两种不同功能蜘蛛丝的物理化学结构表征与力学性能

左右 ,因此 ,卵袋内层丝的极性氨基酸含量较高 ;谷 氨酸和脯氨酸的含量有所下降 , 分别为 13. 3 %和 1. 2 %左右 ,丙氨酸的含量变化不大 ,仍占了 23 %左 右. Gar b 等[25] 的研究表明 ,柱状腺丝心蛋白 TuSp1 的在进化上是保守的 ,本研究的棒络新妇卵袋内层 丝的氨基酸组成与丝心蛋白 TuSp1 的组成相似 ,因 此,可推断其卵袋内层丝主要含有丝心蛋白
将卵袋丝纤维用双面胶贴在样品台上 ,用金粉 喷镀 5 min 后 , 直接送入样品室进行观察 (J EOL J SM25900 日本电子株式会社 , 观察条件 : 20 kV , 0. 6 nA) ,丝纤维的直径通过在扫描电镜下放大的 照片来测定[16] . 在配套软件 Smileview 下放大图片 进行丝纤维的直径的测量和统计. 分别将长 3 cm 卵
采用 YG001A 型 (江苏太仓纺织仪器厂) 单纤 电子强力仪对蜘蛛丝与蚕丝进行了拉伸测试 ,测试 条件 :夹持距 20 mm ,下降速度 10 mm/ min ,走纸速 度 12 mm/ min 温度 20 ℃,相对湿度为 65 %.
将拉伸试验断裂后的样品 喷金 , 用扫 描电 镜 (观测条件 :20 kV ,0. 6 nA) 观测样品的外貌 ,测定 其沿丝长轴旋转 90°前后两个位置的直径值. 样品 在 拉伸测试后用 SEM观察 ,可通过表达式 :π( D0 /
上述所有实验过程中均很小心以避免将丝纤维 拉伸. 数据的统计处理主要使用 SPSS13. 0 软件完 成 ,采用 o ne2way2ANOVA 分析 ,在进行单因素方 差分析前 ,检验了数据正态性和方差齐性 ,所有数据 表示为平均值 ±标准误差.
2 结果与讨论
2. 1 卵袋丝的物理结构表征 卵袋框丝和内层丝直径分别约为 8 μm 和 2～
刘辉芬1 , 蒋 平2 , 肖永红2 , 廖信军2 , 郭 聪1
(1. 四川大学 生命科学学院/ 生物资源与生态环境教育部重点实验室 ,四川 成都 610064 ; 2. 井冈山大学 生命科学学院 ,江西 吉安 343009)
摘 要 : 蜘蛛丝是一种具有优良机械性能的天然动物蛋白纤维 ,它特有的结构和性能与其生物学功能密切相 关. 采用氨基酸自动分析仪 、傅立叶转换红外光谱仪 、单纤强力仪和电子显微镜对棒络新妇 ( N e p hil a cl av ata) 卵袋 框丝 (纺自大壶状腺) 与内层丝 (纺自柱状腺) 两种不同功能蜘蛛丝的物理化学结构表征 、力学行为与性能进行测试 研究. 结果表明这两种蜘蛛丝的氨基酸组成和蛋白二级结构与其力学行为与性能相一致 ,蜘蛛丝似乎呈现出一定 的机械性能 ,以适应其不同的功能要求 ,这对人们进行新型安全防护材料的仿生设计将有重要的指导意义.
收稿日期 : 2009205207 通信联系人 E2mail :jping412 @yahoo . co m. cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (30760041) ; 江西省教育厅科技项目 ( . GJJ 08422 , GJJ 08423) ; 江西省自然科学基金资助项目
的蜘蛛纤维进行了物理化学结构表征 、力学行为与 性能的测试研究. 本研究将加深人们对蜘蛛丝的结 构 、力学行为和力学性能与生物学功能之间关系的 认识和理解.
1 材料与方法
1. 1 蛛丝样品的准备 实验所用蜘蛛为棒络新妇 ( N . cl av at a) . 体长
15～21 mm ,重 300 mg 以上 ,均为成体 ,放入 60 cm ×60 cm ×50 cm 笼中 ,用蚊虫喂养 ,饲养条件为 : (24. 5 ±2. 0) ℃,相对湿度 (50 ±5) % ,L∶D = 12∶12 h. 在蜘蛛织制完卵袋后 ,立即收集卵袋框丝和内层 丝纤维备用. 1. 2 蜘蛛卵袋丝超微形貌
2) 2 L 0 =π( D/ 2) 2 L 从实验测得的直径和截面面积 得到其断裂前的直径和截面面积 , D0 和 D 分别表示 断裂前后的蚕丝直径 π, ( D0 / 2) 2 和π( D/ 2) 2 分别表 示断裂前后的横截面面积 , L0 和 L 分别表示原始和 最终样品长度. 从表达式中可看出拉伸测试中样品 体积保持不变 ,以前有关蜘蛛丝和蚕丝的研究中也 一直利用这一关系[18～20 ] . 断裂能的通过计算应力应 变曲线与横坐标围成的面积获得.
12μm ,均为微米级蛛丝. 在低倍放大下棒络新妇卵 袋框丝与典型蛛丝拖牵丝一样 ,表面较为光滑细腻 (图 1A) ,但在高倍放大下 ,蜘蛛拖牵丝表面是无序 而且粗糙的 (图 1D) . 蛛丝蛋白在纺器内部时 ,含有 极少的β2折叠 ,主要结构有 30 % α2螺旋 ,40 %无规 卷 曲 ,30 %β2转角[21] ,在流出纺管的过程中 ,水份蒸
卵袋框丝与典型蜘蛛拖牵丝的氨基酸组成相似 (表 1) ,甘氨酸 (占 22. 9 %) 和丙氨酸 (占 22. 7 %左 右) 的含量最丰富 ,其次是谷氨酸 (占 16. 6 %左右) 和丝氨酸 (占 8. 3 %) ,亮氨酸 、脯氨酸 、酪氨酸和精 氨酸 ,共占 30 %～ 35 %左右 , 苏氨酸含量较低 ( 占 2. 1 %) . 与拖牵丝和卵袋框丝相比 ,棒络新妇卵袋内 层丝纤维的氨基酸组成发生了一个重要的变化 :丝 氨酸和苏氨酸的含量大幅度增加 ,分别为 19. 1 %和 6. 1 %左右 ,同时甘氨酸的含量大幅度减少 ,为7. 2 %
第 56 卷 第 1 期 2010 年 2 月
武汉大学学报 (理学版) J . Wuhan U niv. (Nat . Sci. Ed. )
Vol. 56 No . 1 Feb. 2010 ,093～100
文章编号 :167128836 (2010) 0120093208
两种不同功能蜘蛛丝的物理化学 结构表征与力学性能
关 键 词 : 蜘蛛 ; 卵袋丝 ; 结构 ; 力学性能 中图分类号 : TS 102. 3 ; TS 102. 1 文献标识码 :A
0 引 言
蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维 ,具有强度高 、 弹性好 、初始模量大 、断裂能大 、可生物降解 、生物相 容性好 、轻盈等优良机械性能及特性[1～3] ,可广泛应 用于高性能的丝纤维 、条带和薄片 、纺织等材料的日 常生活领域 、人造组织和器官等组织工程材料领域 ; 医用缝合线 、药物载体等医药领域[4] 、高性能的导磁 导电的新型丝纤维领域[5 ,6] 、防弹衣 ,降落伞等国防 领域[4] . 因此 ,人们在对蜘蛛丝的基因结构 、蛋白组 成 、分子结构 、人造蛛丝等方面作大量研究的同时 , 也对蛛丝的机械性能进行了深入研究 ,但主要集中 于大壶状腺纺出的拖牵丝 ,近年来由柱状腺纺出的 卵袋丝[7～10 ] 以及其他丝腺 ,如小壶状腺 、葡萄状腺 等[11 ,12 ] 纺出的蛛丝蛋白纤维愈来愈受到人们的关 注. 由于蜘蛛丝与蜘蛛的生存与繁殖紧密联系在一 起 ,因此其特有的结构和性能与它的生物学功能密 切相关[4 ,13～15 ] . 本文采用氨基酸自动分析仪 、傅立叶 转换红外光谱仪 、单纤强力仪和电子显微镜对棒络 新妇 ( N . cl av at a) 卵袋框丝与内层丝两种不同功能
称取 1～2 mg 蜘蛛丝 ,酸水解 ,然后送到四川 省农业科学院分析测试中心使用氨基酸自动分析仪 (L8000 Hitachi. J apan) 进行氨基酸组成分析. 1. 4 红外光谱分析
采用 KBr 固 体 压 片 制 样 的 方 法[17] : KBr 经 400 ℃高温灼烧 4 h ,在保干器中冷却到室温称重制 样 ,并做了 KBr 空白对照. 共测试 3 个蛛丝样品 :棒 络新妇拖牵丝 、卵袋框丝和卵袋内层丝. 在制样前 , 丝样品进行干燥 ,已排除水分对结构的影响. 测试仪 器为 170SX 型红外光谱仪 ( Nicole 公司) ,在中红外 区 4 000～400 cm - 1 范围内对样品进行测定. 1. 5 力学行为的测试
图 1 蜘蛛卵袋丝与蚕丝超微形貌 A :卵袋框丝 SEM ; B :卵袋内层丝 SEM ; C :脱胶蚕丝 SEM ; D :卵袋框丝 A FM ; E :卵袋内层丝 A FM
第Biblioteka Baidu期
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发的同时 ,受蜘蛛类似摩擦制动的拉力的影响 ,蛋白 构象发生改变 ,开始形成β2折叠 ,大分子链沿纤维轴 高度取向 ,形成主要由β2折叠片层组成的结晶区 ,流 速越慢 ,晶体的形成越完全 ,晶体的颗粒就会越大 , 蛛丝的表面就会越粗糙[22 ,23 ] ;而卵袋内层丝在低倍 放大下表面都不光滑 ,较为粗糙 (图 1B) ,可见与脱 胶蚕丝 (图 1C) 表面形貌相似的沿丝纤维纵向周期 性分布的清晰沟槽和条纹 (图 1 E) ,这些沟槽和条纹 可能是在成丝过程中液态丝蛋白流动而形成的 ,同 时具有原纤结构的特征[22] . 这一结构一方面增加了 丝的表面积 ,可能使卵袋具有较好的透气性 ,可能有 助于刚孵化的幼蛛攀附 ,有利于其发育生长[17] ; 另 一方面减小了丝的横截面面积 ,可增强丝的力学性 能 ,如断裂强度 、初始模量等[24] . 大腹园蛛卵袋内层 丝也呈现出相似的微观结构[22] . 蜘蛛卵袋内层丝与 蚕丝丝素相似的表面微观结构似乎表明了二者有相 似的成丝过程. 2. 2 氨基酸组成
表 1 蜘蛛卵袋框丝 、内层丝 、拖牵丝与家蚕蚕丝氨基酸组成
丝纤维 氨基酸
甘氨酸 丙氨酸 谷氨酸 丝氨酸 脯氨酸 天门冬氨酸 苯丙氨酸 亮氨酸 酪氨酸 苏氨酸 精氨酸 缬氨酸 组氨酸 赖氨酸 异亮氨酸
卵袋内层丝 ( n = 4) 7. 2 ±0. 1
23. 0 ±0. 9 13. 3 ±0. 2 19. 1 ±0. 5 1. 2 ±0. 0 3. 6 ±0. 0 5. 5 ±0. 1 7. 3 ±0. 0 1. 6 ±0. 0 6. 1 ±0. 1 4. 3 ±0. 1 3. 6 ±0. 1 0. 9 ±0. 0 0. 5 ±0. 0 2. 9 ±0. 0
(2007 GQN1690) 作者简介 : 刘辉芬 ,女 ,博士生 ,副研究员 ,现从事蜘蚕丝蛛丝的结构 、性能与功能及应用研究等. E2mail :liu. huifen @gmail . co m
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武汉大学学报 (理学版)
第 56 卷
袋丝轻轻贴在 1. 5 cm ×1. 5 cm 有双面胶的盖玻片 上 ,然后直接装入原子力显微镜 ( SPA400 型 ,日本 精工) 样品室 ,采用轻巧模式进行观察分析. 1. 3 氨基酸组成分析
T u Sp 1 . 根据氨基酸 R2基的性质将两种蜘蛛不同腺体
纺出的丝纤维所含的氨基酸进行分类汇总于表 2. 大侧链氨基酸与小侧链氨基酸比值 (L C∶SC) 分析表 明卵袋内层丝 (1. 03) > 卵袋框丝 (0. 85) 拖牵丝 (0. 66) > 蚕丝 (0. 34) . 尽管内层丝的小侧链丝氨酸 的含量增加了 ,但同时一些大侧链氨基酸如门冬氨 酸 、苏氨酸 、缬氨酸 、亮氨酸 、苯丙氨酸的含量都增加 了 ,因此卵袋内层丝的大侧链氨基酸含量 (L C) ∶小 侧链氨基酸含量 ( SC) 均比拖牵丝和卵袋框丝的大. 家蚕蚕丝小侧链氨基酸的含量高达 73. 7 % ,远远高 于蜘蛛拖牵丝. 为此 ,蚕丝的 L C∶SC 比值远比蜘蛛 丝小. 通过计算 L C∶SC 比值的方法已经用于预测丝 蛋白结晶区与无定型区的相对含量[26] . 根据这一方 法 ,可预知卵袋内层丝比卵袋框丝含有更多的无定 型区. 本文研究的棒络新妇卵袋框丝与拖牵丝的 L C ∶SC 比 值 分 别 为 0. 85 和 0. 66 ( 表 2 ) , 比 Casem 等[27 ] 报道的 L at rodect us hes perus (黑寡妇) 的 0. 37 要大 ,表明不同种类蜘蛛的大壶状腺丝氨基酸组成 和蛋白结构的多样性. 虽然卵袋框丝与拖牵丝氨基