（理论物理专业论文）第一类抗冻蛋白的统计力学研究.pdf

l i i iii ii i i ii ii i i ii ii ii y 17 3 6 4 3 3 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得由墓直太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 磐7 勘 学位论文作者签名：查丝多：指导教师签名 日 期：丝f 壁：盍：塑 日期 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后 使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蘩古大学就读期间导师的同意；若用 于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：亟叁 指导教师签 日 期：翌里：苎：至堑 日 第一类抗冻蛋白的统计力学研究 摘要 随着科学技术的发展和实验条件的不断完善，人们陆续从海洋鱼类、陆地 昆虫、植物、细菌和真菌等各类生物体中分离得到多种不同类型的抗冻蛋白， 并测定了它们的基因序列和结构这些蛋白质不仅具有丰富的结构信息，而且 具有特殊的抗冻性质，这样使得抗冻蛋白有着广阔的应用前景，从而对它们的 研究在很多领域备受关注，从分子生物学到生物物理学到化学领域，从渔业海 洋学到生态学再到生物进化领域，近年来还引起了商业团体的兴趣本文利用 统计热力学的理论，建立了适用于解释第一类抗冻蛋白热滞活性的统计力学模 型在不计入分子间相互作用的近似下，用溶液格点模型详细讨论了链状蛋白 质分子溶液的热力学性质；在此基础上，计入蛋白质分子与水分子间相互作用 的影响，讨论了第一类抗冻蛋白溶液的热力学性质；理论计算了第一类抗冻蛋 白分子与冰晶的相互作用能；进一步研究了计入抗冻蛋白分子在冰晶表面的吸 附方向性后的统计力学模型获得的主要结果有： 一、利用统计热力学的基本理论，建立了适用于解释第一类抗冻蛋白热 滞活性的统计力学模型，计算了几种第一类抗冻蛋白的热滞温度随浓度的变化 曲线计算过程中，分别给出了抗冻蛋白分子吸附前后冰晶表面系统的配分函 数及自由能，同时，认为抗冻蛋白分子在冰晶表面的吸附方式与理想气体表面 吸附方式相同给出了热滞温度与覆盖度的关系表达式，并计算了几种第一类 抗冻蛋白的热滞温度，并且与已有的实验结果进行了比较结果表明，理论结 果与实验结果符合较好，统计力学模型可以较好地解释抗冻蛋白的热滞活性： 抗冻蛋白化学势的增加会导致热滞温度的升高，抗冻蛋白与冰晶间的相互作用 能明显影响热滞温度 二、 利用统计热力学理论和溶液格点模型，在不计入分子间相互作用影 响的初级近似下，讨论了链状蛋白质分子溶液的热力学性质结果表明，溶液 的吉布斯函数随蛋白质分子浓度增加先降低后升高，吉布斯函数的最小值随蛋 白质分子链长增加而向其浓度小的方向移动；溶液吉布斯函数随温度升高而降 低蛋白质分子的化学势随其浓度增加而增加；当溶液浓度很低时，蛋白质分 子化学势随温度的升高而降低，当超过一定浓度时，蛋白质分子化学势随温度 的升高而增加作为该理论的应用，计算了第一类抗冻蛋白分子的化学势将 计算结果与理想溶液模型结果比较发现，即使浓度很低，抗冻蛋白溶液也不能 简单地用理想溶液模型描述 三、计入蛋白质分子与水分子间相互作用的影响，详细讨论了第一类抗 冻蛋白溶液的热力学性质结果发现，溶液的吉布斯函数随浓度的变化先降低， 而后很快升高；溶液中第一类抗冻蛋白分子的化学势随浓度增加而增大，水分 子的化学势随抗冻蛋白分子浓度的增加而降低，从而使得溶液的吉布斯函数先 降低后升高同时，还分析了加入抗冻蛋白分子使得溶液冰点温度的降低即依 数效应计算给出的冰点温度降低值很小，在讨论溶液性质及抗冻蛋白热滞活 性时通常被忽略，这表明抗冻蛋白的抗冻机理以非依数效应为主 四、鉴于抗冻蛋白分子与冰晶间的相互作用能对热滞温度有重要影响， 理论计算了抗冻蛋白分子与冰晶的相互作用能计算中，假定与冰晶有相互作 用的只是处于某些位置的氨基酸基团，且为v a nd e rw a a l s 相互作用，同时计入 相邻基团问排斥相互作用的影响以几种第一类抗冻蛋白为例，计算了蛋白质 分子与冰晶的相互作用能结果发现，第一类抗冻蛋白与冰晶的相互作用能与 他们的丙氨酸( 或苏氨酸) 上的甲基的个数有关，同时，与这些氨基酸与冰晶 的距离也有关系，甲基的个数越多，相互作用能越大，与冰晶的距离越大，相 互作用能越小 五、进一步改进统计力学模型，计入蛋白质分子在冰晶表面吸附时的取 向，重新计算了第一类抗冻蛋白分子的热滞活性结果表明，计入吸附方向性 后的热滞温度略小于不考虑吸附方向性的结果，这是由于计入吸附方向性后的 覆盖度较原来小造成的抗冻蛋白分子的化学势及其与冰晶的相互作用能的大 小影响其在冰晶表面的覆盖度，进而影响热滞温度的大小计入吸附方向性的 统计力学模型可以更好的解释第一类抗冻蛋白的热滞活性，故吸附方向性不能 忽略 关键词：第一类抗冻蛋白；热滞活性；统计热力学；配分函数；自由能；吉布 斯函数；化学势；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 目录 第一章绪论1 1 1 国内外研究现状1 1 2 论文研究内容及安排7 第二章第一类抗冻蛋白热滞活性的统计力学模型的建立10 2 1 引言1 0 2 2 模型与理论l o 2 3 计算结果与讨论1 5 2 4 结论2 0 第三章链状蛋白质分子溶液的统计热力学性质2 1 3 1 引言2 l 3 2 模型与理论：2 1 3 3 计算结果与讨论2 3 3 3 1 链状蛋白质分子溶液的热力学性质2 3 3 3 2a f pi 溶液中a f p1 分子的化学势2 8 3 4 结论3 0 第四章a f p i 溶液的热力学性质3 1 4 1 引言3l 4 2 模型与理论3 1 4 3 计算结果与讨论3 2 4 4 结论3 8 第五章a f p l 分子与冰晶的相互作用能的计算3 9 5 1 引言3 9 5 2 模型与理论3 9 i x 5 3 计算结果与讨论4 l 5 4 结论4 5 第六章a f p1 分子吸附方向性对热滞的影响4 6 6 1 引言4 6 6 2 模型与理论4 6 6 2 1 覆盖度的计算4 6 6 2 2 热滞温度与覆盖度的关系4 8 6 3 计算结果与讨论5 0 6 4 结论5 5 第七章总结5 7 参考文献5 9 致谢7 1 攻读学位期间发表和完成的论文7 2 x 第一一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 冷冻对大多数生物的存活是有害的不同的生物对冷冻环境的适应能力也大不一样， 许多生物都能够在较冷的环境中生存，有些生物甚至可以在低于正常生存温度的环境下生 存，其原因是这些生物体内有能抗冻的生物分子，这种特殊的抗冻分子作为一种生物抗冻 剂越来越引起人们的重视1 9 6 9 年，d e v n e s 首次发现某些鱼类体内有抗冷冻的物质， 提出了抗冻蛋白的概念几十年来，对抗冻蛋白的研究引起了科学家们的兴趣【2 1 7 1 至今 为止，国内外研究人员已经从海洋鱼类、陆地昆虫、植物、细菌和真菌等各类生物体中分 离得到多种抗冻蛋白，并测定了它们的基因序列及结构，近些年的研究工作主要是在抗冻 蛋白结构信息的基础上对其抗冻机制的探索1 2 1 4 大量研究发现，虽然不同种类的抗冻蛋 白结构各不相同，但是它们有一个共同的性质 1 5 1 7 】：可以降低溶液的冰晶生长点温度， 抑制冰晶的生长，产生热滞现象由于特殊的抗冻机制，使得抗冻蛋白在很多领域都有广 泛的应用【1 8 2 6 1 ：在农业上，它可以起到对植物的低温保护作用；在水产养殖上，它可以 使转基因鱼类安全过冬；在医药上，抗冻蛋白在冰冻手术、器官移植及低温储藏等方面都 有重要的应用，等等另外，抗冻蛋白可以影响冰晶的生长，这种特殊的性质可能会使得 抗冻蛋白未来在生物矿化研究以及纳米技术方面有重要的应用由于其广阔的应用前景使 得对抗冻蛋白的研究受到广泛的关注1 2 7 1 ，从分子生物学到生物物理学到化学领域，从渔业 海洋学到生态学再到生物进化领域，近年来还引起了商业团体的兴趣 从首次发现至今，人们对抗冻蛋白的组成和结构做了大量的研究发现，具有降低冰晶 生长点温度的抗冻蛋白大体上分为两类【6 】，为抗冻糖蛋白( a f g p ) 和抗冻蛋白( a f p ) a f p 根据其发现时间的不同，又可分为a f p i 、a f p h 、a f p i h 及a f p i v 几十年来，人们在对 a f g p 和a f p i 的研究中发现【5 ，2 7 3 4 1 ，组成它们分子的6 7 的氨基酸是丙氨酸( a l a n i n e ) ， 但它们的结构是完全不同的：a f g p 分子主要是由3 肽糖单位【一a i a - a l a t h r ( 双糖基) 一】以 不同重复度串联而成，分子量一般在2 5 3 3 7 k d a 之间，分子内无a l p h a 螺旋结构a f p i 是 由3 个重复的【t h r - x ( 2 ) a s x x ( 7 ) 】片段串联而成的a l p h a 螺旋单体结构1 3 0 ，3 1 】，研究最多的 内蒙占大学博士学位论文 是冬鲽( w i n t e rf l o u n d e r ) 产生的a f p i ，包括两种亚型共四种，即：肝脏型a f p s ，包括h p l c 6 、 h p l c 8 、a f p 9 和皮肤型s a f p i 3 3 3 7 】a f p i i 是从胡瓜鱼( o s m e r u se p r l a n u sm o r d a x ) 以 及太平洋鲱鱼( c l u p e ap a l l a s i ) 中分离的富含胱氨酸的球蛋白，与钙依赖型的c 型凝聚素碳 水化合物识别区同源1 3 8 4 1 1 a f p i i i 是从绵鲥( z o a r c e se l o n g a t e sk n e r ) 中分离出的一种球 状结构的蛋白分子，其分子组成与其它的抗冻蛋白完全不同，没有占优势的非极性氨基酸 【4 0 4 4 1 a f p i v 是从多刺床杜父鱼( 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 ) 中分离得到的一种 抗冻蛋白，约1 0 8 个氨基酸残基，与可替换的脱辅基蛋白家族的成员有2 0 的序列同源1 2 8 1 随着对抗冻蛋白研究的深入发展，人们又从昆虫、植物及细菌真菌等体内分离出了结 构各异的多种抗冻蛋白昆虫体内的抗冻蛋白，研究较多的是从甲虫( t e n e b r i o m o l i t o r ) 体 内分离的抗冻蛋白和从云杉蚜虫( c h o r i s t o n e u r a f u m i f e r a n a ) 体内分离出的抗冻蛋白甲虫 抗冻蛋白( t m a f p ) 为分子量为8 4 k d a 的规则的右手p 螺旋结构的分子；云杉蚜虫抗冻蛋 白( c f a f p ) 的分子量在9 0 k d a 左右，其结构为规则的左手p 一螺旋结构研究发现，在相 同的条件下，昆虫的热滞活性比鱼类抗冻蛋白的热滞活性要高许多，有时可达1 0 1 0 0 倍 【7 1 0 ，4 5 5 4 】 对植物体内抗冻蛋白的研究发现，其抗冻蛋白活性最低，一般为 o 2 0 4 。c 11 ，1 2 ，5 5 。5 8 同时，发现南极细菌体内也具有抗冻活性的成分【1 4 】 几十年来，人们研究发现，各种抗冻蛋白的氨基酸组成各不相同，空间结构也存在很 大差别，但是它们的抗冻机理基本相同，即：与冰晶的某些特定的晶面结合，改变冰晶的 生长习惯或阻碍冰晶继续生长，降低溶液的冰晶生长点温度，而不影响冰晶的熔点温度， 产生热滞效应1 1 5 1 7 】冰晶的熔点温度与冰晶生长点温度之差叫做热滞温度，用来描述抗 冻蛋白的热滞活性抗冻蛋白非依数地降低冰晶生长点的温度，当溶剂的种类和数量确定 后，其热滞温度仅与抗冻蛋白分子在溶液中的数量( 浓度) 有关，随浓度的增加，热滞温 度非依数性的增加，同时，当浓度继续增加达到一定值后，热滞温度不再增加，而是趋于 一个定值，即达到一最大值 5 7 6 1 】将纯水中的冰晶形状与有抗冻蛋白的水溶液中冰晶的 形状进行对比，发现抗冻蛋白吸附于冰晶表面后，改变了冰晶的生长习性，而不同的抗冻 蛋白对冰晶生长习惯的改变也不相同，有的使冰晶变为双金字塔型，有的抗冻蛋白使冰晶 变为六棱柱型，等等 6 2 6 6 随着对抗冻蛋白的研究越来越多，对抗冻蛋白抗冻机理的理论研究也越来越受到人们 的关注，出现了许多理论模型来解释抗冻蛋白的抗冻机制根据其基本理论的不同，对抗 冻蛋白抗冻机制的理论研究大体上分为三类：依数现象，成核抑制和吸附抑制依数现象 2 第一章绪论 理论是根据h o r y 的溶液晶格理论，认为溶液的冰点温度和冰晶生长点温度是同一个值，抗 冻蛋白的加入会导致溶液的冰点温度以正比于抗冻蛋白浓度的方式降低，但是，事实上， 抗冻蛋白的存在仅降低了溶液中冰晶生长点的温度，而溶液的冰点温度没有变化，理论与 实验事实不符 1 6 ，6 7 6 8 1 ；成核抑制理论认为，冰核存在一个临界半径r ，当溶液中的冰核半 径大于临界半径r 时，冰核可以继续生长；当冰核的半径小于r 时，冰核会消失在溶液中溶 液中抗冻蛋白通过降低冰核的成核速率，阻碍冰核的形成来降低溶液中冰晶的生长点温度， 引起热滞【1 6 ，6 9 】，而实验观察到，多数抗冻蛋白可以改变冰晶的生长习性，使冰晶