封面说明

       采用胶原蛋白三螺旋的模型作为封面主要内容，生动展示了胶原蛋白三螺旋的结构特点以及其所包含的“G-P-O”关键序列。我们还将文章中所提到的代表性分子结构展示在了图片的右下角部分。整张图片设计具有科技感，色彩对比鲜明，元素排布富有层次，精准传递生命科学的深邃与未来感。

文章重要内容

       胶原蛋白具有独特的三螺旋结构，是哺乳生物体内重要的结构和功能性蛋白。类胶原多肽(CMPs)可模拟天然胶原蛋白结构和功能，具有结构明确、易于调控等优点，可通过固相合成或基因工程制备。本文综述了CMPs研究进展，重点探讨其结构设计、性质调控及应用潜力；深入分析序列结构CMPs稳定性的影响；介绍了在CMPs结构设计中，基于GPO序列衍生以及部分氨基酸替换等策略。最后展望了类胶原蛋白聚氨基酸的发展前景，提出通过高分子聚合方法解决CMPs工业化量产难题。

文章概述

本文首先介绍了胶原蛋白的三螺旋结构，胶原蛋白的胶原域由多条原胶原交联而成，而每条原胶原由3条α-肽链通过氢键螺旋缠绕，形成稳定的三螺旋结构。其中每条α-肽链由1000多个氨基酸残基组成，典型序列是甘氨酸-Xaa-Yaa的周期性重复序列，其二级结构为3₁螺旋轴的聚脯氨酸II型(PPII)螺旋，对维持三股螺旋结构的稳定性起重要作用(图1)。

图1 三螺旋结构。(a) 从N端向左纵向观察，可以观察到Gly-Xaa-Yaa三联体序列；(b) 从N端向下观察螺旋，可以观察到包含Xaa、Yaa和Gly位置的单个横截面。Xaa脯氨酸与下一个横截面中的甘氨酸形成氢键。

胶原蛋白在医美、医药及食品工业中均有广泛应用。目前胶原蛋白的规模化生产主要依赖动物组织提取和重组胶原蛋白表达。但提取和纯化过程可能导致生物活性降低甚至丧失，重组胶原蛋白同样面临下游纯化过程复杂且成本高昂等问题，分子量远不及天然胶原，且缺乏脯氨酸羟化等后修饰，进而影响最终产物的结构与稳定性。

类胶原多肽(collagen mimetic peptides，CMPs)是一类模拟天然胶原蛋白组成、结构和功能的仿生材料，通过特定的氨基酸序列设计来模仿天然胶原蛋白的结构与自组装特性，从而实现类似胶原蛋白的物理化学性质乃至生物学功能，通常由重复的Gly-Xaa-Yaa序列单元构成(其中Xaa、Yaa常为Pro和Hyp)，这一序列模式高度保守，是实现胶原样二级结构和高级超分子组装的基础。CMPs具有分子量小、结构明确且易于调控、合成可控性强等特点。它们既可通过固相合成法精准制备，也可利用基因工程生物合成，从而实现对肽链长度、化学修饰和物理性质的精细调控.避免了天然胶原提取过程中可能遇到的病毒残留、免疫原性和批次间差异等问题，同时在结构层面，其序列的可定制性允许研究者引入特定功能域，从而增强材料的功能多样性，在在组织工程、药物递送、生物传感和仿生涂层等领域展现出广阔的应用前景。

文章介绍了胶原蛋白的关键序列Gly-Pro-Hyp (GPO)中影响PPII结构稳定性的关键因素，如吡咯烷环四号位的取代基电子效应和位阻效应。吡咯烷五元环会由于Gauche效应而更倾向于采取exo构象。此时更容易出现酰胺氧孤对电子到另一酰胺羰基π键反键轨道的n→π*相互作用，此情况下酰胺键为反式构型，因此可以形成PPII螺旋构象(图2)。因此四号位具有反式羟基的羟脯氨酸在胶原中大量存在，它相比脯氨酸具有更高的 PPII 螺旋倾向，可以稳定胶原单链的PPII构象，从而增强胶原的整体结构稳定性。

图2 (a) 稳定三螺旋结构的立体电子效应， (b) 三螺旋结构中的n→π*作用，EWG为吸电子基团

CMPs最早的研究集中于研究(GPO)_n低聚物的合成与构效关系，通过固相合成得到不同长度的具有重复序列的短肽，发现当n>6时其无需交联即可自组装形成稳定三螺旋，且热稳定性随三肽单元数量增加而提升，也可以通过从POG三肽缩聚得到分子量更高的多肽，在透射电镜(TEM)的观察下，存在纳米纤维状聚集结构。

非天然氨基酸的应用既提升了胶原三螺旋的热稳定性，也为解析其组装机制提供了新视角。研究者通常将G、P、O分别替换成各自的类似物(表1)，从而赋予三螺旋更高的稳定性。或者在序列中修饰上交联位点，实现三条α-肽链中的物理或化学交联，不仅能提高提高了三螺旋的稳定性和折叠速率，还能拓展其应用场景。

研究者也拓展了其他G-X-Y序列的种类，通过理论计算和实验验证了多种序列的可能的三螺旋结构，从轴向与横向来看通过静电、氢键、阳离子-π、酰胺-π作用等可能形成稳定的三螺旋结构。例如Lys-Asp的静电盐桥作用、Gln-Phe的酰胺-π相互作用均能稳定多肽的三螺旋结构(图3)。

图3 三螺旋结构中的成对相互作用。(a) 不同相互作用几何构型所需的序列排列：横向相互作用发生在 Yaa(青绿色)与同一位点三肽的Xaa(橙色)之间型(PPII)螺旋的二级结构示意图； (b) 赖氨酸-天冬氨酸(K-D)静电相互作用 ；(c) 横向羟脯氨酸-谷氨酸(O-E)氢键作用； (d) 谷氨酰胺-苯丙氨酸(Q-F)轴向酰胺-π 相互作用； (e) 精氨酸-苯丙氨酸 (R-F) 轴向相互作用； (f) 苯丙氨酸-精氨酸(F-R)横向相互作用模型

虽然目前的CMPs虽然能够模拟天然胶原蛋白的部分结构与功能，但仍存在一些不足：首先，其分子量通常较低，难以形成稳定结构，导致物理与力学性能较差，通常无法形成水凝胶；此外，传统多肽固相合成技术以及缩聚聚合方案存在合成效率低、生产成本高等弊端，规模化生产面临挑战。聚氨基酸(poly(amino acid)，又称聚多肽)是一类由同一种或多种氨基酸N-羧基内酸酐(NCA)通过开环聚合制备、以肽键连接的仿生高分子，分子量可达数万至百万道尔顿。随着近年来可控聚合方法的蓬勃发展，聚氨基酸的分子量、分散度、端基保真度和拓扑结构调控日益改善。

通过活性开环聚合的方式通常难以制备确定序列的类胶原多肽，但是合成具有PPII螺旋构象的聚脯氨酸(PPro)和聚羟脯氨酸(PHyp)等均聚物有助于研究者加深对于胶原蛋白构象的进一步理解，也为通过开环聚合反应开发类胶原蛋白聚氨基酸奠定了基础。

Lu等在2022年报道了Pro-NCA开环聚合中反常的“水加速”现象，聚合度最高达到200，由于反应条件温和、操作简便、易于提纯，他们进一步利用蛋白质赖氨酸残基引发了Pro-NCA开环聚合，获得原位生长的蛋白质-聚脯氨酸偶联物该偶联物相较野生型蛋白可以增加其抵抗极端环境的能力、显著延长血液循环时间并降低药物的免疫原性，展示了广阔的药用前景(图4)，由于脯氨酸是胶原蛋白中富含的氨基酸成分，而聚脯氨酸的PPII螺旋结构也类似胶原蛋白，未来聚脯氨酸及其共聚物还有望用于食品、医美、医疗器械等领域。

图4 (a) Pro-NCA的水辅助开环聚合；(b) 通过蛋白质原位引发的Pro-NCA聚合制备蛋白质-聚脯氨酸偶联物

Lu等人在随后还报道了Hyp-NCA的开环聚合。他们通过水辅助的超快聚合技术，能够一步合成具有线型拓扑结构的PHyp，还开发了一种在DMSO中通过有机碱催化触发的一步聚合法，制备了分子量高达438 kDa的支化PHyp (B-PHyp)，其分子量是之前报道的PHyp的约40倍，这些聚合物具有独特的PPII螺旋结构，在药物递送、伤口愈合和医美等生物医学应用中展现出广阔的前景。

图5 Hyp-NCA 的开环聚合反应用于合成具有线性和支化结构的 PHyp

总结与展望

该综述系统整合了类胶原多肽的发展方向，其策略大致可分为GPO序列中结构相似的非天然氨基酸引入、侧链修饰以及部分P或O的氨基酸替换。这些工作详细探究了GPO序列中部分结构变化导致的稳定性及性质变化，同时也加深了研究者对于胶原蛋白中构象和相互作用力的理解。然而受限于多肽固相合成的高成本、低效率和低分子量，导致其模拟胶原蛋白的工业化进程受阻。目前Pro-NCA和Hyp-NCA的高效开环聚合反应均已实现，未来通过高分子共聚合方法有望合成具有类似胶原蛋白功能的聚氨基酸高分子，解决CMPs合成成本高、无法工业化量产的问题，为CMPs的研究提供了新的思路。 

本文相关成果发表于《高分子学报》2026年第3期，题为“类胶原蛋白多肽：从结构设计到性质调控”，论文由北京大学化学与分子工程学院与北京瑞颜生物科技有限公司合作撰写，论文第一作者为北京大学博士生王乐天，现为瑞颜生物公司研发总监，通信联系人为吕华教授。

引用本文

王乐天, 唐晨鸣, 李少魁, 吕华. 类胶原蛋白多肽：从结构设计到性质调控. 高分子学报, 2026, 57(3), 621-635.Wang, L. T; Tang, C. M.; Li, S. K.; Lu, H. Collagen mimetic peptide: from structural design to property modulation. Acta Polymerica Sinica (in Chinese), 2026, 57(3), 621-635.