角蛋白
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角蛋白的重要功能角蛋白是一种重要的蛋白质,在生物体内具有多种重要的功能。
本文将就角蛋白的重要功能展开讨论。
1. 细胞结构支持:角蛋白是角质细胞中主要的结构蛋白质,它们以纤维状排列,形成角质层。
角质层是皮肤、毛发、指甲等组织的主要组成部分,能够提供稳定的结构支撑和保护作用。
角蛋白的存在使得这些组织具有一定的强度和耐磨性,能够抵抗外界压力和摩擦。
2. 皮肤屏障功能:皮肤是人体最大的器官,具有防御外界环境的功能。
角蛋白在皮肤中形成了密实的角质层,起到了阻隔外界物质的作用。
这一层角质层能够防止水分的流失,同时也能够防止细菌、病毒等有害物质的侵入。
角蛋白的存在使得皮肤具有了保水和抵御外界侵害的能力。
3. 保护作用:角蛋白形成的角质层不仅在皮肤上起到保护作用,在其他组织中也发挥着类似的功能。
例如,在动物的角质质壳中,角蛋白能够提供坚硬的保护层,保护内部组织免受外界的伤害。
在植物的角质层中,角蛋白能够起到防止水分流失、抵御紫外线和病原体侵害的作用。
4. 转运功能:角蛋白在细胞内还具有转运功能。
在角质细胞中,角蛋白可以与一些重要的物质结合,帮助它们在细胞内的运输和分布。
例如,在角质细胞中,角蛋白可以与维生素D结合,帮助其在细胞内的转运和利用。
这些物质的转运对于细胞内代谢的正常进行具有重要意义。
5. 调控基因表达:角蛋白在细胞核中也发挥着重要的调控作用。
研究表明,角蛋白可以与细胞核内的某些蛋白质结合,参与基因的表达和调控。
这种调控作用可以影响细胞的分化、增殖和功能。
角蛋白的调控作用对于维持细胞的正常功能和组织的稳定至关重要。
角蛋白作为一种重要的蛋白质,在生物体内具有多种重要的功能。
它不仅构建了细胞和组织的结构,提供了稳定的支撑和保护,还参与了细胞内物质的转运和基因的调控。
角蛋白的功能对于维持生物体的正常生理功能和适应外界环境具有重要意义。
对于角蛋白的研究不仅有助于揭示其功能的机制,也有助于开发相关的药物和治疗方法。
角蛋白材料的研究现状及发展前景角蛋白材料的研究现状及发展前景引言:角蛋白是一种在动物体内广泛存在的蛋白质,主要存在于角质层细胞中,具有优异的结构和功能特性。
在材料科学领域,角蛋白一直备受关注,因其独特的机械强度、生物相容性和可降解性,被认为是一种潜力巨大的生物材料。
本文将探讨角蛋白材料的研究现状以及其未来的发展前景。
1. 角蛋白材料的研究现状1.1 角蛋白的提取和制备方法角蛋白的提取方法主要有物理方法、化学方法和酶解法等,物理方法包括医药植物中提取、生物工程法、分子克隆法等,化学方法主要是通过溶解角质层中的角蛋白,酶解法则通过加入适当的酶解剂将角蛋白降解成合适的形态。
制备角蛋白材料的方法包括溶液法、电极沉积法、电喷雾成型法和三维打印等。
1.2 角蛋白材料的物理性能角蛋白材料的物理性能直接影响其在医学、生物工程和环境领域的应用。
角蛋白材料具有良好的力学强度、韧性和稳定性。
研究表明,角蛋白材料的力学性能可以通过改变提取和制备方法来调控,如改变酶解剂浓度和反应时间等。
此外,角蛋白材料还具有较好的透气性、吸湿性和保储性等特性,可以在一定程度上模拟人体角质层的生理特性。
1.3 角蛋白材料的生物相容性和可降解性角蛋白材料具有良好的生物相容性和可降解性。
研究表明,角蛋白材料在体内可以被降解为无毒无害的物质,同时不会引起明显的异物反应和炎症反应。
因此,角蛋白材料被广泛应用于医学领域,如细胞培养基、创伤敷料、皮肤修复和骨组织工程等。
值得一提的是,角蛋白材料还具有促进伤口愈合和组织再生的功能,对细胞增殖、迁移和分化具有良好的促进作用。
2. 角蛋白材料的发展前景2.1 在医学领域的应用前景随着生物材料在医学领域的应用越来越广泛,角蛋白材料作为一种具有生物相容性和可降解性的材料,可以应用于创伤修复、组织工程和再生医学等方面。
例如,角蛋白材料可以用于修复皮肤烧伤、创面以及软骨和骨组织的再生。
此外,角蛋白材料还可以用作药物携带体系,延缓药物释放,并提高药物的生物利用度。
角蛋白的重要功能角蛋白是一种重要的蛋白质分子,在生物体中具有多种功能。
本文将从多个角度探讨角蛋白的重要功能。
1. 结构支持和稳定性:角蛋白是一种结构性蛋白质,广泛存在于动物体内的角质组织中。
角蛋白通过形成交联网络,为角质细胞提供支持和稳定性。
这种支持和稳定性使角质细胞能够抵御外界压力和损伤,保护生物体内部组织免受外界环境的侵害。
2. 保护作用:角蛋白在皮肤、毛发和指甲等组织中起着保护作用。
在皮肤中,角蛋白形成角质层,阻止水分的流失和外界有害物质的侵入。
角质层的形成离不开角蛋白的参与,它们在细胞中逐渐变得坚硬,形成一层层的保护层。
3. 透明度和折射率调节:角蛋白在眼睛的晶状体中起着重要作用。
晶状体是眼睛的一个组织,它负责将光线聚焦在视网膜上。
晶状体中的透明度和折射率的调节主要依赖于晶状体细胞中的角蛋白。
通过调节角蛋白的水合程度,晶状体能够改变透明度和折射率,从而使眼睛能够正常聚焦光线。
4. 硬度和弹性:角蛋白在动物体内的骨骼、鳞片和甲壳等组织中起着赋予硬度和弹性的重要作用。
例如,鱼类的鳞片和昆虫的外骨骼中含有大量的角蛋白,使它们能够抵御外界的冲击和压力。
角蛋白的高度交联结构赋予这些组织硬度和弹性,使它们能够适应各种环境。
5. 水分调节:角蛋白在皮肤和毛发中具有调节水分的重要功能。
皮肤中的角质层由角蛋白构成,它能够通过吸收和释放水分来调节皮肤的湿度。
角蛋白具有一定的亲水性,能够吸附水分,保持皮肤的水分平衡。
当环境湿度低时,角蛋白会释放水分,帮助皮肤保持湿润。
6. 生物胶原纤维形成:角蛋白参与了胶原纤维的形成过程。
胶原纤维是一种重要的结构蛋白,存在于动物体内的结缔组织中。
角蛋白通过与胶原蛋白相互作用,促进胶原纤维的形成和组装。
胶原纤维的形成对于维持组织的结构完整性和弹性至关重要。
角蛋白作为一种重要的蛋白质分子,在生物体内具有多种重要功能。
它不仅能够提供结构支持和稳定性,还能起到保护作用、调节透明度和折射率、赋予硬度和弹性、调节水分以及参与胶原纤维的形成。
角蛋白的分类角蛋白是一类重要的结构蛋白,广泛存在于动物体内,起着维持细胞形态和结构稳定性的重要作用。
根据其结构和功能的差异,角蛋白可以分为角质蛋白、鳞状蛋白和硬蛋白三类。
一、角质蛋白角质蛋白是角蛋白家族中最为典型的一类蛋白,主要存在于角质细胞中,是组成角质层的主要成分。
角质层是皮肤的外层,具有保护作用,能够防止外界物质和微生物的侵入,同时还能减少水分的流失。
角质蛋白的特点是含有大量半胱氨酸残基,形成二硫键,增加了蛋白质的稳定性。
角质蛋白还具有较高的含硫量和含氨基酸的含量,这些特性使其具有较好的抗菌和抗氧化性能。
二、鳞状蛋白鳞状蛋白主要存在于皮肤、毛发和指甲等组织中,是细胞外表面的一种结构蛋白。
它具有丰富的β-折叠结构,形成稳定的α螺旋结构。
鳞状蛋白的主要功能是保护和支持细胞,保持细胞的形态和结构稳定。
此外,鳞状蛋白还能够吸附和保持水分,起到维持皮肤湿润的作用。
三、硬蛋白硬蛋白主要存在于动物的硬组织中,如鸟嘴、爪子、角和鳞片等。
硬蛋白具有极高的机械强度和耐磨性,能够有效保护动物的身体。
硬蛋白的特点是富含半胱氨酸和甲硫氨酸等含硫氨基酸,形成稳定的二硫键和硫醚键,增加了蛋白质的稳定性和硬度。
通过对角蛋白的分类了解,我们可以看到角蛋白在维持细胞形态和结构稳定性方面起着重要作用。
角质蛋白在构建角质层的同时保护皮肤免受外界侵害;鳞状蛋白能够保持皮肤的湿润并提供支持;硬蛋白则赋予动物的硬组织极高的机械强度和耐磨性。
这些角蛋白的功能和特性不仅为生物体提供了各种保护作用,也为人们研究角蛋白的生物学功能和应用提供了有力支持。
角质蛋白、鳞状蛋白和硬蛋白是角蛋白家族中的三大类别,它们在维持细胞形态和结构稳定性方面发挥着重要作用。
通过研究这些角蛋白的结构和功能,我们可以更好地理解生物体的生理过程,并且为开发新的生物材料和药物提供理论基础。
角蛋白分子量角蛋白是一种重要的蛋白质分子,广泛存在于动物界中,尤其是在鸟类和爬行动物的角质部分。
它担负着保护和支持组织的重要功能,同时也参与了生物体其他许多重要的生理过程。
角蛋白是一种高度硬化且不溶于水的蛋白质。
它具有特殊的物理性质和化学性质,这使得角蛋白在生物体中具有独特的功能和重要的生物学意义。
角蛋白分子量主要取决于物种的不同。
一般而言,成年人的角蛋白分子量在15到30千道尔顿之间,其中鸟类的角蛋白分子量较小,约为10千道尔顿左右;而爬行动物的角蛋白分子量较大,约为20到30千道尔顿。
此外,角蛋白中还含有一些辅助蛋白质,它们的分子量不一,但一般较小。
角蛋白的分子量与其在生物体中的功能密切相关。
角蛋白的主要功能是提供结构支持和保护。
例如,鸟类的羽毛中含有角蛋白,它能够使羽毛变得坚硬,起到保护鸟体的作用。
爬行动物的角质部分如蜥蜴的鳞片、乌龟的外壳等,也含有角蛋白,能够提供保护和支持。
同时,角蛋白在昆虫的外骨骼中也起到了结构支撑的作用。
除了结构功能外,角蛋白还参与了一些重要的生理过程。
例如,角蛋白在动物的角质上存在,能够起到抗菌和防水的作用。
这是因为角蛋白中的分子量较大,且其结构中含有许多疏水基团。
这些疏水基团能够与水分子形成亲水作用,从而使角蛋白变得不溶于水,并能阻挡细菌的入侵。
同时,角蛋白还具有一定的抗紫外线辐射和机械压力的能力。
这是由于角蛋白分子链存在交联的特点,使得其结构更加稳定和硬化,能够有效地吸收和分散紫外线辐射,并能够抵御机械压力的作用。
尽管角蛋白在生物体中具有许多重要功能,但它的分子量并不是唯一影响其功能的因素。
角蛋白的分子结构、氨基酸序列以及其他蛋白质与之的相互作用等因素也会对其功能产生影响。
因此,研究角蛋白的分子结构和功能机制是非常重要的。
总之,角蛋白是一种重要的蛋白质分子,其分子量与物种的不同。
角蛋白具有提供结构支持和保护以及参与其他重要生理过程的功能。
通过研究角蛋白的分子结构和功能机制,可以更好地了解生物体的生物学过程,并有助于开发相关的应用技术和药物。
人发角蛋白生物材料的医学应用
角蛋白是一种重要的生物材料,广泛存在于动物体内,如角质、鳞状上皮、指甲、毛发等。
角蛋白具有卓越的力学性能和生物相容性,因此被广泛应用于医学领域。
一、修复骨组织
角蛋白在修复骨组织方面具有重要的作用,可用于替代硬组织,如骨材料、骨胶原基质和羟基磷灰石等。
研究表明,角蛋白可以极大地促进骨细胞的生长、迁移和分化,从而促进骨缺损部位的再生。
另外,角蛋白也可用于骨修复的生物支架材料,使骨细胞可以在其表面上生长和形成。
二、治疗软组织损伤
角蛋白也可以应用于治疗各种软组织的损伤,如肌肉、皮肤、肌腱和韧带等。
研究表明,角蛋白可以增加软组织细胞的黏附和分化,从而促进损伤组织的再生和修复。
例如,角蛋白可用于治疗皮肤烧伤和创伤,可用于制备皮肤修复的生物支架材料,有助于加速创面愈合和减轻炎症反应。
三、修复软骨损伤
角蛋白也可以用于修复软骨组织的损伤。
软骨组织是一种具有良好弹性和减震性能的特殊组织,但容易遭受各种损伤。
软骨损伤的治疗一直是一个难题。
研究表明,角蛋白可以促进软骨组织的再生和修复,可用于制备软骨修复的生物支架材料,有助于加速软骨组织的修复和恢复。
四、制备医用敷料
角蛋白还可以用于制备各种医用敷料,如止血敷料、湿敷料等。
角蛋白自身具有较强的亲水性和生物相容性,可以与体液充分接触,有助于促进创面的愈合。
另外,角蛋白还能有效地促进血小板活化和凝聚,从而发挥止血的作用。
角蛋白的修复方法角蛋白是指皮肤表面的细胞角质化后形成的一种蛋白质,它的主要作用是保护皮肤并维持皮肤的水分平衡。
然而,随着年龄的增长、环境污染以及不正确的护肤方式等因素的影响,角蛋白的产生会受到影响,导致皮肤出现各种问题,如缺水、粗糙、暗沉等。
下面介绍角蛋白修复的方法。
一、轻柔清洁正确的清洁方法是保持皮肤健康的第一步。
日常的清洁应该是轻柔、温和的。
选择适合自己肤质的清洁产品,建议使用质地柔软的海绵或洁面刷,轻轻按摩清洁,不要强行搓揉皮肤,以免伤害角蛋白。
二、适度去角质去角质是美肤过程中必须的一道步骤,它能够有效地去除肌肤表层的老化角质,让肌肤更加平滑、光滑。
但是,过度去角质会破坏角蛋白,导致皮肤更加干燥、敏感,因此适度去角质是非常重要的。
三、补水保湿补水保湿是修复角蛋白的关键。
保湿能够提升皮肤的水分含量,减少水分流失,让细胞与细胞之间的水分平衡达到最佳状态。
同时,保湿还能够增强角蛋白的紧密度,修复受损的皮肤屏障。
四、选择合适的护肤品对于角蛋白问题的皮肤,选择适合自己肤质的护肤品非常重要。
护肤品中含有的配方应该温和、有效,能够深入皮肤内部修复角蛋白层。
同时,注意避免选择含有刺激性成分的产品,如酒精、香料等。
五、适当补充营养适当补充营养对于修复角蛋白问题也具有一定的效果。
例如,维生素C、维生素E、锌等营养成分能够帮助皮肤抗氧化,增强角蛋白的弹性与紧密度。
六、劳逸结合,健康生活劳逸结合、健康生活也是角蛋白修复的重要因素。
应该保持充足的睡眠,避免长时间接触电脑、手机等辐射高的物品,减少环境压力对皮肤的影响。
总之,修复角蛋白需要长期坚持有效的护肤方法,只有让皮肤受到全方位的呵护,才能达到养护肌肤的效果。
角蛋白名词解释(一)角蛋白名词解释什么是角蛋白?•角蛋白是一种具有丰富硫氨基酸的蛋白质,常见于皮肤、头发、指甲等角质组织。
角蛋白的组成•角蛋白由多个称为角蛋白蛋白质家族的蛋白质组成。
角蛋白在皮肤中的作用•角蛋白是皮肤的重要组成部分,它能够形成一层保护性的屏障,阻止外界物质的渗入,并防止水分的流失,起到保湿的作用。
角蛋白蛋白质家族•角蛋白蛋白质家族包括α-角蛋白、β-角蛋白、γ-角蛋白等不同类型的蛋白质,它们在组织结构和功能上有所差异。
α-角蛋白•α-角蛋白是一种主要存在于表皮细胞中的角蛋白蛋白质,它能够增加皮肤的弹性和韧性,使皮肤光滑且有弹性。
•例如,当我们皮肤受到外界刺激时,α-角蛋白会增加,使皮肤表面变得更加坚韧,从而减少伤害。
•β-角蛋白是一种富含硫氨基酸的角蛋白蛋白质,在头发中起到了重要的作用。
•例如,β-角蛋白能够增加头发的强度和弹性,使头发不易断裂,并保持头发的健康和光泽。
γ-角蛋白•γ-角蛋白是一种主要存在于角质层中的角蛋白蛋白质,它在维持皮肤的防御功能方面起到了关键作用。
•例如,γ-角蛋白能够抵御细菌、病毒和其他有害物质的侵入,保护皮肤免受感染和损伤。
角蛋白的生物合成•角蛋白的生物合成是一个复杂的过程,包括基因表达、蛋白质合成和角质化等一系列步骤。
基因表达•基因表达是角蛋白生物合成的第一步,它涉及到特定基因的转录和翻译过程。
蛋白质合成•蛋白质合成是角蛋白的第二步,它涉及到蛋白质的合成和折叠过程。
•角质化是角蛋白生物合成的最后一步,它涉及到角蛋白蛋白质在细胞中的聚集和硬化过程。
角蛋白的衰老和修复•随着年龄的增长,角蛋白的含量和质量会逐渐下降,导致皮肤的弹性减弱和皱纹的出现。
•一些保养品和护肤方法可以帮助修复和保护角蛋白,延缓皮肤衰老的过程。
以上就是对角蛋白的相关名词进行解释和举例说明的内容。
角蛋白作为皮肤和头发中的重要成分,对维持皮肤和头发的健康具有重要作用。
角蛋白的三级结构角蛋白是一种重要的结构蛋白质,它在生物体内具有许多重要功能。
角蛋白的三级结构是指其由多个蛋白质链相互作用而形成的复杂立体结构。
本文将从角蛋白的组成、结构形式以及功能等方面进行介绍。
角蛋白是一类丝状蛋白质,主要存在于动物角质细胞中。
角蛋白的组成主要是由多个角蛋白蛋白链相互连接而成。
这些蛋白链通过疏水相互作用、氢键和二硫键等多种力相互结合,形成了一个稳定的立体结构。
角蛋白的三级结构主要有两种形式,分别是α-角蛋白和β-角蛋白。
α-角蛋白是由α-螺旋结构组成的,这种结构形式使得蛋白质链呈现出螺旋状的形态。
α-角蛋白的螺旋结构具有一定的稳定性,能够保护蛋白质链不被外界环境破坏。
β-角蛋白则是由β-折叠结构组成的,这种结构形式使得蛋白质链呈现出折叠的形态。
β-角蛋白的折叠结构能够增加蛋白质的稳定性和机械强度。
角蛋白的三级结构不仅仅是由α-角蛋白和β-角蛋白组成的,还包括一些辅助结构元素的存在。
例如,一些蛋白质链之间可能会通过二硫键相互连接,形成更为稳定的立体结构。
此外,一些蛋白质链还可能会与其他非蛋白质物质如金属离子等相互作用,形成更为复杂的立体结构。
角蛋白的三级结构不仅仅是一种形态上的存在,它还具有许多重要的功能。
首先,角蛋白能够增加角质细胞的机械强度和稳定性,保护生物体免受外界环境的侵害。
其次,角蛋白能够帮助生物体排除废物和有害物质,维护生物体内部的稳定环境。
此外,角蛋白还能够保持细胞的水分平衡,防止水分的过度蒸发。
总结起来,角蛋白的三级结构是由多个蛋白质链相互作用而形成的复杂立体结构。
这种结构不仅仅是一种形态上的存在,还具有许多重要的功能。
角蛋白的研究对于深入了解生物体的结构和功能具有重要的意义,也为人类的生活带来了许多实际应用的价值。
角蛋白的分子构成、提取及应用贾如琰何玉凤王荣民*李芳蓉王艳(甘肃省高分子材料重点实验室西北师范大学高分子研究所兰州 730070)摘要介绍了角蛋白的来源、分类、化学组成与分子结构,以及毛发的宏观形态、微观结构及组成。
目前从毛发和羽毛中提取角蛋白常用机械法、化学法和生物法等,其中化学法又可分为酸碱水解法、还原法、氧化法等,分析了各提取方法在提取率、分子量等方面的差异。
除水解产物用作饲料外,由于自身特殊的结构和性能,使得角蛋白在生物相容材料、纺丝材料等等方面的应用受到关注。
关键词天然高分子角蛋白毛发结构应用Advanced in Structure, Extract and Application of KeratinsJia Ruyan, He Yufeng, Wang Rongmin*, Li Fangrong, Wang Yan(Key Laboratory of Polymer Materials of Gansu Province, Institute of Polymer, Northwest Normal University,Lanzhou 730070)Abstract The sources, composition and structures of keratin were introduced. The pattern, macroscopic structures and composition of hairs and feather were discussed too. The methods for extracting keratin from hairs and feather were summarized. The typical chemical methods are acid-base hydrolysis, reduction and oxidation. The molecular weight and yield of keratin were analyzed. The keratin and its derivatives were applied to feed, hairdressing and medicine. Its applications in materials and biomedicine have also been developing.Keywords Natural Polymer, Keratin, Hair, Structure, Application人类自古以来就利用天然高分子,但自19世纪中叶有目的地进行化学改性和使用天然高分子以后,才开始逐步认识高分子并建立了高分子科学。
20世纪中叶以来,合成高分子被大量生产和广泛应用。
这为人类文明的快速进步提供了物质基础,同时给环境造成巨大压力;不可再生资源的迅速减少,也促使人们利用可再生的天然高分子。
角蛋白广泛存在于生物体中,是一种可再生资源,但通常被作为废物而丢弃。
但是,角蛋白是一类材料力学特性良好的生物可降解天然高分子,已经在多个领域表现出良好的应用前景。
本文对角蛋白及其提取方法和应用等方面的研究进展进行了综述。
1 角蛋白的来源与组成角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白,广泛存在于生物体的组织结构中。
在不同机体组织、不同个体乃至不同物种之间角蛋白含量有较大差异。
高等脊椎动物的上皮组织中角蛋白含量较高;而一般植物体内角蛋白的含量较低[1]。
根据是否纤维化,角蛋白可分为软角蛋白和硬角蛋白两大类。
软角蛋白和硬角蛋白的含硫氨基酸含量有所不同,软角蛋白存在于皮肤和其它一些细胞组织中。
纤维化的硬角蛋白,无营养作用,广泛存在于人和动物的表皮及蛋壳的内膜中[2]。
细胞外的硬角蛋白是构成毛发、羽毛、蹄、壳、爪、角、鳞片等的主要成分[3],是结缔组织及其重要的结构蛋白质,起着保护机体的作用。
细胞内的软角蛋白是构成细胞膜、脑灰质、脊髓、视网膜神经等组织的主要成分。
教育部新世纪优秀人才支持计划、甘肃省自然科学基金项目资助2007-04-10收稿,2007-12-18接受1.1 毛发中的角蛋白毛发及羽毛是由毛囊长出的纤维化蛋白,其主要成分为角蛋白。
毛发及羽毛角蛋白是可以直接使用或经化学、物理改性后使用的天然生物可降解材料。
角蛋白由L-氨基酸按一定的次序排列而成[4]。
人和哺乳动物毛发的角蛋白表面被一层脂肪酸覆盖,对毛发有保护和润滑作用[5, 6]。
此外,毛发中含有少量的脂类、核酸、碳水化合物和无机物。
1.2 角蛋白的分子结构1.2.1 角蛋白分子的一级结构角蛋白分子链由19种α-氨基酸构成,不同的动植物体、不同组织之间,角蛋白分子中的氨基酸序列和含量有较大差异。
因此,不同条件下水解所得的角蛋白分子量亦不同[7]。
Parry等[8]发现动物毛发纤维的氨基酸重复单元中主要有两种基本的五肽环模式的重复单元,即:重复单元A(C-C-X-P-X)和B(C-C-X-S/T-S/T),这里C代表半胱氨酸(Cys),P代表脯氨酸(Pro),S 代表丝氨酸(Ser),T代表苏氨酸(Thr),X代表除这几种之外的构成蛋白质的任何一种氨基酸。
在第一种重复单元A中又衍生出两种新的重复结构单元C-C-Q-P-X(A1)和C-C-R-P-X(A2)。
在A或B重复单元中主要由高硫键和极高硫键维持角蛋白的二级、三级结构,但也完全不是由这两种重复单元很规则排列起来的,这两种基本结构单元之间相互作用,可生成十肽的衍生结构AB,A1B或A2B。
有时A 或B重复单元以更加复杂的形式形成含有19或20个氨基酸残基的重复结构单元BABA1或BA1AA,这种重复模式在α-角蛋白的中间纤维丝中最常见[9],典型结构如图1所示[[10]。
图1 角蛋白分子中氨基酸重复单元模拟图示Fig 1 The scheme of amino acid repeated units in keratin molecules1.2.2 角蛋白分子的二级结构角蛋白分子的二级结构主要为α-螺旋或β折叠结构(如图2、图3所示),相应被称为α-角蛋白和β-角蛋白。
一般人发和羊毛中的角蛋白为α-螺旋结构,而羽毛及部分鳞片中的角蛋白属β折叠结构。
蛇的鳞片中所含角蛋白既有α-角蛋白,也有β-角蛋白[11]。
图2 角蛋白的α-螺旋结构图3 角蛋白β折叠中氢键的排列Fig 2 α-spiral structure of keratin Fig 3 The arrangement of hydrogen bond in β-fold of keratin β-角蛋白主要存在于鸟类及家禽的羽毛纤维中,又称羽毛角蛋白。
羽毛角蛋白分子通过二硫键、氢键和其他交联作用后非常稳定。
β链在热和其他作用影响下,可转变成α-螺旋结构[12]。
β-角蛋白侧链富含甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸残基。
其二级结构几乎都呈β-片层结构。
β-折叠片以平行方式堆积的多层结构,抗张性能高。
片层间的Gly-Gly和Ser-Ser之间就像拉链的齿一样锁联起来形成锁联结构,后者与共价键共同承担张力,使β-角蛋白具有很强的抗张性能。
β-折叠接近完全伸展状态,故其延伸性小。
α-角蛋白含有大量的半胱氨酸残基,在二级结构(α-螺旋)之间形成大量的二硫键。
α-角蛋白的二级结构几乎都呈α-螺旋结构,是由纵向的α-螺旋并列而成,它的伸缩性能很好,以湿热破坏氢键后,毛发可被拉伸到原有长度的2倍,此时肽链变成了伸展的β-折叠构象。
1.2.3 角蛋白的三级结构角蛋白的α-螺旋轻度卷绕,称为超螺旋,超螺旋形成二聚体[13],二聚体是微纤维真正的物理结构亚单元,称为“分子对”,如图4所示[14]。
二聚体中,非螺旋化的N端和C端区域位于中间α-螺旋棒状区域的两侧,两条链相互缠绕成左手超螺旋,形成两条α-螺旋的卷曲螺旋。
α-角蛋白的单股螺旋之间通过二硫键把它们紧紧维系在一起。
中间棒状区域(通过两个L12相连)分为两个螺旋,二者又进一步分别被连接物L1和L2分隔[15]。
毛发纤维中,几百个二聚体相互作用构成微原纤维,几十根微原纤维又相互作用构成毛发的原纤维。
由于α-角蛋白中的二聚体之间及微原纤维之间甚至原纤维之间都含有很多半胱氨酸,即众多的二硫键使得α-角蛋白很稳定[16]。
染发的化学本质就是用能破坏二硫键的还原性物质,使头发表面的二硫键断裂,生成巯基,再用染料进行二次氧化将有色物质固定在头发表面[17]。
图4 角蛋白中二聚体与毛发纤维的关系Fig 4 The relation of dimer in keratin with hair fiber2 角蛋白的提取与分析一般情况下,角蛋白分子内的二硫键使肽链内部和肽链之间发生交联,形成立体网状结构,使天然角蛋白难以溶解,给毛发中角蛋白的提取带来困难。
普通的溶剂或温和的酸碱都不能溶解毛发纤维中的角蛋白,比较强的酸碱能溶解毛发蛋白,可在破坏分子间作用力及角蛋白二、三级结构的同时使肽链发生断裂,得到的产物往往是分子量较小的蛋白,甚至是多肽,且产率偏低。
要制得分子量较高、溶解性较好的角蛋白,只能通过选择性的打开二硫键、破坏氢键等方法来实现。
目前提取角蛋白的方法大致有机械法、化学法和生物法等,其中化学法又可分为酸碱水解法、还原法和氧化法等。
其它方法和化学法往往可相互结合应用。
2.1 机械法机械法提取角蛋白主要是,通过加热加压,使毛发纤维中的角蛋白分子间甚至分子内的二硫键断裂水解,从而使毛发中的角蛋白变成可溶性的角蛋白。
机械法又可分为高压水解法和高压膨化法,挤压法和挤出法。
水解过程中又可将酸、碱加入反应釜中,分别形成高温加压稀酸水解法和高温加压稀碱水解法[18],其中膨化法比较优越,因其水解温度比较低,时间比较短,而且产物疏松,易于成粉[19]。
郭素华等[20]用加热高压膨化方法使角蛋白分子中的二硫键断裂提取角蛋白,工艺简单,效率高,成本低。
总体来说,机械提取法通常只能得到分子量较低的蛋白,甚至是多肽混合物。
2.2 化学法根据所使用的原料和试剂的不同,化学法大体可分为酸碱处理法、还原法、氧化法等。
在进行化学法溶解角蛋白时,常加入一定量的变性剂、表面活性剂等,以破坏分子间作用力、氢键等来增大角蛋白分子的溶解性。
2.2.1 酸碱处理法基本过程是先用酸、碱溶胀毛发,后在一定温度下水解,制得可溶性角蛋白。
为提高溶解效率,通常需和还原剂配合使用。
在此过程中,酸碱的浓度、反应的温度会影响角蛋白的分子量和产率。
酸碱溶解过程中存在不可避免的蛋白质大分子肽键水解及二硫键的分解,所以在这种方法中必须解决角蛋白的产率和分子量之间的矛盾,一般溶解时间较短能获得分子量较大的角蛋白,可角蛋白的收率偏低;而较长的时间溶解又容易使角蛋白分子中的肽键发生断裂,获得的产品分子量较低;即制得的可溶性角蛋白产品收率越高则其分子量越小[16]。