第3章-胶原蛋白纤维

1第3章胶原蛋白纤维皮肤胶原纤维的透射电镜图2主要内容胶原的分类胶原的化学结构胶原的物理性质胶原的化学性质胶原纤维的应用33.1胶原的分类③III型胶原（TypeIIIcollagen）—血管壁和新生皮肤特点：由三条相同的肽链构成，a1(III)3。不同类型胶原的区别：主要在于氨基酸序列、肽链的长度和构成分子的肽键种类。分类①I型胶原（TypeIcollagen）-皮肤、骨、腱特点：由三条肽链组成，其中两条肽链相同。[a1(I)２a2(I)]②II型胶原（TypeIIcollagen）–软骨特点：由三条相同的肽链构成，a1(II)3。含有半胱氨酸——可交联成双硫键。4构成真皮的胶原主要是Ⅰ型胶原，人体中胶原约90%是Ⅰ型胶原。④IV型胶原（TypeIVcollagen）—基底膜特点：由三条肽链构成，链组成为[a1(IV)２a2(IV)]。具有三个不同的结构域：中间的螺旋区在两端分别与一个球蛋白区域和一个称为7-S胶原的高硫含量胶原连接。5胶原纤维的基本单位是原胶原分子；I型胶原分子：长～280nm，粗～1.5nm的细长棒状分子，分子量约285kDa；分子含三条肽链，每一条肽链由1000个以上氨基酸残基构成。三条肽链互相盘绕形成右手复合螺旋，称胶原螺旋（collagentriplehelix）。3.2胶原的结构6胶原螺旋结构示意图7胶原的原子力显微镜图8胶原的扫描电镜图9氨基酸组成：Gly～1/3,Pro+Hyp～21-23%（～12%+～9%）Ala～11%,酸性AA～11%,碱性AA～9%,不含CysTrp.微量Met,His,Tyr氨基酸序列胶原肽链由螺旋连和与之连接的非螺旋端肽构成。螺旋肽段由三肽周期结构[Gly-X-Y]n构成X=Pro或其它AA；Y=Hyp或其它AA10端肽——C-端肽、N-端肽其长度因胶原类型和肽链的不同而不同，有9—50个氨基酸。如：I型胶原的a1(I)链有1056个氨基酸残基构成，肽链长度280nm。螺旋区段含有1014个氨基酸残基，即338个Gly-X-Y结构。N-端肽由16个氨基酸残基构成C-端肽由26个氨基酸残基构成11酸性和碱性氨基酸集中对应分布集中出现在一定的区段对构象重要的序列Gly-Pro-Hyp、Gly-X-Hyp、Gly-Pro-Y成簇分布。对稳定性的贡献：Gly-Pro-Hyp＞Gly-Pro-Y＞Gly-X-HypLys、Hyl在分子间的交联作用与糖结合的氨基酸----共价结合、与胶原的免疫有关胶原肽链的氨基酸分布示意图氨基酸序列特征：12胶原分子的计算机模拟图红色：酸性AA兰色：碱性AA橙色：疏水AA绿色：极性不带电荷AA白色：Gly，Pro，Hyp13由三条肽链构成右手复合螺旋其中单条肽链呈左手螺旋结构每一螺旋周期含三个氨基酸残基螺距为0.94nm肽链含有超过1000残基链间氢键维持构象稳定。胶原的二级结构分子间的链间共价交联——Schiff碱交联、羟醛交联等。14天然胶原的TEM原纤3.4胶原的超分子聚集1.胶原纤维的结构层次15Scanningelectronmicroscopyoffibrils原纤基础纤维16TEMpicture原纤原纤的准晶型排列17Microscopepictureofcollagenfiberbundle18微原纤的构造示意图原纤维微原纤维纤丝三股螺旋α-链氨基酸序列19胶原分子(collagenmolecule1.5nm)微原纤维（microfibril8nm）原纤维（fibril30－500nm）基础纤维（elementalfiber50-250μm）纤维束（fiberbundle）胶原纤维的结构层次：20SLSTEM图象(Acid-solublecollagen+ATP→crystal)2.胶原纤维的超分子聚集21FLS(长间距纤维)图象22天然胶原的TEM图23Smithmodel(1968)（四分之一错列模型）Smithmodel要点：在天然胶原中，原胶原分子不是齐头齐尾的排列，而是错开一定距离；在轴向上，分子间头尾并未相连，而是相隔一定距离；在侧向上，则上下错开1/4胶原分子长度（D≈67nm）。24253.4胶原的分子内、分子间交联赖氨酰氧化26醛胺缩合(Aldiminecondensation)27羟醛缩合(Aldolcondensation）28醛胺、组氨酸交联（Aldol-Hiscrosslink）29原胶原分子间侧向交联示意图303.5胶原的性质胶原的基本物理特性：干—脆、硬；相对密度—1.4湿—柔软;pI―6.7胶原的热变性和胶原纤维的收缩温度胶原纤维在介质中受热，到一定温度时，就会发生突然的收缩、卷曲，这时的温度就是胶原的热变性温度―收缩温度（Ts）。31AnimalskinTs（℃）AnimalskinTs（℃）Pigskin猪皮66Rabbitskin兔皮59-60Calfskin小牛皮63-65Dogskin狗皮60-62Horsehide马皮62-64Catskin猫皮60-62Goatskin山羊皮64-66Crocodile鳄鱼皮44Sheepskin绵羊皮58-62Sharkskin鲨鱼皮40-42一些动物皮的热收缩温度32材料来源Ts（℃）总氮量Hyp%Pro%鲨鱼皮4018.35.810.2鱼皮*5518.47.813.3牛皮6518.312.914.1胶原中Hyp含量与收缩温度的关系33溶胀在水、酸、碱性溶液中基本不溶解，为溶胀。pH值为2和12时溶胀最为强烈。旋光性有特异的旋光度。胶原的应力-应变曲线表面电性质溶液中的胶原可增加溶液的电导率。由Gly-Pro-Y链节中多肽链的构象决定的。34酸、碱对胶原的作用低浓度、短时间：胶原纤维变粗、短；高浓度、长时间：肽键破坏，胶原发生胶解。胶原的酸容量0.82-0.9mmol/g,碱容量为0.4-0.5mmol/g。胶解：胶原经强酸、强碱长时间处理会因肽键水解而溶解，此变化称为胶解。盐对胶原的作用a.低浓度：轻微膨胀；高浓度：收缩、脱水；b.脱水盐：任何浓度下胶原脱水；c.膨胀盐:任何浓度下胶原剧烈膨胀35酶对胶原的作用——对肽键的水解b.细菌胶原酶（bacterialcollagenase）只水解胶原，不水解非胶原蛋白质。可将肽链水解成小片段直至Gly-X-Y三肽。最适pH值为中性。a.动物胶原酶（Vertebratecollagenase）来源：动物胰脏专一性：a-链螺旋区的第775-776位Gly-Leu之间。36d.其它蛋白酶酶脱毛（AS1398、209等）时常伴随明显的胶原纤维的溶解。c.胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰凝乳蛋白酶（Pepsin，Papain，Chymotrypsin）作用位置：天然蛋白的非螺旋区肽链用途：天然胶原的制备中。胃蛋白酶最适pH值1.5-2.0373.6胶原的交联改性铬鞣(Chrometanning)和其他无机鞣(inorganictanning)除铬盐外,被用作皮革鞣制的无机金属络合物还有Fe3+、Zr4+、Al3+、Ti4+等。38醛鞣（Aldehydetanning）P(CH2)4NH22+HCHOP(CH2)4NHCH2NH(CH2)4P39单宁（Tannin)及植物鞣(Vegetabletannin）40油鞣（Oiltanning）以高度不饱和油脂为鞣剂的鞣制方法。结合鞣（Unitetanning）结合鞣是将两种以上的鞣剂或鞣制方法用于同一种动物皮的鞣制改性。常用的结合鞣方法有铬-植结合鞣、植-铝结合鞣、醛-铬结合鞣等。413.7胶原的分离制备预处理鉴定提取纯化预处理目的：除去提取胶原用组织中的“杂质”，并将其“粉碎”制成提取胶原所需的大小。例：以小牛皮为原料提取胶原小牛皮去毛脱脂切碎去除杂蛋白提取胶原42提取低温下，用盐或稀酸溶液提取胶原。纯化进一步除去“杂质”，或对不同型胶原进行分离。实线为酸萃取，虚线为中性盐萃取，顶部圆圈表示热胶化处理，I、II、III型胶原沉淀。43鉴定对提取得到的胶原进行结构鉴定。①电泳②紫外光谱③红外光谱④差热分析（DSC）44200220240260280300320340360380400012345Abs.Wavelength(nm.)胶原的SDS凝胶电泳图βα1α2胶原的紫外光谱图4520406080100120140Temperature/°C-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2DSC/(mW/mg)Peak:58.2°C[1.1]放热方向胶原的DSC图464000.03000200015001000400.011.41520253035404550556063.1cm-1%T3423.152927.101659.561563.111453.051406.991339.701240.571083.39648.104000.03000200015001000400.020.025303540455055.1cm-1%T3413.671637.251451.331148.21603.01胶原的红外光谱图明胶的红外光谱图473.8胶原的应用皮革和毛皮制造制革的本质是对皮胶原纤维进行交联改性，并通过机械、物理处理及添加剂的使用赋予其新的性能。制革主要过程包括：准备、鞣制、整饰三个阶段。48明胶制造明胶：胶原的变性降解产物，在食品、照相和其他工业领域中得到广泛应用。明胶制造方法：酸法、碱法、盐法和酶法。生物医学应用胶原作为生物医学材料的优势：低免疫原性生物相容性生物降解性细胞增殖作用和细胞适应性促进血小板凝聚好的力学性能49现阶段胶原的生物医学应用：形态应用情况溶液皮肤损伤修复、美容凝胶创伤敷料粉末止血剂、药物的控制释放纤维手术缝合线、人工血管、人工瓣膜薄膜血液透析膜、创伤敷料、人工角膜管状人工血管、人工胆管海绵创伤敷料、组织填充物、止血剂、人工皮肤50思考题2.简要叙述蛋白质的一、二、三、四级结构及维持构象的化学键和分子间作用力有哪些？分别在氨基酸的哪些基团间发生？1.氨基酸分类的主要依据是什么？3.毛角蛋白有哪些重要的化学反应？4.请叙述胶原的氨基酸组成特征及I、II、III型胶原的结构异同点？