Як створюється павутиння

Портал створений за підтримки Федерального агентства з друку та масових комунікацій.

Як павуки роблять павутиння

Павуки створюють павутиння, знижуючи кислотність у розчині з павутинними білками.

Павутина давно інтригує дослідників своїми унікальними характеристиками: при надзвичайній розтяжності та легкості вона ще й надзвичайно міцна. Якщо порівнювати павутинну нитку зі сталевим дротом такого ж діаметра, то вони витримають приблизно однакову вагу. Але павутиння у шість разів легше, а значить, у шість разів міцніше. Але чи не велика загадка це як павуки її роблять. Відомо, що павутина складається з білків, званих спідронами, 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 та гнучку нитку?

Спідроїни - білки досить великі, що складаються в середньому з 3500 амінокислот, переважно організованих в послідовності, що повторюються. Найбільш важливими для створення павутинної нитки є амінокислоти на кінцях поліпептидного ланцюга, і у різних павуків кінцеві послідовності спідроїнів подібні 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 спідрії набувати особливо міцного укладання.

Деталі процесу спробували з'ясувати Марлен Андерссон (Marlene Andersson) та її колеги з Інституту сільськогосподарських наук в Упсалі та 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) у глибині залози до досить кислого (рН=5,7) у протоці, що виводить. Одночасно вдалося з'ясувати, що в павутинному апараті з наближенням до виходу зростає концентрація бікарбонат-іонів (залишків вугільної кислоти) і кількість СО2. Дослідники дійшли висновку, що перепад кислотності створюється завдяки ферменту карбоангідразі, яка з вуглекислого газу та води робить вугільну кислоту, яка, у свою чергу, існує у розчині у вигляді бікарбонат-іонів та «кислих» іонів водню Н+. Подальші експерименти підтвердили припущення про карбоангідраз як творця «павутинного» кислотного градієнта.

У статті у PLoS Biology автори роботи пишуть, що кислотність середовища по-різному впливала на різні кінці молекули спіддроїну. Якщо один з кінців поліпептидного ланцюга (N-кінець) у 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 зі зниженням рН і залишався без будь-якої оформленої структури до останнього моменту, коли білок приймав остаточну павутинну структуру. Тобто різні ділянки однієї й тієї молекули зміна хімічної середовища діяло по-різному.

Але це не все - С-кінцевий кінець павукових 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 разі павутиння механізм у чомусь схожий: неструктурований кінець спідріну 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 спіддроїнів злипалися, як їм заманеться, павутинної нитки не виходило б. Щоб кожна молекула знала своє місце, існує N-кінець, який у міру зростання кислотності лише сильніше стабілізується та міцніше тримається за сусідні молекули. Завдяки N-кінцю білки знають своє місце в нитці павутини, що формується, ще не затвердівши, вона набуває структурованості. Ну а скріплюючим «цементом» зрештою служить С-кінець. Інженери давно хочуть зробити лабораторне павутиння; можливо, нові відомості щодо павутинних білків їм у цьому допоможуть.

Автор: Кирило Стасевич

Чому павуки плетуть павутиння по колу і звідки воно береться?

Павутина — один із найдивовижніших природних механізмів, який використовується павуками для виживання, полювання та захисту. Цей феномен привертав увагу вчених та біологів упродовж століть. Але як і чому павуки плетуть своє павутиння по колу, а найголовніше — звідки береться цей дивовижний матеріал?

Чому павуки плетуть павутиння по колу?

Кругла павутина – це результат еволюції, що відточує форму та структуру ловчої мережі протягом мільйонів років. Основна причина вибору такої форми – ефективність.

Оптимізація простору. Кругла форма дозволяє покрити найбільшу площу з мінімальною кількістю павукового шовку.
Збільшення шансів на затримання видобутку. У центрі павутиння знаходиться павук, і будь-який рух комахи вмить передається в центр за рахунок радіальних ниток.
Енергетична економічність Павутина — це ресурс, який павук створює зі своїх внутрішніх запасів.
Стабільність конструкції. Кругла павутина стійка і міцна.

Цікаво, що кожен павук плете павутину по-своєму, але у видів з круговим павутинням цей процес є успадкованим і досить універсальним.

Звідки береться павутиння?

Павукова павутина — це одне з найунікальніших природних явищ.Ці білки мають дивовижні властивості: вони легкі, міцні та еластичні.

У різних видів павуків кількість і вид залоз може відрізнятися, але загалом вони функціонують за подібним принципом. Павук виділяє рідкий шовк через прядильні бородавки – невеликі вирости на черевці, які керують рухом павутинних ниток. Як тільки рідкий шовк контактує з повітрям, він моментально твердне і перетворюється на міцну нитку.

Цікаво, що павуки можуть створювати різні типи павутинних ниток для різних цілей:

Ловчі мережі. Ці нитки особливо липкі та еластичні, що дозволяє їм утримувати видобуток.
Кокон для яєць. Павутина, що використовується для захисту яєць, відрізняється м'якістю та міцністю, захищаючи потомство від зовнішніх впливів.
Страхувальні нитки. Коли павук пересувається, він завжди залишає за собою нитку безпеки, яка є «страховкою» у разі падіння.

Дивовижні властивості павутиння

Павукова павутина вражає не лише своєю складною структурою, а й своїми фізичними характеристиками. У перерахунку на вагу, павутинні нитки в п'ять разів міцніші за стали і здатні витримувати значні навантаження. При цьому, незважаючи на свою міцність, вони надзвичайно легкі та еластичні.

Цікавий факт: павуки можуть «переробляти» своє павутиння. Якщо мережа пошкоджена або більше не виконує свою функцію, павук може з'їсти стару нитку, переробити білки та використовувати їх для створення нової мережі.

Висновок

Кругле павутиння - це результат тисячолітньої еволюції, спрямованої на максимальну ефективність лову видобутку та економію ресурсів. А сама павутина - це унікальний біоматеріал, який створюється з білків, вироблених павуком, і має виняткові властивості міцності та еластичності. Світ павуків та їх павутин – це яскравий приклад того, як природа вдосконалює свої механізми та створює конструкції, які досі залишаються неперевершеними за своїми характеристиками.