图2:不同大小蛋白质的可变性和形状因子之间的关系,表现出类似临界行为的特征,揭示了蛋白质结构涨落的基本物理特点。自然界的蛋白质分子倾向出现在临界性最强的形状因子附近。

(D) 当温度从15 °C升到42 °C,柔性变化>
0.5Å的氨基酸残基数随生物适应温度升高而降低。

(物理学院 科学技术处)

厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室、海洋与地球学院董云伟教授与斯坦福大学George
N. Somero
教授等学者合作开展了海洋软体动物蛋白质温度适应机制的研究。2018年1月23日,研究成果以“Structural
flexibility and protein adaptation to temperature: Molecular dynamics
analysis of malate dehydrogenases of marine molluscs”为题,在Proceedings
of the National Academy of Sciences of the United States of America
(PNAS)在线发表,揭示了软体动物细胞质苹果酸脱氢酶结构稳定性和功能适应性的趋同进化模式。

该项工作通过对蛋白质结构数据的统计分析和相关物理特性的刻画研究,在结构生物学实验和理论与统计物理学理论之间架起了桥梁,为人们揭示生物分子进化的原理提供了新思路,对理解蛋白质的折叠、变构和聚集等动力学过程具有重要的理论意义。临界性本身为蛋白质设计提供理论基础,可为药物和抗体的设计等问题提供新的启示和参考。该项工作推进了人们对蛋白质分子体系结构和功能的认识。研究项目得到国家自然科学基金和科技部973计划等项目的支持,以及人工微结构科学与技术协同创新中心的支持。

责任编辑:黄伟彬

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为适应不同的生境温度,酶分子需要保持稳定性和柔性之间的平衡,在一定温度范围内,既保证结构的稳定性同时维持酶的催化活性,这是生物对环境温度的长期进化适应。在高潮间带耐高温贝类中,cMDH局部柔性的增长使酶在较低的温度下能维持催化功能,并在高温条件保持结构稳定和催化功能。该研究以具有不同水平和垂直分布、生境原位温度跨度达60
°C的五个属12种海洋软体动物为研究对象,结合生化实验手段和计算机模拟实验方法,进一步定量测定了cMDH稳定性和柔性变化程度。研究发现,随温度升高,冷适应蛋白质稳定性和活性下降趋势更明显。蛋白质骨架原子热诱导运动程度与生物适应温度之间存在显著的负相关关系;当温度从15
°C升至42 °C,柔性变化 >
0.5Å的氨基酸残基数随生物适应温度升高而降低。此外,该研究还定位了海洋软体动物cMDH温度适应性变化发生的位点/区域,指出了氨基酸序列变异位点对其的“远端效应”。

唐乾元他们从蛋白质功能运动的物理过程出发指出:一方面,蛋白质分子必须具有一定柔性且足够敏感,才能保证其在细胞环境中捕捉和感受各种信号,从而发生构象变化和行使生物功能;另一方面,如果分子柔性过大,在环境扰动影响下,其结构会变得很不稳定,从而影响其功能的实现。围绕这种竞争和平衡,他们运用统计物理,对蛋白质结构数据库中相关的蛋白质分子结构集合进行统计分析,发现蛋白质分子中氨基酸之间的位置涨落存在长程关联,关联长度与分子尺度大小相当,标度后的关联函数展示出普适行为。结果表明,不管蛋白质分子大小如何,分子中某一氨基酸残基的运动,会被分子内其他氨基酸残基感受到。还发现蛋白质分子在特定形状因子附近的涨落特性具有临界标度行为,更多的蛋白质分子具有更大的涨落或更大的可变性。这些特征与统计物理学中相变的临界现象非常相似,蛋白质分子的天然态结构正是在有序和无序之间达到了其临界点。揭示在自然进化和选择过程中,蛋白质分子需要在结构的稳定性和可变性之间达成某种平衡,这种竞争和平衡在蛋白质结构和功能层面上对应着相关的临界特性,从而展现出蛋白质分子的共有结构特征。

(B)
随温度升高,冷适应物种cMDH表现出更明显的稳定性和活性下降趋势,与物种的热耐受性对应;

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