丝蛋白纤维机理的模型——应力作用下丝蛋白构象的转变

本文用喇曼(Raman)光谱和X-射线衍射等手段研究了桑蚕吐丝过程中丝腺体不同部位的丝蛋白的构象变化。发现随应力增加,从前部丝腺开始,丝蛋白产生了β-折叠构象。通过将丝蛋白直接在拉力机上拉伸,用Raman光谱等手段检测,详细研究了在不同拉伸条件下丝蛋白构象的变化,在微观层次上揭示了丝蛋白在应力作用下变性的全过程,并提出了相应的转变模型。     

蚕丝蛋白与类动物丝蛋白聚合物共混膜的振动光谱研究

蚕丝纤维具有优良的力学性能 ,不同的环境条件对其力学性能有一定的影响 ,但其力学性能主要取决于形成纤维过程中所形成的以分子链 β-折叠结构及其沿纤维轴方向高度取向为特征的丝纤维凝聚态结构 [1,2 ] .因此在丝纤维的形成及丝蛋白膜的人工制备过程中 ,丝蛋白分子链的构象及其构象转变一直是研究的重点[3～ 6 ] .以蚕丝蛋白 (Silk Fibroin,SF)稀溶液在常温下浇铸的 SF膜一般以无规线团 /α-螺旋为主的构象状态存在 ;经热处理、极性溶剂 (如甲醇等 )处理、应力作用或共混入一些能与SF形成分子间氢键的聚合物组分后 ,SF膜的构象将从无…     

铁和锰对桑蚕丝蛋白构象转变的影响

采用电感耦合等离子体质谱和原子吸收光谱对桑蚕丝腺体和蚕茧丝中Fe和Mn的含量进行表征, 同时采用拉曼光谱研究Fe(III)和Mn(II)对高浓度再生桑蚕丝蛋白水溶液中丝蛋白构象的影响. 研究结果表明, 桑蚕丝纤维中Fe的含量高于其在丝腺体中的含量, 而Mn的含量则相反. 在丝腺体中, Fe的含量从丝腺体的后部到前部逐渐增加; 但Mn含量的变化趋势与Fe不同, 它在丝腺体中部的含量最低. Fe(III)能够诱导丝蛋白的构象由无规线团和/或螺旋结构向β-折叠转变, 但是Mn(II)对丝蛋白的构象没有明显的影响.     

从天然动物丝到丝蛋白基材料的研究

作为具有优异综合力学性能的天然蛋白质纤维,丰产的动物丝特别是蚕丝长期伴随着人们的日常生活,近十余年来,各种具有特色的功能性丝蛋白基材料更是层出不穷.但在探索动物丝和丝蛋白基材料的过程中,动物丝纤维是经由蚕或蜘蛛等动物的纺器而纺制得到的简单事实往往被忽视;换言之,动物丝实际上是动物对丝蛋白进行体内“加工”后的产物,也是丝蛋白基材料中的一种.因此,天然动物丝中独特的各等级间构效关系与丝蛋白基材料的构效关系之间并不存在着必然的传承效应.本文着重介绍了我们在对动物丝和丝蛋白基材料探索中的经验和体会,即在强调以丝蛋白分子链结构与性能及其之间的关系为研究重点的基础上,从比较和发掘各种天然动物丝的特性入手,进而了解丝蛋白分子链在本体和溶液中的行为,并通过对动物丝蛋白分子链聚集态结构的调控,以达到设计制备一系列多形貌和多功能的动物丝蛋白基材料的目的.     

蜘蛛吐丝过程中钾的作用

用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对蜘蛛Nephila丝腺体和丝进行测定,结果表明,钾在丝中的含量明显高于在丝腺体中的含量.同时,在蜘蛛丝蛋白溶液中加入氯化钾,溶液出现乳白色浑浊,表明有呈β-折叠构象的微纤产生.浊度测试发现,丝蛋白微纤会逐渐聚集成较大颗粒而在溶液中形成沉淀.另外,红外光谱和拉曼光谱亦证明钾能够使蜘蛛丝蛋白膜发生从无规线团/螺旋到β-折叠的构象转变.有理由认为钾在蜘蛛吐丝过程中起重要作用,它的存在有利于丝蛋白形成β-折叠结构.     

时间分辨红外光谱对丝蛋白膜构象转变动力学的研究——再生蚕丝蛋白膜在高浓度醇溶液中的构象转变

运用时间分辨红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜在高浓度醇溶液中(醇含量≥90％) 的构象转变过程．研究结果表明，丝蛋白膜在纯甲醇中可以发生构象转变，但是在 纯乙醇和纯异丙醇中却几乎不能发生构象转变．进一步研究发现，当乙醇和异丙醇 溶液中的水含量达到7％—8％时，丝蛋白开始发生构象转变．在研究的醇溶液浓度 范围中，丝蛋白发生构象转变的速率随醇溶液中水含量的增加而增大．根据实验结 果，认为丝蛋白膜在溶液体系中(无论是有机溶剂溶液还是离子溶液)发生构象转变 ，膜的溶胀是一个前提因素，其原因在于溶胀可使分子链获得运动的空间，从而通 过氢键重组而发生构象转变．     

具有定向形貌的丝蛋白支架的制备

利用冰晶为模板并结合冷冻干燥技术, 成功地获得了具有一定力学强度的定向多孔丝蛋白支架. 采用扫描电镜、流变、拉曼光谱和压缩测试等方法, 考察了丝蛋白原液在不同pH值和初始浓度的情况下对定向支架的成因、内部形貌及力学性能的影响. 结果表明, 当溶液的pH值为4.4, 浓度由低到高时, 所制备的丝蛋白支架内部将分别出现纤维状结构、轴向片层状和梭状多孔结构. 特别是由初始浓度为15% (及以上)的丝蛋白溶液定向冷冻得到的支架, 在压缩试验中表现出较好的力学性能, 其轴向压缩模量和屈服应力分别达122.6和6.9 MPa, 满足了进一步应用的基本需求.     

蚕丝纤维/丝蛋白复合材料力学性能的优化

在制备具有良好力学性能的蚕丝纤维/丝蛋白复合材料的基础上,采用力学测试、扫描电镜以及广角X-射线衍射等手段,考察了溴化锂预处理和甲醇后处理这两种方法对蚕丝纤维/丝蛋白界面性能的影响.力学测试的结果表明,在相同纤维含量(如20 wt％)的情况下,采用6 mol L-1溴化锂对定向排列的蚕丝纤维预处理10 min,所得的蚕...     

时间分辨全反射红外光谱对醋酸诱导丝蛋白构象转变的研究

采用时间分辨全反射红外光谱为主要分析手段, 对醋酸在丝蛋白膜中的扩散过程及其对丝蛋白构象转变机理进行了研究. 结果表明, 醋酸能够诱导丝蛋白构象转变为β-折叠. 醋酸的扩散速率和β-折叠构象的生成速率较为相似, 表明醋酸分子渗透到丝蛋白聚集体中是破坏丝蛋白原有氢键并诱导肽链重排, 进而实现构象转变的一个先决条件. 同时, 通过比较真空干燥处理前后丝蛋白膜的实验结果, 证实了丝蛋白中的水含量是影响醋酸的扩散速度以及丝蛋白多肽链重排速度的一个重要因素.     

红外和拉曼光谱用于对丝蛋白构象的研究

动物丝纤维和相关丝蛋白材料的性能与丝蛋白本身的二级结构即构象密切相关。红外光谱和拉曼光谱是研究蛋白质构象的有力手段，因此在丝蛋白结构的研究中也有广泛的应用。本文综述了红外光谱和拉曼光谱在家蚕、野蚕(主要是柞蚕)和蜘蛛丝蛋白研究方面的应用，并对表征丝蛋白各种构象的红外和拉曼特征峰进行了较为全面的归纳总结。     

蚕腺体内和再生丝素蛋白水溶液的性能研究

用偏光显微镜观察了蚕腺体内和再生丝素蛋白水溶液的流动状态和各向异性现象,用乌氏粘度计测试了其流出时间,并用HAKKE流变仪测试了其粘度。结果发现蚕腺体内和再生丝素蛋白水溶液的性质差别非常大,认为丝素蛋白水溶液在蚕腺体内存在一个逐步熟成的过程。随着丝素蛋白水溶液在腺体内的前移,丝素蛋白分子逐渐沿移动方向取向而呈有序态,最终成为粘度非常大的各向异性的凝胶体,而再生丝素蛋白水溶液是粘度非常低的各向同性溶液。这些差异表明,丝素蛋白水溶液在蚕腺体内的熟成过程是蚕能够吐出优良蚕丝的关键步骤,要想制备出高性能的纤维,在“仿生纺丝”之前,首先要“仿生制备纺丝液”。     

金属离子导致的丝素蛋白的构象转变

蚕丝和蜘蛛丝的优异力学性能一直是科学家们关注的课题^[1-3]。近年来,在蚕丝蛋白结构及其构象方面的研究取得了许多进展^[3-5]。在蚕的腺体中丝素蛋白的构象为silk I（主要是无规线团为主,还有少量的β－转角,α螺旋等）,而在纤维状的丝中为silk Ⅱ（主要是β折叠）。金属离子在蚕叶丝过程中的作用也一直是一个人们关心的问题。Chen等^[6]在研究丝胶（包附在丝素蛋白表层的另外一种蛋白）时发现,在一定pH条件下,Ni^2 离子通过四配位的螯合作用诱导丝素蛋白β折叠的形成。并且,Viney等^[7]根据电感耦合等离子体（ICP－MS）技术推测Ca^2 的增加能使β折叠的形成加速。     

pH值对丝素蛋白构象转变的影响

模仿家蚕吐丝过程中伴随丝素蛋白自然脱水的纤维化过程,研究了再生丝素蛋白在各种pH值的磷酸盐缓冲溶液体系中自然干燥脱水成膜后的构象转变.利用激光拉曼散射光谱及其二维相关光谱,定性分析了丝素蛋白酰胺区(1600～1700cm^-1)散射峰的相关组成及结构.在此基础上,利用¹³CCP-MAS固体核磁共振谱对丝素蛋白丙氨酸C_β峰(δ14.5～22)进行了解析拟合.从而确定了体系中与Silk及Silk构象相关的组成含量与pH值的关系.结果表明,pH=5.2的酸性溶液有利于蚕丝丝素蛋白从Silk向Silk构象转变,而中性与碱性溶液(pH=6.9和8.0)则对丝素蛋白的构象转变影响甚小.     

桑蚕丝腺体和丝纤维中金属离子的含量

用不同的测试方法, 即质子诱导X射线发射(PIXE)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和原子吸收光谱(AAS)对桑蚕丝腺体和丝纤维中金属元素的含量进行了详细的表征. 结果表明, 在桑蚕丝腺体和丝纤维中含有钠、镁、钾、钙、铜、锌、铁、锰八种金属元素, 同时还可能含有微量的铷和锶. 这些金属元素在丝腺体和各种丝纤维(蚕茧丝、强拉丝和脱胶丝)中的含量都有所变化, 而这些变化可能与之在成丝过程(丝蛋白的构象转变过程)中所起的作用有关.     

光交联自支撑丝素蛋白水凝胶的三维快速成型

将丝素蛋白(SF)光诱导自交联原理与挤出式三维(3D)打印相结合, 开发了光交联自支撑SF水凝胶的原位成型加工技术. 采用旋转流变仪、 光流变测试系统和改装的挤出式3D打印设备等对SF溶液的流变性能、 光交联性能和成型加工性能等进行研究. 结果表明, SF溶液主要表现为黏性特征, 结构强度和稳定性均较差. 利用SF的光诱导自交联特性, 以三联吡啶氯化钌[Ru(Ⅱ)]和过硫酸钾(KPS)为蓝光引发体系, 可实现SF水凝胶的快速光交联成型. SF光交联行为符合指数函数增长模型, 因“滤镜效应”, 当Ru(Ⅱ)的浓度为0.05 mmol/L时, SF具有最佳的光交联性能. 通过调节气压、 针头孔径、 移动速度及固化速率等参数, 采用3D打印设备可实现从单层几何结构到多层三维网络构型SF凝胶材料的高效、 精准构建, 为SF的生物3D打印提供了新思路.     

Effect of metallic ions on silk formation in the Mulberry silkworm, Bombyx mori

A protein conformation transition from random coil and/or helical conformation to beta-sheet is known to be central to the process used by silk-spinning spiders and insects to convert concentrated protein solutions to tough insoluble threads. Several factors including pH, metallic ions, shear force, and/or elongational flow can initiate this transition in both spiders and silkworms. Here, we report the use of proton induced X-ray emission (PIXE), inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS) and atomic adsorption spectroscopy (AAS) to investigate the concentrations of six metal elements (Na, K, Mg, Ca, Cu, and Zn) at different stages in the silk secretory pathway in the Bombyx mori silkworm. We also report the use of Raman spectra to monitor the effects of these six metallic ions on the conformation transition of natural silk fibroin dope and concentrated regenerated silk fibroin solution at concentrations similar to the natural dope. The results showed that the metal element contents increased from the posterior part to the anterior part of silk gland with the exception of Ca which decreased significantly in the anterior part. We show that these changes in composition can be correlated with (i) the ability of Mg2+, Cu2+, and Zn2+ to induce the conformation transition of silk fibroin to beta-sheet, (ii) the effect of Ca2+ in forming a stable protein network (gel), and (iii) the ability of Na+ and K+ to break down the protein network.     

Water dependent structural changes of silk from Bombyx mori gland to fibre as evidenced by Raman and IR spectroscopies

DSC, attenuated total reflexion infrared (ATR-FTIR), and Raman microspectroscopy were used for the first time in a close to in vivo environment to study ready-to-spin Bombyx mori silkworms. The aim was to understand the change of the fibroin backbone organisation from the gland to the fibre. Raman shifts of the Amide I components reveal a strong change of organisation in the middle part of the hydrated gland, as anticipated previously measured modifications of salts concentrations and pH. Series of bands characteristics of the fully hydrated silk disappear, as observed for spider silk, despite the different aminoacid sequence. Confirmation is obtained from IR spectra taking into account the superimposed water component. The change of the silk–water interaction in the central part of the gland, from a hydrophobic to hydrophilic behaviour, is related to the water content decrease along the gland. pH sensitive carboxylate side chains markers confirm the modification. Fibroin organisation was also studied in the dried gland and in the spun fibre. The fibre extrusion by orients the fibroin chains along the fibre axis, with intercalated water molecules, leading to a material with specific mechanical properties, compared to the amorphous dried gland.     

Cecropin B抗菌肽接枝丝素蛋白膜的制备和表征

以体积分数为60%的乙醇处理制得不溶性再生丝素膜, 通过碳二亚胺法将Cecropin B抗菌肽共价接枝到丝素膜表面, 利用红外光谱、扫描电镜、X射线能谱和抗菌性测试等手段对制得的丝素膜结构和表面特性及其抗菌性能进行了测试分析. 结果表明, Cecropin B抗菌肽成功地接枝到了丝素膜的表面, 接枝后的丝素膜水溶性低, 并具有良好、 持久的抗菌能力.