活 性 collagen of skin 与 化 妆 品

== 具有生理功能的化妆品原料 ==

作者：杨信诚

•  蛋白质慨述

蛋白质是最广泛的一种营养物质，例如：动物体的瘦肉、植物、植物的果实等，这些蛋白质是人类的主要食物。这些食物进入人体内后，经过消化、吸收转变为人体自身所需的蛋白质。通过生物化学研究“人体的物质组成”中获知：由于蛋白质、核酸、多糖及复合脂类等都属于体内的大分子有机化合物，故简称生物分子。通常将分子量大于 10 4 的生物分子称为生物大分子，生物大分子的重要特征之一是具有信息功能，因此 蛋白质（ protein ）是由氨基酸组成的一类生物大分子，它与核酸等其它生物大分子共同构成生命的物质基础。

从各种动、植物组织提取的蛋白质，经元素分析结果表明，所有蛋白质分子都含有碳（ 50 ％～ 55 ％）、氢（ 6 ％～ 8 ％）、氧（ 19 ％～ 24 ％）、氮（ 13 ％～ 19 ％）、硫（ 0 ％～ 4 ％）。除此之外，有些蛋白质还含有少量磷、硒或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼等，个别蛋白质还含有碘。

生物体内蛋白质的种类繁多，单细胞的大肠杆菌就含有 3000 多种。人体含蛋白质种类多达 10 万余种，是细胞中含量最丰富的高分子化合物。在蛋白质分子中，氨基酸之间通过肽键相连。氨基酸通过肽键连接起来形成的化合物称为肽。由两个氨基酸缩合成的肽称为二肽，三个氨基酸缩合成三肽，其余以此类推。通常将十肽以下者称为寡肽，十肽以上者称为多肽。各种蛋白质都有其特定的结构和功能，蛋白质具有众多生物活性的基础就是其结构的多样性。要了解蛋白质的功能及其在生命活动中的重要性，必须从了解它的结构入手。

表 1 － 1 蛋白质按化学组成分类

二、 蛋白质的构象

蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，这种空间结构称为蛋白质的构象。

蛋白质是由一条或几条多肽链组成的大分子。每一条多肽都是由通过肽（酰胺）键连接的氨基酸组成的链。多肽采取的构象取决于其氨基酸序列，并且主要通过大量的弱的相互作用力来实现稳定。任何破坏这种弱作用力的效应（如一定的化学和热）都会导致多肽链的天然构象的破坏，这个过程称为变性。变性常常导致功能活力的降低，这清楚地说明了蛋白质的功能对于蛋白质结构的依赖性。由一条多肽链构成的蛋白质，具有三级结构才具有生物学活性，三级结构一旦破坏，生物学活性便丧失。蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的构象密切相关。蛋白质构象是其功能学活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。在生物体内，某些蛋白质在一些因素的触发下，发生微妙的构象变化，从而调节其功能活性。

多肽链经常被描述为“纤维状”或“球状”。纤维状蛋白采取的是比较简单的三维外形，并且常常是完全拉长的。这类蛋白质分子的长轴与短轴相差悬殊，一般长轴比短轴长 5 倍以上，这就是纤维性蛋白质。如毛发、指甲中的角蛋白、皮肤、骨、牙和结缔组织中的 胶原蛋白 和弹性蛋白等。在生物体系内起结构和保护作用（表 2 ～ 1 ）。球状蛋白采取的是比较复杂的三维外形，这类蛋白质分子的长轴与短轴相差不多，整个分子盘曲呈球状或椭球状。这种球状蛋白的直径一般是 5 ～ 10nm 数量级，这就是球蛋白。如胰岛素、血红蛋白、酶、免疫球蛋白，以及多种溶解于胞液中的蛋白质多属球状蛋白质。

表 2 ～ 1 主要的纤维蛋白及其生物学功能

•  蛋白质的代谢

食物蛋白质在消化道经多种酶的催化，最终水解为各种氨基酸，吸入体内；体内组织蛋白质可经溶酶体或胞液中蛋白酶作用水解成氨基酸，加之其它物质经代谢转变而合成的氨基酸交融在一起分布于全身各组织参与代谢，总称为氨基酸代谢库。大多数氨基酸主要在肝中分解代谢，有些氨基酸则主要在骨骼肌中分解代谢。

肌体内氨基酸代谢概况总结如图 1 ：

图 1 氨基酸在肌体内的代谢概况

氨基酸分解代谢的最主要反应是脱氨基作用，此反应在体内大多数组织细胞内均可进行。

正常情况下，机体各种物质代谢井然有序、相互联系、相互协调地进行，以适应体内外环境的不断变化，保持机体内环境的相对恒定及动态平衡。这是因为机体的物质代谢是在精细的调节下进行的。通过细胞内代谢物浓度的变化，对酶的活性及含量进行调节称为原始调节或细胞水平代谢调节。代谢途径实质上是一系列酶催化的化学反应，其速度和方向是由具有调节作用的关键酶的活性所决定。这些调节代谢的酶称为调节酶或关键酶。

氨基酸可直接作用于细胞，影响细胞的代谢及活性，生、合成人体各项体质等，所以蛋白质有其特殊生理效果。

•  生物活性胶原及其特征

•  胶原的类型及在动物体内的分布

胶原属纤维性蛋白，是动物结缔组织重要的蛋白质。脊椎动物体内所有蛋白质中胶原占据了总量的 30 ﹪，是主要的结构蛋白质。皮肤中有 50 ﹪以上是由胶原蛋白组成。皮肤有如一个大套子紧紧包住身体各处，表面积相当大。人体四肢活动时，皮肤中胶原蛋白发挥功能，又有适当弹性及坚硬度。因此，这种普遍存在于动物体内的硬蛋白质胶原能赋予其连接的组织具有一些长久的特征如机械强度、促进血液凝结等，以达到支持、保护等功能。

随着人们对胶原研究的不断深入，特别是近年来基因工程和克隆技术的飞跃发展。到目前为止，已发现了至少 19 种以上的氨基酸序列不同的胶原蛋白分子。而这些胶原不仅氨基酸残基序列有很大的差别，而且形态结构、分布、物理性质以及生物生理功能也有很大的不同。胶原蛋白对骨关节组织、血小板的凝结、心脏、肺、肾脏、肝脏都有一定的生理作用。 各种类型胶原在体内的分布如表 4 － 1 所示。

表 4 － 1 各类型胶原在动物体内组织的分布

2 、 Ⅰ型胶原的特征

（ 1 ） Ⅰ型胶原具有生物活性

本公司运用专利技术从检疫检验合格的鲜动物皮中精制提取出 Ⅰ型胶原。本胶原经过测试，分子量为 30 万（图 2 ），三股螺旋结构未受破坏。

图 2 Ⅰ型胶原分子量检测图

如图 2 所示Ⅰ型胶原每一条α链形成左手螺旋，每个螺旋结构区大小约 0.87nm ，三条α链又相互缠绕形成右手螺旋结构，每个螺旋结构区大小约 8.6nm ，三股螺旋形成的胶原分子平均分子量约 300KDa ，长度 300nm ，直径 1.5nm 。三股螺旋分子间以一定间距、呈纵向对称交错排列形成原纤维。分子间交错距离为 67nm ，纵向相邻分子间距为 40nm 。化学结构示意图见图 3 。胶原原纤维再聚集形成纤维，然后再形成更大的纤维束。三股螺旋分子的有序聚集使胶原纤维具有一定的强度和韧性。

图 3 Ⅰ型胶原的化学结构示意图

（ a ）氨基酸序列结构

（ b ）一条α链的左手螺旋结构和三条α链形成的右手三股螺旋结构

（ c ）原纤维的聚集结构

如前所述：Ⅰ型胶原特有的三股螺旋结构被完整保留，与人体皮肤的胶原特征结构相同，与人肌肤相容性极好。

（ 2 ）胶原的低抗原性

胶原的抗原性与其它蛋白质比较，要低得多，而且常被认为是没有抗原性的蛋白质。但这取决于胶原的精制方法。不同方法精制的胶原表现出的抗原性不同。图 1 是抗胶原抗体与胶原抗原的反应示意图。其中曲线 a 是含有端肽的胶原与抗体的反应；曲线 b 是不含端肽的胶原与抗体的反应。结果证明，只有不含端肽的胶原才具有非常低的抗原性。

图 1 抗胶原抗体与胶原抗原的反应

曲线 a 有端肽胶原与抗体的结合曲线

曲线 b 无端肽胶原与抗体的结合曲线

由我公司生产的胶原蛋白使胶原的低抗原性得到了优异的体现。具体表现为

•  适合各种肤质的人群，安全无排斥

•  胶原蛋白中的营养成分不流失的通过表皮进入真皮中，而被人体完全有效的吸收和利用。

胶原、明胶和水解胶原蛋白的区别

胶原是构成动物机体的重要功能物质，遍布动物体内的各处器官，并对各器官的正常生理功能的调节起着举足轻重的作用。 胶原 具有其他合成材料无法比拟的生物相容性、可生物降解性以及生物活性， 比如低抗原性、在体内易被人体吸收、能促进细胞成活与生长、促进血小板凝结等。 胶原经特殊处理后，可用于烧伤和创伤治疗、美容、矫形、组织修复、创面止血等医药卫生领域。现已运用于临床中的烧伤创伤治疗的胶原膜，用于美容矫形的胶原医用注射剂，用于创伤止血的胶原止血海绵等。胶原作为一种皮肤结构蛋白质，在护肤品中起着滋润、调理和保湿等作用。 因此，胶原作为天然的生物资源，可以广泛应用于食品、医药、组织工程、化妆品等领域。

明胶是胶原在高温作用下的变性产物，在食品、医药卫生等方面也有重要的应用价值。明胶是一种营养价值较高的低卡保健食品，在食品中的应用有：糖果添加剂，使糖果更富弹性、韧性和透明性；冷冻食品添加剂，比如胶冻剂、稳定剂等；肉制品改良剂，比如作为胶冻剂添加到肉制品中，可以提高产品的 质量 ；此外，还可用作乳制品添加剂，食品涂层材料及蛋糕制作。明胶在医药卫生方面主要用于制作药物胶囊。

水解胶原蛋白是胶原的水解产物，具有更小的相对分子质量，并且更易降解，所以在营养保健品和日用化学品开发方面拥有一定的市场。水解胶原蛋白可用于生物发酵培养基，也可以作为一种高蛋白饲料营养添加剂替代进口鱼粉用于混、配合饲料生产。

胶原、明胶和水解胶原蛋白这三种物质虽具有同源性，但在结构和性能上却有很大的区别。胶原保留特有的天然螺旋结构，在某些方面表现出明显优于明胶和水解胶原蛋白的性能，如胶原止血海绵止血性能优于明胶海绵，作为澄清剂用的鱼胶原如果变性则沉降能力明显降低。然而，目前人们对这三种物质的认识常常产生混淆，认为它们具有相同性质，甚至认为它们是同一种物质。

(1). 胶原、明胶和水解胶原蛋白相对分子质量差异

从图 4 所示的电泳分析图谱可以看出：胶原的相对分子质量最大， 胶原的电泳图有 3 条泳带，在 100KD附近出现的 2 条泳带分别是胶原分子的 a 1 链和 a 2 链，在 200KD 附近出现的 1 条泳带是胶原分子的β链。即 胶原的每条多肽链相对分子质量为 10 万， 3 条多肽链构成一个胶原分子， 1 个胶原分子相对分子质量为 30 万；明胶的电泳分离带为一个连续带，相对分子质量主要分布在几万到 10 万；水解胶原蛋白也是一个连续分离带，但其相对分子质量比明胶小，主要分布在几千到 3 万 。

图 4 胶原、明胶和水解胶原蛋白的电泳分析。

a ：标准相对分子质量； b ：胶原； c ：明胶； d ：水解胶原蛋白

(2). 蛋白质二级结构差别

蛋白质的二级及高级结构是蛋白质功能前提，若被破坏则功能尽失。如何有效提取胶原并保持其高级结构不被破坏是制备生物活性胶原关键问题。圆二色谱是表征蛋白质二级结构的有效手段，已广泛用于测定胶原的二级结构和变性温度。胶原、明胶和水解胶原蛋白的圆二色谱如图 5 所示。

图 5 胶原、明胶和水解胶原蛋白的二级结构

典型的胶原螺旋圆二色谱是在 220nm 左右有个弱的正的吸收峰，在 190nm 左右有个大的负吸收峰。而变性胶原的产物——明胶和水解胶原蛋白，在 220nm 左右没有正的吸收峰，在 190nm 左右有个负的吸收峰。因此明胶和水解胶原蛋白是典型的无规卷曲构像。造成明胶和水解胶原蛋白二级结构区别于胶原的螺旋结构是由于高温、强碱等苛刻制备条件已使胶原的二级结构瓦解，甚至一级结构也遭受到破坏，相对分子质量降低。因此，在功能发挥方面，胶原就表现出许多区别于明胶和水解胶原蛋白的性能，如胶原有良好抗皮肤衰老功效。

(3) ．胶原的变性温度测定

变性温度是胶原的稳定性一个参数，它跟胶原来源有着很大的关系，一般与动物的体温和生活环境的温度相关。变性的过程伴随着胶原的螺旋结构的解旋，粘度会逐渐降低，许多特有的性能也会丧失，最终变为明胶。粘度法也广泛用于测定胶原变性温度，胶原、明胶和水解胶原蛋白的比容增比粘度与温度的关系如图 6 所示。

图 6 胶原、明胶和水解胶原蛋白的变性温度

粘度变化 50 ％时候的温度即为胶原的变性温度，从图 3 可得胶原的变性温度为 37.5 ℃ 左右，而明胶和水解胶原比容增比粘度只有细微变化，无明显的变性温度。

（ 4 ） . 再纤维性的对比

将胶原、明胶和水解胶原蛋白在模拟生理条件（与动物体内相似的温度和中性盐含量）下放置 25min ，期间不断观察其吸光度的变化，得到它们的纤维形成曲线，如图 7 所示。

从图8可以看出，在实验条件下胶原溶液吸光度在短时间内即快速增大，然后到达一个相对稳定的平台。而明胶和水解胶原蛋白在实验的整个过程中吸光度都基本保持不变。这是由于胶原溶液在生理条件下，胶原分子之间能再度相互连接形成纤维，导致吸光度上升。由此说明：只有胶原溶液具有独特的再纤维性质，而它的变性产物明胶和降解产物水解胶原蛋白则不具有这样的性质。
用扫描电子显微镜观察胶原按照以上条件形成的胶原纤维的结构，如图5所示。
图8 胶原再纤维的扫描电子显微镜图

图8表明，胶原的再纤维呈多孔网状结构。这是因为胶原溶液中的胶原分子仍然保留其三股螺旋结构，所以在适当的条件下，溶液中的胶原分子靠氢键或分子间作用力连接，再度以四分之一交错排列的方式形成纤维束。而明胶和水解胶原蛋白的三股螺旋结构都被破坏，而且这种破坏是不可逆的，因而丧失了再纤维性。所以，胶原、明胶和水解胶原蛋白中，只有胶原才具有再纤维的生物活性。这也决定了它们在应用上的不同。

（ 5 ）、荧光标记样品的性能比较

在大白鼠背脊皮肤涂上荧光标记样品后，立即处死大白鼠，剥取皮肤，观察三种样品初始分布 , 其荧光显微镜图见图 9 中 A 1 、 B 1 、 C 1 ； 12h 后处死大白鼠，剥取皮肤，其截面的荧光显微镜图见图 9 中 A 2 、 B 2 、 C 2 。

刚涂上样品时： A 1 胶原， B 1 明胶， C 1 水解胶原蛋白；涂上样品 12h 后： A 2 胶原， B 2 明胶， C 2 水解胶原蛋白

图 9 在大白鼠皮肤上涂布 TRITC 标记样品的荧光显微镜图

从图 9 中 A 1 、 B 1 、 C 1 可以看出，荧光标记样品初始分布都比较均匀，没有渗透到皮肤以及毛囊中去。而从图 9 中 A 2 、 B 2 、 C 2 可以看出，三种样品都渗透到毛囊中去，但是在皮肤表面的情况却有所不同：胶原在皮肤表面和毛囊中都有存在，并且在皮肤表面均匀分布，表明活性胶原对水的分散性很好，溶入了皮肤；明胶也存在于皮肤表面和毛囊中，但是在皮肤表面分布不如胶原均匀；水解胶原蛋白几乎都渗透到毛囊中。留在皮肤表面的样品可以维持正常水分，起到保湿作用。对于渗透到皮肤及毛囊中的样品可以从角质形成细胞培养实验来说明它们对皮肤的生理作用。

（ 6 ） . 细胞生物学性能对比

胶原和明胶以及水解胶原蛋白对细胞生长的影响也存在很大的区别。采用角质形成细胞分别在胶原、明胶和水解胶原蛋白底物上进行细胞培养时，培养 10 小时后用显微镜观察到的细胞生长繁殖情况如图 10 所示。

图 10 角质形成细胞在胶原 (A) 、明胶 (B) 、水解胶原蛋白 (C) 和培养皿 (D) 上的培养图片

图10的结果证明，胶原上培养的细胞的生长繁殖能力明显优于在明胶和水解胶原蛋白上的培养效果，实际上明胶和水解胶原蛋白对细胞的生长繁殖作用与空白样相差不大。因此可以认为明胶和水解胶原蛋白丧失了胶原的天然结构，已不具有生物活性。

4 、Ⅰ型胶原的生理作用

皮肤是人体最大的器官，成人的皮肤面积为 1.2 － 2.0 ㎡。皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成，并与其下的组织相连。

如图 11 所示，人和动物的皮肤主要由表皮、真皮、基底膜构成。

•  表皮是皮肤的最上层，都是由角蛋白组成（角蛋白属于纤维性蛋白），从下到上分别是基底细胞层、棘细胞层、颗粒细胞层、透明层和角质层，根据年龄的不同表皮更新时间约 30 ～ 75 天。基底膜带将表皮与真皮紧密连接起来。而表皮得代谢产物则可通过基底膜进入真皮。

•  真皮是整个皮肤的支架结构，由胶原纤维、网状纤维、弹性纤维（以上属纤维性蛋白）、细胞和基质组成。胶原纤维是真皮结缔组织的主要成分。具有纤维韧性大，抗拉力强，可使皮肤承受较大拉力。与弹性纤维配合，使皮肤具有弹性。真皮中的细胞主要有成纤维细胞、肥大细胞、巨噬细胞、淋巴细胞及噬黑素细胞等。成纤维细胞产生纤维和基质。网状细胞是一种未成熟的胶原纤维。

•  基底膜位于表皮、真皮交界处，是细胞代谢的重要场所（引用《美容皮肤科学》一书中提到的：皮肤内的蛋白质可分为纤维性蛋白质和非纤维性蛋白质两大类。前者主要包括角质形成蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等，后者包括细胞内的核蛋白以及调节细胞代谢的各种酶，其分布在真皮的基质和基底膜带中，常与黏多糖类物质结合形成黏蛋白。）

图 12 Ⅰ型胶原溶入表皮后在基底膜上的代谢概况

图 13 活性胶原与人体皮肤的相溶性

如图所示：将活性胶原（ collagen of skin ）涂抹在皮肤表面，因活性胶原的分子量和结构与人体皮肤相同，所以活性胶原快速溶入表皮，在体温 36.5 ℃的条件下，又在体内胶原酶的作用下，将活性胶原分解成多肽、单肽，又在其他酶的作用下分解成二十余种氨基酸。

Ⅰ型胶原溶入表皮的角质层内（基底层又叫生发层）在基底膜各种酶的降解下，分解成甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、赖氨酸等 20 余种氨基酸。（在基底膜上的代谢状况如图 12 ）

•  由台湾江晃荣博士所论述的：氨基酸可直接作用于细胞，影响细胞的代谢及活性，合成人体各项

体质等。又如《美容皮肤科学》一书中提到的：可促进基底细胞的增生，加快表皮的新陈代谢及更新，保持年轻态的更新周期（更新时间约 30 天左右），如表皮生长因子及环鸟苷酸等。通过代谢产生出的氧化供能在表皮中形成了保湿因子，很好的锁住水分使表皮柔嫩光泽。

复肌肤弹力和光泽。

新际公司生产出来的Ⅰ型胶原（ collagen of skin ） 是利用专利技术从检疫检验合格的鲜动物皮中精制提取的具有生理功能的活性物质，利用此天然原料可开发出有效防止日晒斑、色斑、黄褐斑的产生、延缓皮肤衰老、修复受损肌肤的新型护肤品，这种美容护肤品即将问世。

参考文献：《美容皮肤科学》 主编：张信江 涂彩霞

《皮肤科学与化妆品功效评价》 主编：张怀亮 刘玮

《生物化学》 主编：潘文干

《美化容颜的天然处方》 主编：陈仁

《胶原蛋白的神奇疗效》 作者：江晃荣博士 （台湾）

引入四川大学李国英博士的部分论文。

成都新际生物活性胶原开发有限公司

2007 年 6 月