Новости химической науки > Исследователи раскрыли тайну паутины

Исследователи из Европы установили, каким образом белки паутины могут храниться в жидком состоянии в паутинной железа паука и при этом немедленно образовывать прочные волокна при высвобождении через прядильные трубочки членистоногого.

Две исследовательские группы, изучавшие белок паутины – спидроин (spidroin) с различных концов, смогли сложить детали головоломки и определить, как изменения уровня pH, солевого баланса и механические силы совместно контролируют агрегацию молекул спидроина в сверхпрочные волокна паутины.

Два солевых мостика способствуют тому, что спидроин принимает конформацию, в которой С-концевой домен белка оказывается в изоляции; эти солевые мостики разрушаются под совместным воздействием механической силы и фосфата натрия. (Рисунок из Nature, 2010 DOI: 10.1038/nature08936)

Первичная структура белка-спидроина главным образом представляет собой достаточно регулярное чередование определенных аминокислотных остатков. В спидроине наблюдается высокое содержание остатков аланина и глицина, эти аминокислотные остатки являются причиной исключительной механической прочности волокон паутины. Возглавлявший одну из исследовательских групп Томас Шайбель (Thomas Scheibel) из Университета Байройт (Германия) отмечает, что исследователи достаточно быстро пришли к выводу о том, что аланин и глицин, а также другие основные структурные элементы спидроина не могут контролировать образование волокон паутины из белкового раствора.

Для того чтобы ответить на вопрос о механизме образования волокон, исследователи решили обратить пристальное внимание на концевые домены белка паутины (уже сравнительно давно известно, что концевые домены белка контролируют самоорганизацию других белков, как, например, коллагена). Предварительные эксперименты демонстрировали, что концевые домены оказывают влияние и на образование волокон спидроина, однако точный механизм образования волокон до настоящего времени так и не был установлен.

Различные концевые домены спидроина оказывают различные эффекты. Шайбель в сотрудничестве с группой Хорста Кесслера (Horst Kessler) из Технического Университета Мюнхена изучал карбоксильный (С-концевой) домен спидроина [1], другая группа – под руководством Стефана Найта (Stefan Knight) и Яна Йоханссона (Jan Johansson) из Шведского Университета Сельского хозяйства (Упсала, Швеция) занялись другим – аминным (N-концевым) доменом спидроина [2].

Кесслер поясняет, что С-концевые домены образуют димеры за счет дисульфидных мостиков. В составе димеров повторяющиеся структурные элементы фиброина находятся под углом в 60°, при этом для образования волокон необходимо, чтобы эти нити оказались параллельны друг другу, таким образом для образования нитей необходимо изменение третичной структуры карбоксильных доменов.

Для выяснения особенностей расплетения карбоксильных фрагментов исследователи изучили строение этих доменов в растворе методом ядерного магнитного резонанса. Было обнаружено, что при переносе белков из раствора хлорида натрия в раствор его фосфата (такое изменение среды происходит при переходе спидроина из паутинной железы в прядильную трубочку) в белке разрушается два солевых мостика, что позволяет молекулам спидроина изменить взаимное расположение и образовать волокна. Кесслер добавляет, что изменение конформации и расплетение белка происходит также и под воздействием напряжения сдвига, которому подвергается спидроин при прохождении через прядильную трубочку.

Другие процессы протекают с другого конца белковой цепи. Исследователи из группы Найта и Йоханссона обнаружил, что ключевым фактором, управляющим агрегацией N-концевого домена спидроина, является понижение уровня рН в прядильном аппарате паука. Спидроин представляет собой заряженный белок, в котором наличие у доменов противоположных по знаку зарядов позволяет им самоорганизовываться в димеры по принципу голова-к-хвосту. Если же значение pH становится ниже 6.3, некоторые кислотные группы в аминокислотных остатках протонируются, что приводит к облегчению протекания изменения конформации белка и способствует агрегации димеров спидроина в большие по размеру волокна.

Найт отмечает, что комбинация результатов обеих групп может рассматриваться как надежный фундамент для изучения паутины на молекулярном уровне. Весьма важно то обстоятельство, что при изучении спидроина обе группы подвергали белок таким же воздействием, каким он подвергается непосредственно в организме членистоногих.

Источники: [1] Nature, 2010 DOI: 10.1038/nature08936; [2] Nature, 2010 DOI: 10.1038/nature08962

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #медицинская химия, #молекулярная биология, #физическая химия, #химия полимеров