Tổng quan về Collagen và ứng dụng của Collagen

ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
CHƯƠNG 1: COLLAGEN
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ COLLAGEN
1.1.1 Khái quát về Collagen [2]
 Collagen là một protein có cấu trúc bậc 4 điển hình, do các đơn vò tropocollagen
cấu trúc bậc 3 tổ hợp theo các hướng dọc và ngang làm collagen có nhiều mức cấu trúc.
Collagen là loại protein cấu trúc chính yếu, chiếm khoảng 25% - 35% tổng lượng protein
trong cơ thể ở các động vật có xương sống. Collagen được phân bố trong các bộ phận như da,
cơ, gân, sụn, răng, hệ thống mạch máu của động vật và có mặt trong các lớp màng liên kết
bao quanh các cơ và là thành phần chính của dây chằng và gân, Khoảng 10% protein trong
cơ ở động vật có vú là collagen, các protein ngoại bào (hơn 90% trong gân, xương và khoảng
50% trong da) có chứa collagen.
 Trong thành phần của da, collagen chiếm khoảng 70% cấu trúc da và được phân
bố chủ yếu ở lớp hạ bì của da, tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da
như : sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm, Nó đóng vai trò kết nối tế bào, kích thích quá
trình trao đổi chất, tạo độ đàn hồi cho da. Sự suy giảm về số lượng và chất lượng collagen sẽ
dẫn đến hậu quả lão hóa của cơ thể mà sự thay đổi trên làn da, khuôn mặt là dấu hiệu dễ
nhận biết nhất: làn da bò khô, nhăn nheo bắt đầu từ các đường nhăn mảnh trên khóe mắt,
khóe miệng, lâu dần thành nếp nhăn sâu, các đường nét khuôn mặt bò chùng nhão và chảy
xệ. Tùy theo từng độ tuổi, điều kiện sống và tác động của môi trường, da có thể bò lão hóa
hoặc tổn thương , khi đó sợi collagen sẽ mất dần tính đàn hồi và săn chắc do cấu trúc
collagen bò phá hủy. Chính vì vậy mà collagen đóng vai trò là một trong những chất quan
trọng hàng đầu của ngành thẩm mỹ, đặc biệt là chăm sóc da, phẫu thuật thẩm mỹ, phẫu thuật
bỏng
 Collagen cũng được phân bố ở giác mạc, và tồn tại dưới dạng tinh thể. Trong
mô cơ, collagen chiếm khoảng từ 1% đến 2%. Trong cơ thể người, collagen chiếm từ 20 –
25% protein của cơ thể.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 1
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
 Collagen là thành phần chính của mô liên kết, có chức năng tạo độ vững chắc
và đàn hồi. Collagen có tác dụng giống như một chất keo liên kết các tế bào lại với nhau để

hình thành các mô và cơ quan nền tảng trong cơ thể. Collagen cung cấp cho các mô liên kết
những đặc tính nổi trội nhờ vào sự hiện diện rộng khắp và sự sắp xếp mang tính cấu trúc của
nó. Theo quan điểm y sinh, collagen đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển, hàn gắn vết
thương, là thành phần hoạt hoá các tiểu cầu trong máu và sự hình thành mạch. Thêm vào đó
sự phát triển của một số bệnh di truyền được xác đònh là do sự đột biến trong cấu trúc gen
của collagen. Những rối loạn trong quá trình tổng hợp hoặc phân giải collagen đều được ghi
lại như là nguyên nhân của nhiều căn bệnh phức tạp như chứng viêm khớp, xơ gan, bệnh đái
đường và ung thư cũng như những bệnh có liên quan đến sự lão hoá. Collagen phân bố khắp
nơi trong cơ thể, từ chỗ gân nối bắp chân với gót chân cho tới giác mạc. Trong gân và dây
chằng, collagen có tác dụng truyền lực từ cơ sang xương và tích trữ năng lượng đàn hồi. Chính
nhờ tính chất này mà cơ thể có thể di chuyển, vận động một cách nhòp nhàng và uyển
chuyển. Collagen còn là chất nền hữu cơ có trong xương và men răng giúp chúng chống lại sự
rạn nứt. Nó là thành phần chính trong da, mạch máu, các cơ. Bên cạnh các chức năng cơ học,
ở giác mạc, thủy tinh thể, trật tự cấu trúc của các sợi collagen tạo nên sự trong suốt duy trì thò
lực.
 Collagen được xem như một vật liệu mang tính xây dựng. Sự linh hoạt của nó
là nhờ vào cấu trúc cấp bậc phức tạp, tạo nên sự đa dạng trong tính chất nhằm phục vụ những
chức năng nhất đònh. Xét về mặt kinh tế, nguồn nguyên liệu giàu collagen dùng để sản xuất
ra gelatine- chất có nhiều ứng dụng trong nhiều lónh vực khác nhau: thực phẩm, y học và
dược phẩm, mỹ phẩm, công nghệ nhiếp ảnh,
1.1.2 Lòch sử phát triển của Collagen
Theo tiếng Hy Lạp, collagen có nghóa là “người sản xuất keo hồ”, nói đến quá
trình nấu da và gân của ngựa cùng những loài động vật khác để thu được hồ. Keo dán
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 2
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
collagen đã được người Ai Cập sử dụng cách đây 4000 năm và người Mỹ sử dụng nó cách
đây khoảng 1500 năm.
Từ hơn 2000 năm trước, con người đã biết sử dụng mô liên kết và sản phẩm của
nó trong chế biến thực phẩm để tạo ra các sản phảm dạng gel, các chất dính. Người Ai Cập
cổ đại đã sản xuất ra được collagen và những nghiên cứu cho thấy trong những thế kỉ tiếp

theo đã thật sự xuất hiện collagen trong các bữa tiệc, ví dụ trong món cá hồi hay bánh hoa
quả,
Năm 1682, một người Pháp tên Papin đã công bố một kết quả là đã thu được một
hỗn hợp giống jelly từ xương. Từ năm 1700, thuật ngữ collagen trở nên thông dụng.
Năm 1754, bài báo đầu tiên trong lónh vực chất dính được công nhận ở Anh về
việc sản xuất chất dán của một người thợ làm đồ gỗ. Các chất hồ dán tự nhiên được sản xuất
trên thành phần cơ bản là collagen và một vài chất khác.
Năm 1850, công nghiệp sản xuất collagen xuất hiện tại Mỹ, nguồn nguyên liệu
chính lúc này là xương.
Năm 1871, một phát hiện quan trọng của bác só người Anh Richard Leach Maddox
về ứng dụng của collagen đã đưa đến bước đột phá trong ngành công nghiệp hình ảnh, vò bác
só đã cải tiến “dry plate” với một lớp gelatin – bạc bromua và còn nhạy hơn khi so với “wet
plate” . Sau đó nghiên cứu của Charles Bennet đã tiếp tục hoàn thiện phương pháp dùng “dry
plate”. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là giảm rất nhiều thời gian trong công nghiệp
nhiếp ảnh.
Cuối thế kỉ 19, khi ngành công nghiệp sản xuất collagen xuất hiện đã làm tăng
thêm các ứng dụng của collagen trong các ngành công nghiệp khác và ổn đònh tính chất sản
phẩm.
Năm 1930, ngành sản xuất collagen được phát triển mạnh mẽ khi da heo được xem
như là một nguồn nguyên liệu thu nhận collagen. Ngành công nghiệp sản xuất collagen ở
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 3
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Châu Âu chỉ mới bắt đầu khoảng những năm 1930 nhưng Châu Âu lại trở thành khu vực sản
xuất collagen quan trọng nhất trên thế giới.
Năm 1950, công nghiệp sản xuất collagen có những bước phát triển đáng kể về kó
thuật, từ đó là nền tảng cho các tiêu chuẩn trong sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày nay.
Ngày nay, sự hiểu biết về acid amin và protein nói chung, collagen cũng như
gelatin nói riêng ngày càng nhiều. Thêm vào đó là những tiến bộ trong kó thuật đã giúp sản
phẩm collagen đạt an toàn vệ sinh, chất lượng theo tiêu chuẩn quốc tế và yêu cầu nghiêm
ngặt của các yếu tố kó thuật.

1.1.3 Nguồn gốc thu nhận Collagen
 Trong những năm trước đây, để đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp, collagen
được trích ly chủ yếu từ da, xương của các loài gia súc và lợn. Khoảng thời gian gần đây, sự
bùng phát của các loại bệnh truyền nhiễm như bệnh bò điên (Bovine Spongiform
Encephalopathy – BSE, Tranmissible Spongiform Encephalopathy – TSE) và bệnh lở mồm
long móng (Food and Mouth Disease – FMD) ở lợn và gia súc đã hạn chế phạm vi sử dụng
của collagen có nguồn gốc từ những loài động vật trên bởi vì những bệnh truyền nhiễm có
khả năng lây truyền sang con người thông qua các mô của động vật. Bên cạnh đó, ở một số
quốc gia, collagen trích ly từ lợn không được sử dụng vì rào cản tôn giáo. Với những nguyên
nhân trên, các nhà khoa học đang tập trung vào các nghiên cứu của họ để tìm ra những nguồn
collagen thay thế. Da, xương, vây, vảy của cả những loài cá nước ngọt, đặc biệt là cá da trơn:
cá tra, cá ba sa, cá biển, da gà, da ếch, da mực,…có thể được sử dụng như những nguồn thay
thế.
 Trong số những nguồn thay thế, cá cung cấp một nguồn nguyên liệu thô tốt
nhất vì:
- Dễ tìm, sẵn có để sử dụng
- Không có sự lây truyền bệnh
- Không gặp phải trở ngại về mặt tôn giáo.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 4
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
- Có khả năng thu được collagen với hiệu suất cao
Khoảng 70% tổng trọng lượng cơ thể của cá bò bỏ đi dưới dạng các phế phẩm như
da, xương, vây, đầu, vảy, ruột,…trong suốt quá trình chế biến. Việc tận dụng những chất thải
này có thể nâng giá trò kinh tế của các loài cá lên.
 Dựa vào thành phần % của tổng lượng collagen tính trên tổng lượng protein,
các loài cá được chia thành 3 nhóm:
− Nhóm có hàm lượng collagen thấp: tổng lượng collagen chiếm
đến 5 % so với tổng lượng protein.
− Nhóm có hàm lượng collagen trung bình : tổng lượng collagen
chiếm từ 5 ÷ 10 % tổng lượng protein.

− Nhóm có hàm lượng collagen cao: tổng lượng collagen trên
10 % tổng lượng protein.
Thòt của những loài cá khác nhau chứa hàm lượng khác nhau của collagen hòa tan
trong acid (acid soluble collagen) và collagen không hòa tan (insoluble collagen). Hàm lượng
collagen tổng cộng dao động từ 0,3 ÷ 2,99 % so với trọng lượng tươi của các mô, tương ứng
với phạm vi từ 1,58 ÷ 13,39 % so với tổng lượng protein.
Bảng 1.1 Thành phần collagen trong thòt cá
Loại cá Collagen hòa tan trong acid
(so với trọng lượng tươi)
Collagen không hòatan
(so với trọng lượngtươi)
Collagen tổng
(so với trọng lượngtươi)
Collagen tổng
(so với protein tổng)
Cá chim
trắng 0,19 0,11 0,3 1,58
Sardine
0,36 0,09 0,45 2,42
Cá thu
0,38 0,09 0,47 2,41
Cá bơn
0,4 0,18 0,58 2,98
Cá chép 0,49 0,21 0,7 3,25
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 5
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Cá đối
0,94 0,25 1,19 5,89
Cá ngừ
1,06 0,39 1,45 7,35

Cá mập
2,13 0,86 2,99 13,11
Cá đuối
2,3 0,5 2,8 13,39
 Tổng lượng collagen trong cơ thể thay đổi từ 3,26 % (ở cá thu) cho đến 6,97%
(ở cá chình Nhật Bản). Lượng collagen có thể hòa tan trong acid (acid soluble collagen) nằm
trong khoảng từ 13,1 % (cá chình) đến 56,6 % (cá bơn). Hàm lượng collagen thu được sẽ thay
đổi tùy theo loài và loại mô được sử dụng trong quá trình trích ly. Trong tất cả các loài, khả
năng hòa tan của collagen trong thòt tương đối cao nhưng thấp đối với những loại collagen
trong nội tạng. Collagen trong da, vảy, xương và vây chiếm phần lớn trong tổng lượng
Collagen.
Cho đến nay, hầu hết các loại mỹ phẩm trên nền collagen đều có chứa protein
chiết xuất từ gia súc. Bởi sự bộc phát của bệnh bò điên BSE (Bovine Spongiform
Encephalopathy – mad cow disease), collagen từ gia súc đang dần rút khỏi phạm vi sử dụng,
thay vào đó là nguồn collagen được trích từ cá, đặc biệt là cá da trơn: cá tra, cá ba sa. Nguồn
collagen được chiết tách từ nguồn nguyên liệu này có nhiều đặc điểm tốt hơn cho việc ứng
dụng trong thực phẩm, y học và mỹ phẩm. Trong công nghệ sản xuất mỹ phẩm, mỹ phẩm
trên nền collagen từ gia súc có tốc độ hấp thụ rất chậm trên da người. Đối mặt với vấn đề
này, liệu pháp tiêm collagen vào da được giới thiệu. Tuy nhiên, những bất lợi của cách thức
này là đắt tiền, đau đớn và đi kèm với nó là những rủi ro nguy hiểm cho con người. Hiện nay,
các nhà khoa học Phần Lan đã phát triển một tiến trình trích ly collagen từ cá. Không giống
với những loại collagen thu được từ những phương pháp trước đây, collagen từ cá được hấp
thụ hoàn toàn trên da người. Vì cá sống trong phạm vi rộng lớn với các điều kiện về nhiệt độ,
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 6
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
độ sâu và áp suất khác nhau. Điều này có nghóa là collagen trích từ da cá có một sức chống
chòu đặc biệt với các phá hủy lý và hóa học.
Đối với các thuốc hay thức uống có chứa collagen, collagen từ cá cũng được chứng
minh là có tốc độ hấp thụ vào máu nhanh hơn gấp 1,5 lần so với collagen từ lợn.
Hình 1.1 Đồ thò so sánh khả năng hấp thụ vào máu của collagen

trích ly từ cá và từ lợn
 Việt Nam là một nước đang phát triển, có nền nông nghiệp với các sản phẩm
phong phú. Trong đó, các sản phẩm từ cá chiếm một phần lớn trong kim ngạch xuất khẩu.
Những năm gần đây, việc nuôi cá da trơn : cá tra, cá ba sa rất phát triển, đặc biệt ở Đồng
bằng sông Cửu Long. Trong quá trình chế biến cá, song song với những chính phẩm dùng cho
việc xuất khẩu (chủ yếu là fillet) là một khối lượng lớn các phụ phẩm như da, xương, vây,…
Đây là những nguồn giàu collagen, có thể sử dụng thay thế cho những nguồn cung cấp
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 7
So sánh khả năng hấp thụ vào máu giữa collagen từ cá và
collagen từ lợn
Thời gian sau khi sử dụng
Khả năng hấp thụ vào
máu
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Collagen cổ điển như da, xương từ lợn, bò. Việc tận dụng những nguồn này sẽ góp phần làm
tăng giá trò kinh tế của các loài cá da trơn ở nước ta.
1.2 CẤU TẠO COLLAGEN
1.2.1 1.2.1 Thành phần hóa học của Collagen [1]
 Thành phần protein trong collagen có gần đầy đủ các loại acid amin, bao gồm
tất cả 20 loại acid amin ( Schrieber và Gareis,2007). Thành phần acid amin có thể thay đổi
tùy theo nguồn gốc của collagen, nhưng vẫn tồn tại một vài tính chất chung và duy nhất cho
tất cả collagen.
Trong thành phần collagen không chứa cystein và trytophan, nhưng chứa một
lượng lớn glycine (Gly), chiếm khoảng 33% và proline (Pro), chiếm tỉ lệ 12% và
hydroxyproline (Hyp), chiếm tỉ lệ 22% (Theo Balian và Bowes 1977). Collagen là một trong
số ít những protein có chứa hydroxylysine (Hyl), ngoài ra trong thành phần Collagen còn chứa
khoáng, chiếm tỉ lệ 1%.
Bảng 1.2 So sánh thành phần các acid amin trong collagen và các loại protein khác
(số gốc/1000 gốc)
Collagen Casein Albumin

Glycine
363
30 19
Alanin 107 43 35
Valine 29 54 28
Leucine 28 60 32
Isoleucine 15 49 25
Serin 32 60 36
Threonine 19 41 16
Cystein - 2 1
Methionine 5 17 16
Aspatic acid 47 63 32
Glutamic acid 77 153 52
Lycine 31 61 20
Hydroxylycine
7
- -
Arginine 49 25 15
Histidine 5 19 7
Phennylalanine 15 28 21
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 8
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Tyrosine 5 45 9
Trytophan - 8 3
Proline 131 65 14
Hydroxyproline 107 - -
Proline và Hydroxyproline liên quan tới cấu trúc bậc 2 của collagen. Những
amino acid này giúp giới hạn sự quay của bộ khung polypeptide, do đó góp phần tạo nên sự
bền vững cho cấu trúc xoắn ốc bậc 3. Nhóm hydroxyl của hydroxylproline đóng vai trò quan
trọng trong sự bền vững cấu trúc xoắn ốc bậc 3 của collagen. Polypeptide của collagen mà

thiếu hydroxylproline sẽ tạo nên cấu trúc gấp khúc ở nhiệt độ thấp và sẽ không bền vững ở
nhiệt độ thân nhiệt.
 Hydroxyproline là một acid amin đặc trưng của collagen mà các loại protein
khác không có. Hydroxyproline được hình thành sau quá trình điều chỉnh proline khi được kết
hợp vào vò trí Y trong chuỗi Gly-X-Y. Hydroxyproline có công thức phân tử là C
5
H
9
NO
3
, khác
với proline, trong công thức cấu tạo của Hyp có gắn nhóm OH nằm ở vò trí cacbon gamma,
acid amin này có vai trò quan trọng trong sự ổn đònh cấu trúc của collagen, là dẫn xuất của
proline trong quá trình hình thành chuỗi collagen có sự xúc tác của enzyme hydroxylase
proline và sự có mặt của Vitamin C để giúp bổ sung thêm Oxy, thiếu vitamin C sẽ làm chậm
quá trình tổng hợp hydroxyproline, ảnh hưởng đến quá trình xây dựng cấu trúc protein gây ra
những rối loạn trong cơ thể.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 9
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA


Hình 1.2 Công thức cấu tạo của hydroxyproline
 Phân tử collagen bao gồm 3 chuỗi xoắn lại với nhau tạo thành collagen triple-
helix tạo thành cấu trúc 3D- một mô hình lý tưởng cho các liên kết hydro giữa các chuỗi ( Te
Nijenhuis, 1997). Mỗi chuỗi trong triple- helix quay theo chiều kim đồng hồ. Triple-helix dài
xấp xỉ 300nm và chuỗi có khối lượng phân tử khoảng 105 kDa (Papon, Leblon và Meijer,
2007). Triple-helix được ổn đònh bởi liên kết hydro nội giữa các chuỗi. Trong cấu trúc phân tử
collagen, do tương tác giữa các mạch polypeptide làm cho phân tử có những vùng kỵ nước và
vùng phân cực mang điện tích sẽ tạo nên khả năng háo nước làm trương nở collagen. Sự biến
tính collagen làm cho các cầu nối bò tách một phần hoặc hoàn toàn gây nên sự tách rời các

chuỗi do phá hủy các liên kết hydro, chính điều này làm mất đi cấu trúc triple-helix. Mô hình
“ triple-helice” của collagen dựa trên những nghiên cứu về hiện tượng nhiễu xạ sợi. Chuỗi
nhiễu xạ sợi thể hiện trên mức trung bình của toàn bộ phân tử collagen , và mô hình đặc trưng
thể hiện đó là sự sắp xếp lặp đi lặp lại của các chuỗi polypeptid, thông thường là Gly-Pro-
Hyp.
 Một đặc điểm đặc trưng của collagen là sự sắp xếp đều đặn của các amino acid
trong mỗi mắt xích của từng chuỗi xoắn ốc collagen này. Mỗi sợi collagen này được cấu tạo
từ ba chuỗi polypeptid nối với nhau giống như sợi dây thừng. Cấu trúc của collagen tương tự
như hình xoắn ốc, mỗi một chuỗi polypeptid trong collagen được cấu tạo từ các acid amin
theo một trật tự, thông thường là Gly – Pro – Y, hoặc Gly – X – Hyp.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 10
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA

Hình 1.3 Trình tự sắp xếp các acid amin trong phân tử Collagen
Trong đó X, Y là những đơn vò aminoacid khác nhau, có thể là proline (Pro) và
hydroxyproline ( Hyp) chiếm khoảng 1/6 chiều dài chuỗi. Glycine chiếm gần 1/3 trong tổng
số các amino acid và nó được phân bố một cách đều đặn tại vò trí mỗi 1/3 xuyên suốt trong
phân tử collagen. Do glycine có các nhánh phụ nhỏ nhất nên sự lặp lại của nó cho phép các
chuỗi polypeptide kết hợp chặt chẽ với nhau hình thành nên một đường xoắn ốc với khoảng
trống nhỏ ở phần lõi. Tổng cộng chỉ riêng proline, hydroxyproline và glycine đã chiếm ½
chuỗi Collagen. Các acid amin còn lại chiếm ½
Bảng 1.3 Sự phân bố các amino acid trong chuỗi polypeptide
Triple helix Tỉ lệ so với tổng bộ ba(%)
Gly – X – X 44
Gly – X – Y 20
Gly – Y – X 27
Gly – Y – Y 9
 Collagen cũng chứa các đơn vò carbonhydrate, cả monosaccharide galactose
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 11
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA

hoặc disaccharide glucosylgalactose, liên kết với phần dư hydroxylysine thông qua nhóm
hydroxyl chức năng của amino acid. Tỷ lệ của mono/disaccharide phụ thuộc vào loại collagen
và tình trạng sinh học. Chức năng của các đơn vò carbohydrate vẫn chưa được hiểu biết đầy
đủ, nhưng ảnh hưởng của chúng trong việc gắn kết phần bên phân tử collagen hình thành nên
sợi và bán kính của sợi đang được nghiên cứu.
Ngoài ra, trong phân tử collagen có những vùng gồm khoảng 9 ÷ 26 amino
acid tại các điểm đầu mút amino hay carboxyl của chuỗi. Các vùng này không sáp nhập với
cấu trúc xoắn ốc và được gọi là telopeptide.
1.2.2 Cấu trúc phân tử Collagen [1]
 Phân tử collagen là một protein hình trụ, có cấu trúc bậc 4, do các đơn vò
tropocollagen cấu trúc bậc 3 tổ hợp theo các hướng dọc và ngang làm collagen có nhiều mức
cấu trúc Đơn vò cơ bản của collagen là “Tropocollagen”, liên kết với nhau tạo thành những
sợi nhỏ. Tropocollagen là một cấu trúc dạng sợi hình ống chiều dài khoảng 300nm, đường
kính 1.5nm, gồm ba sợi polypeptide (còn gọi là 3 chuỗi α) cuộn lại với nhau, mỗi chuỗi α
cuộn thành đường xoắn ốc theo hướng từ phải sang trái với 3 gốc trên một vòng xoắn, hay
còn gọi là proline I ( xoắn trái với 3.3 gốc aminoacid/ vòng, liên kết peptid có hình thể cis ),
ba chuỗi này xoắn lại với nhau theo hướng từ trái sang phải tạo thành đường bộ ba xoắn ốc
(triple helix) hay còn gọi là proline II ( xoắn trái với 3 gốc aminoacid/ vòng, liên kết peptid
có hình thể trans), khoảng cách giữa hai gốc tính từ hình chiếu của chúng lên các trục là
0,31nm. Hai cấu trúc này có thể chuyển đổi cho nhau và thường thì dạng II trong môi trường
nước thì bền hơn.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 12
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA

Hình 1.4 Cấu trúc của Tropocollagen ( triple helix )
Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc liên kết với nhau bằng các
liên kết ngang tạo thành các sợi theo chu kỳ nhất đònh. Chúng được sắp xếp so le nhau một
khoảng 67nm và có 1 khoảng trống 40nm ở giữa những phân tử liền kề nhau. Nhờ vào cấu
trúc có trật tự, độ bền vốn có của các chuỗi xoắn ốc được chuyển sang các sợi collagen, cung
cấp cho các mô độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính cơ học riêng. Vì thế collagen rất chắc,

dai và bền.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 13
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Hình 1.5 Liên kết ngang giữa các phân tử Tropocollagen
Các tropocollagen sẽ liên kết ngang với nhau theo kiểu cộng hóa trò và chính nhờ
vào liên kết này mà các phân tử tropocollagen hình thành nên sợi collagen. Các sợi collagen
rất dài và mảnh, chúng sắp xếp tạo thành mạng collagen.

Hình1.6 Cấu trúc của procollagen và sự chuyển từ procollagen sang tropocollagen
Các bước hình thành nên collagen:
 Bước 1: Tổng hợp chuỗi alpha, giai đoạn trước procollagen trên riboxom và trong
mạng lưới nội chất.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 14
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
 Bước 2: Sự tổ hợp 3 chuỗi alpha hình thành procollagen.
− Sự hình thành cầu nối disulphide giữa các phần của chuỗi polypeptide tại
đầu C-
− Ba chuỗi alpha liên kết lại, hình thành chuỗi xoắn ốc, tạo procollagen.

 Bước 3: Sự giấu các phân tử procollagen bằng cách hình thành lớp màng thêm bao
bọc.
 Bước 4: Sự phân cắt các peptide đònh danh tại lớp màng bao bọc, kết quả là hình thành
nên phân tử collagen.

 Bước 5: Quá trình tự sắp xếp của collagen phân tử hình thành nên sợi collagen.
 Bước 6: Tạo các liên kết ngang giữa các phân tử collagen đứng cạnh nhau.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 15
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA

Hình 1.7 Sự hình thành chuỗi xoắn ốc nội phân tử và giữa các chuỗi polypeptide

Mỗi chuỗi polypeptide có khối lượng phân tử khoảng 100 kDa, tạo nên tổng khối
lượng phân tử của collagen khoảng 300 kDa. Chuỗi α được cấu tạo bởi khoảng 1000 amino
acid. Các chuỗi α khác nhau (α
1
, α
2
và α
3
) ở thành phần amino acid. Sự phân bố của các
chuỗi α
1
, α
2
và α
3
trong các phân tử collagen khác nhau tùy thuộc vào sự khác nhau về gene.
1.2.3 Cấu trúc sợi của collagen [3]
 Phần lớn collagen trong mạng lưới ngoại bào được tìm thấy ở dạng sợi, bao
gồm những sợi mảnh, nhỏ. Thông qua quá trình tạo sợi, các phân tử collagen tổ hợp với nhau
hình thành nên các vi sợi (microfibril) bao gồm từ 4 ÷ 8 phân tử collagen hoặc với số lượng
nhiều hơn sẽ tạo thành các sợi (fibril). Những sợi này có đường kính từ 10 ÷ 500 nm tùy thuộc
vào loại mô và giai đoạn phát triển. Các sợi collagen sẽ thiết lập nên các sợi lớn hơn (fiber)
và cao hơn nữa là các bó sợi (fiber bundle).
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 16
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA

Hình 1.8 Cấu trúc sợi của collagen
 Sợi collagen là các tổ hợp có cấu trúc bán kết tinh của các phân tử collagen.
Các vi sợi kết hợp tạo nên sợi lớn hơn. Các sợi lớn hơn sẽ kết hợp với nhau tạo thành những
bó sợi collagen. Các sợi collagen được sắp xếp với những cách thức kết hợp và mức độ tập

trung khác nhau trong các mô khác nhau để cung cấp các đặc tính khác nhau của mô.
Các chuỗi collagen sắp xếp song song theo chiều dọc tạo thành các sợi với
tính chu kỳ nhất đònh. Chúng được sắp xếp so le nhau một khoảng 67 nm và có một khoảng
trống khoảng 40 nm giữa những phân tử liền kề nhau.
Nhờ vào cấu trúc có thứ bậc, độ bền vốn có của các chuỗi xoắn ốc được
chuyển sang các sợi collagen, tạo cho các mô có được độ cứng, độ đàn hồi và những đặc tính
cơ học riêng biệt.
Có vài liên kết bên trong mỗi chuỗi triple helix và một số lượng biến thiên
các liên kết ngang giữa các chuỗi để hình thành nên những tổ hợp có trật tự (như sợi
collagen). Các bó sợi lớn hơn được tạo nên nhờ vào sự trợ giúp của một vài loại protein (bao
gồm những loại collagen khác nhau), glycoprotein và proteolycan để hình thành các loại mô
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 17
Chuỗi
polypeptide
Phân tử
collagen
Vi sợi
Sợi
Bó sợi
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
khác nhau từ sự sắp xếp luân phiên của những thành phần trên. Sự không hòa tan của
collagen là một trở ngại cho việc nghiên cứu nó cho tới khi người ta phát hiện tropocollagen
có thể được trích ly từ những động vật còn non do chưa xảy ra liên kết ngang hoàn toàn. Tuy
nhiên, sự phát triển của kỹ thuật hiển vi (Electron Microscopy (EM) và Atomic Force
Microscopy (AFM)) và sự nhiễu xạ tia X đã cho phép các nhà nghiên cứu thu được những
hình ảnh chi tiết về cấu trúc của collagen. Những tiến bộ này có ý nghóa quan trọng trong
việc hiểu được cách thức mà collagen tác động lên mạng lưới tế bào, sự xây dựng, phát triển,
phục hồi, thay đổi của mô trong quá trình phát triển.
Hình 1.9 Sự sắp xếp của phân tử collagen trong một sợi
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 18

ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
1.3 PHÂN LOẠI COLLAGEN [4]
 Tính đến thời điểm hiện tại, có 42 loại chuỗi polypeptide được nhận dạng.
Chúng được mã hóa bởi 41 loại gene khác nhau, tạo thành 27 loại collagen. Họ collagen được
phân loại thành những phân họ khác nhau dựa vào sự tổ hợp của các siêu phân tử. Sự phân
bố trong các mô của những loại protein khác nhau thể hiện tính đa dạng và phạm vi đáng chú
ý, từ những loại collagen riêng biệt như collagen II, X có trong sụn đến những loại collagen
dạng sợi phân bố rộng khắp như collagen I và V. Những loại collagen khác nhau thực hiện
những chức năng chuyên dụng trong các mô và có phương thức sắp xếp riêng biệt của các
siêu phân tử. Một số loại được cấu tạo từ một tam phân (homotrimer), trong khi đó những loại
khác được cấu tạo từ nhiều tam phân. Loại collagen phong phú nhất là những collagen dạng
sợi hình thành những nền tảng cấu trúc của da, gân, xương, sụn và những loại mô khác.

SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 19
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Hình 1.10 Một vài dạng sinh học của collagen
Dựa theo cấu trúc và cách tổ chức sắp xếp các phân tử trong chuỗi, collagen được
phân chia thành 7 nhóm chính : collagen dạng hình sợi, FACIT collagen, collagen dạng mạng,
collagen dạng giữ chặt, collagen chuyển màng, collagen màng nền và các loại collagen có
chức năng duy nhất khác. Những loại collagen này khác nhau về chiều dài của chuỗi xoắn ốc
cũng như bản chất và kích cỡ của những phần không xoắn ốc.
Bảng 1.4 Phân loại và vò trí phân bố các loại collagen
Dạng collagen Loại Cấu tạo phân tử Phân bố
Collagen dạng sợi
I [α1(I)]
2
α2(I)] Xương, gân, dây
chằng, giác mạc,
II [α1(II)]
3

] Sụn, thủy tinh thể,
III [α1(III)]
3
] Da,thành mạch máu,
lưới sọi của cá
mô( phổi, gan, lách,
V α1(V), α2(V),α3(V) Phổi, giác mạc,
xương,
XI α1(XI)α2(XI)α3(XI) Sụn, thủy tinh thể,
Màng nền collagen IV [α1(IV)]
2
α2(IV)]
α1 - α2
Màng nền
Collagen vi sợi VI α1(VI),
α2(VI),α3(VI)
Sụn, phổi, thành
mạch máu,
Sợi neo collagen VII [α1(VII)]
3
Da, vùng chuyển tiếp
biểu bì - da, niêm
mạc miệng,
Dạng mạng lưới lục
giác collagen
VIII [α1(VIII)]
2
α2(VIII)] Màng tế bào,
X [α3(X)]
3

Sụn,
IX α1(IX)α2(IX)α3(IX) Sụn, dòch thủy tinh,
giác mạc,
XII [α1(XII)]
3
Màng sụn, dây
chằng, gan,
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 20
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
FACIT collagen
FACIT collagen
XIV [α1(XIV)]
3
Gan, thành mạch
máu, phổi, cơ vân,
XIX [α1(XIX)]
3
Sarcoma cơ vân của
con người
XX [α1(XX)]
3
Biểu mô giác mạc,
phôi da, xương ức
sụn, gân,
XXI [α1(XXI)]
3
Thành mạch máu,
Collagen chuyển
màng
XIII [α1(XIII)]

3
Biểu bì, nang tóc,
ruột, sụn bào, phổi,
gan,
XVII [α1(XVII)]
3
Vùng chuyển tiếp
biểu bì – da,
XV [α1(XV)]
3
Nguyên bào sợi, các
té bào cơ trơn, thận,
tụy,
XVI [α1(XVI)]
3
Nguyên bào sợi,
phiến keratin,
XVII [α1(XVII)]
3
Phổi, gan,
Collagen loại I là phổ biến nhất và thường ở trong các mô liên kết như da,
xương, gân. Collagen loại II hầu như tồn tại ở các mô sụn. Collagen loại III lại phụ thuộc rất
lớn vào độ tuổi của động vật, da heo còn trẻ chứa tới 50%, theo thời gian tỷ lệ này giảm 5÷
10%. Những loại colagen khác chỉ hiện diện với lượng rất nhỏ và chỉ ở một vài cơ quan đặc
biệt.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 21
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Hơn 90% collagen trong cơ thể là các collagen loại I, II, III và IV. Những bệnh tật
liên quan đến collagen là do sự khuyết tật về gene ảnh hưởng đến sự sinh tổng hợp, sự sắp
xếp cũng như các quá trình khác trong sự sản sinh collagen một cách bình thường.

1.3.1 Collagen dạng sợi
Collagen dạng sợi cổ điển bao gồm các loại I, II, III, V, XI. Những loại collagen
này có khả năng kết hợp tạo thành một tổ hợp cấu trúc siêu phân tử được đònh hướng cao, đó
là chuỗi sợi so le bậc 4 với đường kính từ 25 – 400nm. Dưới kính hiển vi điện tử, những sợi
này được xác đònh bởi một mô hình đặc trưng với một dải chu kỳ khoảng 70nm ( được gọi là
chu trình D) dựa vào sự sắp xếp so le của mỗi đơn phân collagen riêng biệt.
 Loại I Collagen loại I là collagen chiếm thành phần và được nghiên cứu nhiều
nhất. Nó chiếm hơn 90% khối lượng của xương và là thành phần chính của mô liên kết trong
gân, da, dây chằng, giác mạc, chiếm thành phần rất ít trong sụn, thủy tinh thể,
Cấu trúc triple_helix của collagen loại I bao gồm hai chuỗi xoắn α1 giống hệt
nhau và một chuỗi α2 . Trong cơ thể sinh vật, hầu hết chuỗi xoắn α3 được kết hợp vào hỗn
hợp có chứa loại III collagen ( có trong da và lưới sợi) hoặc loại IV collagen ( có trong xương,
gân và giác mạc). Trong hầu hết các cơ quan đặc biệt là trong gân, collagen loại I có chức
năng tạo nên độ giãn, chắc. Trong xương, nó tham gia xây dựng cấu trúc của xương, đảm bảo
khả năng chòu tải trọng, độ cứng chắc của xương.
 Loại II
Collagen loại II là thành phần đặc trưng và chiếm hàm lượng cao trong sụn trong
suốt. Tuy nhiên, hàm lượng collagen loại II này ngày càng chiếm tỉ lệ lớn trong tổng số
collagen ( khoảng 80%) khi được tìm thấy trong các cơ quan như : thủy tinh thể, các biểu mô
giác mạc, dây sống, Cấu trúc triple_helix của collagen loại II được đặc trưng bởi ba chuỗi
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 22
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
xoắn α1 hình thành một phân tử “ homotrimeric” tương tự nhau về kích thước và cả chức
năng sinh học như của collagen loại I.
Những sợi collagen khác trong sụn đóng vai trò kết hợp với collagen loại II, cũng
như loại XI và IX nhằm để giới hạn đường kính trong khoảng từ 15 – 50nm. Khác với
collagen loại I , chuỗi xoắn collagen loại II chứa hàm lượng hydrolysine khá cao, cân bằng
nồng độ của proteoglycan – một thành phần đặc trưng ở dạng ngậm nước của sụn trong suốt.
 Loại III
Giống như loại II, collagen loại II cũng được tạo thành từ 3 chuỗi xoắn α1.

Collagen loại III được phân bố rộng rãi trong các mô ngoại trừ xương. Nó là thành phần quan
trọng của những sợi lưới trong các mô hở ở phổi, gan, lá lách, Phân tử “Homotrimeric”
thường kết hợp với collagen loại I tạo thành một thành phần phong phú trong các mô đàn
hồi.
Bảng 1.5 Sự phân bố acid amin của 3 chuỗi α trong collagen loại I và loại III
Thành phần Thành phần theo tỉ lệ
α1 ( loại I) α2 ( loại I) α1 ( loại III)
3-Hydroxyproline 1 2 0
4-Hydroxyproline 108 93 125
Proline 124 113 107
Lysine 26 18 30
Hydroxylysine 9 12 5
Glycine 333 338 350
Cystein 0 0 2
Serine 34 30 39
Alanine 115 102 96
Histidine 3 12 6
Valine 21 35 14
Methionine 7 5 8
Isoleucine 6 14 13
Leucine 19 30 22
Arginine 50 50 46
Phennyalanine 12 12 8
Aspartic acid 42 44 42
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 23
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Threonine 16 19 13
Glutamic acid 73 68 71
Tyrosine 1 4 3
 Loại V và XI

Collagen loại V và XI như là một phân nhóm nhỏ trong collgen dạng sợi,cấu
trúc của hai loại collagen này là một “heterotrimer” đặc trưng bởi 3 chuỗi xoắn α1 , va α2ø, α3
khác nhau. Điều đáng chú ý là chuỗi xoắn α3 trong cấu trúc loại collgen XI được mã hóa bởi
các gen tương tự như chuỗi α1 trong cấu trúc collagen loại II, chỉ khác ở kích thước của
glycosylation và hydroxylation. Sự kết hợp giữa sự giống và khác nhau của cấu trúc hai loại
collagen này xuất hiện khá nhiều trong các mô.
Theo những nghiên cứu trước đây cho thấy, collagen loại V là một hình thức
đặc thù của collagen loại I và loại III ở trong xương, giác mạc và nằm xen kẽ trong cơ bắp,
gan , phổi. Collagen loại XI cũng phân phối rộng trong cơ sụn như loại II. Một lượng lớn phía
cuối đầu amino non- collagen của chúng chỉ được tổng hợp một phần và sự hợp nhất của hai
loại collagen để tạo thành cấu trúc “heterotrimer” được cho là để kiểm soát khả năng lắp
ráp, sinh trưởng và đường kính của chúng. Kể từ đó, cấu trúc triple helix được cho là một màn
che trong các mô, chúng được đặt ở trung tâm hơn là trên bề mặt. Do vậy, collagen loại V có
chức năng như là một cấu trúc sợi cốt lõi cùng với loại I và III xung quanh trục trung tâm.
Tương tự như mô hình này, collagen loại XI được cho hình thức cốt lõi của những sợi collagen
loại II.
1.3.2 “Fibril – Associated Collagens with Interrupted Triple helices”:FACIT
collagen
Cấu trúc cơ bản của những loại collagen này được đặc trưng bởi những phần thuộc
collgen bò gián đoạn bởi những chuỗi ngắn không xoắn và những phân tử “ trimer” hóa có
liên quan đến bề mặt của các sợi khác nhau.
 Loại IX
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 24
ĐAMH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM GVHD: TS. PHAN NGỌC HÒA
Collagen loại IX được phân bố trong sụn và thủy tinh thể như collagen loại II.
Collagen này thuộc loại “ heterotrimeric”, cấu trúc bao gồm 3 chuỗi xoắn α1, α2 và α3 khác
nhau tạo thành ba đoạn xoắn hai bên hình cầu. Phân tử collagen loại IX được đặt dọc theo bề
mặt của sợi collagen loại II theo hướng đối song với nhau. Sự tương tác này được ổn đònh bởi
liên kết cộng hóa trò từ lysine đến đầu amino của collagen loại II.
 Loại XII và XIV

Collagen loại XII và loại XIV có cấu trúc gồm 3 chuỗi xoắn α1 kết hợp với nhau,
các loại collagen này được phân bố chủ yếu trong xương da, gân phổi, thành mạch
máu, cũng như collagen loại XIX và XX, chức năng của các collagen này vẫn chưa dược tìm
hiểu rõ.
1.3.3 Collagen vi sợi
Collagen loại VI được tạo thành từ 3 chuỗi xoắn α1, α2 và α3 khác nhau với cấu
trúc xoắn mở rộng và kéo dài dạng hình cầu. Chuỗi xoắn α3 gần như là dài gấp đôi các chuỗi
khác vì chiều dài đầu amino và cacboxyl khá lớn. Những sợi ban đầu kết hợp bên trong tế
bào theo hướng đối song với nhau, từng cặp chồng chéo lên nhau, sau đó sắp xếp bốn phần
song song nhau. Trong mạng lưới ngoại bào, chúng tập hợp thành những tổ hợp sợi và hình
thành mạng lưới vi sợi độc lập trong hầu hết các mô liên kết, ngoại trừ trong xương.
1.3.4 Collagen chuỗi ngắn
Collagen loại X là thành phần đặc trưng của sụn trong xương sườn, xương sống,…,
nó được tạo thành từ 3 chuỗi xoắn α3 giống nhau, cấu trúc mạng lưới hình lục giác với đầu
cacboxyl lớn và đầu amino ngắn. Chức năng của collagen loại X vẫn chưa được tìm hiểu sâu,
các nhà nghiên cứu vẫn đang thảo luận về vai trò của nó trong quá trình hóa xương sụn và
vôi hóa.
Collagen loại VIII có cấu trúc giống như collagen loại X nhưng có sự phân phối
khác biệt nhau, vì thế mà chức năng của nó cũng khác. Quá trình hình thành mạng lưới trong
collagen này được thực hiện bằng các nội mô tế bào hình thành nên cấu trúc hình lục giác.
SVTH: VÕ THỊ HỒNG LINH Trang 25