蜘蛛如何吐丝以及它为何能帮助人类

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蜘蛛丝是自然界最不可思议的物质之一。它轻便、有弹性、几乎没有重量、几乎透明，但强度却比钢铁还要高。蜘蛛丝用来保护卵和捕捉食物，而人类则希望借助它的强度和耐用性来制造防弹背心和医院缝合线等物品。

PLoS Biology 上的一项新研究解释了这种材料背后的化学原理，展示了蜘蛛如何控制它们的吐丝腺，从体内储存的液体蛋白质中大量生产出固体丝纤维。这可以帮助人类研究以蜘蛛为基础的材料。而且事实证明，它们内部的一种吐丝结构也可以帮助我们更多地了解阿尔茨海默病。

丝蛋白又称为蜘蛛蛋白，是一种巨大的蛋白质，含有约 3,500 种按一定模式重复的氨基酸。它们有点像电池，也有两个端子，一个 N 和一个 C。蜘蛛将蛋白质以可溶形式储存在丝腺中，然后在室温下将它们转化为固体纤维。这个过程发生得非常快——速度超过每秒 40 英寸。没有外部热量或压力引起的相变；蜘蛛必须自己完成所有这一切。

科学家认为这一定与化学有关，即 pH 梯度会在蛋白质穿过丝腺时改变其结构。为了弄清这一问题，Anna Rising、Jan Johansson 和他们的同事测量了圆网蛛（ Nephila clavipes）整个丝腺的 pH 值。

他们将细小的电极插入丝腺，发现丝腺中途的 pH 值从 7.6 降至 5.7（电极所能到达的距离）。这个梯度比任何人预期的都要大。沿着同一路径，二氧化碳压力上升，碳酸氢根离子增加。这是一种特殊酶的明显迹象，它使环境变得更酸。

研究人员表示，这些化学差异共同改变了蛋白质，并充当了“锁定和触发机制”。当 pH 值更中性时，蜘蛛会将蜘蛛丝保持在可溶形式。当 pH 值变得更酸时，蛋白质的 C 电池端子会展开，引发快速凝固，从而产生细而超强的蜘蛛丝。这解释了蜘蛛如何能够非常快速地从其产丝解剖结构中的一小块区域吐丝。

更奇怪的是，研究人员更仔细地观察了 C 端，发现它的结构类似于阿尔茨海默病患者大脑中形成的淀粉样纤维。因此，了解蜘蛛丝产生的化学基础不仅可以帮助那些试图模仿它的人类，还可以帮助那些试图了解痴呆症的人类。如果科学家能够更好地了解某些蛋白质是如何形成、解开和聚集在一起的，他们也许能够想出办法阻止它们，帮助阿尔茨海默病患者。

因此，下次您看到蜘蛛网时，请在拿出扫帚之前暂停一分钟，欣赏一下这个令人难以置信的东西。

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参考文献：Andersson M、Chen G、Otikovs M、Landreh M、Nordling K 等人（2014 年）碳酸酐酶产生 CO2 和 H+，通过对末端结构域的相反作用驱动蜘蛛丝形成。PLoS Biol_12(8): e1001921。

DOI:10.1371/journal.pbio.1001921