酪氨酸突变对黄粉虫抗冻蛋白抑制甲烷水合物生长的影响： 分子动力学模拟

doi:10.7503/cjcu20260236

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (11): 20260236.doi: 10.7503/cjcu20260236

酪氨酸突变对黄粉虫抗冻蛋白抑制甲烷水合物生长的影响：分子动力学模拟

崔韶丽¹(), 张天俐², 杜炳辉², 马若瑾¹, 靳永灿¹, 叶卓³, 徐永涛²()

^1.河南医药大学法医学院
^2.医学工程学院，新乡 453003
^3.河南师范大学化学化工学院，新乡 453003

收稿日期:2026-06-12 出版日期:2026-11-10 发布日期:2026-09-03
通讯作者: 崔韶丽 E-mail:shaolicui@163.com;yxu@xxmu.edu.cn
作者简介:崔韶丽，女，博士，讲师，主要从事分子模拟方面的研究. E⁃mail： shaolicui@163.com
徐永涛，男，博士，教授，主要从事计算机辅助药物设计方面的研究. E-mail： yxu@xxmu.edu.cn
第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
河南省自然科学基金(252300420805;262300422437;252300421457);河南省科技研发计划联合基金(学科类)(252103810367);河南省高等学校重点科研项目(25B150017)

Influence of Tyrosine Mutations on the Inhibition of Methane Hydrate Growth by Tenebrio Molitor Antifreeze Protein： A Molecular Dynamics Simulation Study

CUI Shaoli¹(), ZHANG Tianli², DU Binghui², MA Ruojin¹, JIN Yongcan¹, YE Zhuo³, XU Yongtao²()

^1.School of Forensic Medicine
^2.School of Medical Engineering，Henan Medical University，Xinxiang 453003，China
^3.School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan Normal University，Xinxiang 453003，China

Received:2026-06-12 Online:2026-11-10 Published:2026-09-03
Contact: CUI Shaoli E-mail:shaolicui@163.com;yxu@xxmu.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Henan Province, China(252300420805;262300422437;252300421457);the Joint Foundation for Science and Technology Research Projects of Henan Province, China(252103810367);the Key Scientific Research Project of Higher Education Institutions in Henan Province, China(25B150017)

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摘要/Abstract

摘要：

黄粉虫抗冻蛋白（TmAFP）因其优异的冰晶抑制能力，被视为潜在的绿色甲烷水合物动力学抑制剂. 然而，其抑制水合物生长的构效关系尚不明确. 本文采用分子动力学模拟，研究了TmAFP关键苏氨酸（Thr）突变为酪氨酸（Tyr）对水合物生长抑制的影响，构建了野生型及T27Y， T39Y， T44Y突变体与水合物的复合体系. 结果表明，选择体积更大、疏水性相似的TYR并未增强TmAFP的抑制能力. 值得注意的是， T44Y突变体虽保留80%的热滞活性，却几乎完全丧失了对甲烷水合物生长的抑制能力，表明热滞活性与水合物抑制活性之间不存在正相关. 进一步分析表明， T44Y突变保留了IBS与甲烷水合物表面的局部几何互补性，但削弱了蛋白质构象刚性和界面氢键稳定性，表明静态结构匹配并不足以保证稳定吸附；而T27Y和T39Y突变则主要通过破坏IBS关键残基间距与水合物笼状结构之间的匹配，削弱蛋白质的吸附与抑制作用. 本研究揭示了TmAFP抑制甲烷水合物生长不仅依赖冰结合面与表面的结构互补，还需要蛋白质整体刚性与残基锚定能力的协同. 这一发现为理性设计基于抗冻蛋白的高效、绿色水合物抑制剂提供了理论依据.

关键词: 黄粉虫抗冻蛋白, 酪氨酸定点突变, 甲烷水合物, 分子动力学模拟, 抑制机制

Abstract:

Tenebrio molitor antifreeze protein（TmAFP） is considered a potential environmentally benign kinetic inhibitor for methane hydrate due to its excellent ice recrystallization inhibition activity. However， the structure- activity relationship of TmAFP in inhibiting methane hydrate growth remains unclear. In this study， molecular dynamics simulations were performed to investigate the effects of mutating key threonine（Thr） residues to tyrosine（Tyr） in TmAFP on methane hydrate growth inhibition. In the Thr array， residues at positions 27， 39， and 44 exhibit a greater influence on the thermal hysteresis activity of the antifreeze protein than other sites. Furthermore， the substitution with amino acids possessing larger side chains than Thr， such as tyrosine， may interfere with the ice-binding process through steric hindrance. We constructed the complex systems of wild-type and T27Y， T39Y， and T44Y mutants with methane hydrate. The results show that wild-type TmAFP exhibits the strongest inhibitory effect on methane hydrate growth， while Tyr point mutations significantly weaken this activity. Notably， although the T44Y mutant retains approximately 80% of the thermal hysteresis activity of wild-type TmAFP， it almost completely loses its ability to inhibit methane hydrate growth， indicating no positive correlation between the thermal hysteresis activity of antifreeze protein and its methane hydrate inhibition activity. Further analysis indicates that the T44Y mutation preserves the local geometric complementarity between the ice-binding surface（IBS） and the methane hydrate surface， it concurrently reduces both the conformational rigidity of the protein and the stability of interfacial hydrogen bonds. This indicates that static structural matching alone is not sufficient to guarantee stable adsorption. In contrast， the T27Y and T39Y mutations primarily impair inhibition by disrupting the matching between key residue spacings on the IBS and the cage structures of methane hydrate. This study demonstrates that the inhibition of methane hydrate growth by TmAFP requires not only structural complementarity between the IBS and the hydrate surface， but also synergy between the overall rigidity of the protein and the anchoring ability of residues on the hydrate surface. These findings provide molecular-level theoretical guidance for the rational design of efficient and green antifreeze protein-based hydrate inhibitors.

Key words: Tenebrio molitor antifreeze protein, Tyrosine site-directed mutation, Methane hydrate, Molecular dynamics simulation, Inhibitory mechanism

中图分类号:

O643

TrendMD:

崔韶丽, 张天俐, 杜炳辉, 马若瑾, 靳永灿, 叶卓, 徐永涛. 酪氨酸突变对黄粉虫抗冻蛋白抑制甲烷水合物生长的影响：分子动力学模拟. 高等学校化学学报, 2026, 47(11): 20260236.

CUI Shaoli, ZHANG Tianli, DU Binghui, MA Ruojin, JIN Yongcan, YE Zhuo, XU Yongtao. Influence of Tyrosine Mutations on the Inhibition of Methane Hydrate Growth by Tenebrio Molitor Antifreeze Protein： A Molecular Dynamics Simulation Study. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(11): 20260236.

图/表 7

Table 1 Molecular assemblies investigated

System	Molecular assembly	Atom	Box/nm³	Time/ns	Run^*
S1	TmAFP⁃methane hydrate⁃methane/water molecule assembly	62769	7.1×7.1×9.5	400	3
S2	TmAFP（T39Y）⁃methane hydrate⁃methane/water molecule assembly	62686	7.1×7.1×9.5	400	3
S3	TmAFP（T27Y）⁃methane hydrate⁃methane/water molecule assembly	62731	7.1×7.1×9.5	400	3
S4	TmAFP（T44Y）⁃methane hydrate⁃methane/water molecule assembly	62691	7.1×7.1×9.5	400	3

Fig.1 System model diagram(A) and schematic diagram(B) of TmAFP and mutation sites（A） Blue represents the initial methane hydrate， the middle area represents the mixed solution， and the right side represents the 1 nm water layer. Protein is represented by NewCartoon， methane molecules are represented by Beads in blue， and water and methane hydrate are represented by chemical bonds and hydrogen bonds， respectively.

Fig.2 Time evolution of the content of methane hydrate(A), PA2D2 in the designated areas(B), 512 cage(C) and 51262 cage(D) in assembly S1, S2, S3 and assembly S4All data are the average values of three independent simulations， and the shaded areas indicate the error bars.

Fig.3 Time evolution of hydrogen bond numbers between protein⁃water in the assemblies S1—S4(A), hydrogen bond lifetime correlation functions[C(t)] between water molecules and TmAFP and its mutants are adsorbed on methane hydrate(B), RMSD(C) and RMSF(D) of TmAFP and its mutants in assembliesThe shaded areas in panels A and D represent the error bands， and the curve in panel A has been smoothed.

Fig.4 Snapshots of periodic images of the simulation cells of methane hydrate growth obtained from the MD trajectory, at 0, 150, 200, and 400 ns, along with the hydrogen bond network diagram of water molecules within 0.5 nm around the IBS amino acidsWater molecules are displayed in red using beads.

Fig.5 Time evolution of changes in the spacing between five pairs of Thr27⁃29(A), Thr29⁃41(B), Thr29⁃53(C), Thr27⁃39(D) and Thr27⁃51(E) of key Thr residues on the IBS

Fig.6 Time evolution of φN⁃CA⁃CB⁃CG2(A, C, E) and φN⁃CA⁃CB⁃OG1(B, D, F) of Thr27(A, B), Thr39(C, D) and Thr44(E, F) in assembly S1, time evolution of φN⁃CA⁃CB⁃CG(G, I, K) and φCA⁃CB⁃CG⁃CD1(H, J, L) of Tyr27 in assembly S3(G, H), Tyr39 in assembly S2(I, J), and Tyr44 in assembly S4(K, L)The curves in the panel represent the average values of three independent simulations， and the error bars are indicated by shading.

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