胶原化学与现代生活.ppt

胶原化学与现代生活,四川大学 轻纺与食品学院,任课教师,主讲教师：张文华，Email：合作教师：曾运航博士，Email：王亚楠博士，Email：,课程说明,课程类别：文化素质公选课 课程号：309316020 学分：2 目的：了解胶原的物理化学性质；熟悉胶原在皮革、食品、美容护肤和生 物医学等领域的应用。成绩评定：平时成绩占40%期末考试占60%。,主要内容,第一章 胶原化学与现代生活概述 胶原的分布、结构和物理化学性质；胶原、明胶及胶原水解蛋白在现代生活中的应用；第二章胶原与食品保健 胶原类保健食品；食品添加剂 第三章胶原与皮革工业及皮革鉴赏 胶原与皮革工业、毛皮工业；皮革及毛皮制品加工概述；皮革及毛皮制品保养；皮革及毛皮制品鉴赏,第四章 胶原与美容护肤 胶原用于化妆品中的特殊性质；胶原化妆品的保养功用；胶原在美容矫形方面的应用 第五章 胶原在生物医学及临床方面的应用 胶原在生物医学方面的应用；胶原在临床医学的应用 第六章 胶原与其它工业,教材/参考资料,教材：胶原化学,李国英,刘文涛.中国轻工业出版社,2013.参考资料：胶原物理与化学,汤克勇.科学出版社,2012.胶原与胶原蛋白,蒋挺大.化学工业出版社,2006.皮具品鉴,时涛,金小芳.中国纺织出版社,2010.毛皮服装设计,蔡凌霄,于晓坤,刘晓刚.东华大学出版社,2009.胶原蛋白与临床医学,顾其胜,蒋丽霞,第二军医大学出版社,2003.,第一章 胶原化学与现代生活概述,胶原在现代生活中的应用胶原概述 胶原的定义和分类；结构特征；分布,似曾相识的胶原蛋白,胶原蛋白是人体中最重要的结构蛋白质,现已确认有19种类型。人体中的胶原蛋白占各种蛋白质总质量的3040，人类体重的65是水，16是蛋白质，14是脂肪，5是钙质等无机物。体重为50kg的人体中约含有3kg的胶原蛋白。,皮肤中的胶原蛋白,皮肤的70,位于真皮层.由于胶原蛋白纤维兼具一定坚固性、韧性和弹性，使得人的手脚可以自由弯曲而不会僵硬，同时皮肤也不致因人体活动而破裂，从而使皮肤具有最佳性质。,松弛、皱纹、老年斑、缺少水分、失去弹性,斑痕,骨骼中的胶原蛋白,肌腱的80,骨骼与肌肉相连处.骨骼总重量的20,让钙质紧密连接,具有弹性.软骨中也充满了胶原蛋白:椎间盘、颈椎、膝盖及手肘等关节能够自由行动.,关节组织退化、关节痛 活动范围减少 关节变形、关节炎,内脏中的胶原蛋白,保护膜:肠胃、心脏、血管、大脑等内脏.象网眼一样遍布脑细胞或肝细胞的微血管、以及负责供给细胞营养的其他细胞周围补充脑营养细胞的神经胶质细胞是由胶原蛋白组织支撑,血管变硬、弹性降低血压不正常,眼睛中的胶原蛋白,角膜：由粗细均匀的胶原蛋白纤维井然有序地排列成层面而构成。,视力下降易患白内障、青光眼等,胶原蛋白的美容功能,保湿滋养亮肤紧肤防皱修复营养美乳,胶原类保健食品 1.胶原蛋白粉 2.阿胶食品添加剂 1.肉制品、糖果、乳制品等添加剂 2.冷冻食品改良剂 3.饮料澄清剂,14,食品中的应用,胶原蛋白不止这么简单,天然胶原紧密的螺旋结构-力学性能,机械强度,胶原蛋白不止这么简单：皮革制品,胶原蛋白不止这么简单：皮革制品,皮草是指利用动物的皮毛所制成的服装。常用来制作皮草的动物包括兔子、狐狸、貂类等稀有的动物，也是皮草的来源之一。皮草也许是一种生活品质，一种女人与生俱来的魂牵梦绕的情结。人类最早的衣着原料不是丝、棉、麻，而是皮草。皮草是人类最具深度的时尚代名词。,胶原蛋白不止这么简单：皮革制品-皮草,胶原蛋白不止这么简单：皮革制品-皮草,皮草的类别,貂皮獭兔皮狐狸皮,属于细皮毛裘皮，皮板优良，轻柔结实，毛绒丰厚，色泽光润。用它制成的皮草服装，雍容华贵，是理想的裘皮制品，有“裘中之王”的美称，因此又成为了人们富贵的象征。在国外，被称为“软黄金”。貂皮具有“风吹皮毛毛更暖，雪落皮毛雪自消，雨落皮毛毛不湿”的三大特点,貂皮,最早在1919年出现于法国。因其皮毛柔软平滑且整齐得犹如剪理过，简直可与水獭相媲美，故在中国享有獭兔之美誉。獭兔是非常著名的短毛皮兔，短而整齐的毛发保暖性能好且不易脱落。,獭兔皮,毛皮色彩极为广泛，几乎具有各种裘皮的颜色。针毛长且有光泽，底绒丰厚且柔软，色泽艳丽，板质柔韧。狐狸皮品种包括银狐、十字狐、水晶狐、蓝狐、红狐、灰狐、及白狐等。狐狸皮也可染成各种颜色。狐狸皮是裘皮中的珍品，既美丽又保暖，被誉为世界三大裘皮支柱之一。,狐狸皮,胶原蛋白不止这么简单,强韧性与延展性：皮肤、血管的弹性，关节的紧固控制分子通透性：皮肤保湿、隔绝内外交换支持与保护：骨骼、软骨、韧带的重要成份组织与架构：人体重要的代谢原材料促进伤口愈合及组织修复：伤口愈合的时间、状态,胶原蛋白不止这么简单：生物医学,可吸收缝线药物控释载体人工骨 人工角膜人工皮肤,胶原以增殖细胞为首的许多生物功能，使得胶原基生物医学材料格外引人注目。在医学领域，除外科用敷料膜、止血海绵、手术缝合线、止血剂外，国外研究者主要集中于研究利用胶原蛋白制备对人体软组织具有扩张功能的胶原注射液，胶原基药物输送系统，皮肤、骨骼、心血管、食管、气管的替代材料等。.,胶原蛋白不止这么简单：功能材料,胶原基天然产物吸附分离材料胶原基重金属吸附材料胶原基非均相催化剂胶原基雷达吸波材料,黄芩提取物经CFA层析柱分离前后的HPLC谱图,从核燃料生产废液中回收U6+,胶原纤维负载Au钠米催化剂,在整个雷达波段均有较强吸收,胶原相关研究工作,胶原概述,定义结构,（一）、胶原的定义,Collagen，源自希腊语。是具有共同结构特征的一组蛋白质的统称 至少有一个三股螺旋结构域；三条 链构成一个胶原分子。能够形成超分子聚集体；存在于细胞外基质中。成纤维胶原（7）与非成纤维胶原（21）,1、胶原类型,在原纤维中发现了28种胶原，其中5种含量最丰富的胶原类型是：I 型胶原是骨、腱、角膜和韧带中的主要胶原，最高可达体内所有胶原的90%。II 型胶原在软骨、玻璃体和脊髓中形成原纤维。III 型胶原与I 型胶原并存于结缔组织。V型和VI型为异三聚体，与其他三种胶原共存于原纤维中。,2、胶原分布,胶原是动物中的主要纤维蛋白，是所有多细胞动物，包括海绵体、无脊椎动物和脊椎动物的细胞外基质的主要结构成分。胶原原纤维占人和高等动物总蛋白量可高达30%，其作用是保持组织完整以及提供每一个结缔组织所需要的特殊力学性能。人体中有16左右是蛋白质，胶原占体内蛋白质总量的30-40，主要存在于皮肤、肌肉、骨骼、牙齿内脏和眼睛等部位。从生物医学角度，胶原在发育、伤口愈合、血小板活化和血管生成中具有重要作用。另外很多遗传病的起因也被证明是由于胶原发生了突变，而胶原在其合成、降解或免疫学方面的微小变化也可以引起许多疾病。,胶原是一类由20种常见的氨基酸合成而来的蛋白质，但是它在氨基酸组成、重复的序列模式、高度的翻译后修饰和特有的分子内交联上别具一格。天然的胶原蛋白是一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。原胶原：3条肽链形成的螺旋，含三种结构：螺旋区、非螺旋区及球形结构域。,胶原纤维结构组成,（二）、胶原的结构,胶原的结构,胶原的一级结构,存在其它蛋白质中不存在的羟赖氨酸，以及其他蛋白质很少含有的羟脯氨酸，脯氨酸和羟脯氨酸含量是各种蛋白质中最高的；胶原蛋白-链的-端氨基酸是焦谷氨酸，它在一般蛋白质中是少见的。,胶原的二、三、四级结构,二级结构:多肽链本身折叠产生的、由氢键维系的有规律的构象（盘绕方式）。不涉及氨基酸侧链的构象。由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键形成的六个原子共面，即肽平面。,由于-碳原子与其他原子之间形成单键,因此两相邻的肽键平面可以相对旋转,（a）每个第三个氨基酸残基是甘氨酸，X 和 Y通常是脯氨酸和羟脯氨酸残基（b）甘氨酸是最小的氨基酸（c）三股螺旋使得甘氨酸残基指轴内，而另外两个残基处于螺旋表面（d）脯氨酸和羟脯氨酸的残基与多肽链结合，增强分子的刚性。形成左手 螺旋,胶原氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响蛋白质二级结构以一级结构为基础.,甘氨酸Gly-,脯氨酸Pro-,羟脯氨酸Hyp-,胶原的二、三、四级结构,三级结构:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。肽链中所有原子在三维空间的排布位置。主要维系力:疏水键、氢键、离子键、Van der Waals力等,对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高结构，并具有全部的生物功能。亚基(subunit)含有两个或多个肽链的蛋白质，每一条肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。主要维系力:疏水键、氢键、离子键、Van der Waals力等,胶原的二、三、四级结构,胶原的超分子聚集,前胶原、原胶原原胶原：构成胶原纤维组织的最小结构单元 即去除N端前肽和C端前肽的前胶原分子不同来源的相同类型胶原的氨基酸组成差别大；同种胶原的不同a链氨基酸组成差别大。,原胶原分子二级结构,原胶原形成胶原纤维,胶原纤维电镜图,61,明胶(gelatin)胶原的水解产物,氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽混合物分子量一般在几万至十几万，无生物活性,水解胶原(collagen hydrolysate)胶原的水解产物,相对分子质量小于明胶，无生物活性,3、胶原、明胶、水解胶原蛋白,胶原(collagen)具有三股螺旋结构域、由三条肽链构成的、能够形成超分子聚集体的一类存在于细胞外基质中的蛋白质。,胶原、明胶和水解胶原的区别,62,明胶和水解胶原蛋白是胶原的变性产物在低温和酸性条件下胃蛋白酶提取胶原，不含端肽，保留三股螺旋结构，约为30万。明胶：胶原经高温作用后，破坏了三股螺旋结构，但仍有a链及其二聚体，小于30万。水解胶原蛋白：较高温度下酶解，X千-5万。,胶原,低温、酸性条件，胃蛋白酶提取三股螺旋结构完整，具有生物活性有成纤性能；促进角质细胞生长胶原止血海绵,明胶,胶原经高温作用三股螺旋结构破坏，无生物活性食用明胶（食品添加剂，肉皮冻子、肉食罐头，奶油糖、饮料、啤酒等）；照相明胶；药用明胶（胶囊、明胶海绵等）；工业明胶。,64,胶原、明胶和水解胶原的区别,思考题,1、I型牛皮胶原的一级结构是怎样影响其空间结构的？维持空间结构的化学键有哪些？2、胶原、明胶、水解胶原的区别与联系,二、胶原的提取,从胶原蛋白较为丰富的组织（例如皮肤和肌腱）中提取传统来源：猪牛羊皮新兴来源：鱼鳞、胎盘、基因生物技术从转基因动物获取重组人胶原蛋白等问题一：如何从原料中提取蛋白？问题二：如何从蛋白中分离胶原蛋白？问题三：如何检验得到的蛋白是胶原蛋白？,从组织中提取I型胶原蛋白关键：破坏胶原蛋白分子间的共价交联提取步骤：前处理粗分级（粗提）细分级（分离纯化）,破碎组织细胞，使蛋白更好地与外界条件接触尽量保持蛋白的天然构象和生物活性注意控制条件必要时加入蛋白保护剂可以先将某一细胞组分分离出来,前处理,动物材料：除脂肪组织-电动捣碎机、匀浆器、超声波植物组织：去种皮-石英砂、玻璃粉细菌细胞：超声波震荡、砂研磨、高压、溶菌酶,称取新鲜猪皮100g，用氯仿/乙醇（2:1）溶液对其进行脱脂后切除皮下脂肪，去毛并细切。将用蒸馏水洗涤后的组织小块放入高速组织捣碎机中捣碎成糊状（12000r/min），用含4.5mol/L NaCl的0.05mol/L Tris-HCl缓冲液（pH 7.5）充分洗涤以去除脂质及血清等成分。低温离心（8000r/min，30min，4OC）。,胶原蛋白提取的前处理,提取胶原蛋白常使用的溶剂是中性盐溶液(0.152mol/L NaCl)或是稀醋酸溶液。前者只适合提取组织中最新合成的胶原以及交联度可以忽略的胶原。稀酸，例如醋酸，0.15mol/L柠檬酸缓冲液，pH值在23之间的盐酸溶液，要比中性盐溶剂更为有效，但仍只能溶解出组织中大约2%的胶原。（端肽）利用10%的NaOH溶液共同处理组织48h左右，可以溶解出大部分胶原。与不溶性胶原结合在一起的脂肪被皂化，非螺旋的端肽被切除，胶原纤维瓦解。最终所得胶原的大小和分子质量，取决于处理时间以及碱的浓度。酶可以将胶原蛋白分子的端肽切除或部分水解，使之易溶于水,提取,纯化,透析超滤凝胶过滤/层析/离子交换色谱密度梯度离心电泳等电聚焦,在粗提胶原蛋白溶液中缓慢加入6mol/L NaOH至pH=7，冷冻离心去除沉淀，在上清液中加入NaCl搅拌，4保存过夜；离心取沉淀，用稀HAc溶解，将溶液装入透析袋中，用0.1mol/L 的Hac透析1天，再用蒸馏水透析1天。,三、胶原的性质,物理化学性质：两性电解质性质、光谱性质、侧链基团的反应活性生物学性质：低抗原性、凝血、促进细胞存活与生长、生物相容性和安全性,1、胶原的物理化学性质,两性电解质性质 等电点：两性粒子正负电荷数值相等时，溶液的pH值。蛋白质等电点的测定方法:酸碱滴定、电泳、Zeta电位 溶液与固体的等电点测定方法,光谱性质原二色谱：稀溶液测定蛋白质二级结构的方法。光学活性物质对组成平面偏振光的左旋和右旋圆偏振光的吸收系数()是不相等的，LR，即具有圆二色性。如果以不同波长的平面偏振光的波长为横坐标，以吸收系数之差=L-R为纵坐标作图，得到的图谱即是圆二色光谱，简称CD。胶原溶液200nm附近有一个强的负吸收峰，210-230nm范围内有一个弱的正吸收峰。正负吸收峰强度的比值的绝对值在之间是判断三股螺旋结构的必要条件。,红外光谱 分子中官能团振动 酰胺 二维红外光谱：研究分子内官能团间相互作用和分子间相互作用的新方法。紫外光谱胶原特征吸收峰230nm左右荧光光谱苯丙氨酸和酪氨酸残基产生。275nm激发，305nm处有最大强度的荧光。,胶原侧链基团的反应活性,与氨基有关的反应脱氨基反应：氨基酸定量与醛反应酰基化反应：保护氨基烃基化反应：氨基酸鉴定,与羧基有关的反应酯化反应：保护羧基酰氨化反应与环氧化合物反应,胶原与酸、碱、盐的作用,胶原对酸、碱有一定的缓冲能力胶原的酸碱膨胀与酸或碱的种类有关 一元酸大于多元酸，有机酸大于无机酸膨胀型盐类：钙盐、钡盐、镁盐、碘化物等，在这些盐的任意浓度溶液中，胶原纤维束缩短、变粗，收缩温度也显著降低。低浓度轻微膨胀，高浓度引起脱水的盐类：氯化钠脱水性大而吸附性小的盐类：硫代硫酸盐、硫酸盐、碳酸盐,胶原与金属离子的作用,2、胶原的生物学性质,胶原的抗原性与制备方法有关，主要体现在端肽上，而胃蛋白酶能去除端肽，因此采用酶法制备的胶原抗原性最低。凝血作用：血小板易与胶原纤维吸附，发生凝聚反应；激活凝血因子。易被人体吸收：原纤维和胶原其他相关的形式具有非常稳定的结构，其寿命至少为6个月，通常会更长。细胞内、外代谢。促进细胞存活和生长的特性,人们已经发现一些疾病过程与胶原降解有关，关节炎就涉及软骨胶原原纤维大范围的,降解。最近的研究表明，胶原的降解对于肿瘤生长和转移是必需的,人们已经发现一些疾病过程与胶原降解有关，关节炎就涉及软骨胶原原纤维大范围的,降解。最近的研究表明，胶原的降解对于肿瘤生长和转移是必需的,四、胶原的改性意义、方法和助剂,1、胶原的改性 针对胶原纤维的改性：制革 针对提取的胶原改性：组织工程、生物医药2、胶原改性的方法 物理：重度脱水（热交联）、紫外光照 化学：侧链修饰和化学交联 共混：,本章学习要求,掌握胶原的四级结构及其三股螺旋结构特征掌握胶原、水解胶原蛋白的区别与联系,