（纺织工程专业论文）丝素膜的共混改性研究.pdf

丝素膜的共混改性研究 中文摘要 丝素膜的共混改性研究 中文摘要 为了改善丝素蛋白膜的性能，本文分别用聚氨酯和明胶对丝素膜进行共混改性，分别制 各丝素聚氨酯及丝索明胶共混致密膜，并进一步采用冷冻干燥法制备丝素明胶共混多孔 膜，通过多项测试和分析手段，探讨制备工艺条件对膜结构和性能的影响，为研制适应各种 生物医学需要的丝素蛋白材料提供依据。 将蚕丝丝素水溶液与水性聚氨酯充分混合后，可制得均匀的共混致密膜。共混膜内聚氨 酯能阻止丝素蛋白质的结晶。随着聚氨酯所占比例的提高，丝素聚氨酯共混膜的断裂伸长 率、伸长弹性率显著增大，杨氏模量显著减小，同时拉伸断裂强度、回潮率、溶失率有所减 小。混入聚氨酯能显著改善丝素致密膜的力学性能。 丝素与明胶水溶液，经戊二醛或s d l 交联所制得的丝素明胶共混致密膜中，两种蛋白 质表现出良好的相容性，其结构以无定形为主。共混比例为5 0 5 0 左右时，膜的断裂伸长率 和伸长弹性率都较大，是一种具备较好弹性和韧性的蛋白质膜。 采用冷冻干燥法制备明胶与家蚕丝素的共混多孔蛋白膜，探讨了交联剂用量、共混比例 及冷冻温度对膜结构和性能的影响。指出戊二醛对共混多孔膜具有明显的交联作用i 膜内丝 素与明胶的相容性较好；通过与明胶共混，能够改善多孔丝素膜的拉伸性能。 关键词：丝素；膜；改性；聚氨酯；明胶 作者：杨华 指导教师：李明忠朱明宝 坚鲤! ! 型! ! ! ! 塑! ! ! ! 生竺! ! 型苎堕呈堕! ! 虫 垒! 壁型 m o d i f i c a t i o no fs i l kf i b r o i nf i l mb yb l e n d i n g a b s t r a c t p o l y u r e t h a n ea n dg e l a t i nw e r es e l e c t e dt op r e p a r ec o m p a c tb l e n df i l m sw i t hs i l kf i b r o i n ， t oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fs i l kf i b r o i nf i l m t h ep o r o u sp r o t e i nb l e n df i l mo fg e l a t i na n d s i l kf i b r o i nw a sa l s op r e p a r e d t h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f m o d i f i e df i l m si nd i f f e r e n t i a l b l e n dc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e db yf i n es t r u c t u r a la n a l y s e sa n dp h y s i c a lm e a s u r e m e n t s t h ee v e nc o m p a c ts i l kf i b r o i n - p o l y u r e t h a n eb l e n df i l mc a nb ep r e p a r e db yf u l l y b l e n d i n gs i l kf i b r o i ns o l u t i o n 、i t l lw a t e rp o l y u r e t h a n e t h ep o l y u r e t h a n ei nt h ef i l mc a n p r e v e n tt h ec r y s t a l l i z a t i o no fs i l kf i b r o i n w i t ht h ep r o p o r t i o no fp o l y u r e t h a n ei n c r e a s e ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s i l kf i b r o i n - p o l y u r e t h a n eb l e n d e df i l mr r ei m p r o v e d a p p a r e n t l y t h ec o m p a c ts i l kf i b r o i n g e l a t i nb l e n df i l mw a sp r e p a r e db yc a s t i n gt h eb l e n d e d a q u e o u ss o l u t i o n t h ee f f e c t so fb l e n dr a t i oa n dc r o s s l i n k i n ga g e n to nt h ep r o p e r t i e sa n d s t r u c t u r eo ft h eb l e n df i l mw e r ei n v e s t i g a t e d 。t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti nt h ef i b r o i n g e l a t i nb l e n df i l mc r o s s l i n k e db yg l u t a r a l d e h y d eo rs d 一1 ，t h et w op r o t e i n sh a dg o o d c o m p a t i b i l i t ya n dt h e i rs t r u c t u r ew a sm a i n l ya m o r p h o u s w h e nt h eb l e n dr a t i ow a sa b o u t 5 0 5 0 ，t h ee l o n g a t i o na tb r e a ka n dt h ee l o n g a t i o ne l a s t i c i t yr a t eo ft h ef i l mb o t hw e r e r e l a t i v e l yl a r g e t h e r e f o r e ，i tw a sak i n do fp r o t e i nf i l mw i t hr e l a t i v e l yg o o de l a s t i c i t ya n d f l e x i b i l i t y t h ep o r o u sp r o t e i nb l e n df i l mo fg e l a t i na n ds i l kf i b r o i nw a s p r e p a r e db yf r e e z e - d r y i n g t h ee f f e c t so ft h ec r o s s l i n k i n ga g e n t ，b l e n dr a t i oa n df r e e z et e m p e r a t u r eo nt h es t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so f f i l mw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep o r o u sb l e n df i l mw a s c r o s s - l i n k e do b v i o u s l ya saf u n c t i o no fg l u t a r a l d e h y d e ，s i l kf i b r o i na n dg e l a t i ni nt h ef i l m w e r ec o m p a t i b l ea n dt h es t r u c t u r eo fp r o t e i nw a s m a i n l ya m o r p h o u s , a n dt h a tt h et e n s i l e p r o p e r t i e so f p o r o u ss i l kf i b r o i nf i l mw a si m p r o v e db yb l e n d i n gw i t hg e l a t i n k e yw o r d s ：s i l kf i b r o i n ；f i l m ；m o d i f i c a t i o n ；p o l y u r e t h a n e ；g e l a t i n w r i t t e nb y y a n gh u a s u p e r v i s e db yl im i n g z h o n gz h um i n g b o 丝素膜的共混改性研究引言 口 1 1 丝素蛋白结构的研究概况 早在六千多年前人类就开始将蚕丝等天然纤维用于纺织，直到十九世纪末， 纺织仍都是使用天然纤维。虽然棉、麻、毛纤维的来源丰富，但作为长丝的蚕丝 纤维诸多优良性质是它们所不具备的。其不同寻常的特性来源于丝素蛋白的物理 化学性能，这种蛋白质几乎组成了丝纤维的全部。丝素蛋白是在蚕的绢丝腺中被大 量合成的，包括被二硫键相连的两种多肽，比较大的重链富含甘氨酸，而且大多数 序列是g 1 y - a l a t s e r 的重复单元。丝纤维因为早在1 9 1 3 年完成的x - 射线衍射实 验而广为人知川。x 一射线衍射图说明丝索是一个打褶的0 一折叠片结构，它帮助鲍 林和科里定义了这种类型为二级结构”1 。 1 1 1 丝素蛋白重链的序列及组成”1 在对丝素蛋白的上述早期研究和l u c a s 等。1 进行了研究综述之后，相当长时 间内丝素蛋白曾未被生物化学家们关注。现在研究者已经测定了2 6k d a 的轻链序 列，一个短内含子片断以及一个重链的c 一末端的8 5 个氨基酸残基序列“。轻链通 过一个二硫键连接到重链上，具有一个标准的氨基酸组成和一个非重复序列。它在 纤维中只扮演一个次要的角色。 重链完整的氨基酸序列现在已从家蚕基因中一个8 0 一k b p 的碎片中被推论得 到，该片断含有一个1 7 一k b p 长的丝素蛋白基因( 编号为g e n b a n k a f 2 2 6 6 8 8 ：e m b l p 0 5 7 9 0 ) 。该基因编码了含有5 2 6 3 个氨基酸残基的多肽链，其分子量为3 9 1k d a ， 该多肽链由4 5 9 的甘氨酸。3 0 3 的丙氨酸，1 2 1 的丝氨酸，5 3 的酪氨酸，1 8 的缬氨酸，以及4 7 的其他1 5 种氨基酸组成。大部分序列是低复杂度的，由2 3 7 7 个g l y x ( g x ) 二肽重复单元组成。g x 重复序列在鲍林一科里模型中组成整个纤维的 p 一层的模体。这个氨基酸序列包含有很长且高度伸展的g x 重复序列，通常称为 蚕丝丝素蛋白的“结晶”成份，肯定会产生一定的x 一衍射图案。x 残基中含有的 丙氨酸为6 4 ，丝氨酸为2 2 ，酪氨酸为1 0 ，缬氨酸为3 ，苏氨酸为1 3 。实质 上另外1 4 种氨基酸类型没有出现在g x 重复序列中。有2 的二肽重复单元的第一 位置是丙氨酸而不是甘氨酸，这几乎仅仅发生在g a a s 四肽重复单元结构中，这种 四肽单元结构重复了4 1 次。另外有两个六肽结构s = g a g a g s ( 4 3 3 个拷贝) ，和y = g a g a g y ( 1 2 0 个拷贝) ，这两种六肽在低复杂区域共占7 0 ，从部分序列知道了 他们的丰富程度，曾认为蚕丝蛋白可能是完全由这些六肽组成的。图1 说明这是 不正确的，尽管这些六肽含量丰富。下面将要讨论丝素蛋白的更精细的基本结构。 头部( 1 ，l ：1 5 1 ) m r v k t f v i l c c a l q y v a y t n a n i n d f d e d y f g s d v t v q s s n t t d e i i r d a s g a v i e e 口i n k 删q r k n k m g i l g k n e 删i 盯f v i t t d s d g n e s i v e e d v l m k t l s d g t v a q s y v a a d a g a y s q s g p w s n s g y s i b q g t r s i ) f s t s a a v g x l ( 1 5 2 。l = 5 1 1 ) 1 1g a a a a g s g a y g s 1 2 g a a y g t g a g a y a y a y a y a y a y g a a s 1 3g a y g q g v g s g a a s 1 4 g a 6 s 从g s a g t y a y g a a s 15 g t u y g g a s a a y g t g a g y a g a g a y g a y g a g y g v y g a g y s g a a s 1 6 g a g s s s s s s s s s g t g a g s y 6 a y s g a a s 17 s s s s s 蚰a y g a y g a g a g v g y s g a a s i 8s s s s s s s s s g a g v g y g a g v u g y g a y s g a a s 连接片段1 ( l = 4 4 ) g a g g a g 6 a g t g s s g f g p l n ，a n g g y s r s d g y e y a w s s d f g t g s g x 2 ( 7 0 6 l = 5 1 1 ) 2 1 s s s s s y g g v g v g y u y s g a a s 2 2s s s s s s s s s s g a g v g s s 6 a g g v g y g a g g v g y s g a a s 2 3 s s s s s s s s s g a g v g y g a g v u g y g a y s g a a s 2 4s s s s s s s s s s s y g y u y s g a s 2 5g a g s s g a s s s s s s y g a g v u g y g a y s g s 26$ssssssgagvgyuysgaas 连接片段2 ( l = 4 3 ) g a g a g a g a g a g t g s s g f g p l n ， 阱y s g y e y s s e s d f g t c s g x 3 ( 1 2 5 9 ，l = 3 6 1 ) 3 1 s s s s u g v g a g ! f u y s g a g s 3 2 s s s s s s s s y u y s g 6 s 3 3 s s s s s s s y g a g v g g y u y s g a g s 3 4 s s s g a g v g s s s s y u y s g a g s 3 5 s s s s s s s g a g v g y g a g v u g y g a y s g a a s 连接片段3 ( l = 4 3 ) g g a g g a 6 a g t g s s g f g p j n ， n g g y s g y b y 从s s e s d f g t g s g x 4 ( 1 6 6 2 ，l - 1 4 7 ) 4 1 s s s s y u y s g a g s 4 2 s s s s s s s g 6 s g s s s z g a g v g a g y g v g y g a y s g a a s 连接片段4 ( l = 4 3 ) g a g a g a g a g a g t g s s g f g p y v h g “s g 髓娜s e s d f g t g s g x 5 ( 1 8 5 3 ，l = 4 2 8 ) 5 1 s s $ s s s y g a g v u a y g a y s g a a s 5 2 s s s s s s s s s s y g s y s g a g s 5 3 $ s s s s g a g s g s s s y g a g v u g y g a y s g a g s 5 4 s y g a y u y g a g a g t g a g s 5 5 s s s s s s g a g s g s s s s s s y g a y u y s g a g s 5 6 s s s y g a g y s g a a s 连接片段5 ( l = 4 3 ) g a g g a g a g a g t g s s g f g p y v a h c 描y s g 瞅 骼s 鹤d f g t g s g x 6 ( 2 3 2 4 l = 2 7 5 ) s a s y g a g v g a c y u y s g t g s s y g a g v g a g y s g a a f g a g s s s s s y u g v g a g y s g a a s s s s s s y g a g v u g y g a y s g a a s s g a s s s s g a g s s s y s g a a s g a g a g a g a g a g t g s s g i m p y v a n g g y s g y e y a w s s e s d f g t g s g x 7 ( 2 6 4 3 ，l = 5 9 6 ) 7 1s s s s y g a g v u g y g a y s g a g s 7 2s s s s s s y s g a a s 7 3s s s s s s y g a g v g a g y g v g y g a y s g a g s 7 4 s s s s g a g s s s s g a g s s y g v g y g a y s g a g s s s s g a g s 75s s s y g a g v g a g y g v g y g a y s g a g s 7 6 s s s s s s s g a g s s s s s g a g s s s s y g a g v g a g y g v g y g a g v g a g y s g a a s 7 7s g a s s s s s s y u g v u g a g v g y “y s g a a s 7 8“s g a g a g t s y s g a a s 连接片段7 ( l - 4 3 ) g a g a g a g a g a g t g s s g f g p w a n g g y s g y e y a w s s e s d f g t g s g x 8 ( 3 2 8 3 l = 4 9 4 ) 8 1 s s s s y g a g v g a g y s g g s 8 2 s s s s y s g t g s 8 3 s s s s $ s g v 6 a g y g v g y g a y g v g y g a y s g t g s 8 4 s s s s s s y g g v g a g y g v c y g a y s g a g s 8 5 s s s s g a g s s s s g a g s s y g v g y g a y s g a g s 8 6 s s s g a g s s s s y g a g v “g y g v g y g a y s g a g s 8 7 s s s s s s s g a g s s s s y g a g v g a g y g v g y g a y s g a a 6 连接片段8 ( l ：4 3 ) g g g g g g t g s s 卯钟州 黼咖y 骼s e s d f g t g s g x 9 ( 3 8 2 1 l = 3 4 8 ) 9 1 92 9 3 9 4 s s y u g v u g a g v g y 6 a y s g a a s 8 s s g a s y g a g y g i g v u g a g v g y g a y s g a a s s s s s s s y u g v u g g v g y g y s g a a s a g a s s s s s s s s s y g a g v u g y g y s g a a s 9 5 s s s s s y s g a a s 连接片段9 ( l = 4 2 ) g a g a g g a g a g t g s s g 褂w n y s g y 雕懈s e s d f g t g s g x l 0 ( 4 2 1 2 l = 3 0 2 ) 1 0 1 s s y g a g v u g y g a y s g a a s 1 0 2 s s s s g 6 s s s s s s y g a g v u 6 y 6 a y s g a a s 1 0 3 s g a s s s s s s g a g s s y u g v u g a g v g y g a y s g a a s 1 0 4 s g s g a g s s s g a s s s y g a g y s g a a s 连接片段1 0 ( l = 4 3 ) g g g a g a g a g t g s s g f g p y v a n g g y s g y e y a w s s e s d f 6 t g s g x l l ( 4 5 5 8 ，l = 5 6 6 ) 1 1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 l l _ 5 1 1 6 u 7 s s y g a g v g a g y u y s g h g s s s s s s s s y u y g a g a g v g y g a y s g a g s s g s s g s g a g s s s s s s s y g a g y g i g v u g a g v g y g a y s g a a s s s s s s s s s s y g a g g v g y s g a a s s s s s s s s g a g s s y u g v g a g y y g a g y g v y s g a g s s s s s s g a g s y g a y g a y s g a a s g a g h s s s g a g s s y s g a a s l ! ：8 s g a a s s y s g a a s 连接片段1 1 ( l = 4 4 ) g a g a g a g a g t g s s g 冈咒”啪r 髓g y e y 髑s l 【s d f b t g s g x l 2 ( 5 1 6 9 ，l = 3 6 ) 1 2 1 g a a s g a s s s s s c 一末端( 5 2 0 6 ，l = 5 8 ) v s y g a g r g y g q g a g s a a s s v s s a s s r s y d y s r r n v r k n c g i p r r q l v v k f r a l p c v n c 图1 丝素蛋白重链：5 2 6 3 个氨基酸残基组成的多肽链被分成域和子域( e m b lp 0 5 7 9 0 ) 。 刮号中给出了第一残基在序列中的位置和每个区域的长度l 。黑体字表示的2 5 个残基在头 部和连接短肽内被重复。在g x 9 4 子域中插入的个残基( 或三个残基) 也用黑体字标出。 小写字母s ，y ，a ，以及u 表示不同的六肽重复序列。 六肽的编码系列以及拷贝数： s = g a g a g s4 3 3 个拷贝；y = g a g a g y1 2 0 个拷贝； a = g a g a g a2 7 个拷贝；u = g a g y g a 3 9 个拷贝 2 们 b6 殴片 l 2 3 4 5 接& e 邑民连 丝素膜的共混改性研究引言 1 1 2 非重复序列或“无定形”片段 主要由g x 重复序列组成的多肽链被1 1 个连接短肽分成1 2 个不同的域( 图1 ) 。 不同于这些区域，n 一末端1 5 1 个残基c 一末端的5 0 个残基，以及在域与域之间起连接 作用的4 2 4 3 个连接短肽是非重复的和“无定形”( 相对于“结晶”域) 的。n 一端片 段或头部具备一种标准的氨基酸组成，可能构成一个独立的球状结构单元，可以构成 几个d 螺旋以及一个且一折叠片。相关的序列( 3 3 3 8 同源) 可以在g a l l e r i a m a l l o n e l l a 以及柞蚕丝素蛋白的n 一端被发现( 图2 ) ，后者的茧子在亚洲被用来生产 野蚕丝。柞蚕丝素蛋白完全不同于家蚕丝素蛋白，它形成另一种类型的纤维，由2 6 3 9 个残基序列( e m b l0 7 6 7 8 6 ) 构成的多肽链，虽然也是低复杂度的，但是含有的丙氨酸比 甘氨酸多。 1 ：，5 帅ki 鞠墨嘲蛔瞄雹喇勰嘲捌删嘲嘲嘧匝嘞i l 咀培厦i 蛳m n 譬、，i k q i i i 掣胡啷螂l 船印疆w h 溜吲弭憧鞠啊釉i 商舶硒v i 啦t t i 曲j h 山r i m a m , v , 娜- 懈埘懈嘲哦嘲i _ l a 鞠m 捌伪聃椎佣r 髓f i 血七b 曩r l 嚼n f v i i i c 口叫h 硝嘲硪嘲v 一m 圜瞄强开t l ，l a 1 1 1 2 哪啪 目哪咖口蜀留日墨嘲喀董田蹦翻嘲曩霜韵嘲瞳姗 i 肋- 蛳 l 味确晡帕嘲蚋缸埔啪球曙n 烈嘲皤1 1 卿h _ 搬g 加眄哺0 宣嘲- 阻i 舶n “i 柚暖玎嘲d 嘲i 翻哪q 啊舢期蜩翻啦堂订麓田摊z 矗1 翩h f - i 阳饵朝啊栩u 期瞄蜩田啊哐霸砷霹嘎明疆_ 瓒h 柚互y 】曩唧i 蠢8 4 ，t ；r 1 。，1 5 帅_ i 目哑雹墨勰 a 加b 嗤 i 翻咐喜口h 瑚粕帕魄怫睁粕嘲_ 譬船 都， 图2 头部序列：二级结构采用p f l d 预测，丝素蛋白的n 一端序列分别来源于家蚕 ( e m b lp 0 5 7 9 0 ) ，g a l l e r i a m e l l o n e l a ( e m b la f 0 9 5 2 3 9 ) ，以及柞蚕( e m b l0 7 6 7 8 6 ) e 伸展的；h 螺旋的 家蚕丝索重链c 一端的5 8 个残基片段富含精氨酸赖氨酸，而且缺少非亲水氨基 酸残基，不会形成球状结构。它含有三个半胱氨酸残基，可以形成两个二硫键，一个 丝素膜豹共混政性研究引言 与丝素轻链相连，另一个形成分子内二硫键。1 1 个连接结晶区的片段几乎是由相同序 列组成的，它包括一个2 5 个残基的非重复序列多肽( 图l 中用黑体字标出) 。这个多肽 链打破了g x 的交替而且是对结晶域的一个终结。它含有一个脯氨酸( 带电氨基酸残 基) ，以及唯一一个出现在丝素蛋白中的色氨酸残基。带电氨基酸残基完全没有出现 在结晶域中。 1 1 3 在结晶域中的标点 如图1 所示，1 2 个结晶域分别用g x l 一g x l 2 表示。他们的平均长度是4 1 3 个残 基如果忽略g x l 2 的话( 长度很短，只有3 7 个残基) 。在一个域里面，g x 的交替仅仅 被g a a s 四肽的出现偶然打乱，另外，在g x 9 区域中，在4 1 0 8 位置插入的一个残基也打 乱了这种交替。这个插入改变了g x 交替的状态，也一定会扰乱b 一折叠片的结构。与 之不同的是，g a a s 四肽维持了这种结构，只是在结晶区域中引入了一种标点。在基 因中，所有的g a a s 四肽使用完全相同的1 2 个密码子编码。以g x 2 为例，我们发现 这个区域的5 1 1 个残基可以分成六个子域，用s = g a g a g s 的六肽开始，被g a a s 四肽 终止。这六个子域明显的彼此相关，而且很有可能整个域起源于子域的连续复制。相 同的子域模式可以在g x l l 区域和g x 2 区域被看到，除了偶然的g a g s 或g t g s 会取代 g a a s 作为标点以外( 如图1 ) 。在基因中，这些四肽全部使用不同的密码子编码，域 g x l 也能被当做以g a a s 结束的予域看，但是他们的序列是不同的，其中有四个子域缺 乏g a g a g s 的重复序列。总的来说，重链包含约6 4 个子域，每个子域长度约为7 0 个氨基酸残基。明显地，以7 0 个氨基酸残基来划分的蛋白质序列在d n a 水平也出现， 可以观察到2 0 8b p 的重复序列，可能正好是一个核小体的d n a 大小。 1 1 4 蚕丝结构的一个模型 基于x 一射线衍射图和丝素蛋白奇特的氨基酸组成，鲍林、科里以及他们的合作者 认为蚕丝纤维是由反平行b 一折叠层的层层叠加而成的。b 一链沿纤维轴向伸展，产生 一个7 0 埃的、含有两个多肽的重复单元。衍射圈在蚕丝纤维轴的垂直方向上也存在 一个9 5 埃的重复单位，它可以解释为在反平行b 一层内b 一链之间距离的两倍，以及 b 一层之间距离的两倍。克里克与肯德鲁对鲍林一科里模型做过详细的描述，他们注意 到这样一个事实：在一个由g l y a l a s e r 重复序列组成的b 一链中，所有的非甘氨酸 残基在b 一层中排列在同一侧。b 一层在相互重叠时甘氨酸的一面与丙氨酸丝氨酸的 一面交替出现。第一种包装重叠方式产生的层间距较短，为3 5 - 3 9 埃；第二种重叠 方式产生的层间距较长，为5 3 - 5 7 埃。这种重叠类型后来在聚一( 甘氨酸一丙氨酸) 的结晶中被观察到了。 4 丝素膜的共混改性研究引言 鲍林一科里模型在最近关于家蚕丝素纤维衍射图的研究中受到了挑战。为了试图 解释衍射强度分布，t a k a h a s h i 及其同仁对b 一链和b 一层的四种组装方式进行了测试。 同一b 一层内的b 一链，相互之间既可以是平行的也可以是反平行的，他们的侧链可能 在同一个方向( 极化模式) 或者上下交替出现( 反极化模式) 。按照这一规则，鲍林 一科里模型是极化一反平行的。假定丝素仅由聚一( 甘氨酸一丙氨酸) 组成，则拟合结果 将恰好对应于2 6 个衍射强度组。然而，作者进一步考虑到干扰以及丝氨酸的出现计 算了其他几种类型的组装产生的衍射图，结果显示他们对应于一种反极化一反平行模 型，其中丙氨酸丝氨酸侧链交替上下指向b 一层的垂直方向。作为反极化b 一层，没 有一个仅仅是由甘氨酸组成的面，他们重叠方式的规整性要比鲍林一科里模型差。这 种对衍射数据的拟合仰赖于许多的假定，例如，就氨基酸序列来说，没有一种交替模 型能被完全地排除在外。 1 1 5 重链的折叠 不管是在理论上还是在事实上，折叠一个5 2 6 3 个残基的多肽链肯定需要好几步。 实际的序列说明不可能将整个丝素蛋白分子全部用口一层模型拟合，但是这种模型对 结晶区域好像是可行的，是能够形成一些b 一层的大单位。我们认为每个子域形成一 个b 一链，有6 6 个残基或2 0 0 埃长，通过一个四肽g a a s 边界形成一个b 一转角连接到 下一个b 一链。这些b 一链比在球状蛋白质( 很少超过1 5 个残基) 中长很多，但是蚕 丝强的衍射图暗示了一种长的b 一链。一个结晶区域可能包含一个b 一层或两个b 一层 ( 两者在头部组装) 。后者更有可能在g x l ，g x 2 ，g x 5 ，g x 7 ，6 x 8 和g x l l 中出现，他们 包含六个或更多个子域。这些区域的每一个都可以构成双层的由三条口一链组成的b 一 层，其尺寸大小约为1 0 1 5 2 0 0 埃。然后丝索蛋白链内或链间的结晶区域可以通过 肩并肩或者层叠层的方式形成更厚、更宽的结构。 下个问题是极性的b 一链和8 一层。子域中观察到的严格的g x 交替暗示了一种强烈 的选择压力，抵抗甘氨酸被取代。这在极化模式中更容易理解，其中的e 一层要求出现 完全没有侧链的一面，而不同于非极化模式( 侧链可以在两面出现) 。另一方砸，序 列有明显的从n 一到一c 的方向性，g a g a g s 重复序列出现在n 一端子域中，而靠近c 一末端出 现比较稀有的酪氨酸，缬氨酸和苏氨酸残基。在一个反极化b 一层模式中，一条b 一 链末端一般是那些大侧链氨基酸残基组成的b 一层，而相邻的b 一链出现在相反的另一 端。另一方面，个极化一平行模式在b 一层的一端汇集了所有的g a g a g s 六肽，而所有 的大侧链在另一端聚集则可以预期形成一种规整的组装。 一种把个蛋白质自然折叠进一个平行b 一层的方法是建立一个双层螺线管结构， 丝素膜的共混改性研究 引言 相邻的b 一链在顶层与底层交替出现。这种通过多肽链折叠使分子尺寸趋于最小的折 叠方式，在各种球状蛋白中是极为常见的。在蚕丝丝素蛋白的衍射图中观察到的两个 b 一链的横向重复是与平行8 一层相反的，因为他们的重复单位是单一的b 一链。然而， 严格来说，只有聚一( 丙氨酸一甘氨酸) 是单股链的重复。在蛋白质实际序列中，丝氨酸 和酪氨酸比较大的侧链在空间的分布可能解释这种比较大的晶胞。丝素蛋白衍射图在 小角度上一些不能归属于聚一( 丙氨酸一甘氨酸) 晶胞的弱反射，可以归属于在g a g a g s 六肽中丝氨酸的出现。 综上所述，g l y x 交替出现是家蚕丝素蛋白重链序列的一个显著特征，它的持续 形成了一个伸展长链以构成结晶区域。虽然这种交替是鲍林一科里模型的基础，但是这 一模型不易适应于实际的序列。建立一个结晶区域以及他们组成纤维的模型，将需要 更多的实验信息而并不仅仅依赖于纤维的衍射图。 1 2 丝蛋白生物材料的研究”1 1 2 1 概况 由于蚕丝丝素蛋自在有关生物领域的应用前景被看好，对它形态及结构的研究也 随之增多。蚕丝纤维因其与人体活组织的生物相容性良好，已长期被用作外科手术缝 合线，此外，它还能被用作生物传感器中的酶固定载体。对蚕丝结构的进一步理解有 助于蚕丝新用途的研究和开发，例如透氧膜和生物相容性材料。以蚕丝为主要成分的 膜是与软组织相容性良好的聚合物。以杆状病毒为载体的家蚕转基因使目标序列发生 特殊转变成为可能。在强启动子，例如丝素蛋白启动子作用下，外源基因下游的同源 重组，可能在蚕体内产生有用的结构蛋白，或对丝蛋白进行改性。通过控制后部丝腺 的丝索，丝素蛋白和绿色荧光蛋白构成的一种嵌和蛋白在蚕体内得到表达，且这一基 因工程产品做成了蚕茧。这一基因打靶技术将改善和提高丝蛋白的理化性能。 “丝”这个术语是指由数个系列的鳞翅类和节足动物门物种纺出来的长丝，用来 建造身体外构筑物，例如蚕茧和蜘蛛网。然而，只有来自于蚕幼虫的丝，如家蚕和几 种野蚕的丝才是纺织纤维的实际重要来源。 在天然和合成纤维中，丝以其杰出的性能出类拔萃，如：吸湿性好，保暖性强， 易于加工，光泽柔和，舒适性好及通过印染能获得鲜艳的颜色等。 然而，丝用于纺织方面仍存在一些不足：抗皱性，耐磨性，固色性，洗涤及服用 特性，见光泛黄，这些都严重限制了它普遍使用。3 。此外，对更易保养和具有更好服 用性能的服装材料的追求和开发新的纺织产品来扩大丝的消耗量都突显了研究新的 丝索膜的共混改性研究 引言 后整理技术的重要性。 桑蚕丝和柞蚕丝的化学结构中主要含甘氨酸和丙氨酸两种氨基酸残基9 ，它们约 占蛋白质总量的7 5 m 0 1 。野蚕丝中甘氨酸的含量比家蚕丝要高，这就导致了两种丝 在一级结构上的显著不同。 家蚕丝蛋白的结晶区中含有很多重复序列一( 甘氨酸一丙氨酸一甘氨酸一x ) 。 一”3 ，其中x = 丝氨酸或酪氨酸，而野蚕丝蛋白结晶区中主要是一( 丙氨酸) n _ “。 组成非晶区的大部分是较大侧伸链和极性的氨基酸残基，这在野蚕丝素蛋白的非晶区 更为突出。结晶区和非晶区的科学信息非常重要，因为丝纤维的拉伸性质主要取决于 结晶区的结构，而物理性质，如回潮率、可染性及抗化学试剂的性质均取决于非晶区。 根据x 射线衍射的研究结果，在家蚕和野蚕丝纤维中，主要的结晶结构形态是反 平行的b 一层。 似乎无序的非晶区在决定纺织纤维加工过程中丝纤维的行为起主要作用。迸一 步，我们可以假定，家蚕和野蚕丝在微观结构上的不同主要来自于非晶区中丝素蛋白 链的排列方式及相互作用的不同。 1 2 2 丝蛋白的性质 从工业用材料的角度来看，丝蛋白与其它天然生物聚合物相比有如下的杰出特 性： 由蚕即可得到纯的丝蛋白；家蚕丝纤维能溶解于一定温度的中性盐的浓溶液中， 如氯化钙中，而无须使用有害的还原剂。用水透析后便能得到纯丝素蛋白溶液；蚕 丝可以随时随地通过对蚕使用人工饲料来得到，此饲料已由国际蚕丝业及昆虫学研究 会开发并商业化；各种形式的丝蛋白，如丝粉、丝凝胶和丝膜都可通过控制丝素蛋 白溶液的干燥方式和干燥速度来得到；丝蛋白在醇类溶液中难溶，此特性有助于丝 素蛋白用作生物材料，因为这种溶剂对活组织无害：利用非晶区中有化学活性的部 位，如碱性氨基酸和酸性氨基酸残基，可以对丝进行化学改性。 l - 2 3 丝素蛋白溶液的制备 制备丝素蛋白水溶液有两种方法，一是在水中使绢丝液与熟蚕的后绢丝腺分离； 二是在一定温度下把脱胶的丝纤维溶于中性盐的浓溶液中。溴化锂在这些盐中是使用 最方便的- 它对丝纤维的溶解能力很强，同时可以采用蒸馏水透析( 再生) 。这样， 能在室温下通过浇铸到适当的基质上制得丝素膜。 要溶解角蛋白纤维，例如羊毛，需要使用强还原剂来破坏其中的双硫键。丝纤维 中实际不含双硫键，这就是为什么溶解丝纤维不必用还原剂的原因。丝纤维能在温和 丝素膜的共混改性研究 引言 而不使用任何有害还原剂的条件下被溶解是它的杰出特性之一。 i 2 4 丝蛋白新生物材料 家蚕丝素是最丰富的天然纤维资源之一，容易获得且价格便宜。近来，由于丝素 蛋自在相关生物领域的应用前景被看好，对它形态及结构的研究也随之增多。蚕丝纤 维因其与人体活组织的生物相容性良好，已长期被用作外科手术缝合线，还可被用作 生物传感器中酶的固定化载体。同时，能否被用作血液相容材料目前也正在试验中。 对蚕丝结构的进一步理解有助于蚕丝新用途的研究和开发，例如透氧膜和有不同医学 用途的生物相容性材料。蚕丝被用于非纺织领域的典型例子是手术缝合线，因为它有 很好的生物相容性和拉伸性能，尤其是由很高的断裂强度。日本市场上所出售的丝线 现有4 5 用于外科”】。 i 2 4 i 透氧性材料1 ”1 研究丝素蛋白膜的透氧性是试图将它用于隐形眼镜。透氧系数随温度升高而增 大。在大约3 5 c 时每条曲线上都会出现转折点。同样温度下，染料扩散和对丝素蛋 白膜的葡萄糖渗透的阿累尼鸟斯曲线上也会出现转折点。值得注意的是，经甲醛浸渍 处理3 0 分钟的膜透氧系数在所有温度下的值均为最小。为了解释此现象，研究了丝 素蛋白膜中的含水量。浸渍处理超过3 分钟的膜含水量在2 0 4 0 之间。浸渍3 0 分钟 的膜含水量最小，同时透氧系数也最小。显然，透氧系数的值与膜的含水量有关。对 丝索蛋白膜的透氧系数与含水量之间的关系进行了研究，同时还与另外几种水凝胶 膜，包括2 一羟乙基甲基丙烯酸和人工合成多肽膜进行了比较。浸溃时间较短的丝素 蛋白膜的透氧性与水凝胶膜相似，它们含有等量水分，而这些水凝胶膜是用作隐形眼 镜的。考虑到低含水量情况下的透氧性，丝素蛋白膜要好于多肽膜，它通常用于软性 隐形眼镜材料。丝蛋白用于隐形眼镜材料的原因在于它的高透氧性，良好的生物相容 性和视觉特性。 1 2 4 2 人工皮肤 影响人工皮肤和烧伤敷料好坏最重要的因素之一便是水汽渗透性。由膜渗透曲线 可以计算出透湿率，用甲醛处理3 分钟和6 0 分钟的膜。透湿率分别是1 9 1 和1 2 。6 千克。米天，这些值远大于正常皮肤的水汽蒸发速率，所以丝素蛋白膜能被用作 烧伤敖料。作为一种软组织相容性聚合物，丝素材料可满足不同生物医学要求，如用 作人工皮肤、角膜、腱、人工器官的修补和药物载体等。 1 2 4 3 酶固定化载体 丝素蛋白适于固定酶及活细胞，原因在于它特殊的分子结构能很好地平衡亲水和 丝索膜的共混改性研究 引言 疏水特性。且用溶解的丝素蛋白能制备出大量不同形式和形状的样品，包括粉、纤维 状材料、水凝胶、丝膜和多孔材料。例如，把葡萄糖氧化酶( g o d ) 固定在丝膜上的 生物传感器能检测血液或其它液体中的葡萄糖。 1 2 4 4 诊断疾病的生物传感器基质 固定了抗原的丝素蛋白膜能用作疾病诊断的生物传感器。丝素蛋白膜上的抗原与 抗体反应形成一对固定的抗原一抗体复合物，应用电子技术监测这反应后可用于开 发疾病特种传感器。此技术已有企业开发应用。 1 2 4 5 软组织相容聚合物 各种丝素蛋白均能用作细胞粘附和增殖的基质，而其生物相容性取决于丝的种 类。家蚕丝素蛋白的氨基酸组成与野蚕有很大区别，野蚕丝素蛋白中有更多的赖氨酸、 组氨酸和精氨酸，因此更适于细胞粘附及增殖。有人认为，细胞粘附和生长对丝素蛋 白的一级结构十分敏感。 1 2 4 6 丝素蛋白纤维人工腱 丝素纤维能吸附磷酸盐溶液中的钙离子，它能粘附骨主成分羟基磷灰石，最终形 成如接触面的坚实结晶，因此