2024年3月18日发(作者：完颜月灵)
长波紫外辐射对Ⅰ型胶原损伤的拉曼光谱研究
马荣甜;郭周义;刘智明;钟会清;庄正飞;翟娟
【摘 要】Raman spectroscopy was used to study the influence of
ultraviolet-A(UV-A) radiation on collagen I. The Raman spectra of collagen
I and that after 90 min UV-A radiation were reported. The results proved
that irradiation with 90 min UV-A caused the change in the structures of
collagen I. Intramolecular hydrogen bonds were broken, and the hydrogen
bonding system was changed. The intensity of helix was decreased, while
the intensity of the disordered conformation in proteins such as random
coil was increased. Otherwise, the UV-A radiation influenced the
hydroxylation of proline and the content of hydroxypro-line was reduced.
The changes caused by UV-A radiation could damage the triple helical
structure of collagen I. It would lead to a series of changes,such as the
destruction of collagen fibers during the photoaging of skin.%应用拉曼光谱
技术研究了长波紫外(Ultraviolet-A,UV-A)辐射对Ⅰ型胶原的损伤,检测了Ⅰ型胶原
及其经过90 min的UV-A辐射后的拉曼光谱,得到了一个较完整的Ⅰ型胶原紫外
损伤机制.实验结果表明:90 min的UV-A辐射导致Ⅰ型胶原分子内氢键断裂、氢
键体系发生变化,肽链的螺旋度减少,逐渐解螺旋,无规卷曲等无序构象增加.此
外,UV-A辐射使Ⅰ型胶原分子内脯氨酸的羟基化程度降低.这些变化必然会引起Ⅰ
型胶原三螺旋结构的损伤,并导致皮肤光老化过程中组织内胶原纤维的破坏.
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2012(032)002
【总页数】3页(P383-385)
【关键词】拉曼光谱;Ⅰ型胶原;长波紫外辐射;光老化
【作 者】马荣甜;郭周义;刘智明;钟会清;庄正飞;翟娟
【作者单位】华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验室,广
东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验室,
广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验
室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实
验室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点
实验室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重
点实验室,广东广州510631
【正文语种】中 文
【中图分类】O657.3
皮肤光老化即由光促使皮肤过早地出现老化性改变，是由长期的日光照射所引起的，
真皮胶原纤维减少是光老化皮肤的显著特征［1］。Ⅰ型胶原是人体皮肤中最主要
的结构蛋白。现有研究发现，在皮肤光老化过程中，Ⅰ型胶原的结构与代谢过程受
到影响，导致胶原纤维的破坏和裂解，蛋白的正常交联减少［2－4］。由于长波
紫外线（UV－A：320～400nm）可穿透皮肤表层，到达真皮深处，直接作用于
胶原纤维，故其在皮肤光老化过程中起着重要的作用［5］。拉曼光谱技术具有需
要样品量小、样品处理简单、对样品无损坏、实时监测等优点，近年来越来越受到
研究者的重视，成为研究生物分子结构的重要工具［6］。本研究利用拉曼光谱技
术从分子水平研究了UV－A辐射后Ⅰ型胶原的结构变化，以期探讨UV－A辐射
对Ⅰ型胶原及胶原纤维的影响，为临床防治皮肤光老化性疾病提供理论和实验依据。
实验所用的Ⅰ型胶原购自美国Sigma公司，取适量平铺于凹槽载玻片上，分对照
组（CK组）和UV－A辐射处理组（UV－A组）。
UV－A光源购自PHILIPS公司，波长320～400nm，中心波长360nm（BL40W
型），室温下照射UV－A组90min。紫外光源照射在样品表面的强度通过一个配
有SED.240探头的IL1700型研究用光辐射计（International Light公司，美国）
测得。通过调节灯管与样品的距离来调整辐射强度为10.6W·m－2，使辐射剂量
达57kJ·m－2。
拉曼光谱由InVia Plus型激光显微共焦拉曼光谱仪（Renishaw，英国）在室温下
测定，仪器的光谱分辨率为1 cm－1，激光波长785nm，测量拉曼波数范围为
400～1 750 cm－1。每次实验扫描10次求平均，然后进行累加、平滑等数据处
理及谱峰分析。
Ⅰ型胶原的拉曼光谱及UV－A辐射90min后的拉曼光谱如图1所示，其中图1a
为天然Ⅰ型胶原的拉曼光谱，图1b为UV－A辐射90min后的拉曼光谱。其拉曼
特征频率和归属指认［7－10］如表1所示。
CH2弯曲振动在1 452cm－1的谱线是构象不灵敏的，在本实验中，此谱带的强
度很强，且在紫外辐射过程中，其波数、强度和半高宽基本不变，说明该特征峰非
常稳定，不易受到紫外辐射的影响。因此在对Ⅰ型胶原的谱图分析时，可以将其作
为内标，所有的谱线强度相对它而定。谱线强度的变化率可由下式计算［11］
其中，I0代表Ⅰ型胶原相关谱线的强度，In代表紫外辐射处理后的谱线强度。拉
曼谱线的强度与散射中心（基团和化学键）的数目成正比［12］，因此谱线强度
相对变化率的改变反映了它所属的基团或化学键在紫外辐射过程中的损伤程度，谱
线的位移则意味着相应的基团或化学键发生了变化。
酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ是蛋白质主链结构中对其构象变化最为敏感的谱带，这些谱带的变
化程度可以揭示紫外辐射对Ⅰ型胶原蛋白主链构象的损伤程度。
在蛋白的拉曼光谱归属指认中，酰胺Ⅲ谱带主要出现在1 229～1 305cm－1范围
内。其中指定为α－螺旋结构的谱线出现在1 267cm－1处，胶原的α链卷曲为
左手螺旋，三股这样的螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，同α螺旋相比，胶原的螺
旋结构更为伸展［8］，故本实验中，未经处理的Ⅰ型胶原的相应谱带出现在1
271cm－1处，经过90min的长波紫外辐射后，1 271cm－1谱线蓝移到1
273cm－1，强度降低，表明长波紫外辐射导致胶原的螺旋结构进一步松散，肽链
伸展。紫外辐射过程中，代表β－折叠构象的1 302cm－1谱线强度增大，β－折
叠构象增多；来自胶原分子中的三股螺旋结构的1 246 cm－1谱线［9］蓝移到1
248cm－1处，强度显著降低，且其强度比I1271/I1246增大，说明长波紫外辐
射主要破坏Ⅰ型胶原的三股螺旋结构。
胶原的拉曼光谱中，在1 597～1 680cm－1范围内出现酰胺Ⅰ的宽谱带，谱线分
别在1 606，1 610，1 643，1 668，1 670cm－1，经过90min的长波紫外辐射
后，该谱带的强度均有所降低，但出现1 661和1 666cm－1谱线，说明长波紫
外辐射导致了胶原分子内无规卷曲的出现与增多。酰胺Ⅰ在1 668cm－1处的谱
带同α螺旋的C—α—C结构对应谱带的相对强度是蛋白质无序构象的一个重要拉
曼表征［10］。在本实验中，α螺旋的C—α—C结构的相应谱带出现在939cm
－1处，经过90min的长波紫外辐射后，该谱线强度下降21%，I1668/I939显
著增大，说明90min的长波紫外辐射导致Ⅰ型胶原分子内的无序构象增多。
同时，长波紫外辐射也影响了胶原分子内主链C—C骨架的伸缩振动，如817和
1 124cm－1处谱线强度降低；代表C—N伸缩振动的1 061和1 065cm－1谱
线在紫外辐射后移动到1 063cm－1处，1 096cm－1谱线红移到1 095cm－1
处，且其强度均显著降低。但代表CH2变形振动的1 308cm－1谱线，代表C—
H变形振动的1 320cm－1谱线在紫外辐射后强度均增大，表明此时胶原分子内
和分子间的氢键被破坏，胶原的三螺旋结构松散，肽链更加伸展，其二级结构暴露
出来，使谱峰吸收强度有了微弱的增加。
实验表明，在紫外辐射过程中，Ⅰ型胶原分子内氢键断裂、氢键体系发生变化，肽
链的螺旋度减少，逐渐解螺旋，无规卷曲等无序构象增加，三股螺旋结构遭到破坏。
由脯氨酸、羟脯氨酸、苯丙氨酸的侧链基团引起的特征拉曼谱线主要体现在
850～1 050cm－1处。脯氨酸（Pro）的C—C伸缩振动和C—N伸缩振动的特
征谱峰分别出现在856和922cm－1处，长波紫外辐射后强度显著下降。874
cm－1处的羟脯氨酸（HyPro）C—C伸缩振动谱带为胶原的特征性谱带，该谱带
对长波紫外辐射相当敏感，紫外辐射后红移到872cm－1处，且其强度显著降低；
脯氨酸、赖氨酸的羟基化在三股螺旋结构形成中发挥着重要的作用［13］，羟脯
氨酸在稳定胶原的三股螺旋结构中至关重要，羟脯氨酸谱线的变化从侧面反映了
90min的长波紫外辐射对胶原三螺旋结构的损伤。苯丙氨酸（Phe）的特征谱带
出现在1 004和1 034 cm－1处，其中1 034cm－1谱线在紫外辐射后强度显著
下降，而半高宽增大。
本研究利用拉曼光谱技术从分子水平探讨了长波紫外辐射对Ⅰ型胶原的损伤。结果
显示在长波紫外辐射下，Ⅰ型胶原的主链构象及侧链基团发生变化，进而导致了胶
原三螺旋结构的损伤，这种改变必然会导致光老化过程中皮肤组织内胶原纤维的破
坏。可见，激光拉曼谱线的变化能提供长波紫外辐射下Ⅰ型胶原结构改变的微观信
息，为临床防治光老化性疾病提供了理论和实验依据。
【相关文献】
［1］ EI－Domyati M，Attia S，Saleh F，et mental Dermatology，2002，11（5）：
398.
［2］ Talwar H S，Griffiths C E M，Fisher G J，et l of Investigative Dermatology，
1995，105（2）：285.
［3］ Chung J H，Seo J Y，Choi H R，et l of Investigative Dermatology，2001，
117（5）：1218.
［4］ Varani J，Spearman D，Perone P，et an Journal of Pathology，2001，158
（3）：931.
［5］ Johnston K J，Oikarinen A I，Lowe N J，et l of Investigative Dermatology，
1984，82（6）：587.
［6］ ZHOU Dian－feng，KE Wei－zhong，HENG Hang（周殿凤，柯惟中，衡航）.The
Journal of Light Scattering（光散射学报），2006，18（3）：241.
［7］ Ikoma T，Kobayashi H，Tanaka J，et ational Jounral of Biological
Macromolecules，2003，32（3－5）：199.
［8］ WANG Jing－yan，ZHU Sheng－geng，XU Chang－fa（王镜岩，朱圣庚，徐长
法）.Biochemistry（生物化学）.Beijing：Higher Education Press（北京：高等教育出版社），
2002.215.
［9］ Frushour B G，Koenig J ymers，1975，14（2）：379.
［10］ Caspers P J，Lucassen G W，et ctroscopy，1998，4（5）：S31.
［11］ ZHANG Zhi－yi，XU Yi－ming（张志义，许以明）.Science in China（中国科学B缉），
1991，6：595.
［12］ Brunner H，Sussner mica et Biophysica Acta，1972，271（1）：16.
［13］ LI Wei－lin，CAO Jian，TANG Ke－yong（李卫林，曹健，汤克勇）.China Leather
（中国皮革），2005，34（23）：14.
2024年3月18日发(作者：完颜月灵)
长波紫外辐射对Ⅰ型胶原损伤的拉曼光谱研究
马荣甜;郭周义;刘智明;钟会清;庄正飞;翟娟
【摘 要】Raman spectroscopy was used to study the influence of
ultraviolet-A(UV-A) radiation on collagen I. The Raman spectra of collagen
I and that after 90 min UV-A radiation were reported. The results proved
that irradiation with 90 min UV-A caused the change in the structures of
collagen I. Intramolecular hydrogen bonds were broken, and the hydrogen
bonding system was changed. The intensity of helix was decreased, while
the intensity of the disordered conformation in proteins such as random
coil was increased. Otherwise, the UV-A radiation influenced the
hydroxylation of proline and the content of hydroxypro-line was reduced.
The changes caused by UV-A radiation could damage the triple helical
structure of collagen I. It would lead to a series of changes,such as the
destruction of collagen fibers during the photoaging of skin.%应用拉曼光谱
技术研究了长波紫外(Ultraviolet-A,UV-A)辐射对Ⅰ型胶原的损伤,检测了Ⅰ型胶原
及其经过90 min的UV-A辐射后的拉曼光谱,得到了一个较完整的Ⅰ型胶原紫外
损伤机制.实验结果表明:90 min的UV-A辐射导致Ⅰ型胶原分子内氢键断裂、氢
键体系发生变化,肽链的螺旋度减少,逐渐解螺旋,无规卷曲等无序构象增加.此
外,UV-A辐射使Ⅰ型胶原分子内脯氨酸的羟基化程度降低.这些变化必然会引起Ⅰ
型胶原三螺旋结构的损伤,并导致皮肤光老化过程中组织内胶原纤维的破坏.
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2012(032)002
【总页数】3页(P383-385)
【关键词】拉曼光谱;Ⅰ型胶原;长波紫外辐射;光老化
【作 者】马荣甜;郭周义;刘智明;钟会清;庄正飞;翟娟
【作者单位】华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验室,广
东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验室,
广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实验
室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点实
验室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重点
实验室,广东广州510631;华南师范大学生物光子学研究院,激光生命科学教育部重
点实验室,广东广州510631
【正文语种】中 文
【中图分类】O657.3
皮肤光老化即由光促使皮肤过早地出现老化性改变，是由长期的日光照射所引起的，
真皮胶原纤维减少是光老化皮肤的显著特征［1］。Ⅰ型胶原是人体皮肤中最主要
的结构蛋白。现有研究发现，在皮肤光老化过程中，Ⅰ型胶原的结构与代谢过程受
到影响，导致胶原纤维的破坏和裂解，蛋白的正常交联减少［2－4］。由于长波
紫外线（UV－A：320～400nm）可穿透皮肤表层，到达真皮深处，直接作用于
胶原纤维，故其在皮肤光老化过程中起着重要的作用［5］。拉曼光谱技术具有需
要样品量小、样品处理简单、对样品无损坏、实时监测等优点，近年来越来越受到
研究者的重视，成为研究生物分子结构的重要工具［6］。本研究利用拉曼光谱技
术从分子水平研究了UV－A辐射后Ⅰ型胶原的结构变化，以期探讨UV－A辐射
对Ⅰ型胶原及胶原纤维的影响，为临床防治皮肤光老化性疾病提供理论和实验依据。
实验所用的Ⅰ型胶原购自美国Sigma公司，取适量平铺于凹槽载玻片上，分对照
组（CK组）和UV－A辐射处理组（UV－A组）。
UV－A光源购自PHILIPS公司，波长320～400nm，中心波长360nm（BL40W
型），室温下照射UV－A组90min。紫外光源照射在样品表面的强度通过一个配
有SED.240探头的IL1700型研究用光辐射计（International Light公司，美国）
测得。通过调节灯管与样品的距离来调整辐射强度为10.6W·m－2，使辐射剂量
达57kJ·m－2。
拉曼光谱由InVia Plus型激光显微共焦拉曼光谱仪（Renishaw，英国）在室温下
测定，仪器的光谱分辨率为1 cm－1，激光波长785nm，测量拉曼波数范围为
400～1 750 cm－1。每次实验扫描10次求平均，然后进行累加、平滑等数据处
理及谱峰分析。
Ⅰ型胶原的拉曼光谱及UV－A辐射90min后的拉曼光谱如图1所示，其中图1a
为天然Ⅰ型胶原的拉曼光谱，图1b为UV－A辐射90min后的拉曼光谱。其拉曼
特征频率和归属指认［7－10］如表1所示。
CH2弯曲振动在1 452cm－1的谱线是构象不灵敏的，在本实验中，此谱带的强
度很强，且在紫外辐射过程中，其波数、强度和半高宽基本不变，说明该特征峰非
常稳定，不易受到紫外辐射的影响。因此在对Ⅰ型胶原的谱图分析时，可以将其作
为内标，所有的谱线强度相对它而定。谱线强度的变化率可由下式计算［11］
其中，I0代表Ⅰ型胶原相关谱线的强度，In代表紫外辐射处理后的谱线强度。拉
曼谱线的强度与散射中心（基团和化学键）的数目成正比［12］，因此谱线强度
相对变化率的改变反映了它所属的基团或化学键在紫外辐射过程中的损伤程度，谱
线的位移则意味着相应的基团或化学键发生了变化。
酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ是蛋白质主链结构中对其构象变化最为敏感的谱带，这些谱带的变
化程度可以揭示紫外辐射对Ⅰ型胶原蛋白主链构象的损伤程度。
在蛋白的拉曼光谱归属指认中，酰胺Ⅲ谱带主要出现在1 229～1 305cm－1范围
内。其中指定为α－螺旋结构的谱线出现在1 267cm－1处，胶原的α链卷曲为
左手螺旋，三股这样的螺旋再相互盘绕成右手超螺旋，同α螺旋相比，胶原的螺
旋结构更为伸展［8］，故本实验中，未经处理的Ⅰ型胶原的相应谱带出现在1
271cm－1处，经过90min的长波紫外辐射后，1 271cm－1谱线蓝移到1
273cm－1，强度降低，表明长波紫外辐射导致胶原的螺旋结构进一步松散，肽链
伸展。紫外辐射过程中，代表β－折叠构象的1 302cm－1谱线强度增大，β－折
叠构象增多；来自胶原分子中的三股螺旋结构的1 246 cm－1谱线［9］蓝移到1
248cm－1处，强度显著降低，且其强度比I1271/I1246增大，说明长波紫外辐
射主要破坏Ⅰ型胶原的三股螺旋结构。
胶原的拉曼光谱中，在1 597～1 680cm－1范围内出现酰胺Ⅰ的宽谱带，谱线分
别在1 606，1 610，1 643，1 668，1 670cm－1，经过90min的长波紫外辐射
后，该谱带的强度均有所降低，但出现1 661和1 666cm－1谱线，说明长波紫
外辐射导致了胶原分子内无规卷曲的出现与增多。酰胺Ⅰ在1 668cm－1处的谱
带同α螺旋的C—α—C结构对应谱带的相对强度是蛋白质无序构象的一个重要拉
曼表征［10］。在本实验中，α螺旋的C—α—C结构的相应谱带出现在939cm
－1处，经过90min的长波紫外辐射后，该谱线强度下降21%，I1668/I939显
著增大，说明90min的长波紫外辐射导致Ⅰ型胶原分子内的无序构象增多。
同时，长波紫外辐射也影响了胶原分子内主链C—C骨架的伸缩振动，如817和
1 124cm－1处谱线强度降低；代表C—N伸缩振动的1 061和1 065cm－1谱
线在紫外辐射后移动到1 063cm－1处，1 096cm－1谱线红移到1 095cm－1
处，且其强度均显著降低。但代表CH2变形振动的1 308cm－1谱线，代表C—
H变形振动的1 320cm－1谱线在紫外辐射后强度均增大，表明此时胶原分子内
和分子间的氢键被破坏，胶原的三螺旋结构松散，肽链更加伸展，其二级结构暴露
出来，使谱峰吸收强度有了微弱的增加。
实验表明，在紫外辐射过程中，Ⅰ型胶原分子内氢键断裂、氢键体系发生变化，肽
链的螺旋度减少，逐渐解螺旋，无规卷曲等无序构象增加，三股螺旋结构遭到破坏。
由脯氨酸、羟脯氨酸、苯丙氨酸的侧链基团引起的特征拉曼谱线主要体现在
850～1 050cm－1处。脯氨酸（Pro）的C—C伸缩振动和C—N伸缩振动的特
征谱峰分别出现在856和922cm－1处，长波紫外辐射后强度显著下降。874
cm－1处的羟脯氨酸（HyPro）C—C伸缩振动谱带为胶原的特征性谱带，该谱带
对长波紫外辐射相当敏感，紫外辐射后红移到872cm－1处，且其强度显著降低；
脯氨酸、赖氨酸的羟基化在三股螺旋结构形成中发挥着重要的作用［13］，羟脯
氨酸在稳定胶原的三股螺旋结构中至关重要，羟脯氨酸谱线的变化从侧面反映了
90min的长波紫外辐射对胶原三螺旋结构的损伤。苯丙氨酸（Phe）的特征谱带
出现在1 004和1 034 cm－1处，其中1 034cm－1谱线在紫外辐射后强度显著
下降，而半高宽增大。
本研究利用拉曼光谱技术从分子水平探讨了长波紫外辐射对Ⅰ型胶原的损伤。结果
显示在长波紫外辐射下，Ⅰ型胶原的主链构象及侧链基团发生变化，进而导致了胶
原三螺旋结构的损伤，这种改变必然会导致光老化过程中皮肤组织内胶原纤维的破
坏。可见，激光拉曼谱线的变化能提供长波紫外辐射下Ⅰ型胶原结构改变的微观信
息，为临床防治光老化性疾病提供了理论和实验依据。
【相关文献】
［1］ EI－Domyati M，Attia S，Saleh F，et mental Dermatology，2002，11（5）：
398.
［2］ Talwar H S，Griffiths C E M，Fisher G J，et l of Investigative Dermatology，
1995，105（2）：285.
［3］ Chung J H，Seo J Y，Choi H R，et l of Investigative Dermatology，2001，
117（5）：1218.
［4］ Varani J，Spearman D，Perone P，et an Journal of Pathology，2001，158
（3）：931.
［5］ Johnston K J，Oikarinen A I，Lowe N J，et l of Investigative Dermatology，
1984，82（6）：587.
［6］ ZHOU Dian－feng，KE Wei－zhong，HENG Hang（周殿凤，柯惟中，衡航）.The
Journal of Light Scattering（光散射学报），2006，18（3）：241.
［7］ Ikoma T，Kobayashi H，Tanaka J，et ational Jounral of Biological
Macromolecules，2003，32（3－5）：199.
［8］ WANG Jing－yan，ZHU Sheng－geng，XU Chang－fa（王镜岩，朱圣庚，徐长
法）.Biochemistry（生物化学）.Beijing：Higher Education Press（北京：高等教育出版社），
2002.215.
［9］ Frushour B G，Koenig J ymers，1975，14（2）：379.
［10］ Caspers P J，Lucassen G W，et ctroscopy，1998，4（5）：S31.
［11］ ZHANG Zhi－yi，XU Yi－ming（张志义，许以明）.Science in China（中国科学B缉），
1991，6：595.
［12］ Brunner H，Sussner mica et Biophysica Acta，1972，271（1）：16.
［13］ LI Wei－lin，CAO Jian，TANG Ke－yong（李卫林，曹健，汤克勇）.China Leather
（中国皮革），2005，34（23）：14.