2024年5月30日发(作者：吕念云)
第
15
卷第
1
期 皮 革 科 学 与 工 程
Vol
1
15,No
1
1
2005
年
2
月
LEATHERSCIENCEANDENGINEERINGFeb
1
2005
文章编号
:1004-7964
(
2005
)
01-0026-05
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
(
美国农业部东部研究中心
)
摘 要
:
介绍了美国东部农业研究中心对胶原结构的研究成果
,
重点介绍了对胶原四级结构的计算机模拟图像
,
并
在胶原结构层次上详细讨论了鞣制机理以及鞣制对胶原构象的影响
,
最后讨论了胶原的应用。
1
胶原
1.1
前言
自然界可再生的资源有两类
,
一类是碳水化合
物
,
其中包括纤维素、木质素、淀粉、胶质等
;
另一类
是蛋白质
,
其中最重要的是胶原
,
胶原约占动物总蛋
白量的
30%
。
胶原的功能也可以分为两方面
:
一方面是它的
生物学功能
,
胶原是细胞外间质
(
ECM
)
的结构蛋
白
,
也是原纤维的组成成分
,
比如皮肤、软骨、骨等
;
另一方面胶原在现代科学技术上也有广泛的应用
,
比如在分子架构、皮革工业、医学方面和食品方面都
有大量的研究和应用。
目前共发现发现的纤维状
(
由原纤维组成
)
的胶
原有以下几类
:
α
)
1
α
))
,
主要存在于皮Ⅰ型胶原
(
21
(
Ⅰ
2
(
Ⅰ
肤、骨、肌腱
;
α
1
(
Ⅱ
))
,
主要存在于软骨
;
Ⅱ型胶原
(
3
α
1
(
Ⅲ
))
,
通常与ⅠⅢ型胶原
(
3
型胶原共存
;
α
V
和
XI
型胶原的杂和三体
(
1
α
,2
α
,3
)
1.2
胶原的细微结构
1.2.1
胶原的细微结构
美国东部农业中心多年来致力于胶原细微结构
的研究
,
对其进行了计算机三维图像模拟
,
在胶原超
分子结构方面取得了一系列卓有成效的研究结果。
现在科学界通常认为胶原的细胞外合成过程为
以下图示
(
图
1
)
,
图中按箭头顺序依次为
:
多肽链
,
三股螺旋的胶原分子
,
前胶原
,
原纤维。
原胶原的精细结构总体有以下
3
个要点
:
(
1
)
每个原胶原分子由三条肽链组成
,
并且肽链
具有重复的氨基酸序列
(
Gly-Xxx-Yyy
)
n,
通常
收稿日期
:2004
2
09
2
18
3本文是世界著名皮革科学家
Brown
博士来华讲学内容的
一部分
,
由四川大学生物质与皮革工程系王英梅、陈武勇翻
译整理
图
1
胶原的细胞外合成过程
Fig.1Extracellularstepsinthebiosynthesisofcollagen
为
Gly-Pro-HPr;
(
2
)
每条链都是左手螺旋
,
不是
α
螺旋
,
每个旋
转的部位
3
个氨基酸残基
,
螺距
0.94nm,
每条肽链
大约有
1000
个氨基酸残基
;
(
3
)
三条螺旋的肽链盘绕成一个右手超螺旋。
另外人们经研究还发现有以下
6
种作用共同维
持螺旋的稳定性
:
(
1
)
肽键
(
2
)
氢键
(
3
)
脯氨酸
,
阻止了
N-C
键的旋转
(
4
)
羟脯氨酸
,
可以与水发生桥连作用
(
5
)
甘氨酸
,
由于甘氨酸是最小的氨基酸
,
可以
使分子间形成近距离的连接
(
6
)
侧链相互作用
现代显微技术的发展
,
尤其是原子力显微镜的
发明和应用
,
使得人们可以更直观地观察到胶原的
细微结构。图
2
、图
3
即为典型的胶原电镜照片。
图
4
直观地表示了胶原的超分子结构
,
由低级
到高级
(
图中从左到右
)
的结构依次为
:
(
1
)
微原纤维
1968
年
Smith
提出胶原微原纤
维的左手五股螺旋模型
,
而其它观点提的模型为
4
或
6
股螺旋
(
2
)
原纤维
MCF
束
(
3
)
纤维束
1.2.2
I
型胶原
I
型胶原是脊椎动物结缔组织中最重要和最常
第
1
期
:
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
27
胶原精细结构的模型
美国东部农业研究中心经过多年的研究工作
,
给出了胶原精细结构各个层次的模型图
,
下面挑选
一些有代表性的加以介绍。
1.3.1
胶原五股螺旋的模型如图
5,
不同氨基酸用
红、蓝、橙和绿色等不同颜色进行标识
1.3
图
2
皮胶原的电子显微照片
图
5
胶原的五股螺旋模型
Fig.2Electronmicrographsofskincollagen
Fig.5Microfibrilmodel
图
3
粉碎胶原的原子力显微照片
图
6
胶原模型的各级结构
Fig.6Collagenmodel
Fig.3AFMofmilledcollagen
1.3.2
胶原从低级到高级的各级结构模型如
图
6
所示
,
从左到右依次为
:
单链———左手螺旋
Gly-Pro-Pro
三链———右手螺旋
Gly-Pro-Hpr
微原纤维———左手螺旋
Gly-Pro-Hpr
微原纤维———左手螺旋修正了氨基酸残基
图
4
胶原的超分子结构
Fig.4Supramolecularstructureofcollagen
见的胶原类型
,
其精细结构为
:
(
1
)
由
1014
个氨基酸残基组成
(
2
)
三肽序列为
(
-Gly-Pro-Y-
)
和
(
-Gly
-X-Hyp-
)
(
3
)
端肽为
N=16C=26
(
4
)
具有周期横纹结构
(
5
)
胶原分子为
4.4D
的长度
,
分子间的间隙为
0.6D
柔性段尺度大约为
300nm
×
1.5nm
图
7
胶原横纹周期
Fig.7Dperiodicity
28
皮革科学与工程 第
15
卷
1.3.3
图
7
为
1
个横纹周期的原纤维结构
1.3.4
图
8
为模拟
D
周期模型与胶原电镜图片的
对比
,
其中
A
为电镜负染照片
,B
为电镜正染照片
,
图
8
胶原结构
Fig.8Collagenstructure
C
为
D
横纹周期的模拟结构
对
D
横纹周期进行的分析表明
:
间隙部分和重
叠部分在长度上相似
;
间隙区域为
1338
个氨基酸残
基
;
重叠部分为
1020
个残基。
1.3.5
胶原不同层次结构的模型如图
9,10,11
所
示
,
侧链以不同颜色对功能加以区分。
图
11N
端端肽的立体模型
,
显示出氨基酸残基的功能性
Fig.11N-telopeptideontriplehelix
2
鞣制
2.1
鞣制过程概要———第
1
部分
(
图略
)
2.2
鞣制过程概要———第
2
部分
(
图略
)
2.3
鞣制机理
制革用鞣剂有矿物质鞣剂
,
如
Cr,Al,Fe,Ti,
Zr,
植物鞣剂以及醛、丙烯酸树脂鞣剂。通常认为鞣
制发生在胶原分子内和分子间的交联位置如图所示
(
图
12
)
。
图
9
胶原模型
Fig.9Collagenmodel
图
10
三股螺旋的
N
端端肽
Fig.10N-telopeptideontriplehelix
图
12
交联示意图
Fig.12Intra
2
molecularandinter-molecularcross
2
links
1.3.6
典型的胶原交联示意图如下
C
端端肽的空间填充模型
,
显示氨基酸残基的
功能性以及能够产生更多远距离交联的潜在点。
鞣制对胶原的修正作用一般由以下
5
种物理化
学反应实现
:
—共价键交联
—疏水交联
第
1
期
:
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
29
—氢键
—静电相互作用
(
盐桥
)
—可变化的水结构
,
即水的活性
那么鞣制作用到底发生在哪个部位呢
?
根据美
国东部农业研究中心多年的研究结果
,
我们怀疑它
是发生在周期结构的间隙上
,
但此推测有待于进一
步证实。
3
对鞣制过程中胶原构象的研究
3.1
研究途径
我们对于鞣制过程中胶原构象的研究途径有两
种
,
一为评价铬鞣过程的每一步对胶原结构的影响
二是用紫外光谱、圆二色谱以及核磁共振方法
研究铬鞣过程的不同步骤对可溶胶原的影响。
3.2
研究方法
研究方法分为四步
:
可溶胶原的制备、模拟浸
酸、预鞣、固定
下面是可溶胶原的分光光度值
(
文献数据
)
、天
然胶原和热变性胶原的紫外和圆二色谱
(
图
13
)
:
E
218nm
=9.43for1mg/mLin1cmpath
Θ
223nm=7500degcm
2
dmole
-1
Θ
198nm=-53000degcm
2
dmole
-1
Tm=38.5
℃
3.3
鞣制
方法是胶原
(
约
0.5
μ
L/
μ
L
)
溶解在乙酸溶液
中
,
调节
pH
为
4,
然后用硫酸溶液调节
pH
至
1.8
～
2.0,
以
10%CrK
(
SO
4
)
2
溶液的形式加入
8mg
Cr,
最后缓慢地以
NaHCO
3
溶液调节
pH
值到
4
。
得到含
Cr
和不含
Cr
胶原的熔融曲线如下
:
铬鞣对解链温度
Tm
的影响如下表所示
:
%helix
Tm
.
pH48237.00.4
pH27832.00.5
pH2withCr6932.61.2
pH4withCr27>45
核磁共振谱显示出模拟鞣制对谷氨酸和天冬氨
酸残基的影响
3.4
铝鞣
铝是无色和非顺磁性的
,
三价铝的模拟鞣制方
法如下
:
在
50mmol
的乙酸溶液中
(
300mL
)
。
B.
用
1N
的硫酸调节
pH
在
1.8
～
2.0
之间。
C.
加入
10
μ
L
的
20%Al
2
(
SO
4
)
2
溶液。
D.
在几个小时内缓慢加入
10
μ
L0.5M
的
NaHCO
3
溶液
,
使
pH
缓慢提高到
4
。
图
13
可溶胶原的紫外色谱和圆二色谱
Fig.13UVSpectraandCDSpectraofsolublecollagen
图
14
四种熔融曲线
Fig.14Meltof4tannagesteps
E.
重复
D
的操作
,
但不含铝。
通过以上步骤的操作之后测得铝“鞣”胶原的熔
融曲线如图
14
。
3.5
总结
根据以上的研究我们得到以下重要结论
:
(
1
)
观察到在铬交联之前胶原就有部分变性。
30
皮革科学与工程 第
15
卷
图
17
铝鞣胶原的熔融曲线
Fig.17MeltingcurveofAltanningcollagen
图
15
核磁共振图谱
Fig.15NMRSpectroscopy
图
18
Al
2
(
SO
4
)
3
溶液的
27
Al
核磁共振谱
:
含
胶原和不含胶原
Fig.18
27
AlNMRSpectroscopyofAl
2
(
SO
4
)
3
图
16
胶原在中性溶液中的透射
电子显微镜照片如图
Fig.16TEMofcollageninneutralsolution
(
2
)
铬鞣开始的酸性条件会降低胶原螺旋的热
稳定性。
(
3
)
在处理过的胶原的核磁共振谱中
,
羧酸基团
(
天冬氨酸和谷氨酸
)
显著性降低。
4
胶原的其它用途
图
19
Fig.19
除了在制革上作为原料皮的主要成分
,
胶原还
有很多更广泛的应用
,
如可食用的胶原可用作包装
材料
(
比如作为香肠的肠衣
)
以及作为肉产品的结构
填充等。另外胶原在医学上的应用也有很多报道
,
比如作为可植入的生物材料、伤口敷料、人工皮肤、
胶原对铝的松弛时间的影响
27
Alspinlatticerelaxationtime
组织工程的海绵体等。
2024年5月30日发(作者：吕念云)
第
15
卷第
1
期 皮 革 科 学 与 工 程
Vol
1
15,No
1
1
2005
年
2
月
LEATHERSCIENCEANDENGINEERINGFeb
1
2005
文章编号
:1004-7964
(
2005
)
01-0026-05
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
(
美国农业部东部研究中心
)
摘 要
:
介绍了美国东部农业研究中心对胶原结构的研究成果
,
重点介绍了对胶原四级结构的计算机模拟图像
,
并
在胶原结构层次上详细讨论了鞣制机理以及鞣制对胶原构象的影响
,
最后讨论了胶原的应用。
1
胶原
1.1
前言
自然界可再生的资源有两类
,
一类是碳水化合
物
,
其中包括纤维素、木质素、淀粉、胶质等
;
另一类
是蛋白质
,
其中最重要的是胶原
,
胶原约占动物总蛋
白量的
30%
。
胶原的功能也可以分为两方面
:
一方面是它的
生物学功能
,
胶原是细胞外间质
(
ECM
)
的结构蛋
白
,
也是原纤维的组成成分
,
比如皮肤、软骨、骨等
;
另一方面胶原在现代科学技术上也有广泛的应用
,
比如在分子架构、皮革工业、医学方面和食品方面都
有大量的研究和应用。
目前共发现发现的纤维状
(
由原纤维组成
)
的胶
原有以下几类
:
α
)
1
α
))
,
主要存在于皮Ⅰ型胶原
(
21
(
Ⅰ
2
(
Ⅰ
肤、骨、肌腱
;
α
1
(
Ⅱ
))
,
主要存在于软骨
;
Ⅱ型胶原
(
3
α
1
(
Ⅲ
))
,
通常与ⅠⅢ型胶原
(
3
型胶原共存
;
α
V
和
XI
型胶原的杂和三体
(
1
α
,2
α
,3
)
1.2
胶原的细微结构
1.2.1
胶原的细微结构
美国东部农业中心多年来致力于胶原细微结构
的研究
,
对其进行了计算机三维图像模拟
,
在胶原超
分子结构方面取得了一系列卓有成效的研究结果。
现在科学界通常认为胶原的细胞外合成过程为
以下图示
(
图
1
)
,
图中按箭头顺序依次为
:
多肽链
,
三股螺旋的胶原分子
,
前胶原
,
原纤维。
原胶原的精细结构总体有以下
3
个要点
:
(
1
)
每个原胶原分子由三条肽链组成
,
并且肽链
具有重复的氨基酸序列
(
Gly-Xxx-Yyy
)
n,
通常
收稿日期
:2004
2
09
2
18
3本文是世界著名皮革科学家
Brown
博士来华讲学内容的
一部分
,
由四川大学生物质与皮革工程系王英梅、陈武勇翻
译整理
图
1
胶原的细胞外合成过程
Fig.1Extracellularstepsinthebiosynthesisofcollagen
为
Gly-Pro-HPr;
(
2
)
每条链都是左手螺旋
,
不是
α
螺旋
,
每个旋
转的部位
3
个氨基酸残基
,
螺距
0.94nm,
每条肽链
大约有
1000
个氨基酸残基
;
(
3
)
三条螺旋的肽链盘绕成一个右手超螺旋。
另外人们经研究还发现有以下
6
种作用共同维
持螺旋的稳定性
:
(
1
)
肽键
(
2
)
氢键
(
3
)
脯氨酸
,
阻止了
N-C
键的旋转
(
4
)
羟脯氨酸
,
可以与水发生桥连作用
(
5
)
甘氨酸
,
由于甘氨酸是最小的氨基酸
,
可以
使分子间形成近距离的连接
(
6
)
侧链相互作用
现代显微技术的发展
,
尤其是原子力显微镜的
发明和应用
,
使得人们可以更直观地观察到胶原的
细微结构。图
2
、图
3
即为典型的胶原电镜照片。
图
4
直观地表示了胶原的超分子结构
,
由低级
到高级
(
图中从左到右
)
的结构依次为
:
(
1
)
微原纤维
1968
年
Smith
提出胶原微原纤
维的左手五股螺旋模型
,
而其它观点提的模型为
4
或
6
股螺旋
(
2
)
原纤维
MCF
束
(
3
)
纤维束
1.2.2
I
型胶原
I
型胶原是脊椎动物结缔组织中最重要和最常
第
1
期
:
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
27
胶原精细结构的模型
美国东部农业研究中心经过多年的研究工作
,
给出了胶原精细结构各个层次的模型图
,
下面挑选
一些有代表性的加以介绍。
1.3.1
胶原五股螺旋的模型如图
5,
不同氨基酸用
红、蓝、橙和绿色等不同颜色进行标识
1.3
图
2
皮胶原的电子显微照片
图
5
胶原的五股螺旋模型
Fig.2Electronmicrographsofskincollagen
Fig.5Microfibrilmodel
图
3
粉碎胶原的原子力显微照片
图
6
胶原模型的各级结构
Fig.6Collagenmodel
Fig.3AFMofmilledcollagen
1.3.2
胶原从低级到高级的各级结构模型如
图
6
所示
,
从左到右依次为
:
单链———左手螺旋
Gly-Pro-Pro
三链———右手螺旋
Gly-Pro-Hpr
微原纤维———左手螺旋
Gly-Pro-Hpr
微原纤维———左手螺旋修正了氨基酸残基
图
4
胶原的超分子结构
Fig.4Supramolecularstructureofcollagen
见的胶原类型
,
其精细结构为
:
(
1
)
由
1014
个氨基酸残基组成
(
2
)
三肽序列为
(
-Gly-Pro-Y-
)
和
(
-Gly
-X-Hyp-
)
(
3
)
端肽为
N=16C=26
(
4
)
具有周期横纹结构
(
5
)
胶原分子为
4.4D
的长度
,
分子间的间隙为
0.6D
柔性段尺度大约为
300nm
×
1.5nm
图
7
胶原横纹周期
Fig.7Dperiodicity
28
皮革科学与工程 第
15
卷
1.3.3
图
7
为
1
个横纹周期的原纤维结构
1.3.4
图
8
为模拟
D
周期模型与胶原电镜图片的
对比
,
其中
A
为电镜负染照片
,B
为电镜正染照片
,
图
8
胶原结构
Fig.8Collagenstructure
C
为
D
横纹周期的模拟结构
对
D
横纹周期进行的分析表明
:
间隙部分和重
叠部分在长度上相似
;
间隙区域为
1338
个氨基酸残
基
;
重叠部分为
1020
个残基。
1.3.5
胶原不同层次结构的模型如图
9,10,11
所
示
,
侧链以不同颜色对功能加以区分。
图
11N
端端肽的立体模型
,
显示出氨基酸残基的功能性
Fig.11N-telopeptideontriplehelix
2
鞣制
2.1
鞣制过程概要———第
1
部分
(
图略
)
2.2
鞣制过程概要———第
2
部分
(
图略
)
2.3
鞣制机理
制革用鞣剂有矿物质鞣剂
,
如
Cr,Al,Fe,Ti,
Zr,
植物鞣剂以及醛、丙烯酸树脂鞣剂。通常认为鞣
制发生在胶原分子内和分子间的交联位置如图所示
(
图
12
)
。
图
9
胶原模型
Fig.9Collagenmodel
图
10
三股螺旋的
N
端端肽
Fig.10N-telopeptideontriplehelix
图
12
交联示意图
Fig.12Intra
2
molecularandinter-molecularcross
2
links
1.3.6
典型的胶原交联示意图如下
C
端端肽的空间填充模型
,
显示氨基酸残基的
功能性以及能够产生更多远距离交联的潜在点。
鞣制对胶原的修正作用一般由以下
5
种物理化
学反应实现
:
—共价键交联
—疏水交联
第
1
期
:
胶原的结构
:
天然胶原和改性胶原的网络结构
29
—氢键
—静电相互作用
(
盐桥
)
—可变化的水结构
,
即水的活性
那么鞣制作用到底发生在哪个部位呢
?
根据美
国东部农业研究中心多年的研究结果
,
我们怀疑它
是发生在周期结构的间隙上
,
但此推测有待于进一
步证实。
3
对鞣制过程中胶原构象的研究
3.1
研究途径
我们对于鞣制过程中胶原构象的研究途径有两
种
,
一为评价铬鞣过程的每一步对胶原结构的影响
二是用紫外光谱、圆二色谱以及核磁共振方法
研究铬鞣过程的不同步骤对可溶胶原的影响。
3.2
研究方法
研究方法分为四步
:
可溶胶原的制备、模拟浸
酸、预鞣、固定
下面是可溶胶原的分光光度值
(
文献数据
)
、天
然胶原和热变性胶原的紫外和圆二色谱
(
图
13
)
:
E
218nm
=9.43for1mg/mLin1cmpath
Θ
223nm=7500degcm
2
dmole
-1
Θ
198nm=-53000degcm
2
dmole
-1
Tm=38.5
℃
3.3
鞣制
方法是胶原
(
约
0.5
μ
L/
μ
L
)
溶解在乙酸溶液
中
,
调节
pH
为
4,
然后用硫酸溶液调节
pH
至
1.8
～
2.0,
以
10%CrK
(
SO
4
)
2
溶液的形式加入
8mg
Cr,
最后缓慢地以
NaHCO
3
溶液调节
pH
值到
4
。
得到含
Cr
和不含
Cr
胶原的熔融曲线如下
:
铬鞣对解链温度
Tm
的影响如下表所示
:
%helix
Tm
.
pH48237.00.4
pH27832.00.5
pH2withCr6932.61.2
pH4withCr27>45
核磁共振谱显示出模拟鞣制对谷氨酸和天冬氨
酸残基的影响
3.4
铝鞣
铝是无色和非顺磁性的
,
三价铝的模拟鞣制方
法如下
:
在
50mmol
的乙酸溶液中
(
300mL
)
。
B.
用
1N
的硫酸调节
pH
在
1.8
～
2.0
之间。
C.
加入
10
μ
L
的
20%Al
2
(
SO
4
)
2
溶液。
D.
在几个小时内缓慢加入
10
μ
L0.5M
的
NaHCO
3
溶液
,
使
pH
缓慢提高到
4
。
图
13
可溶胶原的紫外色谱和圆二色谱
Fig.13UVSpectraandCDSpectraofsolublecollagen
图
14
四种熔融曲线
Fig.14Meltof4tannagesteps
E.
重复
D
的操作
,
但不含铝。
通过以上步骤的操作之后测得铝“鞣”胶原的熔
融曲线如图
14
。
3.5
总结
根据以上的研究我们得到以下重要结论
:
(
1
)
观察到在铬交联之前胶原就有部分变性。
30
皮革科学与工程 第
15
卷
图
17
铝鞣胶原的熔融曲线
Fig.17MeltingcurveofAltanningcollagen
图
15
核磁共振图谱
Fig.15NMRSpectroscopy
图
18
Al
2
(
SO
4
)
3
溶液的
27
Al
核磁共振谱
:
含
胶原和不含胶原
Fig.18
27
AlNMRSpectroscopyofAl
2
(
SO
4
)
3
图
16
胶原在中性溶液中的透射
电子显微镜照片如图
Fig.16TEMofcollageninneutralsolution
(
2
)
铬鞣开始的酸性条件会降低胶原螺旋的热
稳定性。
(
3
)
在处理过的胶原的核磁共振谱中
,
羧酸基团
(
天冬氨酸和谷氨酸
)
显著性降低。
4
胶原的其它用途
图
19
Fig.19
除了在制革上作为原料皮的主要成分
,
胶原还
有很多更广泛的应用
,
如可食用的胶原可用作包装
材料
(
比如作为香肠的肠衣
)
以及作为肉产品的结构
填充等。另外胶原在医学上的应用也有很多报道
,
比如作为可植入的生物材料、伤口敷料、人工皮肤、
胶原对铝的松弛时间的影响
27
Alspinlatticerelaxationtime
组织工程的海绵体等。