蛛丝蛋白的研究现状和进展摘要：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白。
由于其高度重复的一级结构、特殊的溶解特性和分子折叠行为以及具有形成非凡力学特性丝纤维的能力而引人注目。
本文主要对蛛丝蛋白的结构、特点以及目前对其研究比较多的应用和新型的合成方法进行综述，同时也对将来蛛丝蛋白的研究方向以及在研究中可能会遇见的问题进行分析。
通过本文的介绍希望可以在其蛋白质的结构上有更深刻的理解和认识，同时也为蛛丝蛋白的研究和应用提供一个很好的参考和依据。
关键词：蛛丝蛋白；结构；基因合成；弹性、韧性材料前言：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白，它是由节肢动物门昆虫纲、蛛形纲和多足纲中某些类群的特殊腺体产生的。
蛛丝主要包括拖丝和捕捉丝, 其中拖丝主要用于构成蜘蛛网的牵丝和轮状网面, 捕捉丝则用来粘附昆虫并在昆虫挣扎时提供强大的弹性, 以免由于强大的动能导致反弹, 将捕捉到的食物弹出去。
因此，蛛丝蛋白的结构性能以及其强大的力学特性值得深入的研究。
另外，尽管某些具有优良力学特性的蛛丝可以被开发为有潜力的、应用价值高的新型生物材料，但在人工条件下大规模、高密度地养殖蜘蛛以获得蛛丝的现实困难迫使人们寻求另外的途径生产蛛丝蛋白来满足研究、开发和应用的需要。
因此，高效的合成和生产方法变得也不可忽视。
纵观近十年的研究史，大多数好的研究技术也逐渐走向成熟。
比如近来从蜘蛛丝腺cDNA文库中克隆蛛丝蛋白基因或通过化学合成编码蛛丝蛋白的人工基因用于重组蛛丝蛋白基因工程生产已成为制备蛛丝蛋白的一个主要方法。
蛛丝蛋白基因克隆和表达的成功为人们初步了解各种类型蛛丝蛋白分子的结构、折叠行为和功能之间的内在联系及各种类型蛛丝各自独特力学特性的分子基础提供了良好的开端。
与上述蛛丝蛋白的结构与性能的研究深入，它的应用也逐渐发展起来。
比如研究人员首先通过转基因技术培育出了一种山羊，这种山羊能够生产出具有蛛丝蛋白的羊奶。
在羊奶中加入一种特殊的溶剂后，就能提取到大量的蛛丝纤维。
这种蛛丝纤维甚至比著名的凯夫拉尔纤维还结实，强度是钢的10 倍。
将这些纤维纺纱编织就能制成所需要的“超强布料”。
同时，蛛丝蛋白在其结构性能和应用方面的研究同时也面临着众多的问题等待解决。
一、蛛丝蛋白的结构和功能1、总体认识：蛛丝蛋白具有典型的蛋白质二级结构，即蜘蛛丝由α-螺旋和β-片层共同组成。
特点：1、规则的β-片层被不规则的α-螺旋和β-弯曲所包围。
2、β-片层赋于丝力度α-螺旋赋于丝弹性。
蛛丝主要包括拖丝和捕捉丝。
针对这两种蜘蛛蛋白丝的不同功能, 首先对它们的蛋白质结构展开了深入的研究。
观察到两种丝在氨基酸组成和空间结构上均有极大的相似性和同源性。
氨基酸序列分析结构表明, 拖丝蛋白主要由甘氨酸和丙氨酸组成, 其中甘氨酸占氨基酸总量的37%,丙氨酸占18%;而捕捉丝丝蛋白主要氨基酸是甘氨酸和脯氨酸, 甘氨酸占氨基酸总量的44%,脯氨酸占21%。
此外其它如谷氨酸, 丝氨酸, 亮氨酸, 酪氨酸和缬氨酸等, 在这两种丝蛋白中也占有一席之地。
由于蛛丝蛋白的结构中缺乏长的侧链, 因而其蛋白质结构趋向于紧密堆砌, 并与不定型的富含甘氨酸区形成半结晶状态, 再通过若干不同的残基重复片段得到强化。
利用核磁共振方法研究蛛丝蛋白的空间结构, 发现它主要由一个松弛部分和一个紧密部分构成: 紧密部分主要由8- 10 个丙氨酸残基序列组成, 并形成反向平行的β- 折叠, 多个β- 折叠构成的紧密部分成为结晶状态; 非结晶状态的松弛部分则由24- 35 个富含甘氨酸的单链多肽构成, 它们形成α- 螺旋起着连接晶体部分的作用。
这样β折叠片层之间以β- 转角相连, 而α- 螺旋构成的松弛部分将各β- 折叠连成一个线状整体, 其直径约4 微米。
利用固相核磁共振技术研究证明, 尽管在成型的蛛丝蛋白中多为反向的- 折叠结构,但处于液态的蛛丝蛋白则通常是以α- 螺旋形式存在的。
这些重复的蛋白质片段, 每隔一段距离形成一个转角, 扭结成一个分子弹簧, 最终整个丝蛋白构成一个弹簧似的结构, 这种结构的要领就在于多肽链残基n 的CO 基与残基n+ 3 的NH 形成氢键,因而多肽链可以急剧地改变其方向。
2、温度和某些化学试剂与蛋白质结构有关。
在体外较高温度下, 可以诱导蛛丝蛋白多肽序列形成β- 折叠; 2, 2, 2- 三氟乙醇则可诱导α- 螺旋的形成。
V ollrath 等还发现蜘蛛壶腹腺内有一些中空的纤维管, 其管壁由具有透析作用的半透膜组成。
这种结构可以加速水流并改变其离子成分, 从而起到一个阀门和动力泵的作用, 它可以促进断丝的连接和纺丝, 以保证丝蛋白以最优化的方式进行自装配。
这对于我们研究、了解蛛丝蛋白的自装配行为并加以利用是具有重要的现实意义的。
3、同种或不同种的蜘蛛拖丝蛋白的弹性、强度、断裂张力与蜘蛛的体重有相关性。
一般来说, 断裂张力为其体重的2 倍, 弹性则为其体重的6 倍。
这说明适当调整某些氨基酸序列可以优化蛛丝蛋白的某些性质。
而且就同种蛛丝来讲, 当蜘蛛处于不同的生活状态下,例如饥饿时, 所抽出的丝也会表现出不同的特性。
蜘蛛纺丝或人工抽丝速度也会影响蛛丝的性质,Madsen 提出抽丝速度的增加会导致断裂长度的降低和断裂强度的升高以及初期晶体模数的增加。
针对各种蛛丝蛋白的不同结构和功能, Hayasi 等[ 8] 提出假说: 从分子结构上来讲, 张力强度与丙氨酸富含区和晶体的模数相关; 脯氨酸富含区则和弹性、伸展性相关。
由于蛛丝蛋白具有这样的结构特征, 因而呈现一些独特的物理化学性质是不足为奇的: （1）强度高;（2）韧性大;（3）具有独特的三维空间网状结构;（4）具有一定的热稳定性, 在250 C高温下它能保持稳定, 只有在250 C 以上时才会分解;（5）耐疲劳性;（6）具可降解性, 在一定的酸性条件或者紫外线照射情况下会发生降解。
二、蛛丝蛋白的合成1、蛛丝蛋白的天然合成过程通过查阅相关文献了解到蜘蛛和家蚕产生蛛丝蛋白的过程和机理大致如在：蜘蛛和家蚕丝腺的部位和来源不同，但有一个共同点，就是在丝腺内溶于水的高分子量的丝蛋白被排出体外后转变成为不溶于水的丝纤维，这个转变过程涉及到二硫键的形成、阳离子相互作用、糖基化以及其他的化学和物理过程。
另外丝蛋白分子中富含丙氨酸的重复片段在一定程度上可自发折叠或自发组装成为B一折叠二级结构，将来在丝纤维中成为晶体结构。
家蚕丝腺在产丝过程中其生理内环境如酸碱度和盐离子浓度在不断改变，这可能有助于丝蛋白溶液在通过腺管流向喷丝头的过程中尽管丝蛋白浓度不断增大但仍能保持在水溶液中的溶解性。
在自然产丝过程中腺管壁的剪切力直接促成了可溶性的丝蛋白到不溶性的丝纤维的转变。
蜘蛛和家蚕都有左右成对的丝腺，一对丝腺最终共同形成一条丝纤维；每个丝腺腺管包括前(盲端)、中、后(通向喷丝头)三个部分。
家蚕丝蛋白在丝腺腺管前段管壁腺细胞中合成并分泌丝素蛋白到腺管中；中段腺管管腔大、主要储存丝素蛋白溶液，管腔内丝素蛋白浓度可达20～30％，同时中段管壁细胞还合成丝胶；靠近喷丝头附近的后段腺管中丝蛋白浓度更高。
总之，蜘蛛丝蛋白分子由于一级结构的特征决定了其分子内或分子问能自发形成p一折叠二级结构而具有产生固态分子聚合体的自发倾向，蜘蛛丝腺的结构及内环境成功地调控了蛛丝蛋白分子形成B一折叠二级结构的时机和程序。
目前蜘蛛大壶状腺丝形成的过程和机理研究得最清楚。
单个的大壶状腺是一端为盲端、另一端为开KI的管道，依次为盲端的腺体部、腺漏斗、腺管、腺阀、阀后腺管和喷丝头等几个部分。
腺体部由管径较小的盲尾和管径膨大的腺囊两部分构成。
他们认为，有两个关键因素促使蛛丝蛋白水溶液在温和的生理条件下向固态蛛丝的转变。
首先是从腺囊开始一直到喷丝头管径越来越小，其中在腺漏斗和腺管后段两个部位管径急剧缩小，管壁的剪切力迫使线性的蛛丝蛋白分子逐渐向平行于腺管的轴向排列方式转变，即向液晶状态转变；其次是蛛丝蛋白水溶液从腺体部向喷丝头方向流动的过程中脱水的趋势。
2、蛛丝蛋白的人工合成由于蛛丝的特殊的机械特性在工业和医药方面存在着巨大的应用前景, 但是蜘蛛又非常难以驯化,所以人们把目光投向了利用生物工程的方法来人工合成这种纤维。
通过相关文献总结为：最先是利用大肠杆菌和酵母来表达蜘蛛丝蛋白。
最近几年正在研究利用山羊乳腺细胞、家蚕表达系统以及植物马铃薯和烟草来生产蜘蛛丝蛋白。
由于这些蛋白质序列的高度重复性和它的二级结构的特殊性, 在细菌和酵母中合成这种重组蛋白质时表达蛋白质的分子量较小、表达量也较低困。
因此, 人们把目光转向了利用真核细胞进行表达, 在转基因植物中已经能够生产分子量在10 kD 以上的蛛丝融合蛋白单体(M as pl)[7」。
由于植物细胞与动物细胞存在着较大的差异, 现在研究的重点还是集中在利用哺乳动物细胞进行蛛丝蛋白的表达。
利用蚁酸作为溶媒抽丝获得的蛛丝纤维不具备天然蛛丝的机械性能, 所以当前正在进行人造蛛丝方面工作的几个实验室大都建立了以水为溶媒的抽丝工艺。
下面对目前比较有效的方法进行详细的阐述：1、蜘蛛丝蛋白基因的合成及其串联体在大肠杆菌中的表达其主要的过程和步骤为：1、相关菌类和质粒的培养。
主要有克隆受体菌和表达受体菌，克隆质粒和表达质粒。
2、蜘蛛丝蛋白基因的设计和合成利用Maspl的部分序列和Masp2序列以及鞭毛丝蛋白Flag的序列，结合蜘蛛丝蛋白序列模块的结构和功能特性，另外还考虑到引物设计等问题，通过Vector NTI等分子生物学软件，优化设定新的蜘蛛丝蛋白的基因序列。
3、蜘蛛丝蛋白基因的克隆和表达载体构建4、蜘蛛丝蛋白基因的诱导表达5、重组蜘蛛丝蛋白的纯化2、利用哺乳动物进行蛛丝蛋白的合成目前。
实验中，研究人员首先通过转基因技术培育出了一种山羊，这种山羊能够生产出具有蛛丝蛋白的羊奶。
在羊奶中加入一种特殊的溶剂后，就能提取到大量的蛛丝纤维。
这种蛛丝纤维甚至比著名的凯夫拉尔纤维还结实，强度是钢的10 倍。
将这些纤维纺纱编织就能制成所需要的“超强布料”。
3、利用植物来生产利用植物来生产蜘蛛丝蛋白，是将能生产蜘蛛丝蛋白的基因移植给植物，如花生、烟草和土豆等作物，使这些植物能大量生产类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后将蛋白质提取出来作为生产仿蜘蛛丝的原料。
例如：德国植物遗传与栽培研究所将能复制M ila clavipes蜘蛛拉索丝的蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给烟草和土豆，所培植出的转基因烟草和土豆含有数量可观的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，90％以上的蛋白质分子长度在420～3 600个氨基酸之间，其基因编码与蜘蛛丝蛋白相似。
这种经基因重组的蜘蛛丝蛋白含于烟草和土豆的叶子中，也含于土豆的块茎中。
由于这种经基因重组的蛋白质有极好的耐热性，使其提纯与精制手续简单而有效。
4、利用转基因蚕生产蛛丝我国国家863计划生物高科技项目“应用蛋白质工程改进蚕丝性能研究”负责人陆长德研究员介绍，历经5 a的工作，他们解决了转基因家蚕基因导人、活体基因鉴定、传代育种等一系列关键技术。