蛛丝蛋白的研究现状和进展

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1、蛛丝蛋白的研究现状和进展摘要：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白。由于其高度重复的一级结构、特殊的溶解特性和分子折叠行为以及具有形成非凡力学特性丝纤维的能力而引人注冃。本文主耍对蛛丝蛋白的结构、特点以及冃前对其研究比较多的应用和新型的合成方法进行综述，同时也对将来蛛丝蛋白的研究方向以及在研究中可能会遇见的问题进行分析。通过本文的介绍希望可以在英蛋白质的结构上有更深刻的理解和认识，同时也为蛛丝蛋白的研究和应用提供一个很好的参考和依据。关键词：蛛丝蛋白；结构;基因合成；弹性、韧性材料前言：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白，它是由节肢动物门昆虫纲、蛛形纲和多足纲中某些类群的特殊腺体产生的。蛛丝主

2、要包括拖丝和捕捉丝，英中拖丝主要用于构成蜘蛛网的牵丝和轮状网UL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。因此，蛛丝蛋白的结构性能以及其强大的力学特性值得深入的研究。另外，尽管某些具有优良力学特性的蛛丝可以被开发为有潜力的、应用价值高的新型生物材料，但在人工条件下大规模、高密度地养殖蜘蛛以获得蛛丝的现实困难迫使人们寻求另外的途径生产蛛丝蛋白來满足研究、开发和应用的需要。因此，高效的合成和生产方法变得也不可忽视。纵观近十年的研究史，大多数好的研究技术也逐渐走向成熟。比如近来从蜘蛛丝腺cDNA文库中克隆蛛丝蛋白基因或通过化学合成编

3、码蛛丝蛋白的人工基因用于重组蛛丝蛋白基因工程生产已成为制备蛛丝蛋白的一个主要方法。蛛丝蛋白基因克隆和表达的成功为人们初步了解各种类型蛛丝蛋白分子的结构、折叠行为和功能Z间的内在联系及各种类型蛛丝各自独特力学特性的分子基础提供了良好的开端。与上述蛛丝蛋白的结构与性能的研究深入，它的应用也逐渐发展起來。比如研究人员首先通过转基因技术培育出了一种山羊，这种山羊能够生产出具有蛛丝蛋白的羊奶。在羊奶中加入一种特殊的溶剂后，就能提取到大量的蛛丝纤维。这种蛛丝纤维甚至比著名的凯夫拉尔纤维还结实，强度是钢的10倍。将这些纤维纺纱编织就能制成所需要的“超强布料”。同时，蛛丝蛋白在其结构性能和应用方面的

4、研究同时也面临着众多的问题等待解决。一、蛛丝蛋白的结构和功能1＞总体认识：蛛丝蛋白具有典型的蛋白质二级结构，即蜘蛛丝由a■螺旋和B■片层共同组成。特点：1、规则的B■片层被不规则的Q■螺旋和B■弯曲所包围。2、B■片层赋于丝力度a■螺旋赋于丝弹性。蛛丝主要包括拖丝和捕捉丝。针对这两种蜘蛛蛋白丝的不同功能，首先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%;而捕捉丝丝蛋口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

5、占21%o此外其它如谷氨酸，丝氨酸，亮氨酸，酪氨酸和颂氨酸等，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，并与不定型的富含廿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，发现它主耍由一个松弛部分和一个紧密部分构成：紧密部分主要由&10个丙氨酸残基序列组成，并形成反向平行的8・折叠，多个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0・螺旋起着连接晶体部分的作用。这样B折叠片层之间以8・转角相连，而a■螺旋构成的松弛部分将各

6、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・折叠结构/旦处于液态的蛛丝蛋口则通常是以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。2、温度和某些化学试剂与蛋白质结构冇关。在体外较高温度下，可以诱导蛛丝蛋白多肽序列形成折叠;2,2,2-三氟乙醇则可诱导a■螺旋的形成。Vollrath等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

7、。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。这对于我们研究、了解蛛丝蛋白的口装配行为并加以利用是具有重要的现实意义的。3、同种或不同种的蜘蛛拖丝蛋白的弹性、强度、断裂张力与蜘蛛的体重有相关性。一般来说，断裂张力为其体重的2倍，弹性则为其体重的6倍。这说明适当调整某些氨基酸序列可以优化蛛丝蛋口的某些性质。而且就同种蛛丝来讲，当蜘蛛处于不同的生活状态下/列如饥饿时，所