一類新型纖維狀蛋白質(zhì)及其對生物礦化的調(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)-無機(jī)復(fù)合生物材料，在生物中主要起連接兩個殼瓣并打開貝殼的功能。當(dāng)閉殼肌收縮使貝殼關(guān)閉時，韌帶儲存有彈性能；當(dāng)閉殼肌松弛時，韌帶中儲存的彈性能使貝殼打開。因此，貝殼韌帶還是一類天然的彈性生物材料。對其結(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)。本文以我國北部灣常見的雙殼綱大竹蟶和輻射莢蟶韌帶為重點研究對象，以尖紫蛤韌帶作對比研究。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三種韌帶的結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成進(jìn)行研究，并運用靜力學(xué)基本理論對韌帶的受力情況進(jìn)行分析。接著重點對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)飛行時間質(zhì)譜和液相色譜-電噴霧串聯(lián)質(zhì)譜對這種蛋白質(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蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定并分析結(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對韌帶的天然熒光進(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，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。
　　 (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先相變形成無序的文石納米晶體。晶體不斷生長融合，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。通過布朗運動，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