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^*

来源：高等学校化学学报, 2022, 43(03): 97-103.

• 抗冻蛋白
• 自由能计算
• 冰晶
• 结合亲和力
• 氢键

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.

• 单位
  药物化学生物学国家重点实验室; 南开大学