AzAS3.1.7.5. Proteine din mătase naturalăAspecte generale

Mătasea naturală este un material proteic sintetizat de o varietate de organisme, precum

viermi de mătase, păianjeni, scorpioni sau muşte având proprietăţi în funcţie de sursa de

provenienţă.

Cel mai cunoscut tip de mătase este cel obţinut din coconii viermilor de mătase, Bombyx

mori, fibrele având utilizări textile în China de mai bine de 5000 ani. În ultimii ani, o atenţie

deosebită o are şi mătasea ce provine de la păianjen, de exemplu speciile Nephila clavipes şi

Araneus diadematus.

Viermii de mătase trec prin mai multe stadii de dezvoltare (ou sau embrion, larvă, pupă şi

molie), dar cea mai mare cantitate de mătase este produsă în etapa de larvă când se formează

coconul. În cocon se disting două tipuri de proteine: fibroina şi sericina.

Fibroina este o proteină fibroasă compusă din două lanţuri proteice de mase moleculare

diferite - unul „heavy” (H) şi altul „light” (L), şi glicoproteine.

Sericina este o proteină macromoleculară ce serveşte drept adeziv al filamentelor din

fibroină din coconii de mătase.

În cazul viermilor de mătase, proteinele sunt sintetizate în glanda de mătase sub formă de

soluţie apoasă 12 - 15%, care se concentrează şi este apoi filată prin orificiul glandei cu un

diametru de 0,03 - 0,4 nm sub formă de filamente care formează coconul.

Compoziţia firelor de mătase

Fibroina din mătase este formată din două catene: una „heavy” cu masa moleculară de

aproximativ 325 000 şi una „light” cu o masă moleculară de 25 000, care se pot separa prin

reacţii reductive şi care sunt în raportul 1:1. Sericina are o masă moleculară în intervalul 20 000-

31 000.

Fibroina reprezintă aproximativ 70 - 80% din coconul de mătase iar sericina 20 - 30%, în

funcţie de origine şi condiţiile de hrănire. În mătase se mai intâlnesc componente minore precum

grăsimi, pigmenţi, componente minerale şi carbohidraţi, asa cum se prezintă în tabelul 3-15.

Tabelul 3-15. Compoziţia coconilor de mătase din Bombyx mori

Component Compoziţie, %Fibroina 70-80Sericina 20-30Grăsimi şi ceară 0,4-0,8Carbohidraţi 1,2-1,6Elemente anorganice 0,7Pigmenţi 0,2

Studiile efectuate asupra coconilor de mătase au demonstrat că aceştia au compoziţii

diferite în funcţie de stratul analizat. Astfel, în stratul exterior conţinutul de sericină este mai

ridicat (32,4%) şi cel de fibroină mai scăzut (65%) în timp ce în stratul interior sericina

reprezintă 18%, iar fibroina 79%.

Fibroina este o proteină alcătuită în cea mai mare parte (aproximativ 60%) din glicină,

alanină şi serină, aminoacizi care se găsesc în raportul 3:2:1 şi care sunt distribuiţi în secvenţele:

Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser

Aminoacizii cu grupări R mai voluminoase (arginina, treonina, tirosina) se găsesc în

catena fibroinei în zonele amorfe.

Compoziţia fibroinei din Bombyx mori în aminoacizi este redată în tabelul 3-16:

Tabelul 3-16. Compoziţia fibroinei în aminoacizi din mătasea produsă de Bombyx mori în procente (%)

Aminoacid Compoziţie, %Glicină 44,6Alanină 29,4Valină 2,2Leucină 0,53Isoleucină 0,66Serină 12,1Treonină 0,91Acid aspartic 1,3Acid glutamic 1,02Lisină 0,32Arginină 0,47Histidină 0,14Tirosină 5,17Fenilalanină 0,63Prolină 0,36Triptofan 0,11Metionină 0,1Cisteină 0,2

În regiunile cristaline ale fibroinei, catenele proteinei cu grupări laterale, notate cu R, de

volum mic (H-glicina, CH3-alanina şi CH2-OH-serina) sunt extinse complet în configuraţia β,

fiind apropiate, fapt care permite formarea de legături de hidrogen, figura 3-23.

Fig. 3-23 Structura β în fibroină: a) vedere din faţă; b) vedere laterală. R=gruparea laterală a aminoacizilor

Regiunile cristaline ale fibroinei conferă fibrelor o înaltă rezistenţă la tracţiune, dar

elasticitatea este redusă datorită faptului că lanţurile proteinei sunt extinse la maxim.

Mătasea prezintă totuşi o anumită flexibilitate care se explică prin structura lamelară ce

permite planurilor β să alunece unul peste celălalt. Acest fapt se datorează forţelor secundare de

tip van der Vaals, reduse ca intensitate, ce menţin planurile β legate între ele.

Fibra de mătase este lucioasă, iar luciul este rezultatul luminii reflectate de planurile β din

polimer.

Sericina este un complex de proteine lipicioase care cimentează filamentele de mătase în

cocon. Au fost identificate cel puţin şase proteine cu mase moleculare cuprinse între 65 şi 400

kDa. Se caracterizează printr-un conţinut ridicat în serină (38%) precum şi alţi aminoacizi ce

conţin funcţiuni OH care le conferă caracterul de adeziv. În tabelul 3-17 este redată compoziţia

în aminoacizi a sericinei produsă de Bombyx mori.

Tabelul 3-17. Compoziţia sericinei în aminoacizi produsă de Bombyx mori

Aminoacid Compoziţia, %Glicină 12,7Alanină 5,51Valină 2,68Leucină 0,72Isoleucină 0,55Serină 31,97Treonină 8,25Acid aspartic 13,84Acid glutamic 5,8Lisină 3,26Arginină 2,86Histidină 1,3Tirosină 3,4Fenilalanină 0,43Prolină 0,57Triptofan -Metionină 0,05Cisteină 0,14

Sericina, care se găseşte pe suprafaţa firelor de mătase (figura 3-24) este solubilă la

fierbere în soluţii apoase ce conţin acizi, baze, săpun sau detergenţi sintetici. Procesul de

îndepărtare a stratului de sericină de pe suprafaţa firelor de mătase se numeşte degomare.

În afara rolului de cimentare a filamentelor în cocon, sericina conferă mătăsii rezistenţa la

oxidare şi UV, efect antimicrobian şi proprietatea de a absorbi şi elibera apă. Îndepărtarea este

necesară pentru a conferi luciu filamentelor de mătase.

Fig. 3-24 Imagini SEM ale filamentelor de mătase înainte (A) şi după (B) procesul de degomare, în urma

căruia sericina a fost îndepartată

Proprietăţile mătăsii naturaleFirele de mătase naturală prezintă proprietăţi care pot concura cu cei mai avansaţi

polimeri sintetici, dar spre deosebire de aceştia, se obţin în condiţii mult mai puţin dure, din

materii prime regenerabile şi sunt biodegradabile. De foarte mulţi ani au aplicaţii textile, urmate

apoi de utilizări industriale şi biomedicale.

Fibrele de mătase sunt lungi, subţiri, uşoare şi catifelate. Sunt termotolerante, izolatoare,

au luciu puternic, afinitate pentru uscare şi umectabilitate.

Prin dizolvare şi precipitare (regenerare) se poate modifica raportul dintre faza cristalină

şi cea amorfă, deci se pot influenţa numeroase proprietăţi ale fibrelor de mătase naturală.

a) Proprietăţile mecanice remarcabile ale fibrelor de mătase sunt rezultatul structurii

chimice şi microstructurii acestora (zone cristaline distribuite printre zonele amorfe).

Câteva proprietăţi mecanice ale fibrelor de mătase şi componentelor sale şi ale unor

biomateriale sunt prezentate în tabelul 3-18.

Tabelul 3-18. Compoziţia între proprietăţile mecanice ale unor biomateriale utilizate în prezent şi mătase

MaterialRezistenţa la tracţiune

[MPa]Modulul de elasticitate

[Gpa]Alungirea la rupere

[%]Sericina Bombyx mori 500 5-12 19Fibroina Bombyx mori 610-690 15-17 4-16Mătase Bombyx mori 740 10 20Mătase păianjeni 845-972 11-13 17-18Colagen 0,9-7,4 0,0018-0,046 24-68Tendon 150 1,5 12Os (colagen) 160 20 3Kevlar 3600 130 2,7Cauciuc sintetic 50 0,001 850

b) Stabilitatea termică a fibrelor de mătase naturală este excelentă până la 200°C. Sub

140ºC nu se constată modificări chimice, iar la temperaturi mai mari de 200°C încep să se

formeze gaze (CO, CO2, NH3) prin degradarea grupărilor laterale ale aminoacizilor.

c) Reactivitatea chimică a fibrelor de mătase este ridicată datorită grupărilor laterale ale

aminoacizilor. Această proprietate este folosită pentru modificarea chimică sau grefarea unor

monomeri pe catena proteinei în vederea modificării proprietăţilor acesteia. Fibroina modificată

cu acid bromacetic (5% faţă de proteină) şi incubată în SBF prezintă numeroase zone acoperite

cu hidroxiapatită (figura 2.1-22) decelate prin SEM şi EDX.

Mătasea are un caracter amfoter, conţinând atât grupări cationice cât şi grupări anionice

care reacţionează în funcţie de pH. Cu acizii minerali formează săruri sau, dacă acizii sunt slabi,

aceştia se pot ataşa de proteină prin legături de hidrogen. În mediu acid legăturile peptidice sunt

hidrolizate.

d) Proprietăţi fizice

Firele de mătase sunt higroscopice şi la o umiditate relativă de 65% pot absorbi până la

30% apă, gonflarea firului pe direcţie transversală fiind de 18,7%.

Fibroina uscată are Tg egal cu 175°C, dar care scade considerabil în prezenţa apei.

Mătasea este solubilă într-un număr limitat de solvenţi datorită aranjamentului ordonat al

catenelor şi legăturilor de hidrogen intercatenare. Cei mai cunoscuţi solvenţi sunt soluţiile apoase

de săruri de litiu (LiBr, LiSCN), NaSCN sau sistemele CaCl2/H2O/EtOH şi Ca(NO3)2/MeOH.

Radiaţiile vizibile şi UV produc îngălbenirea şi fotodegradarea firelor de mătase, acţiunea

cea mai energică fiind a radiaţiilor cu lungime de undă de 220-370 nm. Sensibilitatea mărită la

radiaţii se explică prin prezenţa aminoacizilor treonină, tirosină şi fenilalanină în zonele amorfe

ale fibrei şi care absorb radiaţiile din domeniul UV (250-300 nm). Energia absorbită produce

oxidarea grupărilor laterale ale aminoacizilor la grupări cromofore (de exemplu: chinone care

dau culoarea galbenă) şi formarea de radicali liberi care rup legăturile peptidice din proteină.

e) Biocompatibilitatea firelor de mătase naturală

Firele de mătase provenind de la Bombyx mori au fost utilizate în aplicaţii biomedicale în

special pentru suturi, chiar cu câteva secole în urmă. Practica chirurgicală a pus în evidenţă unele

reacţii adverse şi o hipersensibilitate a organismului la mătase. Studii efectuate în ultimii 10 ani

au arătat că aceste efecte negative se datorează prezenţei sericinei (în mătasea virgină) sau a

urmelor de sericină din firele de mătase folosite ca biomaterial.

Dacă sericina este îndepărtată total, fibroina reprezintă una dintre cele mai promiţătoare

substanţe pentru biotehnologii şi materiale biomedicale datorită unui complex de proprietăţi:

biocompatibilitate bună, permeabilitate pentru oxigen şi vapori de apă, biodegradabilitate în

timp, rezistenţă microbiană şi compatibilitate cu sângele, posibilitatea de control genetic în

vederea modificării compoziţiei şi secvenţei proteinei, proprietăţi mecanice unice şi reactivitate

chimică.

Aplicaţii biomedicale ale fibroineiÎntelegerea comportării firelor de mătase faţă de organismele vii cât şi proprietăţile

deosebite ale acestui material au determinat reconsiderarea lui ca biomaterial pentru sutură.

Fibroina poate fi folosită la realizarea diferitelor tipuri de pansamente în chirurgie: deoarece

accelerează procesul de vindecare a rănilor şi arsurilor şi pot fi uşor îndepărtate fără a deteriora

ţesututul nou format.

Proteina fibroasă este un material biologic folosit pentru fabricarea pielii artificiale, cea

sulfonată are acţiune anti-HIV-1, iar prin legare cu colagen recombinat uman (RHLC) se obţine

un film utilizat în afecţiuni hepatice. Fibroina simplă sau modificată chimic cu funcţiuni carboxil

sau OH serveşte la obţinerea unor compozite hidroxiapatită-fibroină folosite ca os artificial.

Prin dizolvare în anumiţi solvenţi şi reconstituire prin precipitare, fibroina poate fi

prelucrată în filme: geluri, pudre, spume sau chiar tuburi cu diametru mai mic de 5 mm şi având

pereţii poroşi pentru înlocuirea vaselor de sânge. Din soluţie se pot obţine microparticule pentru

eliberarea controlată de principii active sau suporturi de diferite forme pentru culturi de celule

pentru studii ori în vederea reconstrucţiei diferitelor ţesuturi.

Membranele din fibroină regenerată pot fi folosite ca fotosenzori pentru analiza H2O2.

Prin grefarea fibroinei pe celuloză, poliacetat de vinil, acetat de celuloză, polietilen glicol sau

prin formarea de reţele interpenetrante cu aceşti polimeri se pot obţine materiale cu multiple

utilizări biomedicale.

Reamintim că toate aceste aplicaţii cât şi altele viitoare au la bază câteva avantaje

importante ale fibroinei din mătasea naturală:

proprietăţi mecanice superioare oricărei fibre naturale şi care rivalizează cu multe

fibre sintetice de înaltă performanţă;

fibrele naturale au fost testate în numeroase aplicaţii chimice;

posibilitatea de a prelucra mătasea din soluţii apoase pentru a obţine filme, tuburi,

microparticule, geluri etc.;

fibroina se poate modifica uşor prin diferite reacţii chimice;

se poate modifica genetic compoziţia pentru a controla masa moleculară, gradul de

cristalinitate şi solubilitatea;

fibroina are un ritm lent de biodegradare atât in vivo cât şi in vitro.