水溶液中再生丝素蛋白构象转变的荧光研究

摘要

蚕丝作为一种综合力学性能优异,且具有良好的生物相容性和可降解性等诸多优异性能的天然高分子材料,正受到人们越来越广泛的关注。越来越多的实验证据表明丝素蛋白分子链的构象和聚集态结构等因素对蚕丝的力学性能起到了重要贡献。与人工纺丝的苛刻条件相比,家蚕吐丝的过程相当温和,丝素蛋白从丝腺体中部到经喷丝口成丝发生了一个主要由应力导致的可溶性无规线团/螺旋构象到不溶性β-sheet构象的转变过程。其中,蚕体内所构建的吐丝环境(包括金属离子、pH等多种因素)有效地参与了吐丝过程,进而从某种程度上影响了丝素蛋白的构象转变以及最终成丝的力学性能。因此,若能充分了解这些因素在成丝过程中所起的作用,以及丝素蛋白构象转变的相关机理,对于实现人工模拟生物纺丝以及得到其它性能优异的人工仿生材料将起到指导性作用。
　　 本文主要采用荧光分析技术分别研究了一元醇和Cu(Ⅱ)诱导水溶液中再生丝素蛋白发生构象转变的机理,并对两者诱导机制的异同进行了初步比较。
　　 在丝素蛋白醇致变性机理的研究中,我们尝试应用ThT作为外源荧光探针,并结合荧光动力学分析,对丝素蛋白在乙醇诱导下发构象转变的全过程进行了检测。结果表明,在乙醇加入再生丝素蛋白溶液后,β-sheet构象并非立即就开始形成,而是经历了以下三个步骤:溶液中原有少量β-sheet构象的破坏;链段的调整重排;以及大量β-sheet构象的生成。其中,第一个步骤进行得越彻底,使丝素蛋白分子的链段更自由,构象转变的速度就越快,这是一个受动力学控制的过程。反之,链段重排受到一定程度的限制,丝素蛋白构象转变的速度较为缓慢,溶液不易形成凝胶,链段在较长一段时间内充分地进行调整重排,丝素蛋白的构象转变就越彻底,即最终形成的β-sheet构象含量更高,这是一个受热力学控制的过程。
　　 Cu(Ⅱ)对色氨酸(Trp)的荧光具有显著的猝灭作用,因此,我们主要通过对荧光猝灭的分析来研究Cuq(Ⅱ)对丝素蛋白构象的影响。结果表明,Cuq(Ⅱ)对Trp的猝灭类型既包含与激发态Trp碰撞引起的动态猝灭,也包含Cu(Ⅱ)与Trp形成基态络合物引起的静态猝灭,Trp也应是Cu(Ⅱ)诱导丝素蛋白构象转变的一个有效络合位点,并且Cu(Ⅱ)更倾向于络合处于极性较弱的疏水区域的Trp。Cu(Ⅱ)通过与丝素蛋白的疏水区域结合,使原稳定结构被破坏,从而结合部位的链段开始调整重排以达到新的平衡。这种链段的调整从Cu(Ⅱ)的结合点开始,逐渐带动周围的链段重排,因而构象转变的程度是逐渐增大的,表观上看是一个絮状沉淀形成并逐渐增多的过程。并且由于最终形成的结构中含有结合的Cu(Ⅱ),因此生成的絮状物呈浅蓝色。当Cu(Ⅱ)浓度较低时,由于对原有疏水结构的破坏点有限,链段没有充分运动的自由,构象转变无法在较短时间内开始发生,此时，Cu(Ⅱ)与Trp的络合是可逆的;而当Cu(Ⅱ)浓度较高时,丝素蛋白分子的构象开始发生一定的改变,这部分的络合就不再可逆。
　　 在透射电子显微镜和原子力显微镜的观察中发现,丝素蛋白在某些外加离子的影响下可以发生特定的组装行为。金属离子的种类和价态对这种组装行为没有本质的影响,而离子溶液的pH值则是一个控制因素。在pH接近中性的溶液中,丝素蛋白可以形成直径为100-200nm的具有“核壳”结构的颗粒,以及在一定方向上整齐排列的“微纤”状聚集体。