蜘蛛丝蛋白的结构
很多蛋白在高浓度时都形成纤维状结构，但蜘蛛网蛋白（有高度重复片段，侧面为非重复性末端区域）却有不同行为。它们在存放于高浓度时具有非常好的可溶性，但可根据需要转化成极为坚固的纤维。使这一点成为可能的分子机制尚不清楚，但本期Nature上两篇结构研究论文提供了新线索。Askarieh等人发表了来自一种名为“Euprosthenops australis”的织网蜘蛛的一个拖丝蛋白“蜘蛛丝蛋白”的N-端区域的1.7X-射线晶体结构。该结构显示了这种高度保守的区域何以能够通过防止蜘蛛丝蛋白的过早积累、以及通过在pH值降低时沿蜘蛛丝伸出管触发聚合反应来调控蜘蛛丝的组装。
Hagn等人确定了来自常见园蛛科蜘蛛“Araneus diadematus”的拖丝蛋白“丝心蛋白-3”的C-端NR区域的溶液结构。他们观察到了该蛋白的存储和组装形式之间由化学或机械刺激激发的一个构形切换
4.5 蜘蛛丝里有学问 你听说过用一小束细丝就能把小型飞机吊起来的事吗?这种丝就是我们许多人都看见过的蜘蛛丝。 曾经有人做过试验，发现扯断蜘蛛丝所需的力，比扯断同样粗细的钢丝所需的力足足大上100倍。通过对蜘蛛丝研究，还发现蜘蛛丝在目前已知的所有的高强度纤维里，是最柔软的，重量也最轻。 蜘蛛丝是由蛋白质分子构成的，因此，它和人体有生物的亲和性，可被微生物所分解，也有一定的吸湿性能，用它做的防弹衣将是世界上最坚固而又最轻柔、最舒适的防弹衣了。 据英国《每日邮报》报道，坚韧如钢、交错如织的蛛网无疑是大自然的神奇造物，富有弹性的蛛网甚至能抵御飓风的侵袭。日前，美国的科学家们正试图揭示蛛网的奥秘，希望能将其用于未来的建筑设计或耐用材料的研发。 美国麻省理工学院的研究人员表示，蛛网的成功之处在于：即使有多根蛛丝断掉，蛛网也不会垮掉，甚至会变得更牢固。实验中，研究人员在蛛网各处去掉了总计10%的蛛丝，蛛网的韧性不单没因此而降低，却反而增强了10%。 研究人员发现，这种韧性不单是源自每根蛛丝在质地上的强度，也同时源自蛛丝的内部结构。蛛丝纤维能够根据所承受压力的不同而变化柔韧程度，这种特性是其他任何自然纤维或人造纤维所不具有的。科学家们已经证明，蛛丝的强度是等质量钢丝的5倍。实验表明，蛛网的韧性是其他网格的6倍有余。 工程师可以将蜘蛛丝的构造原理应用到其它方面。蜘蛛丝在受到破坏时只受很小的损坏、而不影响整个结构这一特性可以应用于设计虚拟网络，如互联网，在遭受攻击期间只有本地节点被破坏，而整个系统可继续运行。了解其微观的蛋白质结构和其宏观性质，可能有助于将碳纳米管串在一起，可能有一天会用于生产太空电梯。 蜘蛛丝具有广泛的用途：这是用蜘蛛丝做成小的提琴琴弦。 在医学领域，这种精细的蜘蛛丝是外科医生手术时是理想的缝合线，和医用尼龙线相比，这种蜘蛛丝既有尼龙线的灵活和结实，而且还有可以打结的优点。此外，它还可以用来制作人造肌腱或合成韧带。 由于蜘蛛丝的强度大，人们还可利用它制作降落伞绳，或航空母舰上帮助战斗机在甲板上降落的缆绳、高强度的轮胎帘子线和高强度渔网等。 既然蜘蛛丝有这么好的性能，有人会说我们也可以像养蚕宝宝那样来养殖蜘蛛，不就能得到好多蜘蛛丝了吗？事实上，这是不可能的，因为蜘蛛是一种同类相食的动物，如将众多的蜘蛛饲养在一个房舍里，它们会相互残杀吞噬。 能不通过蜘蛛来得到蜘蛛丝呢? 科学家们告诉我们，完全有这样的可能。 这有两个方面的工作，第一要得到蜘蛛丝的蛋白质，利用转基因技术，将蜘蛛的相关基因转移到细菌、植物体、哺乳动物的乳腺上皮或肾细胞中，进行表达，生成蜘蛛丝蛋白质，并进行提纯。 第二把这蛋白质纺成丝，这样就可得到人造蜘蛛丝了。
蜘蛛丝纤维之我见 高（101）张春娟 1008093006 摘要：蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料，迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。人类一直梦想着利用蜘蛛丝的奇特性能来造福社会大众。 关键词：蜘蛛丝,性能,应用 节肢动物门(Arthropoda)蛛形纲(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有种的通称。除南极洲以外，全世界分布［1］。蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝，它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力也很强。无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能，是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大。其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强。无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能。由于蜘蛛丝是由蛋白质构成,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种纤维上十分困难。人们开始考虑,如果能够用人工的方法大量而经济地生产这种纤维,必将对纤维和纺织业的发展产生 深远的影响。目前美国、加拿大、德国和英国等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究,并已取得相当的进展,对蜘蛛丝的研究,已成为当今纤维界的热 门课题。 1 蜘蛛丝的形成原理及其性能 1.1 形成原理 在显微镜下，我们看到丝从蜘蛛的分泌出来，蜘蛛的腹腔里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。结网的时候，蜘蛛便将这些丝浆喷出去。丝浆一遇到空气，就凝结，且富有粘性和惊人的强度。每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍，弹性也比人造纤维好得多。比如，蜘蛛网可以延伸到原长的10倍，而尼龙一旦延展到原长的20％就会发生断裂无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。而蜘蛛的身上和脚上经常分泌出一层油质，粘丝是不粘油的。但是，一般飞虫是没有这层油质的，所以，蜘蛛网能牢牢地粘住飞虫却粘不住蜘蛛［2］。
毕业设计开题报告 纺织工程 蜘蛛丝蛋白/聚吡咯复合纤维膜细胞相容性研究 一、选题的背景、意义 组织工程材料是当前生命科学和材料科学共同的前沿研究热点之一。目前已经开发应用于组织工程等生物医学领域的生物相容性高分子材料主要有胶原蛋白、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物等，但大多数这类材料的原创性研究工作属于国外。我国是一个人口大国，因创伤和疾病造成的组织、器官丧失或功能障碍病例居世界各国之首，每年仅因烧伤需进行皮肤移植的患者就达百万之多。因此，积极寻找合适的原料，研制具有我国自主知识产权的生物材料，对于减小我国组织工程支架等生物材料对国外的依赖性，培育新的高新技术产业和实现国民经济的可持续发展具有重要意义。 研究者一直在寻找具有良好的生物相容性的支架材料以应用于细胞培养中，以及研究支架材料在细胞培养中的各项性能指标以及实验环境对细胞培养的影响，了解细胞在支架材料上的生长情况，以便更好的应用在临床中[1]。而导电支架细胞培养技术发展迅速，是近年来研究的热点。本文主要选择蜘蛛丝蛋白和聚吡咯复合制得的支架材料，将细胞培养在带电的支架材料上，重点研究培养过程中支架材料的性质、电刺激的电流强度及电刺激的时间长短对细胞再生的影响。 二、相关研究的最新成果及动态 2.1 蜘蛛丝蛋白的概况和研究现状 2.1.1蜘蛛丝蛋白的概况 蜘蛛丝的主要成份为蛋白质，如所有的蛋白质纤维一样，其组成长链蛋白质的单元为带不同侧链R的酰胺结构，同尼龙2结构相似[2]。蜘蛛丝的氨基酸的摩尔分数和氨基酸的主链序列与天然聚肽如蚕丝、羊毛和人头发有很大的差异。这种差异和组成取决于蜘蛛的种类、食物、气候及其它因素。不同蜘蛛丝所含的氨基酸种类差异不大，为十七种左右，各种氨基酸的含量也因蜘蛛的种类不同而有一定的差异。它们的共同点为具有小侧链的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸的含量丰富，十字圆蛛和大腹圆蛛的这两者含量之和分别达到59.6％和53.2%与蚕丝的含量74.0％相比较就显得较低[3]。 蜘蛛丝是一种特殊的蛋白纤维，它具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂功能，
０２５３－９７２１（２０１１）１２－０１４７－１０ 蚕丝和蜘蛛丝再生蛋白纤维研究进展 谢吉祥李晓龙张袁松 西南大学纺织服装学院，重庆４００７１５ 蚕丝和蜘蛛丝的性能优良，通过人造方法获得性能良好的再生蚕丝和蜘蛛丝一直是国内外学者研究的热点，但目前研究所获得的再生蚕丝或蜘蛛丝并不理想。本文总结了有关蚕丝和蜘蛛丝再生研究，包括纺丝液的制备、湿法纺丝和静电纺丝的方法以及纺丝工艺条件对纤维特性的影响等；探讨了ｐＨ值调整、醇处理、拉伸、热处理 等改善再生丝纤维性能的方法及其效果；阐述了再生丝纤维广阔的发展前景，期望能为今后人造蚕丝和蜘蛛丝提 供有用的信息。 蚕丝；蜘蛛丝；再生；人造纺丝 ＴＳ １０２．３Ａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ ｆｉｂｅｒ ｏｆ ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｓｉｌｋ ａｎｄ ｓｐｉｄｅｒ ｓｉｌｋ ＸＩＥ ＪｉｘｉａｎｇＬＩ ＸｉａｏｌｏｎｇＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎｓｏｎｇ ２０１０－１２－１３２０１１－０４－１５ 中央高校基本科研业务费专项资金资助（ ＸＤＪＫ２００９Ｂ００７）；第３９批教育部留学回国人员科研启动基金项目（教外司留［２０１０］ １１７４号）；教育部春晖计划项目（教外司留［２０１０］ ６１０号）；重庆市自然科学基金项目（ＣＳＴＣ，２００８ＢＢ０００８）；西南大学博士基金项目（ＳＷＵＢ２００７０６７）；人力资源和社会保障部留学人员优先资助基金项目（渝人社办［２００９］１１６号） 谢吉祥（１９８６－），女，硕士生。主要研究方向为复合再生蚕丝蛋白材料的成形与性质。张袁松，通信作者，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｓｚｈａｎｇ＠ ｓｗｕ． ｅｄｕ． ｃｎ。
新型仿生材料 1.引言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 在自然界，通过二氧化碳、水和阳光周而复始地合天然材料，这些天然材料具有优良的性能，废弃物可以靠微生物降解，参加自然界生态大循环；同时生物界奇妙的遗传技术将材料的特性一代一代地传递下去。因此，如何运用生物技术来合成高分子材料得到广大科学工作者的关注，他们不断致力于该领域的研究，并且取得了重大的进展。世界最大的合成纤维制造商美国杜邦公司已经将发展重点转移到生物科技上，推出了三道曙光计划，并称生物科技将巩固杜邦公司作为世界领先科学公司的地位。杜邦公司经过在这一领域20年的不懈努力，发现采用生物科技合成高分子材料比传统方法更安全、更环保，成本也更低廉。本文主要介绍蜘蛛丝、聚乳酸纤维以及生物医用材料的研究情况。 （一） 蜘蛛丝的研究数百万年来，蜘蛛制造着最细的丝。这种蛋白质蜘蛛丝是人们所知道的强度最高的纤维，并且具有优异的弹性，其特性很像高强度合成纤维芳纶1414和弹性纤维氨纶。就强度而论，蜘蛛丝甚至优于高性能的Kevlar 纤维，虽然两种纤维都有类似的高强度水平，但Kevlar纤维在断裂之前仅能延伸其原长的4%，而蜘蛛丝的断裂伸长可达30%。蜘蛛丝的特殊品质引起了科学工作者的兴趣。 美国杜邦公司在该领域进行了多年的研究。他们提出获得这种新结构材料的基础是要有能力从分子层面开始控制材料构架的所有方面，切实可行的方法是重组DNA技术，即使用生物合成过程的能量来控制聚合的顺序和链的长度。他们收集所有数据，通过计算机模拟技术设计出一种分子模型，并将迄今所得到的有关这种纤维的结构信息全部集成进去，他们还设计了合成基因为这种丝蛋白的复制品编码。这些基因被植入酵母和细菌，蛋白质的复制品由此产生。他们采用的方法是把细菌打开，分离出蛋白质微滴，并把它作为起始材料。而在采用酵母的过程中，可以设计基因系统，使酵母能在其体外生成蛋白质。不管采用哪种方法，细菌和酵母都制出了类似的蛋白质，其结构等同于蜘蛛用来拉出网丝的蛋白质，蜘蛛是将这种蛋白质溶解在一种水基溶剂中，然后一步到位地将它纺成坚固的纤维。研究人员把这种蛋白质溶解于一种化学溶剂中，溶液通过湿法成型由小孔挤出，纺出了坚固的纤维。
第三节蜘蛛丝 蜘蛛丝是一种天然高分子蛋白纤维和生物材料。纤维具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、抗紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的。纤维初始模量高、断裂功大、韧性强，是加工特种纺织品的首选原料。蜘蛛丝由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。 蜘蛛丝纺织品的生产可追溯至18世纪，最具代表性的是1710年巴黎科学院展出的蜘蛛丝长统袜和手套，这是人类历史上第一双用蜘蛛丝织成的长统袜与手套；1864年美国制作了另外一双薄蛛丝长统袜，所用的蛛丝是从500个蜘蛛喷丝头中抽取出来的，这种长统袜由于太薄而不能穿；1900年巴黎世界博览会上展示了用2.5万只蜘蛛吐出的9.14万米长的丝织成的一块长16.46m、宽0.46m 的布，该产品花费太高，没有带来商业利润。到1997年初，美国生物学家安妮·穆尔发现，在美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，它吐出的丝比现在所知道的任何蜘蛛丝的强度都高。蜘蛛丝特殊的结构和性能已引起世界各国的关注，并在纺织、医疗卫生和军事领域产生了极其重要的影响。目前，国内外许多科学家已通过基因工程将蜘蛛的基因移植到其它动植物体内，从而使蜘蛛丝纤维实现工业化生产的梦想成为现实。 一、蜘蛛丝的组成 蜘蛛丝产生于蜘蛛体内特殊的分泌腺，这些分泌腺因蜘蛛的种类不同而各异。到目前为止，生物学家共发现了7种类型的分泌腺，常见的有葡萄腺、梨状腺、壶状腺、叶状腺、集合腺等。蜘蛛的种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种。按吐丝种类的多少，蜘蛛可分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。古蛛亚目的蜘蛛只能吐出一种丝；原蛛亚目的蜘蛛可吐出3种丝；新蛛亚目的蜘蛛可吐出7种丝。一般来说，新蛛亚目所有的蜘蛛都会有7种丝腺，各种丝腺分别能吐出不同性质的蜘蛛丝(见表1-6)。 蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，其基本组成单元为氨基酸。蜘蛛丝中含17种左右的氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。蜘蛛丝中含量最高的7种氨基酸的总和约占其总量的90%，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸(见表1-7)。 表1-6 圆蛛族7种丝腺吐丝及其性质
人体骨骼得形态与各部位得名称 成年人得全身骨骼共有 2０6 块,每块骨头都有一定得形态与功能,形态与功能就是相互制约得,功能不同,形态也就各异。通常可分为长骨、短骨、扁骨、不规则骨四种形态: ＜１＞长骨?形体较长而坚硬,分布于人体四肢,在运动中起杠杆作用。长骨多呈管状,内含空腔,有骨髓,如股骨、胫骨、肱骨、尺骨、挠骨、指骨等。?〈2> 短骨?形似立方体,富于而压性,往往集群地连在一起,多位于承受压力而运动得复杂部位,如手腕得腕骨与脚腕得跗骨等。 <3＞扁骨 多呈板状,富于弹性与坚固性,主要构成骨性腔得壁,对腔内器官起到保护作用、如颅骨部位得顶骨、枕骨与胸部得肋骨等。? <4> 不规则骨?形态很不规则,不属于上述任何一类得骨骼。如髋骨、椎骨、颞骨等、 2、人体骨骼各部位得名称与数量 ? 人体骨骼依据结构、功能、位置又可分为颅骨、躯干骨、上肢 1> 颅骨 骨、下肢骨四个部分: ? < 共 29 块,除下颌骨与舌骨外,都借助于骨缝或软骨牢固地结合在一起。依据功能与位置,又可细分为脑颅与面颅两部分: ?①脑颅: 共 14 块,位于颅骨后上方,构成颅腔,起容纳与保护脑子得作用。
额骨１—位于颅得上前方,由额部与眼眶上部构成。 顶骨 2 - 位于颅顶中部线两侧、额骨与枕骨之间。 枕骨１—位于颅骨得后下部,形成颅后与颅底得一部分、 ?蝶骨 1 —位于颅底中部、枕骨得前方,因其形似蝴蝶,故名、?颞骨 2 —位于颅骨两侧、参于颅底与颅腔侧壁得构成。?筛骨 1 - 位于额骨之下、蝶骨前方及左右眼眶之间。?听小 骨 6 —位于左右耳室之内,可分为锤骨、砧骨、镫骨。 ②面颅: 共 15 块,位于颅骨得前下方,构成口腔,并与脑颅共同 构成鼻腔与眼眶,以维持面部形态。 上颌骨 2 - 位于面颅中央,上方与额骨、颧骨等围成眼眶,与鼻骨围成鼻腔。 鼻骨 2 - 位于两眼眶之间,构成鼻梁上部。?下鼻甲 2 - 位于鼻腔得外侧壁,为一对卷曲得薄骨片。 泪骨 2 —位于两眼眶内侧壁得前部,为一对薄而不规则得小骨片、?颧骨２—位于上颌骨得外上方,构成面颊及眼眶底与外侧壁得一部分。 腭骨 2 —位于上颌骨得后方。 犁骨 1 - 位于鼻腔内及颅下部,为一斜方形骨板,构成鼻中隔得后下部。?下颌骨１—位于面颅得前下部、上颌骨得下方。?舌骨 1 —位于下颌骨与喉之间,借助肌肉与韧带悬于颈得前正中。
源于自然的力量——仿生材料 一、神奇的大自然——仿生学 自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。 例如，荷叶的表面有许多微小的乳突，让水不能在上面停留，滴形成后会从荷叶上滚落，同时将灰尘带走；海洋生物乌贼和斑马鱼体内的色素细胞决定了它们天生有一种改变自身颜色的能力；水稻表面突起沿平行于叶边缘的方向排列有序，使得排水十分便利；昆虫复眼的减反射功能，使得黑夜观看成为可能；水黾腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛使其在水面行走自如；壁虎由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子间产生的“范德华力”累积使其有了特殊的粘附力…… 道法自然，向自然界学习，采用仿生学原理，设计、合成并制备新型仿生材料，是近年快速崛起和发展的研究领域，并已成为材料、化学、物理、生物、纳米技术、制造技术及信息技术等多学科交叉的前沿方向之一。 仿生学是模仿生物的科学，早在1960年9月13日美国召开第一次仿生学会上由Steele等提出。仿生学研究生物系统的结构、性质、原理、行为及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成；仿生材料指依据仿生学原理、模仿生物各种特点或特性而制备的材料；材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生 3个方面。 二、了解仿生材料 仿生材料的定义 仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生学在材料科学中的分支称为仿生材料学(biomimetic materials science),它是指从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系,进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科,是化学、材料学、生物学、物理学等学科的交叉。地球上所有生物体都是由无机和有机材料组合而成。由糖、蛋白质、矿物质、水等基本元素有机组合在一起,形成了具有特定功能的生物复合材料。仿生设计不仅要模拟生物对象的结构,更要模拟其功能。将材料科学、生命科学、仿生学相结合,对于推动材料科学的发展具有重大意义。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构,并且具有自适应性和自愈合能力，在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。 仿生材料的研究 国际上对天然生物材料及仿生材料研究的重视始于20世纪80年代。目前,国
蛛丝蛋白的研究现状和进展 摘要：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白。由于其高度重复的一级结构、特殊的溶解特性 和分子折叠行为以及具有形成非凡力学特性丝纤维的能力而引人注目。本文主要对蛛丝蛋白的结构、特点以及目前对其研究比较多的应用和新型的合成方法进行综述，同时也对将来蛛丝蛋白的研究方向以及在研究中可能会遇见的问题进行分析。通过本文的介绍希望可以在其蛋白质的结构上有更深刻的理解和认识，同时也为蛛丝蛋白的研究和应用提供一个很好的参考和依据。 关键词：蛛丝蛋白；结构；基因合成；弹性、韧性材料 前言：蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白，它是由节肢动物门昆虫纲、蛛形纲和多足纲中 某些类群的特殊腺体产生的。蛛丝主要包括拖丝和捕捉丝, 其中拖丝主要用于构成蜘蛛网的牵丝和轮状网面, 捕捉丝则用来粘附昆虫并在昆虫挣扎时提供强大的弹性, 以免由于强大的动能导致反弹, 将捕捉到的食物弹出去。因此，蛛丝蛋白的结构性能以及其强大的力学特性值得深入的研究。另外，尽管某些具有优良力学特性的蛛丝可以被开发为有潜力的、应用价值高的新型生物材料，但在人工条件下大规模、高密度地养殖蜘蛛以获得蛛丝的现实困难迫使人们寻求另外的途径生产蛛丝蛋白来满足研究、开发和应用的需要。因此，高效的合成和生产方法变得也不可忽视。纵观近十年的研究史，大多数好的研究技术也逐渐走向成熟。比如近来从蜘蛛丝腺cDNA文库中克隆蛛丝蛋白基因或通过化学合成编码蛛丝蛋白的人工基因用于重组蛛丝蛋白基因工程生产已成为制备蛛丝蛋白的一个主要方法。蛛丝蛋白基因克隆和表达的成功为人们初步了解各种类型蛛丝蛋白分子的结构、折叠行为和功能之间的内在联系及各种类型蛛丝各自独特力学特性的分子基础提供了良好的开端。与上述蛛丝蛋白的结构与性能的研究深入，它的应用也逐渐发展起来。比如研究人员首先通过转基因技术培育出了一种山羊，这种山羊能够生产出具有蛛丝蛋白的羊奶。在羊奶中加入一种特殊的溶剂后，就能提取到大量的蛛丝纤维。这种蛛丝纤维甚至比著名的凯夫拉尔纤维还结实，强度是钢的10 倍。将这些纤维纺纱编织就能制成所需要的“超强布料”。同时，蛛丝蛋白在其结构性能和应用方面的研究同时也面临着众多的问题等待解决。 一、蛛丝蛋白的结构和功能 1、总体认识：蛛丝蛋白具有典型的蛋白质二级结构，即蜘蛛丝由α-螺旋和β-片层共同 组成。 特点：1、规则的β-片层被不规则的α-螺旋和β-弯曲所包围。 2、β-片层赋于丝力度α-螺旋赋于丝弹性。
第二章骨的构造与骨折愈合 第一节骨的结构 人体有206块骨，通常依据骨的形态分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。每一块骨骼都是由四种基本组织构成的器官，具有一定的形态结构和功能，从解剖学和生理学上都可以视为一个相对独立的单位。虽然骨的形状各异，但是骨的结构具有共同的模式，即骨的表面被覆一层骨膜，骨膜深方是结构致密的皮质骨，虽然皮质骨的厚薄不等，但是都形成一个封闭的皮质骨壳，即骨的外表面。在表层皮质骨的深方是海绵状的松质骨。在长骨的内部和松质骨的小梁骨之间有骨髓腔，容纳骨髓。骨组织是组成骨器官最基本的成分。骨组织属于结缔组织，是由细胞和矿化的细胞外间质组成的、坚硬的结缔组织。在生活状态下，骨组织有活跃的新陈代谢，其对于环境的变化，特别是应力变化，有积极的反应，并且以其微细结构周期性的重塑建，适应内外环境和应力的变化。骨的基本功能可以概括为支持、运动和保护等3个主要方面。此外，骨组织是机体代谢所必需的、最重要的钙离子“库”；红骨髓是机体的造血器官；骨组织合成及分泌一些细胞因子参与机体造血、内分泌和免疫等许多系统的机能调节。 一、骨的组织学构造骨由骨膜、骨质和骨髓等3部分构成。骨膜是骨的被覆。骨质即骨组织，由骨系细胞和骨间质组成。骨系细胞主要指骨原细胞、成骨细胞、骨细胞与破骨细胞等，有时也涉及到中胚层间充质的多能干细胞。骨间质即骨组织的细胞外间质，通常分为有机间质与无机间质。有机间质由骨胶原纤维和无定形基质组成；无机间质即骨盐，它们主要沉积在骨的胶原原纤维上。为方便起见，拟分骨系细胞、细胞间质、骨膜和骨髓4个标题介绍。 （一）骨组织的细胞：骨组织的基本细胞有4种：骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。其中骨细胞最多，埋于骨间质内部，其它细胞均位于骨质的表面（边缘）。 1. 骨原细胞（Osteogenic cell）：也称前骨母细胞（Preosteoblast）或骨祖细胞，它们是骨组织的干细胞。位于骨外膜和骨内膜的深方。骨内膜除贴覆在长骨干皮质骨内面外，也贴覆在小梁骨表面和骨内管道系统的腔面。换言之，在骨
万方数据
一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一呈四尘篷野詈翼第７ｐ期有良好的弹性和强度，一根直径几微米的丝纤维能承受不同力学性能的，能满足不同用途要求的蜘蛛丝纤维。 几克重的蜘蛛，这些现象引起了人们对蛛丝研究的极大兴趣。蜘蛛丝力学性能的具体测试结果的报道最早见于１９０７年，在随后的几十年中，人们对络新妇、十字园蛛、大腹园蛛以及黑寡妇等多种不同蜘蛛牵引丝、包卵丝、捕获丝、框丝等做了大量的研究和分析”ｅ｜。研究结果表明，蜘蛛牵引丝具有优于其他天然纤维、化学纤维的综合力学性能。强度高、弹性大、韧性好，单位重量的蜘蛛丝承受外加能量的能力不但大于蚕丝，而且大于钢丝及Ｋｅｖｌａｒ等高性能合成纤维。表ｌ所示为主要的几种蜘蛛牵引丝的力学性能以及与其他纤维的比较。 表１蜘蛛丝与其他纤维力学性能的比较１．１．２超收缩性能１．２蜘蛛丝的结构特点 蜘蛛丝是具有多级结构的蛋白质纤维，牵引丝具有皮芯层结构，芯层内含有数十根纳米级的微纤维。蜘蛛丝的基本组成单元为氨基酸，纤维性能受分子的构象、结晶度、取向度、纤维的形态结构等多种结构因素的综合影响。下面以牵引丝为例，分析其结构和性能间的关系。 １．２．１氨基酸组成 如图ｌ所示，为不同种类蜘蛛分泌的牵引丝的氨基酸组成，牵引丝中含量最多的是甘氨酸、其次是丙氨酸，两者之和占总氨基酸含量的５０％～７０％，同时含有较多的谷氨酸和脯氨酸。研究表明［１７￣２０Ｉ，聚丙氨酸分子链段为Ｂ一折叠结构，主要存在于结晶区，甘氨酸含量较多的氨基酸片段为螺旋或更复杂的结构。谷氨酸和脯氨酸对分子结构有重要作用。谷氨酸为酸性氨基酸，其侧基上的氨基和羧基使分子问的键合作用加强，而脯氨酸的存在将有利于分子链形成类似于Ｂ一转角的弹性螺旋状结构，增强纤维的弹性。牵引丝中小侧基氨基酸含量普遍比蚕丝丝素低得多，而极性氨基酸含量远大于后者，蜘蛛牵引丝的这 蜘蛛牵引丝的另一重要性能特征是在水中具有超收种氨基酸组成特征，对于多肽大分子链的构象以及纤缩能力。在湿态下蜘蛛大囊状腺分泌丝的横截面增加约维的聚集态结构有很大的影响。 ６０％ｎ３１。牵引丝在不同极性溶剂中的收缩能力有较大差、。５０，．．Ｒ面丽习 异，在水中，牵引丝的收缩率达５０％左右，在乙醇中§４０｝摘。旧嚣景警ｌ筹鬈雾妻嚣磊淼焉袅？兰筹鬈篙磊曩菲圳．痂．圃．妇血盘盥惹趔纤维所受的原始伸长有很大的关系，当给纤维一定的预翟‘钏叫叫．岫ｌｊ瞄田整．缝．盥．嗌。盥．堡．堡墼 伸长时，收缩率下降…１。牵引丝的这种超收缩性能对氨基酸成分 于解决仿生蜘蛛丝的加工和蜘蛛丝的基础研究中纤维性能多变性的困扰有重要作用。研究证明ｎ６｜，通过控制牵引丝的收缩可以预测和重演丝纤维的拉伸行为。虽然天然牵引丝的力学性能有较大的分散性，但对人工卷取的牵引丝进行不同程度的收缩，可以获得力学行为和各组天然丝纤维十分接近的纤维，因此通过人工卷取和控制牵引丝在水中收缩度的方法可以得到具有不同力学性能的蜘蛛丝，并且这些纤维的力学性能有良好的重现性。如果人造蜘蛛丝在水中也具有超收缩性，则可以将控制水中收缩率引入丝纤维的后加工中，从而获得具有十字园蛛氨基酸组成。２“，脂肋』ｊａ氨基酸组成”…，黑寡妇氨基酸组成【２３］ 图１不同种类蜘蛛牵引丝氨基酸组成比较１．２．２分子构象与聚集态结构 蜘蛛丝纤维中分子的存在状态和排列形式的解析，是分析其力学性能的形成机理的关键因素之一，尤其是天然蜘蛛丝的成丝条件和其分子结构及聚集态结构问关系的研究，对人造蜘蛛丝生产工艺的研究具有十分重要的作用。 络新妇牵引丝含有Ｂ一折叠、３，。一螺旋、Ｑ一螺旋、 ４ｌ 万方数据
蜘蛛丝纤维 蜘蛛是地球上最古老的物种之一，是自然界的神奇动物，经历了几百万年漫长的进化，蜘蛛已能够适应地球上几乎所有环境而生存下来，其最大的臂助正是本身独特的纺丝能力和令人惊讶的蛛丝性能。蜘蛛是自然界产丝和用丝的“专家”，它们一生都离不开丝。蜘蛛生产性能最优异的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以捕获猎物，赖以生存，繁衍后代。蜘蛛，属节肢动物门蛛形纲蛛形目，种类繁多，会吐丝结网的大约有2万多种，按吐出丝种类的多少分为古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目。 科学家们早就注意到蜘蛛丝非同一般的性能并将它利用了起来。早在1709年就出现了人类利用蜘蛛丝的记载，而且在第二次世界大战时，蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮的瞄准系统等光学装置的十字准线。进入20世纪80年代,蜘蛛丝，尤其是牵引丝，以高强度、高弹性、高断裂功、低密度、良好的耐温及耐紫外线性能、良好的生物相容性等优异性能引起了各国材料、生物和化学等众多领域研究人员的极大兴趣。科技的进步，亦使得破解蜘蛛丝的生物奥秘成为了可能。1996年，美国Science杂志连载3篇文章，揭示了蜘蛛丝性质与结构的关系以及蜘蛛丝的奥秘，近几年，又连续发表了10多篇关于蜘蛛丝研究的文章。美国、瑞士、加拿大、日本、德国、丹麦等国的一些实验室先后对蜘蛛丝做了深入的研究,在利用基因和蛋白质测定技术解开蜘蛛丝奥妙的同时,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。 蜘蛛丝的结构与性能 蜘蛛丝能大量吸收动能，同时具有高弹性形变，究其原因，在于其奇妙的分子结构。蜘蛛丝的化学本质为蛋白质，蛛丝蛋白的复杂氨基酸序列和空间结构赋予了外显的性能。蜘蛛丝中分子排列是一种介于晶区与非晶区的中间相的存在。结晶区主要为聚丙氨酸链段，构象为β- 折叠链，分子链或链段沿着纤维轴线的方向呈反平行排列，相互间以氢键结合，形成折曲的栅片，栅片间距离是变化的，在0.93～1.57nm
. 简述骨的构造。 骨的基本结构包括：骨膜、骨质和骨髓。骨膜是一层坚韧的结缔组织膜，覆盖在骨的表面；内含有丰富的血管、神经和成骨细胞，对骨营养、再生、和感觉有重要作用。骨质有骨密质和骨松质两种。前者质地坚硬致密，布于骨的表层；后者呈海绵状，由许多片状的骨小梁交织而成，布于骨的内部。骨髓填充在骨髓腔和骨松质的空隙内，分为红骨髓和黄骨髓，红骨髓有造血功能。胎、幼儿的骨髓全是红骨髓。5岁之后，长骨骨干内的红骨髓逐渐被脂肪组织代替，称黄骨髓，失去造血功能。 。 2. 椎骨的一般形态如何？颈、胸、腰椎各有哪些主要特征和区别？ 椎骨由前方短圆柱形的椎体和后方板状的椎弓组成; 第1颈椎：又名寰椎，环状、无椎体、棘突和关节突。 第2颈椎：又名枢椎，自椎体向上有一突起，称齿突。 第7颈椎：又名隆椎，棘突特别长，末端不分叉。 胸椎：共12块,棘突较长，棘突尖斜向后下方,重叠呈复瓦状. 椎骨体两侧和横突前两面有关节面,与肋骨小头和肋骨结节相连,上下关节的 关 节面呈额状位.椎体从上向下逐渐增大，横断面呈心形。上关节突关节面朝向后， 下关节突关节面朝向前。 腰椎：共5块,椎骨最大,棘突似四方形的薄板,上下关节突的关节面呈矢位. 骶骨的形态特点： 由5个骶椎融合而成，呈三角形，底向上，尖向下，前面凹，背面隆凸。骶骨岬、骶前孔、骶正中嵴、骶后孔、骶管、骶管裂孔、骶角，上份有耳状面(与髋骨相关节)、骶粗隆。 尾骨的形态特点： 仅第一尾椎还有横突和上关节突的痕迹 3. 试述肩关节的结构和运动。 结构：由肱骨头与肩胛骨关节盂构成，也称盂肱关节，是典型的多轴球窝关节。 运动：可做三轴运动，即冠状轴上的屈和伸，矢状轴上的收和展，垂直轴上的旋转运动。 4. 过度张口可造成下颌关节脱位，发生这种情况时该关节处于怎样的状态？应 该如何正确复位？ 张口过大使关节囊过分松弛，下颌头滑至关节结前方而不能退回关节窝，造成下颌关节脱位。复位时，先将下颌骨拉向下，超过关节结，再将下颌骨向后推，就能将下颌头纳回下颌窝内 5. 试述膝关节的构造和运动 构造:由股骨下端，胫骨上端和髌骨构成，是人体最大最复杂的关节。髌骨与股骨的髌面相接，股骨的内、外侧髁分别与胫骨的内、外髁相对。主要为屈伸，在屈膝时由于侧副韧带松驰，稍可作旋转运动。 6. 试比较肩关节与髋关节结构特点的差异之处？为什么会出现这些差异？
蜘蛛丝与蚕丝的比较研究 王来力 （上海 东华大学 200051） [摘 要]：从形态结构、物理性能、力学性能、热学性能及成丝机理等几个方面对蜘蛛丝和蚕丝进行了对比分析，指出了蜘蛛丝与蚕丝的异同点，介绍了人造蜘蛛丝的发展趋势和应用前景。[关键词]：蜘蛛丝；蚕丝；结构；性能；比较 1．引言 蚕丝发源于我国，到现在已有六千多年的历史。蚕丝是高档纺织原料，具有强伸度好、细而柔软、富有弹性、光泽好、吸湿性好等优点，被誉为“纤维皇后”，蚕丝织物广泛应用于人们的日常生活，在工业及国防上也有重要的用途[1]。蜘蛛丝作为另一种蛋白质纤维，从上世纪90年代开始成为新材料的研究热点。蜘蛛丝具有高强度、高韧性、高弹性和良好的耐热性能，被称为“生物钢”，在军事、航空航天以及医疗等方面具有很大的应用潜力[2]。本文结合国内外的文献资料，对蜘蛛丝和蚕丝进行了多方面的比较研究，指出了二者的异同之处。 2．蜘蛛丝与蚕丝的形态结构比较 纤维的形态结构在很大程度上决定纤维的性能，蜘蛛丝与蚕丝在力学性能、机械性能方面存在较大的差异，必然是由二者形态结构的不同引起的。 蜘蛛丝是具有多级结构的蛋白质纤维，外观呈金黄色，透明，横截面为圆形，具有皮芯层结构，芯层内含有数十根纳米级的微纤维。蜘蛛丝纤维直径平均为6.9μｍ，大约为蚕丝的一半，体积重量为1.34g/cm3。蜘蛛丝蛋白质是由各种氨基酸组成的多肽链按照一定方式组合而成的，其中的氨基酸主要以甘氨酸和丙氨酸为主，约占总量的70%，其他为丝氨酸、谷氨酸、亮氨酸等[3]。 蚕丝纤维多为白色或乳白色，主要由丝素和丝胶两部分组成，里面为两根平行的丝素，外面包裹着丝胶，其他物质为蜡质、色素和无机物等。蚕丝纤维横截面呈半椭圆形或略呈三角形，单根丝素截面呈三角形。蚕丝纤维的蛋白质是由一条长链和一条短链构成的亚单位结构，长链主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸等组成，短链含有较多疏松残基的氨基酸[4]。蜘蛛丝和蚕丝的氨基酸含量对比如表1所示。
仿蜘蛛丝的研究与开发 江锡夏 （中国纺织科学研究院） 几百万年以来，蜘蛛学会了生产最细的丝线，并用这种丝线织成蛛丝网，用以扑获猎物，赖以生存，繁衍后代。在自然界中，蜘蛛丝网工作起来非常简单．又非常可靠，任何飞虫一旦闯入蛛丝网．就休想逃脱成为蜘蛛食物的命运，这是人们施空见惯了的一种自然现象。 科学的发展使人类有越来越多的机会和手段去探索自然界的奥秘。科学家们开始注意到蜘蛛丝非同一般的性能。首先蜘蛛丝很细而强度却很高，它比人发还要细而强度比钢丝还要大；其次它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力强；再有就是无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能；蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能；由于蜘蛛丝是由蛋白质构成，是生物可降解的，因而对环境是友好的等等。我们都知道，把这些优良的性能集中在同一种纤维上是十分困难的，而蜘蛛却做到了，由于有了这些性能才能保证蜘蛛网在各种气候条件下都能正常工作，保证了蜘蛛的生存和传宗接代。人们开始考虑如果有一天．能够用人工的方法大量而经济地生产这种纤维必将对纤维和纺织业的发展产生深远的影响。目前美国、加拿大、德国和英国等发达国家已投入大量的人力和物力进行研究，并已取得相当的进展，可以说对蜘蛛丝的研究，已成为当今世界纤维界的热门课题。 一、蜘蛛丝的结构和性能 蜘蛛丝属于一种蛋白纤维。通过对蜘蛛丝的解剖学研究，认为一般蜘蛛丝网包含三种类型的丝（有的蜘蛛能生产８种甚至更多类型的丝）：扑捉丝（扑获猎物）、辐条状或径向丝和园周网丝。扑捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而径向丝和园周丝蛋白则是在蜘蛛的壶腹腺中合成的。蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白纤维，固化后的蜘蛛丝不溶于水，并具有优凫的性能。 利用扫描电镜研究了蜘蛛丝的超分子结构，发现蜘蛛丝是由一些被称为原纤的纤维束组成，而原纤又是几个厚度的１２０ｈｍ的微原纤的集合体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白（ｓｐｉｄｒｏｉｎ）构成的高分子化合物。 蜘蛛丝随处可见，但要由它采取试样进行性能测试则是很难的事情，而且蜘蛛的品种很多，不同品种不同类型的蜘蛛，其性能也有差异，一般说蜘蛛丝的直径约为几个微米（人发约为１００微米），但强度特别大，据德国一个研究所对一种名叫ＮｅｐｈｉｌａＣｌａｖｉｐｅｓ热带蜘蛛的研究，其蜘蛛丝的直径为０．７４—１．１６ｄｔｅｘ，强度为６．４—８．２ｃＮ／ｄｔｅｘ，在湿态下伸长有所增加，而强度基本保持不变。有的报导说蜘蛛丝的强度比钢丝大５倍．而美国南部有一种被称为“黑寡妇”的蜘蛛，其强度比钢丝大ｌｏ倍，另有报导则说蜘蛛丝的强度可以比杜邦的对位芳纶和联信的超高分子量聚乙烯纤维还要大。科学家们还对ＮｅＤｈｉｌａＣｌａｖｉｐｅｓ蜘蛛网的圆周丝的初始模量、应力应变进行了测试，见表ｌ。 ?４８?
齐齐哈尔大学 综合实践课程论文 题目仿生材料研究进展 学院材料科学与工程学院 专业班级无机非金属材料工程无机112班 学生姓名王一安刘志刚 指导教师李晓生 成绩 2014年 5月9 日
仿生材料学研究进展 摘要：仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。 关键词：表面仿生超疏水材料、聚乙烯三元复合仿生材料、植物叶片仿生伪装材料、仿生层状结构壳聚糖医用材料 Abstract:The“biomimeticmaterialsscience”formedbytheintersectionofmaterialscien ceandlifesciencehasgreattheoreticalandpracticalsignificance.Biomimeticmaterialsscie ncetakesmaterialstructureandformationastarget,considersartificialmaterialattheviewof bio2material,exploresthedesignandmanufactureofmaterialfromtheangleofbiologicalfu nction.Atpresent,thehotresearchesonbiomimeticmaterialsscienceincludeshellbiomime ticmaterial,spidersilkbiomimeticmaterial,bonebiomimeticmaterial,andnano2biomimet icmaterial,etc.whichhavetheirownspecialmicro2structuralcharacteristics,formationstyl e,andbio2mechanicalproperties.Biomimeticmaterialsaredevelopingtowardscompound ,intellectual,active,andenvironmentaltendency,willbringrevolutionaryimprovementfor manufactureandapplicationofmaterial,andwillchangegreatlythestatusofhumansociety. Keywords:Bionics,Materialsscience,Review 1.前言 仿生材料学以阐明生物体材料结构与形成过程为目标,用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作。仿生材料的当前研究热点包括贝壳仿生材料、蜘蛛丝仿生材料、骨骼仿生材料、纳米仿生材料等,它们具有各自特殊的微结构特征、组装方式及生物力学特性。仿生材料正向着复合化、智能化、能动化、环境化的趋势发展,给材料的制备及应用带来革命性进步。
天然蜘蛛丝仿生材料 摘要采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域. 天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度( 约为钢铁的5 倍) 、优异弹性( 约为芳纶的10 倍) 和坚韧性( 断裂能为所有纤维中最高) ,为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景. 受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法. 本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展, 并提出了一些看法和思考。 1．天然蜘蛛丝结构、功能及应用 天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料 , 属于一种生物弹性体纤维 , 它是自然界产生最好的结构和功能材料之一 . 表 1 列出了天然蜘蛛丝和其它几种典型材料的力学性能 , 通过比较可以发现 , 天然蜘蛛丝优良的综合性能 , 特别是其高比强度 ( 约为钢铁的 5 倍 ) 、优异弹性 ( 约为芳纶的 10 倍 ) 和坚韧性 ( 断裂能180MJ /m3 为各材料中最高) 是其它天然纤维与合成纤维所无法比拟的。 此外 , 天然蜘蛛丝还显示出特别的扭转形状记忆效应 , 当它被扭转到其它准平衡位置时 , 由于高阻尼效应 , 它几乎不振荡 , 并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到其初始的状态 , 从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆正是由于天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应及生物相容性好等特性 , 因此 , 它在航空航天( 如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料 ,宇航服装 ) 、军事 ( 如坦克装甲、防弹衣、降落伞 ) 、建筑 ( 如桥梁和高层建筑的结构材料 ) 、医学 ( 如人造关节、肌腱、韧带 ) 等领域表现出广阔的应用前景 . 其实 , 早在 l709 年就出现了人类利用天然蜘蛛丝的记载 , 而且在第二次世界大战时 , 天然蜘蛛丝曾被广泛用作显微镜、望远镜、枪炮瞄准系统等光学装置的十字准线 . 天然蜘蛛丝已吸引了世界各国科学家的巨大兴趣和广泛关注。 2．天然蜘蛛丝仿生学及仿生材料 由于蜘蛛属肉食性动物不喜欢群居 , 当几只蜘蛛被放在一起时 , 它们之间往往会相互撕咬 , 所以难以像养家蚕那样大量饲养蜘蛛 ; 而且 , 蜘蛛本身存在很多丝腺器 , 不同腺器产生的丝性能不同 , 很难收集性能单一的丝此外 , 天然蜘蛛丝还难以直接加工成其它特定形状以供不同用途所需。由于以上原因 , 天然蜘蛛丝自身很难批量生产 , 其应用范围也受到了很大限制 , 因此需要寻求新的方法和途径 , 以大量获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料 . 因此利用仿生学原理 , 在认识天然蜘蛛丝结构和功能的基础上 , 设计、制备天然蜘蛛丝仿生材料 , 具有重大的科学意义和应用价值。 2. 1 蛋白基因仿生生物表达法 20 世纪 90 年代初 , Lewis 等首先报道了源于Nephilaclavipes 蜘蛛丝蛋白两种序列 ( 分别被称为MaSp1 和 MaSp2) 的部分 DNA 片段 , 由此揭开了天然蜘蛛丝蛋白基因与结构研究的序幕 . 在获取天然蜘蛛丝各种蛋白基因组成信息的基础上 , 科学家们开始采用生物表达的方法 , 即先构建天然蜘蛛丝相应的部分蛋白基因 , 然后采用生物工程技术手段 , 将这些蛋白基因寄托于某种生物载体 ( 如细菌、酵母、植物、哺乳动物、昆虫等) 进行表达并生产 , 从而获得包含天然蜘蛛丝部分蛋白基因结构的蛋白质原料 , 最后, 将这些仿生蛋白原料加工成所需要的形态( 如纤维) 进行利用( 如NexiaBiotechnologies 公司通过哺乳动物表达生产蛋白质 , 经过特殊的“纺线程序” , 纺出了重量轻、强度高的纤维 , 称之为“生物钢”)。利用蛋白基因仿生生物表达法制
2009;35(3)蚕 业 科 学 CAN Y E KEXUE 收稿日期:2009-06-01 资助项目:浙江省重中之重开放基金(编号S W YX0806),国家高技 术研究发展计划“863”项目(编号2007AA021703,2007AA100504),国家重点基础研究发展计划“973”项目(编号2005CB121006),国家自然科学基金项目(编号30740015)。 作者简介:郑青亮(1982-),男,浙江,研究实习员。 E 2mail:jackie4075@https://www.doczj.com/doc/5d8929247.html, 通信作者:张耀洲,教授,博士生导师。 Tel:0571286843194,E 2mail:yaozhou@chinagene .com 蜘蛛丝的结构性能及表达策略研究进展 郑青亮 蒋彩英 张耀洲 (浙江理工大学生命科学学院生物化学研究所,杭州 310018) 摘 要 蜘蛛丝是一种天然蛋白质纤维,具有高强度、高弹性、高断裂能等机械性能以及显著的可降解性、组织相容性等生物学特性,在生物医学、材料、纺织和军事装备等领域均有重大潜在应用价值。利用原核或真核表达系统表达蜘蛛丝蛋白可以大量获取蜘蛛丝。综述了蜘蛛丝蛋白序列结构特征以及蜘蛛丝蛋白在大肠杆菌、酵母、植物、动物细胞、家蚕等表达系统中的表达策略研究进展,并重点阐述应用家蚕表达系统表达蜘蛛丝蛋白的策略,可供规模化生产蜘蛛丝蛋白参考。 关键词 蜘蛛丝;机械性能;表达策略;家蚕表达系统 中图分类号 Q959.226;TS102.3 文献标识码 A 文章编号 0257-4799(2009)03-0685-07 P ro g ress o f S tu d ies o n th e S tru c tu re an d P rop e rties o f S p id e r S ilk an d its Exp res s io n S tra teg ies ZH EN G Q ing 2L ia ng J I A N G C a i 2Ying ZHAN G Ya o 2Zhou 3 (Ins titu te of B ioc hem is try,Zhe ji a ng S c i 2Te c h U n i ve rs ity,Ha ng zhou 310018,C h ina ) A b s tra c t Sp i d e r s ilk i s a na tu ra l p ro te in fib e r w ith m e c ha n ic a l p rop e rtie s s uc h a s h i g h s tre ng th,h ig h fle xi b il 2ity,h ig h fra c tu re e ne rg y,a nd w ith b i o l og ic a l c ha ra c te ris ti c s of e a s y d e g ra d a tion a nd h is toc om p a tib ility w h i c h ha ve s i g n ifi c a n t p o te n tia l ap p lic a tion va l ue i n the b iom e d i c a l ,m a te ria l ,te xtile a nd m ilita ry a re a s.U s ing p ro 2ka ryo tic o r e uka ryo ti c e xp re s s ion s ys tem to e xp re s s sp id e r s il k p ro te i n c a n yi e l d la rg e q ua n tity of sp id e r s il k .Th i s p ap e r re view e d the s truc tu ra l c ha ra c te ri s tic s of sp i d e r s ilk p ro te in a nd the p rog re s s of sp i d e r s ilk e xp re s 2s ion s tra te g i e s in E .c o li ,ye a s t,p la n ts,a n i m a l c e lls a nd s ilkw o r m e xp re s s ion s ys tem ,a nd foc us e d on the new i d e a s of sp id e r s il k e xp re s s ion s tra te g y i n the s ilkw o r m e xp re s s ion s ys tem.Th is c a n p rovi d e a re fe re nc e fo r fu 2tu re la rg e 2s c a l e p rod uc tion of sp i d e r s ilk p ro te ins. Ke y w o rd s Sp id e r s il k;M e c ha n i c a l p rop e rty;Exp re s s i on s tra te g y;S ilkw o r m e xp re s s ion s ys tem 蜘蛛(A raneida )属节肢动物门(A rthr opoda )蛛 形纲(A rachnida )蛛形目(A raneida 或A raneae )。自然选择使蜘蛛终生分泌蜘蛛丝。大量研究表明,蜘蛛丝是自然界力学性能最优良的天然蛋白纤维之 一,具有的高强度、高弹性和高断裂能等性能是其它人造纤维材料所无法比拟的 [1-2] 。蜘蛛分泌的蜘蛛 丝主要包括蜘蛛网中放射状的拖牵丝、螺旋状的横丝、捕食时缠绕食物的包扎丝以及用于制作卵囊保 护后代的卵囊丝等[3] 。其中,拖牵丝(dragline silk )的机械性能特别优异:其断裂能是同样粗度钢铁纤维的5～10倍,与制作防弹背心的凯夫拉尔芳香族纤维断裂强度相当,约4×109 Pa;其断裂伸长率达35%,而凯夫拉尔芳香族纤维的断裂伸长率仅为5% [4] 。蜘蛛丝具有的优异性能已被广泛应用:在 医疗方面,可制成人工关节、韧带、肌腱和可降解手术缝合线等;在军事装备方面,非常适合制造武器装 586