美容护理行业胶原蛋白系列之一：结构、功能、自组装与交联

系列报告背景：随巨子生物、锦波生物上市以及爱美客、华熙生物、丸美股份、福瑞达等企业陆续布局胶原蛋白，胶原赛道关注度持续升温，但市场对于胶原材料仍有许多问题有待明晰。我们推出胶原蛋白专题系列报告，本篇为该系列中的第一篇，本篇基于人体胶原，剖析天然胶原结构性质及其与细胞、组织的相互作用，帮助理解胶原及胶原基医疗器械产品安全性、有效性。 材料概述：氨基酸序列-肽链-三螺旋结构-胶原纤维，29种分型。胶原蛋白是由三条肽链拧成的螺旋形纤维状蛋白质，是人体中含量最多的蛋白质，主要由成纤维细胞合成，具有从氨基酸到肽链、三螺旋再到胶原纤维的四级结构，广泛分布于人体的结缔组织中，如皮肤、软骨和骨、肌腱、韧带等。胶原蛋白具有至少29种分型，其中人体总蛋白中约30%是胶原蛋白。在维持皮肤年轻化过程I型和III型胶原发挥重要机制，两者分别占成人皮肤约80%和15%，其中I型主要发挥支撑功能，III型主要发挥保持水润弹性与修复功能。 作用机理：细胞外基质的主要成分，提供物理填充+组织连接+细胞支撑。1）物理填充：以大分子三螺旋结构为基础，提供稳定的填充效果。2）组织连接：胶原支持细胞生长，胶原蛋白通过与细胞表面受体相互作用，提供连接轨迹促进细胞粘附和迁移。胶原蛋白自组装形成纤维网络，为组织提供连接功能。3）细胞支撑：胶原蛋白三螺旋结构提供力学性能构建纤维状支架为细胞提供高拉伸强度和稳定性。4）细胞外基质主要成分，胶原蛋白三螺旋结构提供活性基础，通过活性位点调控细胞行为，影响细胞调控，促进修复再生，参与细胞增殖、分化和免疫调节。 投资建议：建议关注目前拥有唯一注射级重组胶原蛋白医美材料的重组胶原龙头厂商【锦波生物】；拥有两大重组胶原美妆龙头品牌可复美、可丽金并布局医美管线的【巨子生物】；加速布局胶原蛋白的【丸美股份】、【江苏吴中】、【福瑞达】、【华熙生物】、【爱美客】。 风险提示：宏观经济下行；医美化妆品消费需求不及预期；监管政策变动风险；市场竞争加剧。 1基础构成：从氨基酸到三螺旋，人体内最多的一种蛋白 什么是蛋白质？ 蛋白质（Protein）是生物体内的重要有机分子。蛋白质是由氨基酸分子通过肽键连接而成的长链状分子，血红蛋白、免疫球蛋白、酶、胰岛素、甲状腺激素、生长激素、肌动蛋白、肌球蛋白均属于蛋白质。蛋白质不仅存在于细胞内，还在整个生物体内发挥作用。人类食物中的大部分食物，如肉类、鱼类、蛋类、豆类和奶制品均含有蛋白质，它们是维持身体健康所必需的重要营养素。 什么是胶原蛋白？ 胶原蛋白是人体内含量最丰富的结构和功能蛋白质，约占人体蛋白质总量的1/3。 由于19世纪中期胶原被发现为动物皮肤、肌腱和韧带沸腾所产生胶水的成分，由希腊语“kolla”（胶水）和法语“gene”（生产）组合而成胶原蛋白（Collagen），意为“生成胶的产物”。目前在所有多细胞动物的细胞外基质中均发现胶原蛋白的存在。胶原蛋白在结缔组织中起到支持和连接组织的作用，是皮肤、骨骼、关节、肌肉、血管、牙齿和内脏器官等多种组织的重要成分。动物胶原蛋白属于混合组织，无法测序，本文将针对人体胶原蛋白展开研究。 图1.胶原蛋白由氨基酸构成 1.1序列和结构：氨基酸→肽链→三螺旋→胶原纤维 胶原蛋白四级结构拆解：通常认为只有具有三级以上的结构蛋白质才具有生理功能，而胶原蛋白具有完整的四级空间结构。人体中存在20种基本氨基酸，胶原蛋白的基本结构由大约1000个氨基酸组成，是由3条分子量约为95000Da的肽链以三股螺旋的方式相互缠绕形成的约300kDa的原胶原分子。胶原蛋白基础构成：氨基酸→肽链→胶原蛋白螺旋分子（三螺旋结构）→胶原纤维条→胶原纤维。 1、一级结构：氨基酸序列。一级结构是蛋白质的最基本层次，指蛋白多肽链的氨基酸排列顺序，胶原蛋白中的每条肽链均具有重复的Gly（甘氨酸）-X-Y三联体序列，其中最常见的序列是“甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸”序列（gly-pro-hyp），故甘氨酸约占胶原蛋白的1/3，X和Y以脯氨酸、羟脯氨酸为主，这些氨基酸的排列顺序构成了胶原蛋白的基本结构。 2、二级结构：多肽单链的空间位置排布。二级结构是指氨基酸分子通过肽键连接形成线性的多肽链。多肽主链骨架原子沿一定的轴盘旋或折叠而形成特定的空间位置排布（如α螺旋、β折叠、β转角）或无规则的空间排布。 3、三级结构：三螺旋立体构型。三级结构描述了蛋白质分子的整体立体构型，在二级结构的基础上，三条肽链进一步盘绕、折叠，依靠次级键的维系固定形成特定空间结构。在胶原蛋白中，氨基酸链通常形成“三股螺旋结构”从而使得胶原蛋白在分子层面上具有一定的稳定性。 4、四级结构：胶原纤维。四级结构是由具备三级结构的胶原最终形成的具有不同特定功能和稳定三螺旋结构的胶原蛋白复合物分子。由于多肽链之间的交联，蛋白质分子可以组成更大的结构单元。这些结构单元可以包括多条螺旋蛋白链的交叉连接，从而形成更大、更复杂的结构，进一步加强了分子的稳定性，使其具有强大的拉伸强度和耐受性。胶原分子按规则排列成束，交联形成稳定的胶原微纤维，并进一步聚集形成胶原纤维。 图2.胶原蛋白的四级结构 1.2活性位点：通过细胞受体影响细胞行为，参与生理过程调节 胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的重要成分之一，可通过细胞受体影响细胞行为。 胶原通过细胞表面的胶原受体为细胞的黏附及迁移提供了轨迹及信号传导，细胞表面的胶原受体可分为整合素和非整合素： 1）整合素：α1β1、α2β1、α10β1和α11β1是细胞表面主要的胶原受体，其中α2β1与I、II及III型胶原有较高亲和力，而α1β1则与IV和VI型胶原优先结合。 2）非整合素： DDRs：参与细胞增殖分化，对抗各种癌症和肿瘤进展的新型治疗靶点之一。 GPVI：参与血小板的初期黏附，对正常止血功能的发挥有重要作用。 LAIR-1：抑制性白细胞免疫球蛋白样受体，抗肿瘤新型靶点之一。 胶原蛋白受体通过胶原中的特定氨基酸基序列（即活性位点）来识别胶原蛋白。 通过活性位点与对应细胞受体的结合，胶原蛋白可激活受体并影响细胞的生理过程，包括组织修复和再生、免疫系统调节等。部分位点可在单链发挥作用，部分位点需在三螺旋结构中发挥作用，且相同氨基酸序列存在于不同型别胶原蛋白时所发挥的作用可能不同。 图3.细胞表面存在的胶原蛋白受体主要包括整合素、图4.I、II和III型胶原蛋白上受体结合位点的分布 注1：整合素结合位点对应蓝色，DDRs结合位点对应橙色，LAIR-1结合位点对应绿色，GPVI结合位点对应紫色。 注2：所有条形图为论文作者按比例绘制。 1.3三螺旋结构：重要空间结构，理化性质和生物活性的基础 所有类型胶原蛋白均有三螺旋结构。胶原蛋白的三螺旋结构是由三条多肽链（简称α链），相互缠绕成绳状而形成的右手超螺旋结构，能够容纳胶原蛋白特有氨基酸组成和序列，是维持胶原蛋白生物活性的必要前提。胶原的三股螺旋结构决定了胶原具有良好的生物力学性能。胶原本身是构成细胞外基质的骨架，其三股螺旋结构及交联所形成的纤维或网络对细胞起到锚定和支持作用，并为细胞的增值生长提供适当的微环境。 图5.胶原蛋白三螺旋结构 1.4性质功能：支撑、相容、活性与降解 胶原蛋白是一种白色、不透明的纤维状生物高分子蛋白质，具有以下特性： 1）基本性质：胶原蛋白具有强大的延伸力，具备良好的保水性和乳化性。 2）酶解特性：不易被一般蛋白酶水解，但能被动物胶原酶断裂。断裂的碎片会自动变性，可被普通蛋白酶水解。 3）热变性：胶原蛋白的热变性主要表现为三股螺旋结构的解体。在升温时，胶原蛋白的螺旋结构会发生变化，降温时可以重新形成其原有的三股螺旋结构。 4）溶解性：胶原蛋白是一种两性电解质，具有不同的等电点和溶解性。在酸性或碱性溶液中可溶解，但在中性溶液中则不溶或微溶。溶解度受温度、盐类、pH等因素影响。 5）力学支撑性：具有一定的力学支撑性能，螺旋结构和化学组成影响其力学性能。 三股螺旋结构是维持力学性能的关键，胶原蛋白的交联是改善其力学性质的主要手段。 6）光学活性：具有光学活性，能够旋转偏振光。 表1.透明质酸和胶原蛋白在基础结构及性质上的对比 胶原的水解产物有明胶和水解胶原蛋白，天然的三重螺旋结构已被破坏。胶原蛋白完全降解形成氨基酸。明胶、胶原蛋白肽与胶原蛋白发挥作用完全不同，重要区别在于胶原蛋白具有生物学活性，具备促进细胞生长的性质，而明胶与胶原蛋白肽三螺旋结构被破坏，不具有生物活性。 明胶：在酸、碱、酶或高温作用下的变性产物。虽然氨基酸的组成与胶原蛋白类似，但三条肽链已经打开，失去了三重螺旋空间结构。 胶原蛋白肽：明胶的进一步分解，是在较高温度下用蛋白酶对胶原或明胶进行水解得到。同时受温度和酶的双重作用，水解胶原蛋白的相对分子量比明胶更小，以多肽、寡肽、氨基酸片段的形式存在。 图6.胶原蛋白水解过程及产物 可被降解性：胶原蛋白可被人体降解吸收，胶原酶对胶原的体内降解起关键作用。严格意义上的胶原蛋白专指天然存在于动物体内的结构蛋白，属于大分子蛋白质，且溶解性和加工性能相对较差。市场上胶原蛋白相关产品的名称繁多，常见的有胶原蛋白、胶原蛋白肽、胶原蛋白多肽、胶原肽、胶原多肽、水解胶原蛋白等，也有的称作小分子胶原蛋白、胶原蛋白水解物。实际的胶原蛋白产品大部分经过酶解小分子化，水溶性好。与胶原蛋白相比，胶原蛋白肽分子量更低，具有更好的消化吸收性。大分子胶原蛋白的吸收利用率不足5%，而小分子的胶原蛋白肽具有90%以上的吸收率，许多研究表明胶原蛋白肽具有低致敏性、抗氧化、抗疲劳、增强免疫力、促进矿物质吸收、延缓皮肤衰老、促进骨骼形成等方面的作用。 表2.胶原、明胶、胶原蛋白肽的特性 2亚型分类：至少29种分型，人体胶原中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型为主 胶原蛋白是人体含量最高、分布最广的蛋白质。胶原蛋白约占人体蛋白质总量的25~30%，广泛分布于人体的结缔组织中，如皮肤、软骨和骨、肌腱、韧带、角膜等。正常人90%的胶原存在于皮肤和骨头中。其中皮肤作为人体最大的器官，其成分有70%由胶原蛋白组成，真皮结缔组织中胶原占比更达95%。人体正常骨骼中含有80%的胶原；肌腱组织中胶原含量高达85%（以脱脂后的干重计）。 图7.胶原蛋白广泛分布于人体各组织 目前已发现的脊椎动物体中胶原至少有29种分型，按照发现顺序命名。按照胶原发现的时间顺序，胶原蛋白可以分为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等不同亚型，组成这些胶原的α链至少有46种不同类型，不同胶原类型在生理功能、材料结构、人体分布均有所差异，其中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型胶原蛋白在人体中含量较高。 I型胶原蛋白特点：从材料结构来看，Ⅰ型胶原蛋白纤维粗大、呈条束状，主要用于支撑皮肤硬度，使皮肤坚固，同时可促进上皮细胞生长；从人体分布来看，Ⅰ型胶原蛋白在动物体内含量最多，也是最普遍存在的一种成纤维胶原，约占动物体内胶原总量的90%，主要分布在皮肤、肌腱和骨骼中，在正常胎儿皮肤中占40%左右，成年人皮肤中占80-85%； II型胶原蛋白特点：II型胶原的稳定性和强度赋予组织弹性和韧性。主要存在于软骨组织，占软骨所有胶原的95%，是关节软骨的主要成分，在眼睛玻璃体中也有少量表达，分子结构与I型胶原类似； III型胶原蛋白特点：III型胶原蛋白呈疏网状，主要维持和修复皮肤弹性。从生理功能来看，由于α链组成的差异，III型胶原蛋白相比于Ⅰ型、Ⅱ型胶原蛋白具备更多的受体结合位点，从而活性偏高。Ⅲ型胶原蛋白主要分布在皮肤和血管系统中，在正常胎儿皮肤中占60%左右，成年人皮肤中占15-20%。 表3.29种胶原蛋白分型及主要分布 3作用机理：多重性能维持组织结构、调控生理过程 胶原蛋白通过其在物理填充、细胞支撑、组织连接和细胞外基质方面的多重性能，对维持组织结构、促进细胞生长和调控生理过程起到直接或间接作用。 表4.胶原蛋白主要功能物理填充 3.1物理填充：大分子结构，提供支撑填充效果 作为三螺旋结构的纤维状大分子蛋白质，胶原蛋白具备物理填充属性。胶原蛋白是一种纤维