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1、刘 永 成 1963 年 生 于 浙 江。1984 年 7 月毕业于宁波大学师范学院。1986年 9 月考入中科院兰州化物所, 在姚钟麒研究员指导下从事有机合成。1989年 7月获得理学硕士后回宁波大学, 协助陈珊妹教授创建应用与工程化学研究所和膜科学实验室, 从事膜科学技术研究工作。1993 年 9 月考入复旦大学, 师从于同隐教授, 在生物大分子领域里进行研究工作。 1996 年 7 月获理学博士后,留校任教, 已有 40 余篇论文发表在国内外核心期刊上。蚕丝蛋白的结构和功能刘永成 邵正中 孙玉宇 于同隐( 复旦大学高分子科学系, 教育部聚合物分子工程实验室, 上海, 200433)提要
2、较为全面地综述了最近几十年国内外关于蚕丝蛋白的组成、 结构、 性能及其应用的研究和作者课题组十几年来在蚕丝蛋白方面的工作。关键词 蚕丝蛋白, 组成, 结构, 性能, 应用从基础科学的角度看, 高分子化学今后的主要研究目标应该是阐明生命科学中的高分子化学基础或者说高分子化学模拟, 如酶的模拟,生物膜的模拟等1。生物大分子是目前高分子领域中很活跃而且富有挑战性的一个研究领域, 蛋白质是一类重要的生物大分子。 蚕丝是人 类最早利用的天然蛋白质之一, 作为一种性能优良的纤维, 主要应用于纺织品中。 近来它还应用于生物技术、 医药、 精细化工等诸多方面, 引起人们的广泛关注, 已有好几本专著进行总结24
3、。蚕丝具有纯度高, 来源广等一系列优点。 尤其我国是丝的生产大国, 家蚕生丝产量已占世界一半5, 对其进行详细的研究无论从基础科学还是从应用科学来看都是很有意义的6。1 蚕丝的组成茧丝 是 由 丝 素 蛋 白 ( Fibroin) 和 丝 胶(Sericin)两部分组成, 丝胶包在丝素蛋白的外 部, 约占重量的 25% , 蚕丝中还有 5% 左右的杂质, 丝素蛋白是蚕丝中主要的组成部分, 约占重量的 70% 。丝素蛋白以反平行折叠链构象( B-sheet) 为基础, 形成直径大约为 10nm 的微纤维, 无数微纤维密切结合组成直径大约为 1Lm 的细纤维, 大约 100 根细纤维沿长轴排列构成
4、直径大约为 10Lm18Lm 的单纤维, 即蚕丝蛋白纤维7。丝素蛋白中包含 18 种氨基酸, 其中侧基较为简单的甘氨酸(Gly)、 丙氨酸(Ala) 和丝氨酸(Ser)约占总组成的 85%8, 9, 三者的摩尔比为 431, 并且按一定的序列结构排列成较为规整的链段, 这些链段大多位于丝素蛋白的结晶区域; 而带有较大侧基的苯丙氨酸(Phe)、 酪氨酸(Tyr)、 色氨酸(Try) 等主要存在于非晶区域10。 丝素蛋白的分子量很高, 由于品种很多, 以致于不同研究小组得到的结果相差较大, 普遍认为在(3. 63. 7)105的范围11。丝素蛋白的组成包含几个亚单元, 过去一直没有定论, 具有不同
5、的说法1216。作者用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳( SDSPAGE)方法研究, 发现丝素蛋白是由分子量为2. 80105、 2. 30105和 0. 25105的 3 种亚 单元组成, 并且进一步证明丝素蛋白中存在两个或更多个非二硫链连接的独立亚单元17。丝素蛋白和其他蛋白一样, 除了包含 C、H、 O、 N 四种元素以外, 还含有多种其他元素组17第 3 期高 分 子 通 报成, 这些元素对丝素蛋白的性能及蚕吐丝的机 理等有直接关系, 作者用质子诱导 X 发射光谱(PIXE)对多种丝素蛋白进行研究发现, 它含有K、 Ca、 Si、 Sr、 P、 Fe、 Cu 等元素, 这些元素与丝
6、素蛋白之间的相互关系正在探索之中18。2 丝素蛋白的结构丝素蛋白的聚集态结构被认为由结晶态和无定形态两大部分组成, 结晶度在 50%60%左右19, 曾提出了一种嵌段分子模型。作者通 过偏振拉曼( Raman)光谱首次发现蚕的前部丝腺内丝素蛋白以向列型液晶态形式存在, 用小角 X 散射(SAXS)测得含有两种似棒状结构, 其宽度方向尺寸大小均为 3. 94nm, 长度方向尺寸分别为 6. 02nm 和 7. 0nm20。丝素蛋白分子的构象可分为二类, 即 Silk 和 Silk 结构, Silk 结构包括无规线团(random coil) 和 A -螺旋(A -helix) , Silk 结构
7、呈反平行 B-折叠( B-sheet) 。作者用红外光谱(IR)、 拉曼光谱(Raman)、 圆二色谱(CD)、 广角X 散 射 ( LAXS) 研 究 了 这 些 构 象 及 其 转 变2127, 具体的谱图特征如表 1。作者还用隧道扫描电镜(STM) 得到了这两类构象及其中间状态的图像, 如图 1 所示。表 1 丝素蛋白的结构特征谱图方法Silk 结构特征Silk 结构特征参考文献IR1653cm- 1(酰胺),1627cm- 1(酰胺), 21, 221543cm- 1(酰胺),1531cm- 1(酰胺),1243cm- 1(酰胺),1236cm- 1(酰胺),669cm- 1(酰胺),
8、695cm- 1(酰胺)Raman1660cm- 1(酰胺),1676cm- 1(酰胺), 23271252cm- 1(酰胺),1233cm- 1(酰胺),1270cm- 1(酰胺),CD206nm, 218nm(负峰) 25, 26192nm(正峰)LAXS0. 430nm, 0. 476nm 23图 1 桑蚕丝腺体中部不同部位丝素蛋白的 STM 图像a后区; b中区; c前区图 1a 是丝腺中部后区中丝素蛋白的 STM 图,其构象主要为无规线团和直径大于 4. 9nm 的组合螺旋(coiled-coil)28, 29, 即几个 A -螺旋的集合体或称绳形结构。 当从后区向中区推进时, 水分
9、不断被腺体吸收, 溶液变浓, A -螺旋逐渐稳定地独立存在, 图 1b 就是 A -螺旋构象丝素蛋白的 STM 图, 组合螺旋的直径变小( 2. 1nm3. 7nm 之间) 逐渐向单个的 A -螺旋过渡。图 1c18高 分 子 通 报1998 年 9 月是在中部前区的丝素蛋白的构象, 其链间距减 少至 0. 2nm 左右, 接近 B-片状构象。从Silk 结构到 Silk 结构的转变可以通过改变温度、溶剂极性(如甲醇, 乙醇, 甲酸, 二甲基甲酰胺等)、 溶液pH 变化和应力作用加以完成29。3 丝素蛋白的性能丝素蛋白由于具有多孔性及较高的吸水回潮率, 因此透气性好、 光滑柔软、 手感好、 穿
10、着舒适。从 40 年代起, 人们发现其从 175开始逐步失重, 颜色由白变黄, 至 280完全变黑30。Schwenker31、 石川博32等用 DSC 研究, 发现在 100附近蚕丝开始脱水, 305时观察到样品分解。 对于无定形态的丝素蛋白膜, 它的玻璃化转变出现在 173, 当温度超过 180以后, 无规线团向 B-结构转变33。蚕丝素蛋白的力学性能随其存在的形式不同而不同, 以纤维形式存在时力学性能较好, 通过对生丝在拉伸过程中的表面形貌及断口的观察提出了断裂过程的几种模型34。 作者发现丝素蛋白膜在干燥状态下和有机溶液体系中很脆22, 35, 36。丝素蛋白分子中因含有一定量的羟酚基
11、及其它结构, 容易吸收紫外光而变性, 对其性能有很大影响, 表 2 表明了紫外光对力学性能的影响37, 38, 随照射时间的增加, 丝素蛋白泛黄程度也增加, 特别是在有水存在下, 泛黄更为严重39, 40。4 蚕丝的改性丝素蛋白虽然具有很多优良的使用性能,但在紫外光照射下, 氨基酸组成发生裂解, 白度明显下降, 力学性能和热性 能也大幅度下降37, 而且丝素蛋白又难于染色和易于褪色等, 为了使缺陷得以改善, 必须进行改性, 改性可以用生物学的基因方法来改善蚕的品种, 也可以采用化学和物理的方法加以改进。下面介绍化学改性和高分子共混两种方法。4. 1 接枝 日本和印度在丝素蛋白纤维的接枝聚合改性
12、方面作了大量的研究4143。作者用 Ce4+引发体系首次将强紫外吸收稳定剂 2-羟基-4-丙 烯酰氧二苯酮(HAOBP)接枝到丝素蛋白纤维上, 纤维的抗紫外辐照性能、 热稳定性能明显得到改善, 且力学性能没有下降38, 其具体数据见表 2。为了改善蚕丝的染色性能, 作者将 3 种染料单体 2-羟基-4-丙烯酰氧二苯酮( HAOBP)、1-羟基-2-丙烯酰氧蒽醌( HAOAQ) 和 1, 5, 8- 三羟基-2-丙烯酰氧蒽醌(THAOAQ) 采用无引发剂体系分别接枝到蚕丝上, 所得到的产物不仅色泽鲜艳、 不褪色, 而且热稳定性和抗紫外性得到明显的改善, 力学性能也没有下降, 成功地 使蚕丝染色和
13、抗紫外改性在同一步完成, 将接技整理工序和染色工序简化为一道工序。作者发现其接枝链均产生于丝素蛋白分子中的半胱氨酸(Cys) 的巯基(SH)上, 且接枝后, 丝素蛋 白分子中的蛋氨酸( Met)侧基发生了由 gauche向 trans 的构象转变, 接枝链和均聚链的立体结构均具有一定的等规度, 接枝链的等规度略 高于均聚链38, 44, 45。4. 2 共混共混是普遍采用的改进高分子性能的一种简便易行的方法。为了发挥蚕丝和腈纶两者的 优点, 克服彼此的缺点, 作者把这两者进行了共混, 发现它们是部分相容的, 部分丝素蛋白呈“ 蜂窝” 状结构分散于聚丙烯腈组份中, 另一部 分丝素蛋白在复合纤维的
14、外部, 即聚丙烯腈被丝素蛋白包埋在中间, 使复合纤维的吸湿性得到了改善, 其相对吸湿速率甚至超过蚕丝。 含量高的聚丙烯腈组份的晶型基本未变, 只是聚丙 烯腈的晶粒尺寸变小, 结晶度有所下降46, 47。作者研究了不同丙烯酸甲酯( MA)含量的丙烯腈-丙烯酸甲酯共聚物(PANMA) 与丝素蛋白 的相容性, 发现PANMA中的羰基能与丝素蛋白中的极性基团形成氢键, 且强度随 PANMA中MA 含量的不同而变化。 即使当氢键作用最19第 3 期高 分 子 通 报强时, PANMA 与丝素蛋白也未能完全互溶, 只是相容性有了较大改善; 当改变温度时, 氢键的种类及强度都随之发生变化, 这是由于丝素蛋白
15、中有多种可与 PANMA 形成氢键的基团, 故室温观察到的很可能是多种氢键的叠加。为此我们提出了“ 氢键平均化” 的概念和“ 分子间特殊相互作用诱导构象转变” 的机理4850。为了克服蚕丝蛋白膜在干燥状态和有机体系中变脆的缺点, 作者将其与成膜性能良好的 合成高分子聚乙烯醇进行共混, 虽然共混膜外观均匀透明, 通过 SEM 发现两组分不完全相容, 有明显的分相结构, 通过 FT-IR 发现两组 分分子间的相互作用不强, 但制得的共混膜性能却有所变化, 表现在吸水性大大改善, 力学性能也有所改进, 因此可以在干燥状态和有机体系中使用23, 36。表 2 蚕丝接枝前后的物理性能比较样品品种条件分解
16、温度/ 断裂强度/ Nmm- 2断裂伸长/ %未接枝蚕丝没有紫外辐照33535828. 7接枝蚕丝没有紫外辐照34236723. 4未接枝蚕丝紫外辐照 14h33029018. 9接枝蚕丝紫外辐照 14h34136221. 6作者对壳聚糖-丝素蛋白共混膜进行结构研究结果表明共混膜中的两组份间存在着较强 的相互作用, 它们是基本相容的50。同时发现壳聚糖使丝素蛋白的构象发生转变, 这是由于两者之间存在着较强的氢键相互作用, 以刚性的壳聚糖分子链为模板将丝素蛋白分子链拉直从而诱导丝素蛋白的构象由无规线团或 A -螺 旋向 B-折叠转变, 壳聚糖-丝素蛋白合金膜是一种优良的水优先吸附性膜。共混改性的工作, 有许多研究小组在进行,他们 研究的 共混体系 有丝素 蛋白-聚乙烯醇51, 52, 丝素蛋白-纤维素5
