自由能计算揭示苏氨酸对抗冻蛋白与冰晶结合能力的影响

作     者：崔韶丽 张维佳 邵学广 蔡文生 CUI Shaoli;ZHANG Weijia;SHAO Xueguang;CAI Wensheng

作者机构：南开大学分析科学研究中心有机新物质创造前沿科学中心化学学院天津市生物传感与分子识别重点实验室天津300071 南开大学药物化学生物学国家重点实验室天津300071 

出 版 物：《高等学校化学学报》 (Chemical Journal of Chinese Universities)

年 卷 期：2022年第43卷第3期

页      面：97-103页

核心收录：

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:22073050,22174075) 天津市自然科学基金(批准号:20JCYBJC01480) 南开大学有机新物质创造前沿科学中心专项资金(批准号:63181206)资助 

主　　题：抗冻蛋白 自由能计算 冰晶 结合亲和力 氢键 

摘      要：采用分子动力学模拟和自由能计算研究了中等活性黑麦草抗冻蛋白(Lolium perenne antifreeze protein,Lp AFP)冰结合位点(Ice-binding site,IBS)上苏氨酸(Thr)含量对其吸附冰晶能力的影响.构建了一系列Lp AFP突变体结构,使其IBS上苏氨酸含量逐步增加,其中包括一个对IBS上11个位点的突变,使每个β片段均具有Thr-x-Thr基序(x是非保守的氨基酸,主要是疏水氨基酸).利用重要性采样算法(WTM-eABF)计算了Lp AFP及其突变体与冰晶结合过程的自由能变化,该算法结合了Well-tempering metadynamics的“填谷和扩展拉格朗日自适应偏置力方法的“削峰的优点,显著提高了算法的采样效率.结果表明,Lp AFP突变体的IBS苏氨酸含量越高,其与冰的结合在能量上越有利.当突变体具有重复Thr-x-Thr基序时,其与冰的结合能力最强.进一步分析表明,苏氨酸含量越高,IBS结合的液态水分子越多,与冰晶结合时锚定包合水稳定存在的时间就越长,抗冻蛋白的IBS与冰面之间的氢键网络也越稳定,从而提高了抗冻蛋白与冰的结合能力.增加苏氨酸残基的含量是提高中等活性抗冻蛋白抗冻活性的方法.