探针法检测丝素蛋白水溶液自组装行为的研究

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丝素蛋白是一种从天然蚕丝中提取的,具有嵌段结构的高分子量蛋白,具有独特的氨基酸组成和构象结构。丝素蛋白因具有生物相容性好、机械性能良好、生物可降解等优点,在医学、生物技术和组织工程等领域有着广泛的应用潜力。以再生丝素蛋白为原料制备符合应用需求的丝基材料一直是研究的热点,深入理解丝素蛋白在水溶液中组装过程对制备丝基材料有着重要的指导意义。目前的研究普遍认为,在天然的纺丝过程中丝素蛋白由亚稳态的无规线团或者α-螺旋构象逐渐转变为稳定的β-折叠(β-sheet)结构,是一种自组装行为,受到多种因素的共同调控,但具体的组装机理尚未明确。相比无规线团或α-螺旋,β-折叠构象分子链排列规整,分子间距更小。随着构象的改变,丝素蛋白的微环境也在发生变化。目前的表征方法存在样品制备复杂,需要昂贵的仪器以及较高分析水平等缺陷,使得研究的成本大幅度提高。虽然目前的研究方法众多,但能满足样品制备简单、能够可视化检测丝素蛋白溶液组装行为的方法依然缺乏。金纳米粒子的SPR效应使得其广泛应用到重金属离子、多肽、蛋白质和癌细胞的比色检测领域。荧光探针具有灵敏度高,特异性好和不破坏样品等优点而受到广泛应用。本文探索利用探针法检测丝素蛋白构象的变化,开展了以下研究:(1)以金纳米粒子为可视化探针研究外源性因素对丝素蛋白自组装的影响。首先通过紫外-可见光谱探索了丝素蛋白原位制备金纳米粒子的最佳反应条件:丝素蛋白浓度为2 mg·mL-1,氯金酸浓度为2 mM,反应温度为40℃。然后利用金纳米粒子探针研究了pH对丝素蛋白自组装的影响。结果表明:酸性条件下,体系的紫外吸收峰发生了红移,溶液颜色由红色变为蓝紫色。通过透射电镜发现在此条件下金纳粒子自身的形态发生了变化,紫外吸收峰的红移可能是由于粒子形态变化而不是粒子间距改变引起的。通过圆二色谱表征进一步发现金纳米粒子与丝素蛋白的相互作用会影响丝素蛋白自身的组装过程,因此金纳米粒子不适合作为探针。(2)以ThT和ANS为荧光探针,利用荧光探针法分别研究了丝素蛋白在p H和金属离子等因素作用下的自组装行为。通过荧光光谱、红外光谱、透射电镜和原子力显微镜等方法对体系进行了表征。结果表明:荧光强度随着pH的降低而逐渐升高,表明体系中丝素蛋白β折叠构象含量逐渐增多,透射电镜和原子力显微镜等表征方式也验证了实验结果。金属离子(Ca2+<0.5 mg·g-1、K+<1 mg·g-1)在一定范围内能够促进β折叠构象的形成。当浓度超过该范围后,随着离子浓度的升高,体系荧光光谱强度逐渐下降,表明过高浓度的离子会抑制构象的变化。金属离子与丝素蛋白的作用会影响自组装的过程,具体表现为在不同浓度离子作用下,丝素蛋白表现出不同的组装形态。浓度较低时丝素蛋白形成丝状纤维,浓度较高时形成球形胶粒。
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