一類新型纖維狀蛋白質(zhì)及其對(duì)生物礦化的調(diào)控作用研究.pdf

1、雙殼綱貝殼韌帶是一類由蛋白質(zhì)和文石纖維組成的天然有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合生物材料，在生物中主要起連接兩個(gè)殼瓣并打開(kāi)貝殼的功能。當(dāng)閉殼肌收縮使貝殼關(guān)閉時(shí)，韌帶儲(chǔ)存有彈性能；當(dāng)閉殼肌松弛時(shí)，韌帶中儲(chǔ)存的彈性能使貝殼打開(kāi)。因此，貝殼韌帶還是一類天然的彈性生物材料。對(duì)其結(jié)構(gòu)、組成和性能等進(jìn)行深入研究，可為高性能仿生材料的合成提供模板和科學(xué)依據(jù)。本文以我國(guó)北部灣常見(jiàn)的雙殼綱大竹蟶和輻射莢蟶韌帶為重點(diǎn)研究對(duì)象，以尖紫蛤韌帶作對(duì)比研究。首先采用掃描電子顯微鏡、

2、粉末X-射線衍射、傅立葉變換紅外光譜和氨基酸分析對(duì)三種韌帶的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成進(jìn)行研究，并運(yùn)用靜力學(xué)基本理論對(duì)韌帶的受力情況進(jìn)行分析。接著重點(diǎn)對(duì)在大竹蟶和輻射莢蟶韌帶中新發(fā)現(xiàn)的纖維狀蛋白質(zhì)進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。采用基質(zhì)輔助激光解吸電離串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜和液相色譜-電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜對(duì)這種蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定，分析其組裝機(jī)理；以傅立葉變換紅外光譜對(duì)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定并分析結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。然后以輻射莢蟶韌帶纖維狀蛋白質(zhì)為模板在體外進(jìn)行仿生礦化研究，探索

3、韌帶文石纖維的礦化機(jī)理。最后以熒光顯微鏡和熒光分光光度計(jì)對(duì)韌帶的天然熒光進(jìn)行初步探索。
　　 本文獲得以下幾方面主要成果：
　　 (1)建立了韌帶新的三層結(jié)構(gòu)模型。發(fā)現(xiàn)韌帶內(nèi)層文石纖維(直徑100-200 nm)是由大量的文石納米顆粒相互粘結(jié)形成，纖維具有兩種定向，即靠近背側(cè)部，纖維由兩側(cè)向中軸線方向聚集，從前端向后端傾斜生長(zhǎng)，并逐漸向腹側(cè)面彎曲，最后垂直于腹側(cè)面。首次發(fā)現(xiàn)韌帶內(nèi)層中存在的普遍公認(rèn)的“生長(zhǎng)線”是由斷裂的“

4、之”字形文石纖維形成，并認(rèn)為這種“之”字形結(jié)構(gòu)是韌帶受到長(zhǎng)期反復(fù)自外向內(nèi)的壓應(yīng)力造成的。
　　 (2)發(fā)現(xiàn)大竹蟶和輻射莢蟶韌帶中的纖維狀蛋白質(zhì)Solenin和K58(直徑120-150 nm)是一類同源于KRT1和KRT9的新型纖維狀蛋白質(zhì)。認(rèn)為兩者都是由同源于KRT9的Ⅰ型蛋白質(zhì)單體和同源于KRT1的Ⅱ型蛋白質(zhì)單體以平行排列的方式先形成異質(zhì)二聚體，再相互交錯(cuò)以反平行排列方式形成四聚體，然后逐步組裝成異質(zhì)多聚體中間絲，最后再自組

5、裝成蛋白質(zhì)纖維。這種纖維是物種為適應(yīng)快速挖洞的生活習(xí)性而進(jìn)化形成。
　　 (3)Solenin和K58吸水后可發(fā)生膨脹使彈性顯著增加。蛋白質(zhì)鏈中親水性氨基酸殘基與水分子之間形成的氫鍵，以及結(jié)構(gòu)中“SGGG”、“SYGSGG”、“GGGGG”和“GGG”重復(fù)序列形成的“甘氨酸環(huán)”是這種膨脹性和彈性的主要來(lái)源。而Solenin和K58的高β-折疊結(jié)構(gòu)含量(分別為41.76%和46.20%)，賦予它們良好的抗拉強(qiáng)度和抗化學(xué)試劑腐蝕性能

6、。
　　 (4)在常溫常壓不添加任何其它物質(zhì)的情況下，以K58為基底，經(jīng)由ACC相變途徑合成獲得了純度95-100%的由大量納米棒構(gòu)成的文石超結(jié)構(gòu)。這種納米棒與韌帶文石纖維形貌十分相似，都是由文石晶體顆粒以相同的結(jié)晶學(xué)定向相互粘結(jié)形成。認(rèn)為K58表面酸性氨基酸殘基的羧基具有與文石晶格相似的短程有序，從而使誘導(dǎo)形成的無(wú)定形碳酸鈣(ACC)具有類似的短程有序，最終導(dǎo)致ACC擇優(yōu)相變成文石晶體。首次提出輻射莢蟶韌帶內(nèi)層文石纖維的形成是

7、由K58控制的觀點(diǎn)。
　　 (5)提出了一種新的文石納米棒和超結(jié)構(gòu)形成模式：即ACC先相變形成無(wú)序的文石納米晶體。晶體不斷生長(zhǎng)融合，在內(nèi)能和界面自由能的作用下，晶體發(fā)生旋轉(zhuǎn)以獲得相同的結(jié)晶學(xué)定向，并相互粘結(jié)形成納米棒。通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)，膠體狀的ACC以二維方式不斷粘結(jié)在納米棒四周并逐漸轉(zhuǎn)變成更多的納米棒，最終納米棒聚集形成各種文石超結(jié)構(gòu)。這種非傳統(tǒng)的結(jié)晶模式為結(jié)晶學(xué)理論提供了重要的補(bǔ)充。
　　 (6)首次發(fā)現(xiàn)韌帶內(nèi)層中存在能