Секрет прочности паутины в железе

Открыт механизм, по которому жидкость у паука превращается в паутину

Открыт механизм, по которому белковая жидкость, находящаяся в железе паука, за короткое время превращается в упругое и прочное волокно, каковым является паутина.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2838746",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3366698_i_2"
}

Паутина давно вызывает интерес ученых, так как она в пять раз прочнее стальной нити и в три раза прочнее самых лучших созданных к настоящему времени синтетических волокон. Если бы пауки плели паутину толщиной порядка миллиметра, то на ней вполне можно было бы удерживать на весу человека. Но до сих пор ученым было далеко до создания искусственной паутины. И одной из загадок является тот факт, что длинные прочные нити образуются за доли секунды из белковой жидкости — секрета паутинных желез.

«Высокая упругость и прочность при растяжении натуральной паутины не имеют себе равных, хотя волокна производятся пауками из чистого белка», — говорит профессор Хорст Кесслер из Института передовых исследований в Мюнхене. Один из ключевых вопросов в искусственном производстве стабильных волокон паутины —

как паукам удается поддерживать высокую концентрацию секрета в шелковых железах, причем так, что волокна высокой прочности могут быть сделаны из него в любой момент.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2978742",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3366698_i_3"
}

Ответ на этот вопрос удалось найти группе немецких ученых во главе с Хорстом Кесслером. Результаты работы опубликованы в статье в журнале Nature.

Паутина состоит из белковых молекул; каждая из них представляет собой длинную цепочку, состоящую из тысяч звеньев аминокислот. Рентгеноструктурный анализ показывает, что готовое волокно паутины содержит области, в которых несколько белковых цепочек связаны друг с другом с помощью стабильных химических связей. Эти соединения обеспечивают высокую прочность паутины. Находящиеся между этими соединениями несвязанные области обеспечивают паутине высокую упругость.

Но вот в паутинных железах, когда соответствующий секрет еще находится в жидком состоянии, наблюдаются иные внутренние конфигурации.

Белки паутины в высокой концентрации содержатся в водной среде в ожидании развертывания в виде волокна. При этом области, отвечающие за соединения, не могут находиться близко друг к другу, потому что тогда они мгновенно застынут в волокна.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и двумерная ЯМР-спектроскопия

ЯМР - явление резонансного поглощения радиочастотной электромагнитной энергии веществом с ненулевыми магнитными моментами ядер, находящимся во внешнем постоянном магнитном поле. Ненулевым ядерным магнитным моментом обладают ядра ¹Н, ²Н, ¹³С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и другие. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магнитном поле В₀, на которое накладывается слабое радиочастотное поле В₁ перпендикулярное полю В₀. Для веществ, у которых ядерный спин I= 1/2 (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P и др.), в поле В₀ возможны две ориентации магнитного дипольного момента ядра μ: «по полю» и «против поля». Возникающие два уровня энергии Е за счет взаимодействия магнитного момента ядра с полем В₀ разделены интервалом E=2μB₀. При условии, что энергия наложенного электромагнитного излучения равна величине этого энергетического интервала, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B₁, названное ЯМР.

На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР. Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров. Образец исследуемого вещества помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B₁), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В₀так, что B₁ перпендикулярно В₀. Резонансное поглощение энергии наложенного электромагнитного поля при совпадении его энергии с энергетическим интервалом E вызывает падение напряжения на контуре, в схему которого включена катушка с образцом.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (так называемая спин-спиновая, или поперечная релаксация с характеристическим временем Т₂) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация, время релаксации Т₁). Времена Т₁и Т₂ несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции различных молекулярных движений. Измерения зависимости Т₁и Т₂ от температуры и частоты v₀ дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях, фазовых переходах и других параметрах вещества.

Основной параметр спектра ЯМР – химический сдвиг - взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и некоторого условно выбранного эталонного сигнала какого-либо стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Химические сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах δi отсчитанных от пика эталонного сигнала.

Двойной и тройной резонанс

Для упрощения сложных спектров ЯМР на образец накладывают второе радиочастотное поле В₂, частота которого совпадает с положением сигнала, мешающего расшифровке спектра. Амплитуда В₂ выбирается достаточной для насыщения переходов соответствующего ядра, т. е. z - проекция его спина обращается в нуль, устраняя спин-спиновое взаимодействие (ССВ) этого ядра с другими ядрами молекулы. Если наложить на поле В₂шумовую модуляцию, то достигается выключение ССВ всех ядер в выбранном спектральном интервале. Такое подавление широко применяют при наблюдении ЯМР ¹³С и других ядер. Методом тройного резонанса ЯМР¹³С-{¹Н}-⁵⁷Fе измерялись химические сдвиги в органических соединениях железа. Применяют многочисленные разновидности множественных резонансов.

Двумерная и многомерная фурье-спектроскопия.

Двумерная фурье-спектроскопия - естественное обобщение методов двойного резонанса. В одномерной спектроскопии спектр получают как фурье-образ отклика G(t) спин-системы на зондирующий импульс. В двумерной спектроскопии эксперимент начинается с приготовления спин-системы в некотором заданном состоянии посредством импульса или серии импульсов. Время эволюции системы после ее приготовления разбивается на равные интервалы t₂ После каждого i-го интервала t_2i = n_i xt₂ (n_i= 1, 2, 3, ..., N₂)производится обычная регистрация получившегося i-гo отклика G_i (t₁). После N₂ фурье-преобразований получают N₂ спектров, отображающих в частотной области ω₁ (от спектра к спектру) эволюцию спин-системы на интервале t₂. Эволюция каждого соответственного пика в этих спектрах создает интерферограмму G_j (t₂). После необходимого числа фурье-преобразований получают двумерный спектр отображающий выбранные парные взаимодействия в изучаемой системе. Чаще всего такой спектр изображают в виде карты, пики на которой окружены замкнутыми изолиниями. Двумерную спектроскопию ЯМР применяют для анализа протон-протонных, протон-углеродных, углерод-углеродных и тому подобных спин-спиновых взаимодействий в самых сложных молекулах, для исследования многопозиционного химического обмена, структурного анализа белков в растворах. Разбив при помощи удачно подобранной импульсной последовательности период эволюции на две части, вводят в эксперимент время t₃ и переходят к 3-мерной спектроскопии; ведутся успешные работы по 4- и 5-мерной фурье-спектроскопии ЯМР.

Из-за особенностей агрегатного состояния к изучению белковой жидкости паутины неприменим метод рентгеноструктурного анализа (он подходит только для веществ в форме кристаллов), однако жидкость можно эффективно исследовать методом ЯМР-спектроскопии (ЯМР — ядерный магнитный резонанс).

В результате анализа полученных спектров ЯМР ученым удалось понять структуру управления элементами, отвечающими за формирование стабильных волокон паутины.

Оказывается, в железе паука создаётся такая среда, что отвечающие за взаимосвязь участки белковых молекул в ней не могут выстроиться нужным для связи образом. Таким образом их взаимодействие и создание паутины эффективно предотвращаются. При этом белковые цепи хранятся так, что их гидрофобные части находятся внутри «клубка», что обеспечивает им хорошую растворимость в водной среде.

Когда белковые структуры поступают в прядильный аппарат паука, они попадают в среду, отличную по концентрации и составу солей от среды внутри железы, и это заставляет клубок белков разворачиваться.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3213729",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3366698_i_4"
}

Кроме того, за счет малой ширины канала прядильного аппарата паука области, отвечающие за соединения, выстраиваются параллельно, что делает волокно стабильным.

Данный механизм авторы работы называют «молекулярным переключателем», располагающимся на C-конце белковой молекулы (концы белка называют С- и N- концами в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна, α-карбоксильная группа -СООН или α-аминогруппа -NH₂).

По результатам своих исследований ученые предложили технику получения качественных искусственных волокон большой прочности и упругости.

Авторы видят ряд применений этой технике, начиная от материала для швов во время хирургических операций и заканчивая техническим волокном в автомобильной промышленности.