【摘要】：蛋白質(zhì)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變一直是科學(xué)中的基本問(wèn)題。有關(guān)蠶絲及其絲蛋白的研究表明,絲纖維優(yōu)異的力學(xué)性能與其構(gòu)象有著密切的關(guān)系。β-折疊構(gòu)象與絲纖維的強(qiáng)度有關(guān),而α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)的含量與絲纖維的彈性有關(guān)。在一定的環(huán)境,如有機(jī)溶劑、溫度、金屬離子、pH值的變化及剪切力等條件誘導(dǎo)下,絲蛋白構(gòu)象都會(huì)發(fā)生變化,因而研究絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的過(guò)程有助于深入了解蠶絲優(yōu)越的綜合力學(xué)性能。二維相關(guān)光譜技術(shù)(2D-COS)已被廣泛用于蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變的研究中。這些研究基本上都是利用了二維相關(guān)光譜技術(shù)的所謂兩大優(yōu)勢(shì):1)可提高光譜的分辨能力;2)可得出外擾因素下光譜信號(hào)變化的“序列順序”。結(jié)果是,幾乎所有運(yùn)用二維相關(guān)光譜來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變過(guò)程的研究,都會(huì)得出相似的結(jié)論,即蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變不是一個(gè)協(xié)同的的過(guò)程,而是包含了序列順序。但是,我們已有的理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)二維相關(guān)光譜技術(shù)中的“序列順序”規(guī)則得出的序列順序結(jié)果并不具有普適性。同時(shí),二維相關(guān)分析技術(shù)的第一個(gè)優(yōu)勢(shì):提高光譜的分辨能力也具有很大的不確定性。針對(duì)上述問(wèn)題,本論文以絲素蛋白為研究對(duì)象,結(jié)合原位紅外光譜分析方法(二階導(dǎo)數(shù)、傅里葉自去卷積、曲線擬合)和二維紅外相關(guān)光譜技術(shù),系統(tǒng)研究了絲素蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境擾動(dòng)下的轉(zhuǎn)變過(guò)程,希望解決一個(gè)基本的科學(xué)問(wèn)題:環(huán)境擾動(dòng)誘導(dǎo)的絲素蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的變化過(guò)程是完全協(xié)同還是存在一定的序列順序,以期完善廣義二維相關(guān)光譜,并促進(jìn)其在蛋白質(zhì)科學(xué)及其他領(lǐng)域的合理使用。另外,基于化學(xué)因素誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的原理,我們擬通過(guò)調(diào)控絲素蛋白構(gòu)象來(lái)調(diào)控絲素蛋白改性的聚乙烯醇復(fù)合膜的性能,從而為這一純粹的基礎(chǔ)研究找到應(yīng)用背景。論文的具體安排與研究?jī)?nèi)容如下:1、溫度誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的紅外光譜研究我們首先獲得了在溫度區(qū)間130℃至220℃變溫過(guò)程中絲素蛋白膜的原位紅外光譜圖。然后結(jié)合二維相關(guān)光譜、傅里葉自去卷積和二階導(dǎo)數(shù)的分辨結(jié)果,利用曲線擬合技術(shù)對(duì)再生絲素蛋白在130-220℃升溫過(guò)程中的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化情況進(jìn)行分析,得到絲素蛋白中各二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)度及其峰面積變化的具體信息。最后將原位光譜分析的結(jié)果與二維相關(guān)分析技術(shù)得到的“序列順序”結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn),二維相關(guān)分析得出的絲素蛋白膜在130-220℃溫度區(qū)間內(nèi)的序列順序(β-折疊(低波數(shù),1630 cm~(-1))無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象(1650 cm~(-1))非酰胺C=O(1720 cm~(-1))α-螺旋構(gòu)象(1660 cm~(-1)))結(jié)論超乎常識(shí),是值得懷疑的。而采用原位紅外光譜分析得出的序列順序結(jié)果表明,絲素蛋白主要的二級(jí)結(jié)構(gòu)包括α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲和β-折疊(高波數(shù))在低溫下幾乎同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變,而非酰胺C=O(1724 cm~(-1))和β-折疊(低波數(shù),1629 cm~(-1))在高溫下才開始發(fā)生轉(zhuǎn)變。從原位紅外譜圖分析中我們還能看出在升溫過(guò)程中,200℃之前絲蛋白的構(gòu)象由α-螺旋和無(wú)歸卷曲逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?轉(zhuǎn)角、β-折疊和非酰胺C=O。200℃之后,部分β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象被破壞,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊和非酰胺結(jié)構(gòu)。另外,我們比較了不同狀態(tài)下絲素蛋白在溫度區(qū)間(30-80℃)內(nèi)的構(gòu)象轉(zhuǎn)變,結(jié)果顯示,水在絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變中起到重要作用。最后結(jié)合熱重-紅外聯(lián)用儀、固體核磁共振和紅外光譜對(duì)絲素蛋白的熱降解行為進(jìn)行了研究,絲素蛋白膜在高溫處理時(shí),會(huì)發(fā)生降解,生成CO_2和NH_3等小分子。絲素蛋白的構(gòu)象由無(wú)規(guī)卷曲/α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊構(gòu)象。2、化學(xué)因素誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的紅外光譜研究研究了醇類有機(jī)溶劑、不同pH值和不同鈣離子含量三種化學(xué)因素誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。1)甲醇、乙醇和不同含量乙醇誘導(dǎo)下絲素蛋白各二級(jí)結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變,并不存在先后序列順序。絲素蛋白在甲醇、乙醇和正丙醇誘導(dǎo)下二級(jí)結(jié)構(gòu)都是由無(wú)規(guī)卷曲、α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角向β-折疊構(gòu)象轉(zhuǎn)變。絲素蛋白在三種醇溶劑中的轉(zhuǎn)變速率為甲醇乙醇正丙醇,其中甲醇能夠誘導(dǎo)絲素蛋白形成最快且最多量的β-折疊構(gòu)象,正丙醇中絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變速率最慢。2)不同pH值誘導(dǎo)下絲素蛋白的構(gòu)象同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變,不存在先后序列順序。絲素蛋白在不同pH值誘導(dǎo)下二級(jí)結(jié)構(gòu)隨pH升高時(shí)由β-折疊和β-轉(zhuǎn)角逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?螺旋和無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象,即弱酸性條件下更有利于β-折疊的生成,而弱堿性條件下更有利于α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲的穩(wěn)定。3)基于1)中乙醇誘導(dǎo)的絲素蛋白分散體中加入不同量的鈣離子,分散體由渾濁變得澄清。鈣離子存在時(shí),更有利于絲素蛋白各二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲的形成,隨著鈣離子濃度的增加,β-折疊和β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?螺旋和無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象。這一研究有助于理解氯化鈣溶液能夠溶解蠶絲制備再生絲素蛋白水溶液,從而制備一系列絲素蛋白基材料。3、壓力誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的紅外光譜研究采用時(shí)間分辨光譜技術(shù)研究了壓力對(duì)絲素蛋白濕膜中絲素蛋白構(gòu)象的影響。壓力無(wú)法誘導(dǎo)絲素蛋白干膜發(fā)生構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。但是當(dāng)絲素蛋白膜中含有部分重水時(shí),壓力能夠誘導(dǎo)絲素蛋白由無(wú)規(guī)卷曲、a-螺旋和β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象向β-折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變;在恒定壓力和恒定的重水含量下,絲素蛋白濕膜中絲蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變隨時(shí)間分辨的過(guò)程可以分為三個(gè)階段。在初始階段,無(wú)規(guī)卷曲、a-螺旋和β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊構(gòu)象;第二階段,無(wú)規(guī)卷曲和β-轉(zhuǎn)角構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊(1618 cm~( 1))和a-螺旋(1647 cm~( 1),~5%);最后階段,絲素蛋白各二級(jí)結(jié)構(gòu)含量沒有明顯的變化,屬于平衡階段。4、絲素蛋白增強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合膜的制備及性能研究基于乙醇和酸性溶液誘導(dǎo)絲素蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變的原理制備了絲素蛋白/聚乙烯醇交聯(lián)復(fù)合膜,以期通過(guò)調(diào)控絲素蛋白構(gòu)象來(lái)調(diào)控復(fù)合膜的性能。為減少絲素蛋白和聚乙烯醇之間的相分離,采用戊二醛作為二者的交聯(lián)劑。比較了復(fù)合膜經(jīng)過(guò)醇溶液和酸性溶液處理后絲素蛋白構(gòu)象、復(fù)合膜的力學(xué)性能、相分離程度和最大熱失重速率隨溫度的變化。戊二醛交聯(lián)后的SF/PVA復(fù)合膜相分離程度明顯較少,能夠得到完整均勻的復(fù)合膜。乙醇溶液處理后的復(fù)合膜中,絲素蛋白分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊構(gòu)象,使分子排布更加緊密,構(gòu)象更加規(guī)整,從而更進(jìn)一步地提高SF/PVA交聯(lián)復(fù)合膜的力學(xué)性能。酸性溶液處理的復(fù)合膜中,絲素蛋白分子鏈也能重排形成部分β-折疊結(jié)構(gòu),但是相對(duì)含量遠(yuǎn)比乙醇誘導(dǎo)為β-折疊構(gòu)象的含量低,因此,酸性溶液處理的復(fù)合膜的力學(xué)性能低于乙醇處理的SF/PVA交聯(lián)復(fù)合膜。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O629.73
【圖文】：

圖 1-1 一根桑蠶繭絲的 SEM 圖像[20]Fig. 1-1 SEM image of a silkworm silk5 wt.%左右的雜質(zhì)[17]，除了 C、O、H 和 N 等蛋白

圖 1-2 桑蠶腺體示意圖[51]Fig. 1-2 Schematic diagram of mulberry silkworm gland前部；am—中部前區(qū)；amm—中部中區(qū)前端；p—絲腺中部后區(qū)；pmm—中部中區(qū)后端；F—鱗翅目動(dòng)物的菲

有科研工作者總結(jié)出蠶絲形成的機(jī)理[52]，如圖1-3 所示，桑蠶吐絲的驅(qū)動(dòng)力是由外部的拉力和腺體內(nèi)部的推力共同作用的結(jié)果，由此對(duì)絲蛋白液在腺體的不同部位產(chǎn)生相對(duì)的剪切速率；在特定的剪切速率下，原本球狀的絲蛋白分子鏈將會(huì)取向形成 β-折疊結(jié)構(gòu)。圖 1-3 桑蠶絲腺體和吐絲口的尺寸[52]Fig. 1-3 The mulberry silkworm gland and the size of spinning雖然上述的蠶吐絲機(jī)理給出了絲纖維形成的過(guò)程，但仍有許多細(xì)節(jié)在當(dāng)時(shí)并不明確。比如分子量超過(guò) 350000 的蠶絲素蛋白紡絲液在絲腺體中部的濃度 25wt.%，但是其流動(dòng)性卻很好。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)在前部絲腺體中絲素蛋白以液晶態(tài)的形式存在[53,54]。這種方式能有效降低紡絲液在紡絲管中的黏度，從而能夠使絲素蛋白分子在高濃度的紡絲液中完美取向，形成綜合力學(xué)性能優(yōu)異的絲纖維。絲素蛋白 GAGAGS 重復(fù)片段最初在腺體中的結(jié)構(gòu)為 Silk I[55]。當(dāng)紡絲液經(jīng)過(guò)一段紡絲管時(shí)，紡絲管的內(nèi)徑會(huì)急劇減小，紡絲液發(fā)生拉伸流動(dòng)，使絲素蛋白分子鏈構(gòu)象發(fā)生重排并沿流動(dòng)方向取向。然后絲素蛋白分子鏈進(jìn)一步相互靠近并通過(guò)疏水作用和氫鍵作用相結(jié)合，轉(zhuǎn)變成 Silk II（β-折疊）結(jié)構(gòu)，水分子逐漸從絲纖維的表面排出。除此之外，pH 值在絲纖維的形成過(guò)程中也會(huì)發(fā)生變化。在蠶的腺體中，紡絲液沿著紡絲管 pH 值會(huì)逐漸下降[31]。研究?

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2749776