蛛絲蛋白是一種很特殊的纖維蛋白，由丙氨酸組成的β-摺疊和富含脯氨酸的A-螺旋，及其緊密堆砌的二級結構使之成為一種半結晶狀態的分子彈簧結構，決定了其具有強度高，韌性大等一些重要特點。蛛絲蛋白獨特的結構和性質，使其在醫學領域尤其是組織工程方面有著誘人的前景。
基本介紹
- 中文名：蛛絲蛋白
- 外文名：spider fibroin
簡介,結構,特點,形成過程,套用,
簡介
蛛絲蛋白是一種很特殊的纖維蛋白，由丙氨酸組成的β-摺疊和富含脯氨酸的A-螺旋，及其緊密堆砌的二級結構使之成為一種半結晶狀態的分子彈簧結構，決定了其具有強度高，韌性大等一些重要特點。對其蛋白質序列的組成與結構人們已基本研究清楚，蛛絲蛋白基因部分序列的克隆已取得成功，在基因表達方面也取得了一些進展。雖然由於蛛絲蛋白基因序列的高重複性、不穩定性和較長的基因序列，使得對蛛絲蛋白的全基因克隆變得困難重重，但是蛛絲蛋白獨特的結構和性質，使其在醫學領域尤其是組織工程方面有著誘人的前景。
結構
蛛絲（spidroin）主要包括拖絲和捕捉絲，其中拖絲主要用於構成蜘蛛網的牽絲和輪狀網面，捕捉絲則用來粘附昆蟲並在昆蟲掙扎時提供強大的彈性，以免由於強大的動能導致反彈，將捕捉到的食物彈出去。針對這兩種蜘蛛蛋白絲的不同功能，科學家已對它們的蛋白質結構展開了深入的研究，觀察到兩種絲在胺基酸組成和空間結構上均有極大的相似性和同源性。胺基酸序列分析結構表明，拖絲蛋白主要由甘氨酸和丙氨酸組成，其中甘氨酸占胺基酸總量的37%，丙氨酸占18%。而捕捉絲絲蛋白主要胺基酸是甘氨酸和脯氨酸，甘氨酸占胺基酸總量的44%，脯氨酸占21%。此外其它如谷氨酸，絲氨酸，亮氨酸，酪氨酸和纈氨酸等，在這兩種絲蛋白中也占有一席之地。
由於蛛絲蛋白的結構中缺乏長的側鏈，因而其蛋白質結構趨向於緊密堆砌，並與不定型的富含甘氨酸區形成半結晶狀態，再通過若干不同的殘基重複片段得到強化。利用核磁共振方法研究蛛絲蛋白的空間結構，發現它主要由一個鬆弛部分和一個緊密部分構成，緊密部分主要由8-10個丙氨酸殘基序列組成，並形成反向平行的β-摺疊，多個β-摺疊構成的緊密部分成為結晶狀態，非結晶狀態的鬆弛部分則由24-35個富含甘氨酸的單鏈多肽構成，它們形成A- 螺旋起著連線晶體部分的作用。這樣β摺疊片層之間以β-轉角相連，而A-螺旋構成的鬆弛部分將各β-摺疊連成一個線狀整體，其直徑約4微米。利用固相核磁共振技術研究證明，儘管在成型的蛛絲蛋白中多為反向的β-摺疊結構，但處於液態的蛛絲蛋白則通常是以A-螺旋形式存在的。這些重複的蛋白質片段，每隔一段距離形成一個轉角，扭結成一個分子彈簧，最終整個絲蛋白構成一個彈簧似的結構，這種結構的要領就在於多肽鏈殘基n的CO 基與殘基n+3的NH形成氫鍵，因而多肽鏈可以急劇地改變其方向。研究結果還表明，溫度和某些化學試劑與蛋白質結構有關。在體外較高溫度下，可以誘導蛛絲蛋白多肽序列形成β-摺疊，2，2，2-三氟乙醇則可誘導A-螺旋的形成。還發現蜘蛛壺腹腺內有一些中空的纖維管，其管壁由具有透析作用的半透膜組成。這種結構可以加速水流並改變其離子成分，從而起到一個閥門和動力泵的作用，它可以促進斷絲的連線和紡絲，以保證絲蛋白以最最佳化的方式進行自裝配，這對人們了解蛛絲蛋白的自裝配行為並加以利用是具有重要的現實意義的。
特點
由於蛛絲蛋白具有獨特的結構特徵，因而呈現一些獨特的物理化學性質：
（1）強度高。
（2）韌性大。
（3）具有獨特的三維空間網狀結構。
（4）具有一定的熱穩定性，在250度高溫下它能保持穩定，只有在250度以上時才會分解。
（5）耐疲勞性。
形成過程
蜘蛛絲蛋白分子由於一級結構的特徵決定了其分子內或分子間能自發形成β-摺疊二級結構而具有產生固態分子聚合體的自發傾向，蜘蛛絲腺的結構及內環境成功地調控了蛛絲蛋白分子形成β-摺疊二級結構的時機和程式。目前蜘蛛大壺狀腺絲形成的過程和機理研究得最清楚，單個的大壺狀腺是一端為盲端、另一端為開口的管道，依次為盲端的腺體部、腺漏斗、腺管、腺閥、閥後腺管和噴絲頭等幾個部分。腺體部由管徑較小的盲尾和管徑膨大的腺囊兩部分構成。盲尾管壁腺細胞和腺囊前段管壁腺細胞為同一類型，專門分泌MaSp1和MaSp2絲蛋白分子，而腺囊後段管壁腺細胞分泌一種特殊的糖蛋白。腺閥管壁外連有特殊的肌肉，該部位的管徑在肌肉的作用下可以改變。有兩個關鍵因素促使蛛絲蛋白水溶液在溫和的生理條件下向固態蛛絲的轉變。首先是從腺囊開始一直到噴絲頭管徑越來越小，其中在腺漏斗和腺管後段兩個部位管徑急劇縮小，管壁的剪下力迫使線性的蛛絲蛋白分子逐漸向平行於腺管的軸向排列方式轉變，即向液晶狀態轉變；其次是蛛絲蛋白水溶液從腺體部向噴絲頭方向流動的過程中脫水的趨勢。蛛絲蛋白脫水取決於兩個方面，一方面蛛絲蛋白溶液在大壺狀腺內流動時由於腺管管徑逐漸變小、蛛絲蛋白分子間的物理距離縮小，從而導致蛛絲蛋白分子間聚合（形成 β- 摺疊二級結構）的趨勢加強，即蛛絲蛋白分子的內在脫水過程（internal drawdown process）；另一方面是閥後腺管管壁細胞特化為重吸收水份的細胞（細胞朝向管腔的游離面有大量的微絨毛，細胞朝向腺管外壁方向的基部細胞膜向細胞質內形成豐富的細胞膜內褶，同時細胞質內線粒體也豐富，類似於其他動物的腎小管細胞和鹽腺細胞的結構），腺閥打開後蛛絲蛋白溶液在通過閥後腺管時被腺管管壁細胞快速脫水是形成固態蛛絲的直接誘因和動力。
套用
1、人造皮膚
影響人造皮膚和燒傷包被層性能最大的因素是水汽的通透性，而絲類纖維的通透性與天然皮膚非常接近，而且同時作為生物材料，絲類纖維與皮膚的相像性很好，又具有比較發達的伸展性，非常適合未來的人造皮膚的要求。
2、酶等生物大分子的固定材料
絲類蛋白紡織系統特殊分子結構賦予它比例適中的親水性和疏水性，同時水溶性的絲類蛋白可發加工成各種形態及形狀的材料以便不同用途。例如，固定在絲蛋白薄膜中的葡萄糖氧化酶就被用來作為檢測血液中葡萄糖濃度的感測器。
3、生物感測器
固定了特異抗原的絲類纖維膜可以用作檢測相關疾病的生物感測器。被固定的抗原物質與體內產生的特異抗體相作用形成固定在纖維上的抗原抗體複合物，而這種特異的結合反應可以通過電訊號的形式被檢測到。
4、人工肌腱
在醫療領域的一大難題是沒有合適的材料來替代損壞的肌腱。當將磷酸集團嵌入絲後，絲纖維可以吸附到骨骼的主要成分羥磷灰石形成堅固的晶體外層，而且蛛絲本身還具有高強度、韌性以及良好的柔性和可塑性。這一切都使其成為適宜替代肌腱的前景材料。
5、軍事及民用防護領域
蛛絲在理化性質方面與目前軍事及民用防護領域所用的材料相當，甚至略優越一些。更重要的是蛛絲本身的重量要輕得多，而且柔韌性和通氣性要遠遠優於別的材料，因此在未來的防護領域蛛絲將有非常樂觀的廣闊前景。
