丝素蛋白的结构特征与构象分析

1.丝素蛋白的化学组成

蚕丝由丝胶、丝素、色素、蜡质、碳水化合物、灰分等组成的，其中主要成分是丝素、丝胶。丝素是蚕丝的主体，它是由巨原纤、原纤、微原纤、基原纤四级结构组成。丝胶是蚕丝外层的水溶性胶状蛋白质，有四层包覆层，其水溶性从内到外依次增强，结晶度依次较小。丝胶在精炼丝光、皱缩过程中有非常重要的作用，因此生丝上留有20%左右的丝胶。蚕丝的种类不同，其中丝素的含量也不相同。柞蚕丝中丝素的含量在85%左右，桑蚕丝中的含量为70%～80%。桑蚕丝素与柞蚕丝素含有的氨基酸种类相同，共18种，其中含有8种必需的氨基酸。但氨基酸的含量差别很大。柞蚕丝素、桑蚕丝素中各氨基酸的含量见表8-4。

表8-4　柞蚕、桑蚕丝素蛋白中各氨基酸的含量[20，21]

从表中可以看出，柞蚕丝素中含有较多的精氨酸、天门冬氨酸，这两种氨基酸可以与乙氨酸形成RGD三肽序列，这种序列具有更强的肌肤亲和性。同时柞蚕丝素中碱性氨基酸、酸性氨基酸以及极性氨基酸残基的含量比较高，这些都是潜在的反应位点，从而使柞蚕丝素具有较强的化学活性。

2.丝素蛋白的结构特征

蚕丝是昆虫加工的、没有细胞结构的纤维。图8-8为柞蚕丝和桑蚕丝的截面图[10]。由图可以看出，柞蚕丝的截面为三角形，里面有很多孔，桑蚕丝的截面为不规则的三角形。蚕丝由丝胶和丝素两部分组成，丝胶在外面包覆着丝素。

图8-8　蚕丝截面形态(https://www.xing528.com)

丝素蛋白是一种纤维状的蛋白，分子量非常高，大约为350kDa。丝素蛋白由重链H链、轻链L链和糖蛋白P25组成的，分子比是H∶L∶P25=6∶6∶1。P25糖蛋白是以非共价的形式加入H—L复合体中，共同构成丝蛋白的结构单元。其中H—L复合体是由重链和轻链C末端的二硫键连接而成的。

一般来说丝素蛋白中存在三种二级构象，它们分别是α-螺旋、β-片层以及无规线团。其中α-螺旋结构是由大分子链内的氢键而引起的，β-片层结构则是由丝素分子链间的氢键而引起的。有研究表明，在丝素蛋白中还存在着发夹式的β-转角结构，它是四个氨基酸残基所构成的。在丝素蛋白的这四种构象中，含量最高的是β-片层。β-片层结构的高含量可能是造成蚕丝具有较高模量和较高强度的主要原因。

丝素为半结晶态的聚合物也就是说它是由结晶区、非结晶区组成的一个集合体，其结晶区占40%～50%。丝素结晶区中的氨基酸侧链较小，它们有序、整齐、紧密地排列在一起形成了丝素的结晶区；非结晶中氨基酸的侧链较大，它们无序、散乱、疏松地排列形成了丝素的非结晶区。因此，在丝素非晶区中链段的结合力比较小，柔软度比较高，易吸水膨胀，吸湿能力较大，抵抗外力、热、酸、盐、碱的能力较弱。

丝素的结晶区存在α型与β型二种空间构型，又叫做SilkⅠ和SilkⅡ。Silk的晶体模型是由B.Lot提出的，其为曲柄形分子链，结构中主要是无规线团（Random Coil），还有少量的α-螺旋（α-helix）和β-转角（β-turn）。晶胞参数是：a=0.472nm（4.72Å），b=1.44nm（14.4Å），c=0.96nm（9.6Å）。

SilkⅡ的结构模型是Marsh根据X-Ray结果提出的。它是斜方晶系，主要是反平行β-折叠（β-sheet）。晶胞参数是：a=9.4Å，b=6.97Å，c=9.2Å。肽链的排列较规整，链段间的分子间作用力及氢键使它们紧密结合在一起，具有较强的抵抗外力、热、酸、盐、碱的能力，难以溶解在水中[22]。