第一類抗凍蛋白的統(tǒng)計力學研究.pdf

1、隨著科學技術的發(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構.這些蛋白質不僅具有豐富的結構信息，而且具有特殊的抗凍性質，這樣使得抗凍蛋白有著廣闊的應用前景，從而對它們的研究在很多領域備受關注，從分子生物學到生物物理學到化學領域，從漁業(yè)海洋學到生態(tài)學再到生物進化領域，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分子溶液的熱力學性質；在此基礎上，計入蛋白質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性質；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)計力學模型.獲得的主要結果有：
　　 一、利用統(tǒng)計熱力學的基本理論，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果進行了比較.結果表明，理論結果與實驗結果符合較好，統(tǒng)計力學模型可以較好地解釋抗凍蛋白的熱滯活性；抗凍蛋白化學勢的增加會導致熱滯溫度的升高，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，討論了鏈狀蛋白質分子溶液的熱力學性質.結果表明，溶液的吉布斯函數隨蛋白質分子濃度增加先降低后升高，吉布斯函數的最小值隨蛋白質分子鏈長增加而向其濃度小的方向移動；溶液吉布斯函數隨溫度升高而降低.蛋白質分子的化學勢隨其濃度增加而增加；當溶液濃度很低時，蛋白質分子化學勢隨溫度的升高而降低，當超過一定濃度時，蛋

5、白質分子化學勢隨溫度的升高而增加.作為該理論的應用，計算了第一類抗凍蛋白分子的化學勢.將計算結果與理想溶液模型結果比較發(fā)現，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性質.結果發(fā)現，溶液的吉布斯函數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勢隨濃度增加而增大，水分子的化學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效應.計算給出的冰點溫度降低值很小，在討論溶液性質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效應為主.
　　 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，計算了蛋白質分子與冰晶的相互作用能.結果發(fā)現，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）上的甲基的個數有關，同時，與這些氨基酸與冰晶的距離也有關系，甲基的個數越多，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)計力學模型，計入蛋白質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.結果表明，計入吸附方向性后的