膠原蛋白紅外光譜圖譜參考。
膠原蛋白是壹種兩性電解質，取決於兩個因素。首先，膠原蛋白的每個肽鏈都有許多酸性或堿性側基；其次，每個肽鏈的兩端都有α-羧基和α-氨基，兩者都具有接受或給予質子的能力。在特定的pH範圍內，它們可以離解產生正電荷或負電荷。換句話說，隨著介質的pH值，不同的膠原蛋白變成了帶有許多正電荷或負電荷的離子。膠原蛋白肽鏈側基的pKa值與其組成氨基酸側基略有不同，這是由蛋白質分子中相鄰電荷的影響造成的。等電點7.5~7.8，呈弱堿性，因為膠原蛋白的肽鏈上堿性氨基酸比酸性氨基酸多壹點。因為是聚合物，所以具有膠體性質，在水溶液中有壹定的粘度。等電點時粘度最低，溫度越低粘度越大。
不同分子量分布的膠原蛋白溶液的粘度與溶質濃度、溶劑、pH、溫度和外界電解質有關。膠原蛋白溶液的粘度在等電點時最低。當pH值低於或高於等電點時，膠原蛋白和多肽都會帶電，溶液的粘度也會相應增加。離等電點越遠，溶液的粘度越大。不同分子量分布的膠原蛋白和多肽溶液的粘度隨著溫度的升高而降低。膠原蛋白的分子量和濃度越高，溶液的粘度越高。高分子量膠原蛋白溶液的粘度隨著濃度的增加呈指數增加，而低分子量膠原蛋白溶液的粘度隨著濃度的增加近似呈線性增加。在膠原蛋白和多肽溶液中加入電解質會明顯增加其粘度。
膠原蛋白的水解產物含有多種氨基酸，其中甘氨酸最為豐富。其次是丙氨酸、谷氨酸、精氨酸，半胱氨酸、色氨酸、酪氨酸、蛋氨酸等必需氨基酸含量較低，所以膠原蛋白屬於不完全蛋白質。豬皮膠原蛋白水解得到的肽產品含有19種氨基酸，其中成人必需氨基酸7種，兒童半必需氨基酸2種。氨基酸總量高達90%以上。八種必需氨基酸中有六種是異亮氨酸(Ile) 1.21%，亮氨酸(Leu)和苯丙氨酸(Phe) 4.89%，纈氨酸(Val)2.95%，蘇氨酸(Thr) 1.95%，賴氨酸(賴氨酸)。
膠原蛋白相對分子量大，電泳圖譜中有三條泳帶。100kD左右的兩條泳帶分別是膠原分子的α1鏈和α2鏈，200 kD左右的1泳帶是膠原分子的β鏈。即膠原蛋白每條多肽鏈的相對分子量可達100kD，1膠原分子的相對分子量為300kD。SDS-PAGE、凝膠色譜和質譜法通常用於確定肽的分子量。凝膠過濾色譜法測定脫鉻革屑中膠原水解物的分子量分布約為16.1KD。飛行時間質譜測定比目魚皮膚膠原寡肽的分子量分布主要集中在0.6 ~ 1.8 KD。動物蛋白酶水解的膠原多肽分子量為2 ~ 7 KD，比植物蛋白酶水解的膠原多肽分子量寬。
膠原蛋白的熱穩定性是指測量其纖維在水體系中的熱收縮溫度(Ts)或其分子在溶液中的熱變性溫度(Td)。Ts和Td相差壹般在20 ~ 25℃，Ts值比Td值更容易確定。Td還可以指示膠原蛋白螺旋被破壞的溫度，還與其亞氨基酸(脯氨酸和羥脯氨酸)的含量有關，尤其是羥脯氨酸的含量，呈正相關。冷水魚的羥脯氨酸含量最低，所以冷水魚的膠原蛋白Td值明顯低於溫水魚，且均低於陸生動物。但與魚皮膠原蛋白相比，魚皮膠原蛋白真皮的Td比肌膠原蛋白低約65438±0℃，這與肌膠原蛋白中脯氨酸的羥基化率比真皮膠原蛋白高有關。測定了魚皮中各種可溶性膠原蛋白的氨基酸組成，並與牛皮進行了比較。發現魚皮膠原蛋白中羥脯氨酸、脯氨酸等亞胺的含量低於牛皮膠原蛋白。此外，與牛皮明膠相比，魚皮明膠的特性粘度和熱變性溫度更低。
膠原蛋白的熱變性溫度可以通過測量膠原蛋白溶液比粘度的變化來確定。方法是將膠原蛋白樣品溶解在壹定量的緩沖溶液中，配制成壹定濃度的溶液，然後用烏氏粘度計將其保持在壹定溫度範圍後，測量溶液的比粘度，並繪制出比粘度對溫度的曲線。當比粘度變化50%時，對應的溫度為熱變性溫度。熱變性溫度也可以通過拉曼光譜和差示掃描量熱法來確定。測定了鱸魚、鯽魚和鱅魚皮膠原蛋白的熱變性溫度分別為25℃、27℃和30℃，其棲息溫度分別為26 ~ 27℃、29℃和32℃，其亞氨基酸含量分別為17.2%、18.1%和18.6%。三種魚皮膠原蛋白的熱變性溫度壹致。ⅱ型膠原和ⅶ型膠原由三條α1肽鏈組成，即[α1(ⅱ)]3，富含羥賴氨酸，糖化率高，含糖量可達4%。它們是軟骨中的主要膠原蛋白。此外，即使是同壹生物體，皮膚和骨骼的膠原蛋白的熱變形溫度也可能不同。如日本鱸魚、鯖魚、鱅魚、眼斑河豚膠原蛋白的變性溫度為25.0~26.5℃，而骨膠原蛋白的變性溫度為29.5~30.0℃。附帶的結論是骨膠原的變性溫度範圍整體高於皮膠原。而且膠原蛋白在骨中的溶解度和膠原蛋白在皮膚中的溶解度在不同的pH值下是不同的，這說明皮膚和骨中膠原蛋白的分子特征和構型存在差異。
作為壹種生物高分子，膠原蛋白的強度並不大。有研究表明，膠原蛋白的凝膠強度幾乎與其濃度的平方成正比，強度可以用凝膠強度儀來測量。
特別說明:明膠、膠原蛋白、水解膠原蛋白不壹樣。明膠是膠原蛋白在高溫下的變性產物，成分復雜，相對分子量分布較寬。由於膠原蛋白在高溫下變性，膠原蛋白分子的三股螺旋結構被破壞，但仍可能存在壹些α鏈螺旋鏈，因此可以膠凝壹定濃度的明膠溶液。廣泛應用於食品工業、攝影和制藥工業。據悉，全球每年生產的明膠產品中，65%用於食品工業，20%用於攝影工業，65，438+00%用於制藥工業。水解膠原蛋白是通過在高溫下用蛋白酶水解膠原蛋白或明膠而獲得的。由於溫度和酶的雙重作用，水解膠原蛋白的相對分子量小於明膠。由於蛋白酶在高溫下對膠原蛋白肽鍵的水解是隨機的，水解蛋白溶液的組成也非常復雜，是相對分子量從幾千到幾萬不等的蛋白肽的混合物。水解膠原蛋白由於分子量小，容易降解，因此在營養保健品和日用化學品的開發中具有壹定的市場。水解膠原蛋白可用於生物發酵培養基中，也可作為高蛋白飼料營養添加劑替代進口魚粉用於混合和配合飼料生產。膠原蛋白、明膠和水解膠原蛋白是同源的，但在結構和性能上有很大的不同。膠原蛋白保留了其獨特的天然螺旋結構，在某些方面明顯優於明膠和水解膠原蛋白。比如膠原蛋白止血海綿的止血性能比明膠海綿好，而作為澄清劑的魚膠原蛋白如果變性，沈降能力明顯降低。但是，人們對這三種物質的認識往往是混亂的，認為它們具有相同的性質，甚至認為它們是同壹種物質。
水解膠原蛋白和膠原多肽也是不同的，可以近似認為是壹種宏觀和微觀關系膠原分子主要是水解後形成分子量相對較小的膠原多肽。由於膠原蛋白獨特的三股螺旋結構，其性質非常穩定，壹般的加工溫度和短時間加熱都無法分解，很難被人體消化吸收和充分利用。水解後可大大提高其吸收利用率，並能促進食物中其他蛋白質的吸收。膠原多肽不僅含有肽鏈兩端未縮合的末端羧基和氨基，還含有側鏈Lys的ε-NH2和Asp、Glu的-COOH。膠原蛋白多肽可完全溶於水(冷水也可溶解)，水溶液粘度低，在60%的高濃度下具有流動性，耐酸堿性好，在酸堿存在下不沈澱；耐高溫性好，200℃加熱不沈澱，吸油性、起泡性、吸水性好。壹級結構是蛋白質分子中氨基酸通過肽鍵連接的序列。每個蛋白質分子都有其特定的氨基酸組成和排列，決定了其不同的空間結構和功能。蛋白質分子壹級結構關鍵部位氨基酸的變化會直接影響其功能，而這個關鍵部位就是蛋白質分子的活性中心。已經發現並證實了30多種膠原蛋白。
壹般蛋白質都是雙螺旋結構，而膠原蛋白作為細胞外基質(ECM)的結構蛋白，是由三條具有三螺旋結構的多肽鏈組成，或者說膠原蛋白結構域，即三條多肽鏈的每壹條都是左旋的，形成左旋螺旋結構，然後通過氫鍵形成牢固的右旋超螺旋結構。膠原蛋白獨特的左旋A鏈相互纏繞形成膠原蛋白的右旋復合螺旋結構，稱為螺旋段。螺旋段最大的特點是氨基酸在(Gly-X-Y)n中呈周期性排列，其中X、Y位置為脯氨酸(PrO)和羥脯氨酸(Hyp)，是膠原蛋白特有的氨基酸，約占25%，含量為各類蛋白質中最高。膠原蛋白中的羥賴氨酸(Hyl)在其他蛋白質中不存在。它不以現成形式參與膠原蛋白的生物合成，而是由羥化酶合成的膠原蛋白肽鏈中的脯氨酸(Pro)轉化而來。而陸生哺乳動物蛋白質中羥脯氨酸和焦谷氨酸的含量很少。與陸生動物相比，水生動物的膠原蛋白中脯氨酸和羥脯氨酸較少，而含硫的蛋氨酸(Met)比陸生動物的膠原蛋白多得多。
壹級結構是構成膠原蛋白多肽鏈的氨基酸序列；膠原蛋白分子由左旋螺旋(二級結構)的三條多肽鏈組成，相互纏繞形成壹條圍繞中心分子軸的右旋螺旋(三級結構)；完整的膠原蛋白分子長約280 nm，65438±0.5nm；直徑。在I型膠原纖維的二維結構(小角X射線衍射圖和透射電子顯微照片)中，膠原分子與另壹個膠原分子以壹個或多個4 D距離交叉，D代表在小角X射線衍射圖中看到的基本重復距離或在電子顯微照片中看到的重復距離。因為膠原蛋白分子的長度約為4.4 D，膠原蛋白分子的交織造成約0.4 D的折疊區域和約0.6 d的缺損區域。
膠原蛋白中甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、谷氨酸(Glu)的含量相對較高，尤其是甘氨酸，約占氨基酸總量的27%，也有報道稱其占65，438+0/3，即每隔兩個氨基酸殘基(x，y)就有壹個甘氨酸，因此其肽鏈可用(Gly-。每個前膠原分子由三個α-肽鏈組成，α-肽鏈本身具有α-螺旋結構，肽鏈中每三個氨基酸殘基中就有壹個穿過三個螺旋的中心區域，這裏空間非常狹窄，只有甘氨酸適合這個位置，這可以解釋其氨基酸組成中每兩個氨基酸殘基出現的特點。特別註意X和Y都代表任何氨基酸，只是X通常是脯氨酸，Y通常是羥脯氨酸。它還含有少量的3-羥脯氨酸和5-羥賴氨酸(Hyl)。羥脯氨酸殘基可以通過形成分子內氫鍵來穩定膠原分子。通過範德華力、氫鍵和價鍵交聯，將三條α-肽鏈以平行和右旋螺旋的形式纏繞成“草繩”三螺旋結構，使膠原蛋白具有很高的拉伸強度。