（理論物理專業(yè)論文）第一類抗凍蛋白的統(tǒng)計力學(xué)研究.pdf

l i i iii ii i i ii ii i i ii ii ii y 17 3 6 4 3 3 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也 不包含為獲得由墓直太堂及其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同 志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 磐7 勘 學(xué)位論文作者簽名：查絲多：指導(dǎo)教師簽名 日 期：絲f 壁：盍：塑 日期 在學(xué)期間研究成果使用承諾書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：內(nèi)蒙古大學(xué)有權(quán)將 學(xué)位論文的全部內(nèi)容或部分保留并向國家有關(guān)機構(gòu)、部門送交學(xué)位論文的復(fù)印件和磁盤，允 許編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 為保護學(xué)院和導(dǎo)師的知識產(chǎn)權(quán)，作者在學(xué)期間取得的研究成果屬于內(nèi)蒙古大學(xué)。作者今后 使用涉及在學(xué)期間主要研究內(nèi)容或研究成果，須征得內(nèi)蘩古大學(xué)就讀期間導(dǎo)師的同意；若用 于發(fā)表論文，版權(quán)單位必須署名為內(nèi)蒙古大學(xué)方可投稿或公開發(fā)表。 學(xué)位論文作者簽名：亟叁 指導(dǎo)教師簽 日 期：翌里：苧：至塹 日 第一類抗凍蛋白的統(tǒng)計力學(xué)研究 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和實驗條件的不斷完善，人們陸續(xù)從海洋魚類、陸地 昆蟲、植物、細菌和真菌等各類生物體中分離得到多種不同類型的抗凍蛋白， 并測定了它們的基因序列和結(jié)構(gòu)這些蛋白質(zhì)不僅具有豐富的結(jié)構(gòu)信息，而且 具有特殊的抗凍性質(zhì)，這樣使得抗凍蛋白有著廣闊的應(yīng)用前景，從而對它們的 研究在很多領(lǐng)域備受關(guān)注，從分子生物學(xué)到生物物理學(xué)到化學(xué)領(lǐng)域，從漁業(yè)海 洋學(xué)到生態(tài)學(xué)再到生物進化領(lǐng)域，近年來還引起了商業(yè)團體的興趣本文利用 統(tǒng)計熱力學(xué)的理論，建立了適用于解釋第一類抗凍蛋白熱滯活性的統(tǒng)計力學(xué)模 型在不計入分子間相互作用的近似下，用溶液格點模型詳細討論了鏈狀蛋白 質(zhì)分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)；在此基礎(chǔ)上，計入蛋白質(zhì)分子與水分子間相互作用 的影響，討論了第一類抗凍蛋白溶液的熱力學(xué)性質(zhì)；理論計算了第一類抗凍蛋 白分子與冰晶的相互作用能；進一步研究了計入抗凍蛋白分子在冰晶表面的吸 附方向性后的統(tǒng)計力學(xué)模型獲得的主要結(jié)果有： 一、利用統(tǒng)計熱力學(xué)的基本理論，建立了適用于解釋第一類抗凍蛋白熱 滯活性的統(tǒng)計力學(xué)模型，計算了幾種第一類抗凍蛋白的熱滯溫度隨濃度的變化 曲線計算過程中，分別給出了抗凍蛋白分子吸附前后冰晶表面系統(tǒng)的配分函 數(shù)及自由能，同時，認為抗凍蛋白分子在冰晶表面的吸附方式與理想氣體表面 吸附方式相同給出了熱滯溫度與覆蓋度的關(guān)系表達式，并計算了幾種第一類 抗凍蛋白的熱滯溫度，并且與已有的實驗結(jié)果進行了比較結(jié)果表明，理論結(jié) 果與實驗結(jié)果符合較好，統(tǒng)計力學(xué)模型可以較好地解釋抗凍蛋白的熱滯活性： 抗凍蛋白化學(xué)勢的增加會導(dǎo)致熱滯溫度的升高，抗凍蛋白與冰晶間的相互作用 能明顯影響熱滯溫度 二、 利用統(tǒng)計熱力學(xué)理論和溶液格點模型，在不計入分子間相互作用影 響的初級近似下，討論了鏈狀蛋白質(zhì)分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)結(jié)果表明，溶液 的吉布斯函數(shù)隨蛋白質(zhì)分子濃度增加先降低后升高，吉布斯函數(shù)的最小值隨蛋 白質(zhì)分子鏈長增加而向其濃度小的方向移動；溶液吉布斯函數(shù)隨溫度升高而降 低蛋白質(zhì)分子的化學(xué)勢隨其濃度增加而增加；當(dāng)溶液濃度很低時，蛋白質(zhì)分 子化學(xué)勢隨溫度的升高而降低，當(dāng)超過一定濃度時，蛋白質(zhì)分子化學(xué)勢隨溫度 的升高而增加作為該理論的應(yīng)用，計算了第一類抗凍蛋白分子的化學(xué)勢將 計算結(jié)果與理想溶液模型結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，即使?jié)舛群艿?，抗凍蛋白溶液也不?簡單地用理想溶液模型描述 三、計入蛋白質(zhì)分子與水分子間相互作用的影響，詳細討論了第一類抗 凍蛋白溶液的熱力學(xué)性質(zhì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溶液的吉布斯函數(shù)隨濃度的變化先降低， 而后很快升高；溶液中第一類抗凍蛋白分子的化學(xué)勢隨濃度增加而增大，水分 子的化學(xué)勢隨抗凍蛋白分子濃度的增加而降低，從而使得溶液的吉布斯函數(shù)先 降低后升高同時，還分析了加入抗凍蛋白分子使得溶液冰點溫度的降低即依 數(shù)效應(yīng)計算給出的冰點溫度降低值很小，在討論溶液性質(zhì)及抗凍蛋白熱滯活 性時通常被忽略，這表明抗凍蛋白的抗凍機理以非依數(shù)效應(yīng)為主 四、鑒于抗凍蛋白分子與冰晶間的相互作用能對熱滯溫度有重要影響， 理論計算了抗凍蛋白分子與冰晶的相互作用能計算中，假定與冰晶有相互作 用的只是處于某些位置的氨基酸基團，且為v a nd e rw a a l s 相互作用，同時計入 相鄰基團問排斥相互作用的影響以幾種第一類抗凍蛋白為例，計算了蛋白質(zhì) 分子與冰晶的相互作用能結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第一類抗凍蛋白與冰晶的相互作用能與 他們的丙氨酸( 或蘇氨酸) 上的甲基的個數(shù)有關(guān)，同時，與這些氨基酸與冰晶 的距離也有關(guān)系，甲基的個數(shù)越多，相互作用能越大，與冰晶的距離越大，相 互作用能越小 五、進一步改進統(tǒng)計力學(xué)模型，計入蛋白質(zhì)分子在冰晶表面吸附時的取 向，重新計算了第一類抗凍蛋白分子的熱滯活性結(jié)果表明，計入吸附方向性 后的熱滯溫度略小于不考慮吸附方向性的結(jié)果，這是由于計入吸附方向性后的 覆蓋度較原來小造成的抗凍蛋白分子的化學(xué)勢及其與冰晶的相互作用能的大 小影響其在冰晶表面的覆蓋度，進而影響熱滯溫度的大小計入吸附方向性的 統(tǒng)計力學(xué)模型可以更好的解釋第一類抗凍蛋白的熱滯活性，故吸附方向性不能 忽略 關(guān)鍵詞：第一類抗凍蛋白；熱滯活性；統(tǒng)計熱力學(xué)；配分函數(shù)；自由能；吉布 斯函數(shù)；化學(xué)勢；相互作用能；吸附方向 m t h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c ss t u d i e so f t y p eia n t i f r e e z ep r o t e i n s a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n dt e s t c o n d i t i o n s ，p e o p l e g r a d u a l l yi s o l a t e dd i f f e r e n tt y p e so fa n t i f r e e z ep r o t e i n sf r o mt h eo r g a n i s m so fo c e a n f i s h e s ，t e r r e s t r i a li n s e c t s ，p l a n t s ，b a c t e r i aa n df u n g i ，a n dt h eg e n es e q u e n c e sa n d s t r u c t u r e so ft h e s ea n t i f r e e z ep r o t e i n sw e r ea l s od e t e r m i n e d t h e s ep r o t e i n sh a v en o t o n l yaw e a l t ho fs t r u c t u r a li n f o r m a t i o n ，b u ta l s ot h es p e c i a la n t i f r e e z i n gp r o p e r t i e s ， s ot h a ti tm a k e st h e s ea n t i f r e e z ep r o t e i n sh a v eb r o a da p p l i c a t i o n a lp r o s p e c t s ，a n d t h u st h e i rs t u d yi sa l s oc o n c e r n e di nm a n yf i e l d s ，f r o mm o l e c u l a rb i o l o g yt o b i o l o g i c a lp h y s i c st oc h e m i c a lf i e l d ，f r o mo c e a n o g r a p h yt of i s h e r i e se c o l o g ya n d t h e nt ot h ef i e l do fb i o l o g i c a le v o l u t i o n i nr e c e n ty e a r s ，i th a sa l s oa t t r a c t e dt h e i n t e r e s to ft h eb u s i n e s sc o m m u n i t y i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c s a n ds t a t i s t i c a lt h e r m o d y n a m i c st h e o r y , t h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e li se s t a b l i s h e d ， a n di ti sa p p l i c a b l et oe x p l a i nt h et h e r m a lh y s t e r e s i sa c t i v i t yo ft h et y p eia n t i f r e e z e p r o t e i n ( a f p i ) b yu s i n gt h e s o l u t i o nl a t t i c em o d e la n dn o n c o n s i d e r i n gt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u l e s ，t h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fl i n e a rp r o t e i n m o l e c u l a rs o l u t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l ；b a s e do nt h i s ，t h et h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e so fa f p is o l u t i o na r es t u d i e df u r t h e rw h e nt h ep r o t e i n w a t e ri n t e r a c t i o ni s a l s oc o n s i d e r e d t h ei n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e na f p ia n di c ec r y s t a li sc a l c u l a t e d t h e o r e t i c a l l y f i n a l l y , t h ea d s o r p t i o no r i e n t a t i o no fa f p i so nt h ei c es u r f a c ei s c o n s i d e r e di nt h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e l s o m em a i nr e s u l t so ft h et h e s i sa r e g e n e r a l i z e da sf o l l o w i n g ： 【1 】b yu s i n gs t a t i s t i c a lt h e r m o d y n a m i c st h e o r y , t h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e l i se s t a b l i s h e d ，a n di ti sa p p l i c a b l et oe x p l a i nt h et h e r m a lh y s t e r e s i sa c t i v i t yo fa f p i t h e r m a lh y s t e r e s i s t e m p e r a t u r e so fs o m em u t a n t so fa f p i sa s f u n c t i o n so f a n t i f r e e z ep r o t e i n sc o n c e n t r a t i o na r ec a l c u l a t e d i nt h ec a l c u l a t i n gp r o c e s s ，i tg i v e s t h ep a r t i t i o nf u n c t i o n sa n df r e ee n e r g i e so ft h ei c ec r y s t a lw i t ha f p i sa d s o r p t i o n ， a n dw i t h o u ta f p ia d s o r p t i o n ，r e s p e c t i v e l y m e a nw h i l e ，i ti sc o n s i d e r e dt h e a d s o r p t i o nf a s h i o no fa f p io nt h ei c es u r f a c ei ss a m ea st h a to fi d e a lg a so ns u r f a c e t h ef u n c t i o nw h i c he x p r e s s e st h er e l a t i o no ft h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r ea n d c o v e r a g er a t ei sg i v e n ，a n dt h et h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r e so fs o m em u t a n t so f a f p ia r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t ss h o wt h a t t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ei n a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a n do u r s t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e lc a ne x p l a i nt h et h e r m a lh y s t e r e s i sa c t i v i t yo fa f p i s u c c e s s f u l l y ；t h ei n c r e a s eo fa f p ic h e m i c a lp o t e n t i a lw i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f t h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r e ，a n dt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e na f p ia n di c e a l s oi n f l u e n c e st h et h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r eo b v i o u s l y v 【2 w i t ht h ep r e l i m i n a r ya p p r o x i m a t i o no fn o n c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f i n t e r a c t i o n sb e t w e e nm o l e c u l e s ，s t a t i s t i c a lt h e r m o d y n a m i c st h e o r ya n ds o l u t i o n l a t t i c em o d e la r ea p p l i e dt od i s c u s st h et h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fl i n e a rp r o t e i n s o l u t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg i b b sf u n c t i o no ft h es o l u t i o nd e c r e a s e sw i t ht h e p r o t e i nc o n c e n t r a t i o n ，a n dw i t ht h ec o n t i n u i n gi n c r e a s eo fp r o t e i nc o n c e n t r a t i o n ，t h e g i b b sf u n c t i o nw i l lb ei n c r e a s e d ，a n dt h em i n i m u mo fg i b b sf u n c t i o nm o v e st ot h e s m a l l e rc o n c e n t r a t i o nw h e nt h ep r o t e i nm o l e c u l a rc h a i ni s l o n g e r t h eg i b b s f u n c t i o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e m p e r a t u r e t h ec h e m i c a lp o t e n t i a lo f p r o t e i ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fi t sc o n c e n t r a t i o n ，a n di t d e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ew h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni ss m a l l ，a n di ti n c r e a s e sw i t ht h e t e m p e r a t u r ew h e nt h e c o n c e n t r a t i o ne x c e e d sac e n t e r nv a l u e f i n a l l y , a sa n a p p l i c a t i o no ft h et h e o r y , t h ec h e m i c a lp o t e n t i a lo fa f p i i sc a l c u l a t e d c o m p a r i n g t h er e s u l tw i t ht h a to fi d e a ls o l u t i o n ，i tc a nb ef o u n dt h a t ，t h es o l u t i o ni sc a nn o tb e d i s c u s s e ds i m p l ya sa ni d e a ls o l u t i o ne v e nt h o u g ht h es o l u t i o ni sd i l u t e 【3 】c o n s i d e r i n g t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np r o t e i na n dw a t e rm o l e c u l e s ，t h e t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fa f p is o l u t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s u l t s s h o wt h eg i b b sf u n c t i o no ft h es o l u t i o nw i t hc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e sf i r s t l y , a n di t i n c r e a s e sq u i c k l ya st h ec o n c e n t r a t i o ns t i l li n c r e a s e s ；t h ec h e m i c a lp o t e n t i a lo fa f p i i nt h es o l u t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fa f p ic o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ec h e m i c a l p o t e n t i a l o fw a t e ri nt h es o l u t i o nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s i n g o fa f p i c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h e s er e s u l ti nt h ef a c tt h a tt h eg i b b sf u n c t i o no ft h es o l u t i o n v a r i e sw i t ht h ea f p ic o n c e n t r a t i o n ，a n dt h i sv a r i e t yf i r s td e c r e a s e sa n dt h e n v i i n c r e a s e s m e a nw h i l e ，i tg i v e st h er e s u l tt h a tt h ed e p r e s s i o no ft h es o l u t i o nf r e e z i n g p o i n tc a u s e db yt h ea d d i t i o no fa f p ii sac o l l i g a t i v ee f f e c t ，a n dt h ed e p r e s s i o no f f r e e z i n gp o i n ti sc a l c u l a t e d i ti sf o u n dt h a tt h i st e m p e r a t u r ed e p r e s s i o ni sv e r y s m a l l ，a n du s u a l l yc a nb eo m i t t e dw h e nd i s c u s s i n gt h ep r o p e r t i e so ft h es o l u t i o na n d t h et h e r m a lh y s t e r e s i s a c t i v i t y o fa n t i f r e e z ep r o t e i n s ，a n dt h i sm e a n st h a tt h e a n t i f r e e z ea c t i v i t yo fa f p si san o n c o l l i g a t i v ee f f e c t 4 】t h ef o r m a ls t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e lg i v e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h e i n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e na n t i f r e e z ep r o t e i n sa n di c ep l a y st h ei m p o r t a n tp a r to n t h et h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r e ，a n dt h e nt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e na f p i a n di c ea r ec a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y i nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s s ，i ti sc o n s i d e r e dt h a t o n l ys o m ea m i n oa c i dg r o u p sa tc e r t a i nl o c a t i o n sc a ni n t e r a c tw i t hi c e ，a n dt h i s i n t e r a c t i o ni sv a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n ，a n da tt h em e a nw h i l e ，t h er e p u l s i v e i n t e r a c t i o nb e t w e e ns a m en e i g h b o r i n gg r o u p si sa l s oc o n s i d e r e di nt h ec a l c u l a t i o n a sa ne x a m p l e ，t h ep r o t e i n i c ei n t e r a c t i o ne n e r g i e so fs o m em u t a n t so fa f p i sa r e ， c a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yb e t w e e na f p ia n di c er e l a t e st o t h en u m b e ro fm e t h y lg r o u p so nt h ea l a n i n e s ( o ft h r e o n i n e s ) ，a n di ti sa l s o i n f l u e n c e db yt h ed i s t a n c eb e t w e e na f p ia n di c e t h em o r et h en u m b e ro fm e t h y l g r o u p s ，t h el a r g e rt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yi s ；t h el a r g e rt h ed i s t a n c eb e t w e e na f p i a n di c e ，t h es m a l l e rt h ei n t e r a c t i o ne n e r g yi s 【5 w i t ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to ft h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e l ，t h e t h e r m a lh y s t e r e s i so fa f p ii sd i s c u s s e dw h e nt h ea d s o r p t i o no r i e n t a t i o ni si n c l u d e d t h er e s u l t ss h o wt h et h e r m a lh y s t e r e s i st e m p e r a t u r ei ss m a l l e rt h a nt h a to f v i l n o n c o n s i d e r i n ga d s o r p t i o no r i e n t a t i o n ，a n dt h i si sb e c a u s et h ec o v e r a g er a t eo f t h e f o r m e ri ss m a l l e rt h a nt h el a t t e r bo t ho ft h ec h e m i c a lp o t e n t i a lo fa f p ia n dt h e a f p i i c ei n t e r a c t i o ne n e r g yi n f l u e n c et h ec o v e r a g er a t e a n dt h e na f f e c tt h et h e r m a l h y s t e r e s i s t h es t a t i s t i c a lm e c h a n i c sm o d e li n c l u d i n gt h ea d s o r p t i o no r i e n t a t i o nc a n e x p r e s st h et h e r m a lh y s t e r e s i so fa f p ib e t t e r , a n dt h ea d s o r p t i o no r i e n t a t i o nc a nn o t b en e g l e c t e d k e y w o r d s ：t y p ei a n t i f r e e z e p r o t e i n ( a f p i ) ；t h e r m a lh y s t e r e s i s ；s t a t i s t i c a l t h e r m o d y n a m i c s ；p a r t i t i o nf u n c t i o n ；f r e ee n e r g y ；g i b b sf u n c t i o n ；c h e m i c a lp o t e n t i a l ； i n t e r a c t i o ne n e r g y ；a d s o r p t i o no r i e n t a t i o n v i i i 目錄 第一章緒論1 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 1 2 論文研究內(nèi)容及安排7 第二章第一類抗凍蛋白熱滯活性的統(tǒng)計力學(xué)模型的建立10 2 1 引言1 0 2 2 模型與理論l o 2 3 計算結(jié)果與討論1 5 2 4 結(jié)論2 0 第三章鏈狀蛋白質(zhì)分子溶液的統(tǒng)計熱力學(xué)性質(zhì)2 1 3 1 引言2 l 3 2 模型與理論：2 1 3 3 計算結(jié)果與討論2 3 3 3 1 鏈狀蛋白質(zhì)分子溶液的熱力學(xué)性質(zhì)2 3 3 3 2a f pi 溶液中a f p1 分子的化學(xué)勢2 8 3 4 結(jié)論3 0 第四章a f p i 溶液的熱力學(xué)性質(zhì)3 1 4 1 引言3l 4 2 模型與理論3 1 4 3 計算結(jié)果與討論3 2 4 4 結(jié)論3 8 第五章a f p l 分子與冰晶的相互作用能的計算3 9 5 1 引言3 9 5 2 模型與理論3 9 i x 5 3 計算結(jié)果與討論4 l 5 4 結(jié)論4 5 第六章a f p1 分子吸附方向性對熱滯的影響4 6 6 1 引言4 6 6 2 模型與理論4 6 6 2 1 覆蓋度的計算4 6 6 2 2 熱滯溫度與覆蓋度的關(guān)系4 8 6 3 計算結(jié)果與討論5 0 6 4 結(jié)論5 5 第七章總結(jié)5 7 參考文獻5 9 致謝7 1 攻讀學(xué)位期間發(fā)表和完成的論文7 2 x 第一一章緒論 第一章緒論 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 冷凍對大多數(shù)生物的存活是有害的不同的生物對冷凍環(huán)境的適應(yīng)能力也大不一樣， 許多生物都能夠在較冷的環(huán)境中生存，有些生物甚至可以在低于正常生存溫度的環(huán)境下生 存，其原因是這些生物體內(nèi)有能抗凍的生物分子，這種特殊的抗凍分子作為一種生物抗凍 劑越來越引起人們的重視1 9 6 9 年，d e v n e s 首次發(fā)現(xiàn)某些魚類體內(nèi)有抗冷凍的物質(zhì)， 提出了抗凍蛋白的概念幾十年來，對抗凍蛋白的研究引起了科學(xué)家們的興趣【2 1 7 1 至今 為止，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)從海洋魚類、陸地昆蟲、植物、細菌和真菌等各類生物體中分 離得到多種抗凍蛋白，并測定了它們的基因序列及結(jié)構(gòu)，近些年的研究工作主要是在抗凍 蛋白結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)上對其抗凍機制的探索1 2 1 4 大量研究發(fā)現(xiàn)，雖然不同種類的抗凍蛋 白結(jié)構(gòu)各不相同，但是它們有一個共同的性質(zhì) 1 5 1 7 】：可以降低溶液的冰晶生長點溫度， 抑制冰晶的生長，產(chǎn)生熱滯現(xiàn)象由于特殊的抗凍機制，使得抗凍蛋白在很多領(lǐng)域都有廣 泛的應(yīng)用【1 8 2 6 1 ：在農(nóng)業(yè)上，它可以起到對植物的低溫保護作用；在水產(chǎn)養(yǎng)殖上，它可以 使轉(zhuǎn)基因魚類安全過冬；在醫(yī)藥上，抗凍蛋白在冰凍手術(shù)、器官移植及低溫儲藏等方面都 有重要的應(yīng)用，等等另外，抗凍蛋白可以影響冰晶的生長，這種特殊的性質(zhì)可能會使得 抗凍蛋白未來在生物礦化研究以及納米技術(shù)方面有重要的應(yīng)用由于其廣闊的應(yīng)用前景使 得對抗凍蛋白的研究受到廣泛的關(guān)注1 2 7 1 ，從分子生物學(xué)到生物物理學(xué)到化學(xué)領(lǐng)域，從漁業(yè) 海洋學(xué)到生態(tài)學(xué)再到生物進化領(lǐng)域，近年來還引起了商業(yè)團體的興趣 從首次發(fā)現(xiàn)至今，人們對抗凍蛋白的組成和結(jié)構(gòu)做了大量的研究發(fā)現(xiàn)，具有降低冰晶 生長點溫度的抗凍蛋白大體上分為兩類【6 】，為抗凍糖蛋白( a f g p ) 和抗凍蛋白( a f p ) a f p 根據(jù)其發(fā)現(xiàn)時間的不同，又可分為a f p i 、a f p h 、a f p i h 及a f p i v 幾十年來，人們在對 a f g p 和a f p i 的研究中發(fā)現(xiàn)【5 ，2 7 3 4 1 ，組成它們分子的6 7 的氨基酸是丙氨酸( a l a n i n e ) ， 但它們的結(jié)構(gòu)是完全不同的：a f g p 分子主要是由3 肽糖單位【一a i a - a l a t h r ( 雙糖基) 一】以 不同重復(fù)度串聯(lián)而成，分子量一般在2 5 3 3 7 k d a 之間，分子內(nèi)無a l p h a 螺旋結(jié)構(gòu)a f p i 是 由3 個重復(fù)的【t h r - x ( 2 ) a s x x ( 7 ) 】片段串聯(lián)而成的a l p h a 螺旋單體結(jié)構(gòu)1 3 0 ，3 1 】，研究最多的 內(nèi)蒙占大學(xué)博士學(xué)位論文 是冬鰈( w i n t e rf l o u n d e r ) 產(chǎn)生的a f p i ，包括兩種亞型共四種，即：肝臟型a f p s ，包括h p l c 6 、 h p l c 8 、a f p 9 和皮膚型s a f p i 3 3 3 7 】a f p i i 是從胡瓜魚( o s m e r u se p r l a n u sm o r d a x ) 以 及太平洋鯡魚( c l u p e ap a l l a s i ) 中分離的富含胱氨酸的球蛋白，與鈣依賴型的c 型凝聚素碳 水化合物識別區(qū)同源1 3 8 4 1 1 a f p i i i 是從綿鰣( z o a r c e se l o n g a t e sk n e r ) 中分離出的一種球 狀結(jié)構(gòu)的蛋白分子，其分子組成與其它的抗凍蛋白完全不同，沒有占優(yōu)勢的非極性氨基酸 【4 0 4 4 1 a f p i v 是從多刺床杜父魚( m y o x o c e p h a l u so c t o d e c e m s p i n o s u s ) 中分離得到的一種 抗凍蛋白，約1 0 8 個氨基酸殘基，與可替換的脫輔基蛋白家族的成員有2 0 的序列同源1 2 8 1 隨著對抗凍蛋白研究的深入發(fā)展，人們又從昆蟲、植物及細菌真菌等體內(nèi)分離出了結(jié) 構(gòu)各異的多種抗凍蛋白昆蟲體內(nèi)的抗凍蛋白，研究較多的是從甲蟲( t e n e b r i o m o l i t o r ) 體 內(nèi)分離的抗凍蛋白和從云杉蚜蟲( c h o r i s t o n e u r a f u m i f e r a n a ) 體內(nèi)分離出的抗凍蛋白甲蟲 抗凍蛋白( t m a f p ) 為分子量為8 4 k d a 的規(guī)則的右手p 螺旋結(jié)構(gòu)的分子；云杉蚜蟲抗凍蛋 白( c f a f p ) 的分子量在9 0 k d a 左右，其結(jié)構(gòu)為規(guī)則的左手p 一螺旋結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，在相 同的條件下，昆蟲的熱滯活性比魚類抗凍蛋白的熱滯活性要高許多，有時可達1 0 1 0 0 倍 【7 1 0 ，4 5 5 4 】 對植物體內(nèi)抗凍蛋白的研究發(fā)現(xiàn)，其抗凍蛋白活性最低，一般為 o 2 0 4 。c 11 ，1 2 ，5 5 。5 8 同時，發(fā)現(xiàn)南極細菌體內(nèi)也具有抗凍活性的成分【1 4 】 幾十年來，人們研究發(fā)現(xiàn)，各種抗凍蛋白的氨基酸組成各不相同，空間結(jié)構(gòu)也存在很 大差別，但是它們的抗凍機理基本相同，即：與冰晶的某些特定的晶面結(jié)合，改變冰晶的 生長習(xí)慣或阻礙冰晶繼續(xù)生長，降低溶液的冰晶生長點溫度，而不影響冰晶的熔點溫度， 產(chǎn)生熱滯效應(yīng)1 1 5 1 7 】冰晶的熔點溫度與冰晶生長點溫度之差叫做熱滯溫度，用來描述抗 凍蛋白的熱滯活性抗凍蛋白非依數(shù)地降低冰晶生長點的溫度，當(dāng)溶劑的種類和數(shù)量確定 后，其熱滯溫度僅與抗凍蛋白分子在溶液中的數(shù)量( 濃度) 有關(guān)，隨濃度的增加，熱滯溫 度非依數(shù)性的增加，同時，當(dāng)濃度繼續(xù)增加達到一定值后，熱滯溫度不再增加，而是趨于 一個定值，即達到一最大值 5 7 6 1 】將純水中的冰晶形狀與有抗凍蛋白的水溶液中冰晶的 形狀進行對比，發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白吸附于冰晶表面后，改變了冰晶的生長習(xí)性，而不同的抗凍 蛋白對冰晶生長習(xí)慣的改變也不相同，有的使冰晶變?yōu)殡p金字塔型，有的抗凍蛋白使冰晶 變?yōu)榱庵?，等?6 2 6 6 隨著對抗凍蛋白的研究越來越多，對抗凍蛋白抗凍機理的理論研究也越來越受到人們 的關(guān)注，出現(xiàn)了許多理論模型來解釋抗凍蛋白的抗凍機制根據(jù)其基本理論的不同，對抗 凍蛋白抗凍機制的理論研究大體上分為三類：依數(shù)現(xiàn)象，成核抑制和吸附抑制依數(shù)現(xiàn)象 2 第一章緒論 理論是根據(jù)h o r y 的溶液晶格理論，認為溶液的冰點溫度和冰晶生長點溫度是同一個值，抗 凍蛋白的加入會導(dǎo)致溶液的冰點溫度以正比于抗凍蛋白濃度的方式降低，但是，事實上， 抗凍蛋白的存在僅降低了溶液中冰晶生長點的溫度，而溶液的冰點溫度沒有變化，理論與 實驗事實不符 1 6 ，6 7 6 8 1 ；成核抑制理論認為，冰核存在一個臨界半徑r ，當(dāng)溶液中的冰核半 徑大于臨界半徑r 時，冰核可以繼續(xù)生長；當(dāng)冰核的半徑小于r 時，冰核會消失在溶液中溶 液中抗凍蛋白通過降低冰核的成核速率，阻礙冰核的形成來降低溶液中冰晶的生長點溫度， 引起熱滯【1 6 ，6 9 】，而實驗觀察到，多數(shù)抗凍蛋白可以改變冰晶的生長習(xí)性，使冰晶