[科普中国]-蛛丝蛋白

简介

蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白，由丙氨酸组成的β-折叠和富含脯氨酸的A-螺旋，及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构，决定了其具有强度高，韧性大等一些重要特点。对其蛋白质序列的组成与结构人们已基本研究清楚，蛛丝蛋白基因部分序列的克隆已取得成功，在基因表达方面也取得了一些进展。虽然由于蛛丝蛋白基因序列的高重复性、不稳定性和较长的基因序列，使得对蛛丝蛋白的全基因克隆变得困难重重，但是蛛丝蛋白独特的结构和性质，使其在医学领域尤其是组织工程方面有着诱人的前景。

结构蛛丝（spidroin）主要包括拖丝和捕捉丝，其中拖丝主要用于构成蜘蛛网的牵丝和轮状网面，捕捉丝则用来粘附昆虫并在昆虫挣扎时提供强大的弹性，以免由于强大的动能导致反弹，将捕捉到的食物弹出去。针对这两种蜘蛛蛋白丝的不同功能，科学家已对它们的蛋白质结构展开了深入的研究，观察到两种丝在氨基酸组成和空间结构上均有极大的相似性和同源性。氨基酸序列分析结构表明，拖丝蛋白主要由甘氨酸和丙氨酸组成，其中甘氨酸占氨基酸总量的37%，丙氨酸占18%。而捕捉丝丝蛋白主要氨基酸是甘氨酸和脯氨酸，甘氨酸占氨基酸总量的44%，脯氨酸占21%。此外其它如谷氨酸，丝氨酸，亮氨酸，酪氨酸和缬氨酸等，在这两种丝蛋白中也占有一席之地。

由于蛛丝蛋白的结构中缺乏长的侧链，因而其蛋白质结构趋向于紧密堆砌，并与不定型的富含甘氨酸区形成半结晶状态，再通过若干不同的残基重复片段得到强化。利用核磁共振方法研究蛛丝蛋白的空间结构，发现它主要由一个松弛部分和一个紧密部分构成，紧密部分主要由8-10个丙氨酸残基序列组成，并形成反向平行的β-折叠，多个β-折叠构成的紧密部分成为结晶状态，非结晶状态的松弛部分则由24-35个富含甘氨酸的单链多肽构成，它们形成A- 螺旋起着连接晶体部分的作用。这样β折叠片层之间以β-转角相连，而A-螺旋构成的松弛部分将各β-折叠连成一个线状整体，其直径约4微米。利用固相核磁共振技术研究证明，尽管在成型的蛛丝蛋白中多为反向的β-折叠结构，但处于液态的蛛丝蛋白则通常是以A-螺旋形式存在的。这些重复的蛋白质片段，每隔一段距离形成一个转角，扭结成一个分子弹簧，最终整个丝蛋白构成一个弹簧似的结构，这种结构的要领就在于多肽链残基n的CO 基与残基n+3的NH形成氢键，因而多肽链可以急剧地改变其方向。研究结果还表明，温度和某些化学试剂与蛋白质结构有关。在体外较高温度下，可以诱导蛛丝蛋白多肽序列形成β-折叠，2，2，2-三氟乙醇则可诱导A-螺旋的形成。还发现蜘蛛壶腹腺内有一些中空的纤维管，其管壁由具有透析作用的半透膜组成。这种结构可以加速水流并改变其离子成分，从而起到一个阀门和动力泵的作用，它可以促进断丝的连接和纺丝，以保证丝蛋白以最优化的方式进行自装配，这对人们了解蛛丝蛋白的自装配行为并加以利用是具有重要的现实意义的。1

特点由于蛛丝蛋白具有独特的结构特征，因而呈现一些独特的物理化学性质：

（1）强度高。

（2）韧性大。

（3）具有独特的三维空间网状结构。

（4）具有一定的热稳定性，在250度高温下它能保持稳定，只有在250度以上时才会分解。

（5）耐疲劳性。

（6）具可降解性，在一定的酸性条件或者紫外线照射情况下会发生降解。

形成过程蜘蛛丝蛋白分子由于一级结构的特征决定了其分子内或分子间能自发形成β-折叠二级结构而具有产生固态分子聚合体的自发倾向，蜘蛛丝腺的结构及内环境成功地调控了蛛丝蛋白分子形成β-折叠二级结构的时机和程序。目前蜘蛛大壶状腺丝形成的过程和机理研究得最清楚，单个的大壶状腺是一端为盲端、另一端为开口的管道，依次为盲端的腺体部、腺漏斗、腺管、腺阀、阀后腺管和喷丝头等几个部分。腺体部由管径较小的盲尾和管径膨大的腺囊两部分构成。盲尾管壁腺细胞和腺囊前段管壁腺细胞为同一类型，专门分泌MaSp1和MaSp2丝蛋白分子，而腺囊后段管壁腺细胞分泌一种特殊的糖蛋白。腺阀管壁外连有特殊的肌肉，该部位的管径在肌肉的作用下可以改变。有两个关键因素促使蛛丝蛋白水溶液在温和的生理条件下向固态蛛丝的转变。首先是从腺囊开始一直到喷丝头管径越来越小，其中在腺漏斗和腺管后段两个部位管径急剧缩小，管壁的剪切力迫使线性的蛛丝蛋白分子逐渐向平行于腺管的轴向排列方式转变，即向液晶状态转变；其次是蛛丝蛋白水溶液从腺体部向喷丝头方向流动的过程中脱水的趋势。蛛丝蛋白脱水取决于两个方面，一方面蛛丝蛋白溶液在大壶状腺内流动时由于腺管管径逐渐变小、蛛丝蛋白分子间的物理距离缩小，从而导致蛛丝蛋白分子间聚合（形成 β- 折叠二级结构）的趋势加强，即蛛丝蛋白分子的内在脱水过程（internal drawdown process）；另一方面是阀后腺管管壁细胞特化为重吸收水份的细胞（细胞朝向管腔的游离面有大量的微绒毛，细胞朝向腺管外壁方向的基部细胞膜向细胞质内形成丰富的细胞膜内褶，同时细胞质内线粒体也丰富，类似于其他动物的肾小管细胞和盐腺细胞的结构），腺阀打开后蛛丝蛋白溶液在通过阀后腺管时被腺管管壁细胞快速脱水是形成固态蛛丝的直接诱因和动力。

应用1、人造皮肤

影响人造皮肤和烧伤包被层性能最大的因素是水汽的通透性，而丝类纤维的通透性与天然皮肤非常接近，而且同时作为生物材料，丝类纤维与皮肤的相像性很好，又具有比较发达的伸展性，非常适合未来的人造皮肤的要求。

2、酶等生物大分子的固定材料

丝类蛋白纺织系统特殊分子结构赋予它比例适中的亲水性和疏水性，同时水溶性的丝类蛋白可发加工成各种形态及形状的材料以便不同用途。例如，固定在丝蛋白薄膜中的葡萄糖氧化酶就被用来作为检测血液中葡萄糖浓度的传感器。

3、生物传感器

固定了特异抗原的丝类纤维膜可以用作检测相关疾病的生物传感器。被固定的抗原物质与体内产生的特异抗体相作用形成固定在纤维上的抗原抗体复合物，而这种特异的结合反应可以通过电讯号的形式被检测到。

4、人工肌腱

在医疗领域的一大难题是没有合适的材料来替代损坏的肌腱。当将磷酸集团嵌入丝后，丝纤维可以吸附到骨骼的主要成分羟磷灰石形成坚固的晶体外层，而且蛛丝本身还具有高强度、韧性以及良好的柔性和可塑性。这一切都使其成为适宜替代肌腱的前景材料。

5、军事及民用防护领域

蛛丝在理化性质方面与目前军事及民用防护领域所用的材料相当，甚至略优越一些。更重要的是蛛丝本身的重量要轻得多，而且柔韧性和通气性要远远优于别的材料，因此在未来的防护领域蛛丝将有非常乐观的广阔前景。2