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膠原蛋白的種類及其在組織中的分布根據其結構，可以分為纖維膠原、基膜膠原、微纖維膠原、錨定膠原、六邊網狀膠原、非纖維膠原、跨膜膠原等。根據它們在體內的分布和功能特點，可以將膠原分成間質膠原、基底膜膠原和細胞外周膠原。間質型膠原蛋白分子占整個機體膠原的絕大部分，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型膠原蛋白分子。
I型膠原的序列結構 I型膠原分子含有3條α 多肽鏈每條鏈含有1000多個氨基酸不同的脊椎動物I型膠原α 鏈的氨基酸序列結構只有微小的差別。 α 多肽鏈中每3個氨基酸序 膠原類型 組織分布 I 型 皮膚、骨、角膜、肌腱、腫瘤 Ⅱ型 軟骨、玻璃體 Ⅲ型 皮膚、子宮壁、血管壁 Ⅳ型 基底膜、胎盤 V 型 皮膚、胎盤、羊膜 Ⅵ型 子宮壁、皮膚、角膜 Ⅶ 型 羊膜、皮膚 Ⅶ 型 內皮細胞 Ⅸ型 軟骨 x 型 軟骨 Ⅺ 型 軟骨、脊椎盤 Ⅻ 型 皮膚、腱 xⅢ型 內皮細胞 列組成中就有一個重復的甘氨酸因為甘氨酸有zui小的側鏈基團這樣的序列結構使α 鏈間的距離縮短、 空間zui小鏈與鏈間緊靠在一起形成的螺旋結構更穩定。大約有35%的重復結構單元Gly-X-Y中的X和Y殘基分別為脯氨酸和羥脯氨酸。 羥脯氨酸是由脯氨酸被脯氨酰羥化酶羥基化作用后演變而來的其羥基對于氫鍵的形成以及三股螺旋結構的穩定都是必需的。 羥脯氨酸在膠原的氨基酸組成中含有大約10%的量其含量可用于定量測定膠原。此外I型膠原的螺旋和非螺旋結構區還含有賴氨酸和羥賴氨酸與羥脯氨酸的形成類似羥賴氨酸是在內質網內通過賴氨酰羥化酶的作用由賴氨酸的羥基化作用而形成的。賴氨酸和羥賴氨酸殘基的共價交聯有利于膠原分子三股螺旋結構的穩定同時羥賴氨酸的形成有利于糖組分的吸收，可以發生半乳糖化或葡萄糖半乳糖化通過羥賴氨酸殘基位點發生O-糖基化。
1.2 結構
膠原與大多數合成聚合物相比具有*的生理和生物特性這主要來源于膠原分子結構的復雜性。I型膠原每一條α 鏈形成左手螺旋每個螺旋結構區大小約0.87nm3條α 鏈又相互纏繞形成右手螺旋結構每個螺旋結構區大小約8.6nm三股螺旋形成的膠原分子平均分子量約300kDα長度300nm直徑1.5nm。三股螺旋分子間以一定間距、呈縱向對稱交錯排列形成原纖維。 分子間交錯距離為67nm縱向相鄰分子間距為40nm。膠原原纖維再聚集形成纖維然后再形成更大的纖維束。 三股螺旋分子的有序聚集使膠原纖維具有一定的強度和韌性。 (α)氨基酸序列結構 1 條 α 鏈的左手螺旋結構和 3 條 α 鏈形成的右手三股螺旋結構 (c)原纖維的聚集結。
2.1 生物醫學材料與臨床應用
由膠原制成的手術縫合線既有與天然絲一樣的高強度又有可吸收性在使用時既有優良的血小板凝聚性能止血效果好又有較好的平滑性和彈性縫合結頭不易松散操作過程中不易損傷機體組織。膠原于不同的細胞之間存在很強的親和力與在傷口的愈合過程中起到關鍵作用的生長因子間也有著特殊的親和力在血液凝固后還可以通過刺激組織的再生與修復來防止再次發生出血所以膠原可以作為凝血材料。 同時用合成材料或膠原蛋白在血漿代用品、 人造皮膚、人工血管、 骨的修復和人工骨和固定化酶的載體等方面的研究和應用方面都十分的廣泛。
2.2 美容與保健
膠原蛋白由動物皮提取皮中除膠原蛋白外還含有透明質酸、硫酸軟骨素等蛋白多糖它們含有大量極性基團是保濕因子且有阻止皮膚中的酪氨酸轉化為黑色素的作用故膠原蛋白有保濕、美白、防皺、祛斑等作用可廣泛應用于美容、美膚、美發用品中。膠原蛋白的美容功能主要是保濕作用、修復皮膚、美白作用、潤澤頭發它的保健功能主要體現在減肥、降壓、降血脂、補鈣和排出體內的鋁。
2.3 在食品中應用
膠原蛋白在食品中有兩方面的應用一是功能二是營養。人們食用含膠原蛋白豐富的食品能有效地增加皮膚組織細胞的儲水能力增強和維持肌膚良好的彈性延緩肌體的衰老同時還可強筋健骨增強體質。利用膠原蛋白的成膜性可將其用作固化酶的膜材料和肉食品標簽現已經在歐洲實際應用膠原蛋白可作為食品粘合劑合成纖維膜用作肉類、魚類等的包裝紙。此外膠原蛋白還可作為食品保護層具有抗氧化性可保持肉食品的顏色鮮亮。
2.4 在其他工業的應用
制革工藝過程中剩下的廢棄物中含有豐富的膠原蛋白可以提取出來用作飼料的動物蛋白資源實現資源利用同時近年來膠原蛋白在造紙工業、 制革工業、Et用化工業等輕工業中也有越來越多的應用。隨著研究技術的不斷發展和進步對于膠原蛋白的研究也將繼續的深入膠原蛋白也將應用的更加廣泛。
3 利用轉基因生物反應器生物試劑膠原蛋白
3.1 轉基因生物反應器
轉基因生物反應器通常利用以下生物體為材料細菌(主要是大腸桿菌)、酵母(畢赤酵母、釀酒酵母)、單細胞藻類、昆蟲細胞、哺乳動物細胞、哺乳動物的轉基因反應器(奶牛、奶山羊、兔、豚鼠、大鼠或小鼠)以及動物膀胱上皮細胞反應器。 由于細菌繁殖快且培養條件要求低因此是轉基因生物反應器的材料。目前有不少藥用蛋白在大腸桿菌中成功地進行了轉基因表達并且實現了工業化生物試劑如人胰島素、干擾素及蛋白酶抑制劑等。然而大腸桿菌有個致命的缺陷即大腸桿菌表達系統無法進行蛋白翻譯后修飾，對于一些具有構象的人的藥用蛋白利用大腸桿菌表達后無法糖基化。同時由于大腸桿菌是原核生物沒有ER因此也沒有能幫助蛋白質折疊成構象的分子伴侶蛋白及一些修飾合成蛋白如羥基化、形成二硫鍵的酶。另外大腸桿菌表達的產物在分離時如稍有疏忽就會含有一些熱原甚至還可能混有大腸桿菌自身的內毒素這些都是潛在的隱患。膠原蛋白這種復雜的蛋白在大腸桿菌表達系統中表達顯然是無法形成結構的。 酵母作為一種真核生物自然具備分子伴侶蛋白以及一些糖基化、羥基化、 乙酰基化的酶對于一些具有結構的蛋白及需要在合成后修飾的蛋白是比較理想的而且酵母細胞的培養條件也較哺乳動物細胞低得多非常適宜于大規模的工業化發酵生物試劑。目前國內生物試劑的乙肝疫苗都是利用酵母生物試劑的。然而酵母系統對于翻譯后加工的蛋白并非*等同于哺乳動物因而由酵母系統所生物試劑的重組蛋白可能會有一些不符合要求的特性如免疫原性、活性低等。活性低可能是由于重組蛋白側鏈殘基上的糖基化程度太高所致。 至于以昆蟲細胞作為表達系統來生物試劑轉基因重組蛋白目前還處于實驗室水平雖然有些表達系統的產量很可觀。這一系統的糖基化形式很特別相比較 而言桿狀病毒系統更加適合實驗室水平的生物試劑。哺乳動物細胞是生物試劑一些哺乳動物藥用蛋白的的系統但它的培養條件將其局限在實驗室的水平上。在生物試劑成本、所需設備與時間、生物試劑管理、產物的純化提取等方面轉基因哺乳動物的反應器都具有無比的*性。有數據表明建立一個10000L規模的哺乳動物細胞反應器要用時3-5年花費2.5億-5.0億美元而以一個大型哺乳動物的作為反應器的轉基因 “生物農場” zui多花費不超過8000萬美元甚至更少。
鑒于上述優點轉基因生物反應器已經是當前開發的熱點目前由表達轉基因重組蛋白的量有的可以達到每升幾克的水平。首先是轉基因的牛或者羊從出生到性成熟能泌乳需要較長的時間其次還有泌乳周期的間斷問題對于較小的動物如兔、大鼠雖然周期短但是泌乳量又受到限制而像胰島素、白細胞介素、腫瘤壞死因子等藥物蛋白對動物體自身也有毒副作用當其在中高水平表達時可能通過組織周圍的微血管被重新吸收對動物體本身嚴重不利嚴重的還會造成動物死亡，這就限制了這些蛋白只能以前體或者非活性的形式在中表達。雖然轉基因生物反應器還存在一些問題且目前的技術手段還無法克服但是綜合生物反應器的優點用其生物試劑功能蛋白的前景還是美好的畢竟還沒有一種生物反應器更具有*性與吸引力。
3.2 利用轉基因生物反應器生物試劑膠原蛋白
膠原蛋白是結構蛋白與其他一些功能蛋白相比膠原蛋白對于宿主本身是很溫和的至少不會因為被宿主本身吸收而對宿主產生毒副作用。早在1987年Schnieke等就將人I型原膠原蛋白[Proα1(I)]基因導入到Proα1(I)缺陷的鼠Mov-13細胞系中[此細胞系正常表達Proα2(I)]獲得了具有正常功能的人鼠雜合的I型膠原蛋白。 Toman等則在釀酒酵母中同時表達了4種基因即Proα(I)、 Proα2 (I)和P4H酶的2種亞基的基因獲得了穩定表達的重組人I型原膠原蛋白異源三聚體。1999年有報道將完整膠原蛋白的Proα1(I)與Proα2(I)基因轉入小鼠并在小鼠中表達。Toman等也獲得了轉Proα1(I)原膠原基因的小鼠中表達的原膠原量已達到8 mgmL且所獲得的原膠原蛋白能夠形成同源三聚體的 結構但不足的是Pro與Lys殘基羥基化程度不夠。同源三聚體的I型膠原蛋白與成纖維原的I型膠原蛋白異源三聚體有相似的Tm 值且長度相似在正常的組織中有I型原膠原蛋白同源三聚體存在的現象。 John等在小鼠中表達了Proa2(I)與P4H的d與B亞基的基因在中獲得的原膠原的產量達到50-200txgmL原膠原上的脯氨酸殘基羥基化程度與生物體正常的原膠原一致并能形成同源三聚體結構還有熱穩定的三螺旋結構域。但是Toman和John等在小鼠中獲得的都是成熟膠原的前體形式---原膠原。以這樣的形式在中表達分泌蛋白是優是劣還不能一概而論，就是對于膠原這樣的結構蛋白而言也很難加以評判。因為成熟的膠原蛋白的溶解度要比原膠原低幾個數量級所以在中分泌不會對宿主本身造成麻煩，但問題是以前體的形式分泌要想成品化還要通過N端、C端蛋白酶的消化以去掉前肽。
迄今，I型膠原蛋白的轉基因生物試劑還處在實驗室的規模還沒有在大的家畜(奶牛或者奶山羊)中表達的報道。然而面對日益增長的對膠原蛋白的需求在牛或者羊的中生物試劑I型膠原蛋白勢在必行目前作者所在實驗室正著手這方面的研究。雖然生物反應器生物試劑蛋白還有很多問題需解決但是隨著技術水平的進步新技術平臺的不斷出現這些問題也會迎刃而解。由于生物反應器生物試劑的重組人的藥用和食甩蛋白是在zui接近人體自然狀態下合成的，所以有著很大的潛力和商業價值。在不久的將來有很大一部分的人源性的藥用或食用蛋白會在生物反應器中得到生物試劑。
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