之需，并經(jīng)由軟骨保護(hù)骨頭避免磨損，軟

骨當(dāng)中有65%至80%是由水所組成，其它則有醣蛋白、膠原蛋白及軟

骨細(xì)胞，這些提供了軟骨健康營(yíng)養(yǎng)及功能保護(hù)。事實(shí)上，軟骨本身是

一多孔結(jié)構(gòu)，膠原蛋白是一條條細(xì)長(zhǎng)纖維形成的網(wǎng)套，醣蛋白則是具

有彈性的球體，水分則填塞其中，這些組成都必須完整，才可使軟骨

負(fù)荷重力，若膠原蛋白變少，會(huì)使醣蛋白與膠原蛋白的網(wǎng)套連接松弛，

或是醣蛋白內(nèi)含物減少，會(huì)使醣蛋白不再具有彈性，都會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)受

力時(shí)容易變加速磨損，隨著患者年齡增長(zhǎng)，造成這些材質(zhì)「自然消失」

或「功能退化」，就形成所謂的退化性關(guān)節(jié)炎。所以銀發(fā)族、更年期

婦女、運(yùn)動(dòng)過(guò)度者、骨折者或關(guān)節(jié)容易酸痛者應(yīng)多補(bǔ)充富含膠原蛋白

之食物。

膠原蛋白的分類與存在

膠原蛋白是一類蛋白質(zhì)家族?，F(xiàn)已至少發(fā)現(xiàn)了30余種膠原蛋

白鏈的編碼基因?？梢孕纬?6種以上的膠原蛋白分子。根據(jù)它們?cè)?/p>

體內(nèi)的分布和功能特點(diǎn)。目前將膠原分成間質(zhì)膠原、基底膜膠原和細(xì)

胞外周膠原，間質(zhì)型膠原蛋白分子占整個(gè)機(jī)體膠原的絕大部分。包括

I、Ⅱ、Ⅲ型膠原蛋白分子，其主要分布于皮膚、肌腱，等組織，

其中Ⅱ型膠原蛋白由軟骨細(xì)胞產(chǎn)生；基底膜膠原蛋白通常是指Ⅳ型

膠原蛋白．其主要分布于基底膜；細(xì)胞周膠原蛋白通常中指V型膠原

蛋白。在結(jié)締組織中大量存在．

膠原蛋白

膠原蛋白是人體的一種非常重要的蛋白質(zhì)，主要存在於結(jié)締組織中。它具有很強(qiáng)

的伸張能力，是韌帶和肌鍵的主要成份，膠原蛋白還是細(xì)胞外基質(zhì)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(xiàn)皺紋。膠原蛋白亦是

眼睛角膜的主要成份，但以結(jié)晶形式組成。

構(gòu)成膠原的肽鏈，其胺基酸序列非常有特。首先，它富含甘氨酸和脯氨酸殘基，

前者的含量達(dá)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(lián)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(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)

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;並且不含有氨酸和半胱氨酸殘基。膠原蛋白一

級(jí)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)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(lián)交替出現(xiàn)的順序排列。只有很少的蛋白質(zhì)有這樣規(guī)則的胺基酸排

列。

在空間結(jié)構(gòu)上，膠原蛋白顯示出特殊的三股螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)，三條相互獨(dú)立的膠

原蛋白肽鏈依靠甘氨酸之間形成的氫鍵維繫三股螺旋相互纏繞的結(jié)構(gòu)。膠原蛋白

肽鏈的三股螺旋結(jié)構(gòu)不同於普通的α螺旋結(jié)構(gòu)，它的螺距更大，但每一圈螺旋所

包含的胺基酸殘基數(shù)卻很小，僅為3.3個(gè)，因此膠原蛋白的三股螺旋顯得細(xì)而

長(zhǎng)，螺旋中間的空間很小，僅能容納一個(gè)氫原子，只有甘氨酸能夠勝任這個(gè)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(jié)構(gòu)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(lián)序列交替出現(xiàn)的原因。膠原蛋白

這種特殊的三股螺旋結(jié)構(gòu)保證了它的機(jī)械強(qiáng)度。這種三股螺旋被稱為原膠原。

若幹個(gè)原膠原橫向堆積，序列中所含有的羥賴氨酸和羥脯氨酸側(cè)鏈在酶作用下氧

化生成醛，相互之前發(fā)生羥醛縮合反應(yīng)形成原膠原之間的共價(jià)連結(jié)，這種結(jié)構(gòu)被

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(guò)共價(jià)鍵連結(jié)，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(tài)，在生物體內(nèi)膠原纖

維交織成富有機(jī)械強(qiáng)度合彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)成為結(jié)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美容品，使用範(fàn)圍以整型醫(yī)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)輔助

品、保養(yǎng)品為三大主流，也就是以注射、口服、擦拭為應(yīng)用。

而其中以注射效果最好但價(jià)格昂貴，擦拭則因分子量太大而無(wú)法吸收，因此目前

較為熱門的是水解過(guò)的口服膠原蛋白，不但價(jià)格適中且效果好，市面上知名的有

臺(tái)鹽、珍寶三旺、芳珂、金牌、白蘭氏，注射的則有雙美等廠商。

事實(shí)上口服的膠原蛋白會(huì)受到胃酸破壞，無(wú)法吸收，所以口服的膠原蛋白其實(shí)對(duì)

於皮膚的幫助不大，想要皮膚能夠產(chǎn)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(huì)有效，目前來(lái)說(shuō)，塗抹左旋Ｃ是副作用最小的方

式。

但也有說(shuō)法指出膠原蛋白是品質(zhì)較差的蛋白質(zhì)來(lái)源，因?yàn)樗鼈儧](méi)有全部的必需胺

基酸-也就是說(shuō)它們並不是完全蛋白質(zhì)(completeprotein)。業(yè)者聲稱口服膠原

蛋白食品能達(dá)到改善皮膚、指甲或關(guān)節(jié)的美容功效，但是這個(gè)說(shuō)法並沒(méi)有得

到任何主流研究結(jié)果的支持。通常這些部位有問(wèn)題的人，比較有可能是因?yàn)槠渌?/p>

因素造成的，而不是因?yàn)轱嬍持腥狈Φ鞍踪|(zhì)的關(guān)係。就算是因?yàn)槿狈Φ鞍踪|(zhì)的緣

故，蛋白質(zhì)也能夠由其他較佳的食物來(lái)源獲得。