什么是膠原蛋白結(jié)構(gòu)是怎么樣的
膠原蛋白是生物高分子，動(dòng)物結(jié)締組織中的主要成分，也是哺乳動(dòng)物體內(nèi)含量最多、分布最廣的功能性蛋白，那么你對(duì)膠原蛋白了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是膠原蛋白的內(nèi)容，希望大家喜歡!
膠原蛋白的簡(jiǎn)介
畜禽源動(dòng)物組織是人們獲取天然膠原蛋白及其膠原肽的主要途徑，但由于相關(guān)畜類(lèi)疾病和某些宗教信仰限制了人們對(duì)陸生哺乳動(dòng)物膠原蛋白及其制品的使用，現(xiàn)今正在逐步轉(zhuǎn)向海洋生物中開(kāi)發(fā)。歐洲食品安全局(EFSA)已證實(shí)了即使是動(dòng)物骨骼來(lái)源的膠原蛋白也不存在感染瘋牛病和其它相關(guān)疾病的可能。
由于氨基酸組成和交聯(lián)度等方面的差異，使得水產(chǎn)動(dòng)物尤其是其加工廢棄物—皮、骨、鱗中所含有的豐富的膠原蛋白具有很多牲畜膠原蛋白所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，另外來(lái)源于海洋動(dòng)物的膠原蛋白在一些方面明顯優(yōu)于陸生動(dòng)物的膠原蛋白，比如具有低抗原性、低過(guò)敏性等特性。因此水產(chǎn)膠原蛋白可能逐步替代陸生動(dòng)物膠原蛋白。
膠原蛋白種類(lèi)較多，常見(jiàn)類(lèi)型為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型。
膠原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，因此在食品、醫(yī)藥、組織工程、化妝品等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。比如中國(guó)傳統(tǒng)的膠原保健品“阿膠”，主要是以驢皮為原料(其實(shí)就是驢皮中所含膠原蛋白)，具有較高的滋補(bǔ)保健作用，有中藥三寶之一的美譽(yù)。
膠原蛋白的分類(lèi)
膠原蛋白是一類(lèi)蛋白質(zhì)家族，已至少發(fā)現(xiàn)了30余種膠原蛋白鏈的編碼基因，可以形成16種以上的膠原蛋白分子，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可以分為纖維膠原、基膜膠原、微纖維膠原、錨定膠原、六邊網(wǎng)狀膠原、非纖維膠原、跨膜膠原等。根據(jù)它們?cè)隗w內(nèi)的分布和功能特點(diǎn)，可以將膠原分成間質(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，Ⅰ型膠原蛋白主要分布于皮膚、肌腱等組織，也是水產(chǎn)品加工廢棄物(皮、骨和鱗)含量最多的蛋白質(zhì)，占全部膠原蛋白含量的80-90%左右，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用最為廣泛。Ⅰ型膠原在魚(yú)類(lèi)膠原中一個(gè)最顯著的的特點(diǎn)是熱穩(wěn)定性比較低，并呈現(xiàn)有魚(yú)種的特異性。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)胞外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。按功能，可將膠原分為兩組，第一組是成纖維膠原，包括第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅺ、ⅩⅩⅣ和ⅩⅩⅦ型膠原;其余是第二組，非成纖維膠原。非成纖維膠原的α- 鏈既含有三螺旋域(膠原域，COL)，還含有非三螺旋域(非膠原域，NC)，其中成纖維膠原約占膠原總數(shù)的90%。
膠原蛋白的種類(lèi)及其在組織中的分布圖冊(cè)參考資料。
膠原蛋白的結(jié)構(gòu)
一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子中氨基酸以肽鍵連接的順序，每一種蛋白質(zhì)分子，都有其特定的氨基酸組成和排列方式，由此就決定了不同的空間結(jié)構(gòu)和功能。蛋白質(zhì)分子中一級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位氨基酸的改變，會(huì)直接影響其功能，這個(gè)關(guān)鍵部位就是蛋白質(zhì)分子的活性中心。已發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了不下30種類(lèi)型的膠原蛋白。
一般的蛋白質(zhì)是雙螺旋結(jié)構(gòu)，而作為細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的一種結(jié)構(gòu)蛋白，膠原蛋白由三條多肽鏈構(gòu)成三股螺旋結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)膠原域，即3條多肽鏈的每條都左旋形成左手螺旋結(jié)構(gòu)，再以氫鍵相互咬合形成牢固的右手超螺旋結(jié)構(gòu)。膠原特有的左旋a鏈相互纏繞構(gòu)成膠原的右手復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)，這一區(qū)段稱(chēng)為螺旋區(qū)段，螺旋區(qū)段最大特征是氨基酸呈現(xiàn)(Gly-X-Y)n 周期性排列，其中 x、Y 位置為脯氨酸(PrO)和羥脯氨酸(Hyp)，是膠原蛋白的特有氨基酸，約占25%，是各種蛋白質(zhì)中含量最高的;膠原蛋白中存在的羥基賴(lài)氨酸(Hyl)在其它蛋白質(zhì)中不存在，它不是以現(xiàn)成的形式參與膠原的生物合成，而是從已經(jīng)合成的膠原的肽鏈中的脯氨酸(Pro)經(jīng)羥化酶作用轉(zhuǎn)化來(lái)的。而一般陸生哺乳動(dòng)物蛋白質(zhì)中羥脯氨酸和焦谷氨酸的含量極微少。與陸生動(dòng)物相比，水生動(dòng)物中的膠原蛋白，其脯氨酸和羥脯氨酸的總量少，而含硫元素的蛋氨酸(Met)含量要遠(yuǎn)大于陸生動(dòng)物中的膠原蛋白。
一級(jí)結(jié)構(gòu)是組成膠原蛋白多肽鏈的氨基酸序列;膠原蛋白分子是由3條左手螺旋(二級(jí)結(jié)構(gòu))的多肽鏈組成，它們相互纏繞形成一個(gè)在中心分子軸周?chē)挠沂致菪?三級(jí)結(jié)構(gòu));完整的膠原蛋白分子的長(zhǎng)度約280 nm，直徑約1.5 nm;在Ⅰ型膠原原纖維的二維結(jié)構(gòu)(小角X線(xiàn)衍射圖譜和透射電子顯微照片)中，膠原分子通過(guò)一個(gè)或多個(gè)4 D距離與另一個(gè)膠原分子交錯(cuò)，D表示在小角X線(xiàn)衍射圖譜中所見(jiàn)的基本重復(fù)距離，或電子顯微照片中所見(jiàn)的重復(fù)距離。因?yàn)槟z原分子的長(zhǎng)度約是4.4 D，膠原分子的交錯(cuò)引起約有0.4 D的折疊區(qū)和約0.6 D的缺損區(qū)。
膠原蛋白中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)和谷氨酸(Glu)含量較高，特別是甘氨酸，約占總氨基酸的27%，也有報(bào)道說(shuō)占1/3，即每隔兩個(gè)其它氨基酸殘基(X，Y)即有一個(gè)甘氨酸，故其肽鏈可用(Gly-X-Y)n 來(lái)表示。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)，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)。特別注意，X、Y均表示任意的氨基酸，只不過(guò)X通常是脯氨酸，Y通常指羥脯氨酸。同時(shí)還含有少量3-羥脯氨酸(3-hydroxyproline)和5-羥賴(lài)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。三條α-肽鏈借范德化力、氫鍵及共價(jià)交聯(lián)則以平行、右手螺旋形式纏繞成“草繩狀”三股螺旋結(jié)構(gòu)，使膠原具有很高的拉伸強(qiáng)度。
膠原蛋白的分布
在水產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)膠原蛋白含量高于陸生動(dòng)物，如鰱魚(yú)、鳙魚(yú)和草魚(yú)魚(yú)皮的蛋白質(zhì)含量分別為25.9%、23.6%和29.8%，均高于各自相應(yīng)魚(yú)肉的蛋白質(zhì)含量：17.8%、15.3%和16.6%。而魚(yú)皮中的膠原含量最高可超過(guò)其蛋白質(zhì)總量的80%，較魚(yú)體的其它部位要高許多，有研究報(bào)道真鯛魚(yú)皮中膠原蛋白占粗蛋白的80.5%，鰻鱺則高達(dá)87.3%。如此高的含量意味著得率也高，如小鮪鰹42.5%;日本海鱸40.7%;香魚(yú)53.6%;黃海鯛40.1%;竹莢魚(yú)43.5%(均以干重計(jì))。但膠原蛋白的種類(lèi)要少得多，已從魚(yú)類(lèi)中分離鑒定出的膠原類(lèi)型有：廣泛分布在真皮、骨、鱗、鰾、肌肉等處的I型、軟骨和脊索的Ⅱ型和Ⅺ型以及肌肉的V型。而魚(yú)皮和魚(yú)骨所含的Ⅰ型膠原蛋白是其主要膠原蛋白。此外，還發(fā)現(xiàn)ⅩⅧ型膠原，然而哺乳動(dòng)物中含量比較豐富的Ⅲ型膠原，在水產(chǎn)動(dòng)物中尚未發(fā)現(xiàn)。其中只有Ⅰ型膠原蛋白的價(jià)格人們才可以接受;其它類(lèi)型的膠原如Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等僅在研究中制備，由于價(jià)格昂貴都不宜于大量生產(chǎn)。
由于無(wú)脊椎動(dòng)物與脊椎動(dòng)物在進(jìn)化上相距遙遠(yuǎn)，它們的膠原性質(zhì)存在明顯的差異。水產(chǎn)無(wú)脊椎動(dòng)物的膠原主要可分為兩類(lèi)，類(lèi)Ⅰ型及類(lèi)Ⅴ型膠原，均相當(dāng)于脊椎動(dòng)物的Ⅰ型膠原。其中類(lèi)Ⅰ型膠原比較富含有丙氨酸和糖結(jié)合型的羥賴(lài)氨酸，廣泛的存在于軟體動(dòng)物的各種器官中，包括：烏賊類(lèi)的皮和頭蓋軟骨、章魚(yú)的皮鮑的肌肉和外套膜等。類(lèi)Ⅴ型膠原是丙氨酸含量比較少、富含糖結(jié)合型羥賴(lài)氨酸，已從磯海葵的中膠層、節(jié)足動(dòng)物蝦類(lèi)和蟹類(lèi)的肌肉及皮下膜以及原索動(dòng)物羅氏石勃卒的肌膜體中分離出來(lái)。與脊椎動(dòng)物相比，水產(chǎn)無(wú)脊椎動(dòng)物的膠原顯著難溶，富含于羥賴(lài)氨酸，尤其是糖結(jié)合型含量多，而且纖維的直徑小于50nm。有人對(duì)海參膠原研究發(fā)現(xiàn)，刺參體壁含蛋白 3.3%，其中70%為膠原蛋白。氨基酸分析，膠原富含丙氨酸和羥脯氨酸，但羥賴(lài)氨酸含量較少，SDS電泳及SP凝膠柱分析發(fā)現(xiàn)其膠原組成為(α1)2α2。還有人從仿刺參(S.japonicus)提取膠原蛋白，利用 EDTA 和 Tris-HCl 浸泡溶漲，用氫氧化鈉除去雜質(zhì)和非膠原蛋白，采用胃蛋白酶促溶提取粗制膠原，通過(guò)鹽析和透析獲取精致膠原蛋白，并進(jìn)一步利用 Sephacryl S-300 HR 凝膠過(guò)濾和 DEAE-52 陰離子交換除去多糖，獲取膠原蛋白純品。SDS-PAGE 電泳表明膠原分子的組成為 (α1)3，且α鏈類(lèi)似于脊椎動(dòng)物Ⅰ型膠原的α1鏈，熱收縮溫度為57℃，低于牛皮膠原5℃。還有人對(duì)采自日本Senzaki 海灣的Stomolopus meleagri水母的外傘組織進(jìn)行了分析。整個(gè)中膠層被分成三部分，利用醋酸首先將凍干的水母中膠層分為酸溶性蛋白和酸不溶性物質(zhì)，利用NaCl溶液將酸溶性蛋白分為酸溶性膠原蛋白和酸溶性非膠原蛋白，而不溶入醋酸的中膠層經(jīng)胃蛋白酶處理后大多變?yōu)榭扇苄缘哪z原質(zhì)。然后利用氨基酸分析儀對(duì)分離得到的三部分的組成分別進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)該水母外傘中膠原蛋白含量很高，大約占干重的 46.4%。經(jīng) SDS 聚丙烯酰胺凝膠電泳分析其膠原蛋白是由三個(gè)獨(dú)特α 鏈組成，按照它們的移動(dòng)位置分別分別確定為 α1、α3、α2鏈。氨基酸分析表明S.meleagri 水母外傘膠原質(zhì)中甘氨酸含量最高，每1000個(gè)氨基酸殘基含有309個(gè)甘氨酸，其次為谷氨酸、脯氨酸和丙氨酸，分別為98、82和82個(gè)殘基，羥基脯氨和羥基賴(lài)氨酸數(shù)也較高，分別為40和27。外傘中高的膠原蛋白含量表明水母資源是一個(gè)潛在的膠原蛋白源。
Ⅰ型膠原分子長(zhǎng)度約300nm，直徑約1.5nm，呈棒狀，由三條肽鏈組成，其中有兩條α(Ⅰ)鏈，一條α(Ⅱ)鏈。對(duì)機(jī)體功能作用最強(qiáng)。α(Ⅰ)鏈和α(Ⅱ)鏈之間的氨基酸序列只有微小的差異。有人利用Ⅰ型膠原蛋白的電腦模型來(lái)模擬結(jié)締組織的外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，用其它一些基團(tuán)取代Ⅰ型膠原蛋白兩條鏈上氨基乙酸就會(huì)導(dǎo)致骨合成異常。第3條α鏈多存在于絕大多數(shù)真骨魚(yú)類(lèi)，尤其是魚(yú)皮，其他陸生脊椎動(dòng)物沒(méi)有。由3條異種α鏈形成的單一型雜分子α1(Ⅰ)α2(Ⅰ)α3(Ⅰ)組成，而非[α1(Ⅰ)]2α2(Ⅰ)。有人研究了黑石首魚(yú)和羊頭海鯛的骨和鱗的酸性膠原蛋白(ASC)的電泳類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)在電泳譜帶上可以清楚地看到β、γ、α1和α2組分，且α1的分子量為130 kD，α2的分子量為110 kD。因此，在某些魚(yú)類(lèi)中，與其他組織，如肌肉和膀胱相比較，魚(yú)皮膠原蛋白中的α3(Ⅰ)鏈更適宜傳遞。
IV型膠原蛋白非常細(xì)小而且呈線(xiàn)性分布在組織內(nèi)部，是連接表皮和真皮的主要要素。Ⅴ型膠原的肽鏈由2 條α1鏈和 1 條α2鏈或由3條α1鏈組成，存在 3 種組裝形式：[α1(Ⅴ)]3、[α1(Ⅴ)]2α2(Ⅴ)和α1(Ⅴ)、α2(Ⅴ)、α3(Ⅴ)，其中以[α1(Ⅴ)]2α2(Ⅴ)為主。Ⅴ型膠原分布在細(xì)胞周?chē)约阿裥湍z原的周?chē)赡茉诨ず徒Y(jié)締組織之間起著橋梁作用，已經(jīng)從數(shù)種魚(yú)類(lèi)肌肉中分離出來(lái)。XV型膠原蛋白分布較廣而且多分布在血管、神經(jīng)組織的外圍地帶，而且其與角化細(xì)胞腫瘤黑素細(xì)胞腫瘤發(fā)生有關(guān)。
?、湍z原是異三聚體，其組成為α1 (Ⅺ)α2 (Ⅺ)α3 (Ⅺ)，Ⅺ型膠原是軟骨的微量成分，在軟骨膠原纖維的形成和軟骨基質(zhì)的組成中起著重要作用，且常與Ⅱ型膠原共存。陸生生物的軟骨組織較水生生物含量高的多，所以Ⅱ型膠原的研究的對(duì)象大多是陸生生物，雖然在1984 年已經(jīng)從鯊魚(yú)的軟骨中分離出來(lái)Ⅱ型膠原，但是從水產(chǎn)動(dòng)物提?、蛐湍z原的研究并不多。
?、湍z原發(fā)現(xiàn)的相對(duì)較晚，同源性較高，還有不同的亞類(lèi)，主要存在于肺、肝臟和腎臟等組織中。屬于被稱(chēng)之為multi-plexin的特殊膠原亞族，含有其他膠原所沒(méi)有的C末端非三螺旋區(qū)(non-triple-heli-cal regions，NC1)，這一特殊結(jié)構(gòu)使其與其他僅由三螺旋結(jié)構(gòu)組成的膠原相比擁有更好的靈活性。ⅩⅧ型膠原的研究主要集中在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域，如胚胎中的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。
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