Павуки створюють павутину, знижуючи кислотність у розчині з павутинними білками.
Павутина давно інтригує дослідників своїми унікальними характеристиками: при надзвичайній розтяжності і легкості вона ще й надзвичайно міцна. Якщо порівнювати павутинну нитку зі сталевим дротом такого ж діаметру, то вони витримають приблизно однакову вагу. Але павутина в шість разів легше, а значить, в шість разів міцніше. Але чи не велика загадка - це як павуки її роблять. Відомо, що павутина складається з білків, званих спідроїнами, які спочатку знаходяться в розчині, а потім якось перетворюються на тверду нитку. Перетворення відбувається знову ж таки у водному розчині (тобто білки не зневоднюються), при звичайній температурі і при тому досить швидко. Що ж змушує розчинені павутинні білки перетворюватися на тверду і гнучку нитку?
Спідроїни - білки досить великі, що складаються в середньому з 3 500 амінокислот, здебільшого організованих у повторювані послідовності. Найбільш важливими для створення павутинної нитки є амінокислоти на кінцях поліпептидного ланцюга, і у різних павуків кінцеві послідовності спідроїнів схожі між собою. Утворюючи нитку, молекули білків змінюють просторову структуру. Відбувається це під впливом градієнта рН в павутинних залозах павуків: в одному їх кінці кислотність вища, ніж в іншому, і в якійсь точці перепад рН змушує спідроїни набувати особливо міцного укладання.
Деталі процесу спробували з'ясувати Марлен Андерссон (Marlene Andersson) і її колеги з Інституту сільськогосподарських наук в Упсалі і Каролінського інституту. За допомогою мікроелектродів вони точно виміряли кислотність в павутинних залозах - і виявилося, що градієнт рН більш крутий, ніж передбачалося, від нейтрального (рН = 7,6) в глибині залози до досить кислого (рН = 5,7) у вивідному протоці. Одночасно вдалося з'ясувати, що в павутинному апараті в міру наближення до виходу зростає концентрація бікарбонат-іонів (залишків вугільної кислоти) і кількість СО2. Дослідники дійшли висновку, що перепад кислотності створюється завдяки ферменту карбоангідразе, яка з вуглекислого газу і води робить вугільну кислоту, яка, в свою чергу, існує в розчині у вигляді бікарбонат-іонів і «кислих» іонів водню Н +. Подальші експерименти підтвердили припущення про карбоангідраз як творця «павутинного» кислотного градієнта.
У статті в PLoS Biology автори роботи пишуть, що кислотність середовища по-різному впливала на різні кінці молекули спідроїну. Якщо один з кінців поліпептидного ланцюга (N-кінець) в кислому середовищі злипався з іншими N-кінцями інших спідроїнових молекул, і чим вище була кислотність (чим нижче рН), тим стабільнішою була структура N-кінців, то інший кінець білка (С-кінець), навпаки, втрачав стабільність з пониженням рН і залишався без будь-якої оформленої структури до самого останнього моменту, коли закінчувальну «білок». Тобто на різні ділянки однієї і тієї ж молекули зміна хімічного середовища діяла по-різному.
Але це не все - З-кінцевий кінець павучих спідроїнів, як виявилося, схожий на амілоїдні білки, які утворюють білкові відкладення в нервових клітинах при нейродегенеративних хворобах (синдромі Альцгеймера, наприклад). Амілоїдні білки утворюють полімерні комплекси у вигляді довгих ниток, тяжів, що осідають у нервовій тканині. Очевидно, у випадку павутиння механізм у чому схожий: неструктурований кінець спідроїну потрібен, щоб молекули білків швидко злипалися в нитку. Причому в «павутинну» структуру С-кінець переходить раптово, коли кислотність середовища досягає рН = 5,5, до цього моменту він, нагадаємо, залишається неструктурованим і неоформленим.
Однак, якби молекули спідроїнів злипалися, як їм заманеться, то павутинної нитки не виходило б. Щоб кожна молекула знала своє місце, існує N-кінець, який по мірі зростання кислотності тільки сильніше стабілізується і міцніше тримається за сусідні молекули. Завдяки N-кінця білки знають своє місце в нитки павутини, що формується, ще не затвердівши, вона набуває структурованості. Ну а скріплюючим «цементом» зрештою служить С-кінець. Інженери давно хочуть зробити лабораторну павутину; можливо, нові відомості щодо павутинних білків їм у цьому допоможуть.