杂志俱乐部2008年2月1日主题:蛋白质结构和材料的力学——丝、淀粉样蛋白和肌肉纤维

蛋白质是所有生物物质的关键组成部分。工程师主要使用混凝土、金属、陶瓷和合成聚合物作为结构材料，因为它们具有高强度和耐用性，而《自然》杂志则利用蛋白质复杂的机械和化学特性来构建坚固、有弹性和坚固的材料和结构。例如，蜘蛛丝、淀粉样蛋白(在许多疾病中发现的坚固的蛋白原纤维)和肌肉纤维完全由蛋白质组成，并将延展性与高强度混合在一起，以获得极高的韧性。这些超级纤维代表了生物矿化的另一种材料设计方案，它允许将矿物质掺入蛋白质支架中，以构建非常坚硬和坚韧的材料，如珍珠层、软体动物壳和骨骼。许多科学家对大自然创造柔软、耐用和坚固材料的未知配方很感兴趣。这些材料不同于它们的合成等价物，因为它们使用的氢键比共价键或金属键弱得多，并且在纳米尺度上表现出熵弹性。

像蜘蛛丝这样的蛋白质材料具有从纳米到宏观的模块化、分层结构。这就导致了宏观尺度上非常复杂的力学行为，这是无法用简单的连续体公式来描述的。在解释生物聚合物(如丝绸)弹性的早期尝试表明，在描述机械行为时需要考虑材料的微观结构特征。Yves Termonia的第一篇论文[1]是早期利用x射线衍射研究的结构证据对蛛丝弹性进行建模的尝试之一。本文的一个关键发现是，蜘蛛丝中β -片纳米晶体的大小影响其弹性行为，从力学角度来看，观察到的蛛丝结构是最佳的。

第二篇论文[2]是最近使用实验技术(例如原子力显微镜[AFM])和计算方法(例如操纵分子动力学[SMD]模拟)对单个蛋白质的力学特性进行的综述。本文综述了蛋白质在纳米尺度上的力学功能以及细胞外基质和肌肉蛋白弹性的分子机制。通过计算和实验方法对蛋白质进行纳米力学表征是建立多尺度模型以准确预测生物材料宏观行为的关键步骤。因此，在这一领域工作的科学家通常需要欣赏连续体方法(本构关系，FEM研究等)以及生物物理研究(单蛋白操作，统计力学)。

最后一篇论文[3]是最近的一篇关于淀粉样蛋白的研究，淀粉样蛋白是一种蛋白质材料，由于与许多疾病有关，在过去的十年中受到了大量的研究。淀粉样蛋白结构构成了一类有趣的蛋白质材料，在室温下自组装成非常稳定和结构化的原纤维。众所周知，组织中的淀粉样蛋白沉积与阿尔茨海默氏症、帕金森症、朊病毒疾病或II型糖尿病等疾病的病理状况有关。淀粉样蛋白还具有类似蛛丝的有趣特性，并且存在于许多天然粘合剂中。这里引用的AFM研究是少数几个研究淀粉样蛋白弹性和断裂行为的实验之一。与其他研究一起，本文表明淀粉样蛋白原纤维的有趣力学特性(例如弹性模量与蜘蛛丝相当)源于所有淀粉样蛋白共同的一般骨干间氢键网络。

这些只是从机械角度研究蛋白质材料的许多鼓舞人心和令人兴奋的作品中的几个例子。本文所包含的三篇论文不足以涵盖快速发展的蛋白质力学领域的所有方面，但有望阐明该领域有前途的方向，并促进有关蛋白质结构和材料的弹性、变形和断裂力学的一些讨论。

引用:

1.Termonia, Y.，蜘蛛丝弹性的分子模型。大分子,1994年。27(25): p. 7378-7381。

2.Sotomayor, M.和K. Schulten，体外和计算机中的单分子实验。科学,2007。316(5828): p. 1144-1148。

3.Knowles, t.p.， et al.，分子间力在定义蛋白质纳米原纤维材料特性中的作用。科学,2007。318(5858): p. 1900-1903。