蚕丝蛋白的结构和功能[1]

刘永成　1963年生于浙江。

1984年7月毕业于宁波大学师

范学院。1986年9月考入中科院兰州化物所,在姚钟麒研究员指导下从事有机合成。1989年7月获得理学硕士后回宁波大学,协助陈珊妹教授创建应用与工程化

学研究所和膜科学实验室,从事膜科学技术研究工作。

1993年9月考入复旦大学,师从于同隐教授,在生物大

分子领域里进行研究工作。1996年7月获理学博士后,留校任教,已有40余篇论文发表在国内外核心期刊上。

蚕丝蛋白的结构和功能

刘永成　邵正中　孙玉宇　于同隐

(复旦大学高分子科学系,教育部聚合物分子工程实验室,上海,200433)

提要　较为全面地综述了最近几十年国内外关于蚕丝蛋白的组成、结构、性能及其应用的研究和作者课题组十几年来在蚕丝蛋白方面的工作。

关键词　蚕丝蛋白,组成,结构,性能,应用

从基础科学的角度看,高分子化学今后的主要研究目标应该是阐明生命科学中的高分子化学基础或者说高分子化学模拟,如酶的模拟,生物膜的模拟等[1]。生物大分子是目前高分子领域中很活跃而且富有挑战性的一个研究领域,蛋白质是一类重要的生物大分子。蚕丝是人类最早利用的天然蛋白质之一,作为一种性能优良的纤维,主要应用于纺织品中。近来它还应

用于生物技术、医药、精细化工等诸多方面,引起人们的广泛关注,已有好几本专著进行总结[2～4]。蚕丝具有纯度高,来源广等一系列优点。尤其我国是丝的生产大国,家蚕生丝产量已占世界一半[5],对其进行详细的研究无论从基础科学还是从应用科学来看都是很有意义的[6]。

1　蚕丝的组成

茧丝是由丝素蛋白(F ib ro in )和丝胶

(Sericin )两部分组成,丝胶包在丝素蛋白的外部,约占重量的25%,蚕丝中还有5%左右的杂质,丝素蛋白是蚕丝中主要的组成部分,约占重量的70%。丝素蛋白以反平行折叠链构象(Β2sheet )为基础,形成直径大约为10nm 的微纤

维,无数微纤维密切结合组成直径大约为1Λm 的细纤维,大约100根细纤维沿长轴排列构成直径大约为10Λm ～18Λm 的单纤维,即蚕丝蛋白纤维[7]。

丝素蛋白中包含18种氨基酸,其中侧基较

为简单的甘氨酸(Gly )、丙氨酸(A la )和丝氨酸

(Ser )约占总组成的85%[8,9],三者的摩尔比为4∶3∶1,并且按一定的序列结构排列成较为规

整的链段,这些链段大多位于丝素蛋白的结晶

区域;而带有较大侧基的苯丙氨酸(Phe )、酪氨酸(T yr )、色氨酸(T ry )等主要存在于非晶区域[10]。丝素蛋白的分子量很高,由于品种很多,以致于不同研究小组得到的结果相差较大,普遍认为在(316～317)×105的范围[11]。丝素蛋白的组成包含几个亚单元,过去一直没有定论,具有不同的说法[12～16]。作者用十二烷基硫酸钠2聚丙烯酰胺凝胶电泳(SD S —PA GE )方法研究,发现丝素蛋白是由分子量为2180×105、2130×105和0125×105的3种亚

单元组成,并且进一步证明丝素蛋白中存在两个或更多个非二硫链连接的独立亚单元[17]。

丝素蛋白和其他蛋白一样,除了包含C 、H 、O 、N 四种元素以外,还含有多种其他元素组

成,这些元素对丝素蛋白的性能及蚕吐丝的机理等有直接关系,作者用质子诱导X发射光谱(P I XE)对多种丝素蛋白进行研究发现,它含有K、Ca、Si、Sr、P、Fe、Cu等元素,这些元素与丝素蛋白之间的相互关系正在探索之中[18]。

2　丝素蛋白的结构

丝素蛋白的聚集态结构被认为由结晶态和无定形态两大部分组成,结晶度在50%～60%左右[19],曾提出了一种嵌段分子模型。作者通过偏振拉曼(R am an)光谱首次发现蚕的前部丝腺内丝素蛋白以向列型液晶态形式存在,用小角X散射(SA XS)测得含有两种似棒状结构,其宽度方向尺寸大小均为3194nm,长度方向尺寸分别为6102nm和710nm[20]。

丝素蛋白分子的构象可分为二类,即Silk 和Silk 结构,Silk 结构包括无规线团(random co il)和Α2螺旋(Α2helix),Silk 结构呈反平行Β2折叠(Β2sheet)。作者用红外光谱(I R)、拉曼光谱(R am an)、圆二色谱(CD)、广角X散射(LA XS)研究了这些构象及其转变[21～27],具体的谱图特征如表1。

作者还用隧道扫描电镜(STM)得到了这两类构象及其中间状态的图像,如图1所示。

表1　丝素蛋白的结构特征谱图

方法Silk 结构特征Silk 结构特征参考文献

I R1653c m-1(酰胺 ),1627c m-1(酰胺 ),〔21,22〕

1543c m-1(酰胺 ),1531c m-1(酰胺 ),

1243c m-1(酰胺 ),1236c m-1(酰胺 ),

669c m-1(酰胺 ),695c m-1(酰胺 )

R am an1660c m-1(酰胺 ),1676c m-1(酰胺 ),〔23～27〕1252c m-1(酰胺 ),1233c m-1(酰胺 ),

1270c m-1(酰胺 ),

CD206nm,218nm(负峰)〔25,26〕192nm(正峰)

LA XS01430nm,0.476nm〔23

〕

图1　桑蚕丝腺体中部不同部位丝素蛋白的STM图像

a—后区;b—中区;c—前区

图1a是丝腺中部后区中丝素蛋白的STM图,其构象主要为无规线团和直径大于419nm的组合螺旋(co iled2co il)[28,29],即几个Α2螺旋的集合体或称绳形结构。当从后区向中区推进时,水分不断被腺体吸收,溶液变浓,Α2螺旋逐渐稳定地独立存在,图1b就是Α2螺旋构象丝素蛋白的STM图,组合螺旋的直径变小(211nm～317nm之间)逐渐向单个的Α2螺旋过渡。图1c