丝肽的制备及其组装行为研究

【摘要】多肽自组装是近年来一个新的研究热点。通过自组装,多肽分子可以自发组合形成一系列具有一定结构和功能的新型纳米材料,如纳米纤维、水凝胶、纳米管、胶束及表面活性剂等。这些材料在医学、组织工程、药物缓释及生物材料表面工程等方面有着巨大的应用潜力。目前,用于自组装研究的多肽主要是通过化学合成法或基因工程技术获得,研究者根据自己的研究需要对多肽的序列进行人工设计,使其具有相应的组装功能。但通过这些技术获取多肽的成本相对较高且周期较长,使多肽的应用尤其多肽的自组装材料的应用研究受到了很大的限制,因而寻求一种快速、有效且成本低廉的手段来获取具有一定功能的多肽片段已成为该领域的重要研究课题。在本论文中,采用”top-down”的方法来获取多肽,即通过酶降解技术从天然丝素蛋白中直接获取我们所需要的目标多肽,然后进一步研究这些多肽的组装行为。我们选择廉价、来源广泛且序列高度重复的天然桑蚕丝素蛋白作为原材料,采用酶降解技术和反相高效液相色谱技术最终得到一系列具有一定产量和纯度、且具有明确一级结构的丝肽片段,然后对其组装行为进行研究。首先,用α-胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶分别在水溶液中水解丝素蛋白以分别获得来自晶区和非晶区的丝肽片段。α-胰凝乳蛋白酶水解位于丝素蛋白非晶区的苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)和酪氨酸(Tyr)等疏水氨基酸的羧基端；弹性蛋白水解位于丝素蛋白晶区和非晶区的丙氨酸(Alα)和甘氨酸(Gly)等脂肪族氨基酸的羧基端。将经降解后的丝素蛋白水溶液用反相高效液相色谱分离纯化以获得目标丝肽。并且通过核磁共振、质谱和多肽测序等手段进一步分析了所得丝肽的组成及氨基酸序列。这种酶解丝肽的分离纯化方法为丝素多肽的组装研究提供了一种获取原料的新方法。在酶解多肽分离纯化的实验基础上,我们研究了SFC-1(silkfibroincrystalline-1)多肽在水溶液中的自组装行为。SFC-1是位于丝素蛋白晶区的一段基序,其序列为GAGSGAGAGSGA。研究发现,SFC-1在水溶液中可以自组装形成纤维,溶液浓度为0.05mg/ml时,组装体主要以短的刚性纤维为主；当溶液浓度提高到0.5mg/ml时,组装体则以致密的纤维网络为主；当浓度提高到20mg/ml时就可以形成水凝胶。SFC-1多肽的二级结构以反平行p-折叠为主,同时,多肽链方向垂直于纤维轴,其分子间的氢键与纤维轴方向平行,即形成类似于淀粉样蛋白纤维中的cross-β结构。因此,我们可以利用SFC-1这种序列简单的多肽为模型,探索其成纤机理,其结果不仅有助于增强对丝素蛋白结构的认识,也为研究老年痴呆症、疯牛病等成纤机理提供一定的参考依据。我们进一步考察了温度变化对SFC-1多肽在水溶液中二级结构的影响,结果发现其具有可逆的热致构象转变行为,即随着温度升高,SFC-1多肽水溶液的构象会由β-折叠逐步转变为无规卷曲,溶液冷却后并放置一段时间,溶液的构象又会恢复为p-折叠,但需要较长的时间。此外,我们利用SFC-1自组装纤维为模板成功地诱导了金纳米粒子的形成,粒径约为3nm的金纳米粒子且其沿着纤维轴排列,这可能为以后进行纳米金属材料及相关功能材料的制备提供了借鉴。接着,我们研究了SFA-1(silkfibroinamorphous-1)多肽在固体基质表面的组装行为。SFA-1是位于丝素蛋白非晶区的一段基序,其序列为GAGAGAGY。研究发现,SFA-1多肽水溶液直接在固体表面干燥后的二级结构为无规卷曲,其聚集体结构主要以不规则的粒子存在；而SFA-1多肽水溶液中混有一定体积的正丁醇后,其在固体表面干燥后二级结构却为反平行的β-折叠结构,且其聚集体结构主要以纤维存在。这种纤维结构形成的原因可能为：正丁醇加入SFA-1多肽溶液后使溶剂极性降低,由于溶剂效应的作用,促使样品分子在固体表面有序排列,通过分子间氢键、疏水作用及苯环间的π-π堆积力的协同作用,促使SFA-1多肽分子聚集形成纤维结构。此外,我们用甲酸作为溶剂时,溶液在固体表面干燥后同样可以组装形成纤维结构。最后,我们采用传统的以Fmoc为保护基的固相合成法合成了GS(序列为GAGAGAGS)多肽,通过与前述酶解多肽SFA-1(GAGAGAGY)的组装行为相比较,研究氨基酸组成和结构在短肽的组装中所起的重要作用。研究显示,GS多肽在水溶液中的构象随着时间变化逐渐由无规线团转变为以p-折叠为主,其组装形貌随着时间变化由粒子转变为纤维,并且纤维之间存在交叉缠绕现象,而SFA-1多肽却没有明显的组装行为。由此表明,GS多肽和SFA-1多肽之间虽然仅有一个C-端氨基酸残基的差异,但在水溶液中,由于SFA-1多肽C-端酪氨酸残基上苯环的位阻效应,阻碍了SFA-1多肽在水溶液中形成p-纤维；而作为丝蛋白晶区序列的GS多肽在水溶液条件下,分子间很容易通过分子间疏水作用和氢键作用排列成有序的p-折叠结构,最终形成纤维结构。因此我们推断,短肽中氨基酸的空间位阻效应对其组装行为起着很重要的作用。
【作者】郝瑞文；
【导师】陈新；
【作者基本信息】复旦大学，高分子化学与物理，2011，博士
【关键词】丝蛋白；酶解；分离纯化；多肽组装；纳米纤维；二级结构；

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