第一類抗凍蛋白的統(tǒng)計力學(xué)研究.pdf

1、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(xì)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(jìn)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

2、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(xì)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(jìn)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

3、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(rèn)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(dá)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(jìn)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

4、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

5、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?，抗凍蛋白溶液也不能簡單地用理想溶液模型描?
　　 三、計入蛋白質(zhì)分子與水分子間相互作用的影響，詳細(xì)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，

6、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Vanderwaals相互作用，同時

7、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品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(jìn)一步改進(jìn)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