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The low-entropy hydration shell mediated ice-binding mechanism of antifreeze proteins

抗冻蛋白 化学 冰晶 溶剂化壳 分子动力学 无定形冰 溶剂化 化学物理 分子 熵(时间箭头) 结晶学 热力学 计算化学 无定形固体 有机化学 物理 生物化学 光学
作者
Shuai Guo,Lin Yang,Chengyu Hou,Shenda Jiang,Xiaoliang Ma,Liping Shi,Bing Zheng,Lin Ye,Xiaodong He
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier]
卷期号:277: 134562-134562
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2024.134562
摘要

Antifreeze proteins (AFPs) can inhibit ice crystal growth. The ice-binding mechanism of AFPs remains unclear, yet the hydration shells of AFPs are thought to play an important role in modulating the binding of AFPs and ice. Here, we performed all-atom molecular dynamics simulations of an AFP from Choristoneura fumiferana (CfAFP) at four different temperatures, with a focus on analysis at 240 and 300 K, to investigate the dynamic and thermodynamic characteristics of hydration shells around ice-binding surfaces (IBS) and non-ice-binding surfaces (NIBS). Our results revealed that the dynamics of CfAFP hydration shells were highly heterogeneous, with its IBS favoring a less dense and more tetrahedral solvation shell, and NIBS hydration shells having opposite features to those of the IBS. The IBS of nine typical hyperactive AFPs were found to be in pure low-entropy hydration shell region, indicating that low-entropy hydration shell region of IBS and the tetrahedral arrangements of water molecules around them mediate the ice-binding mechanism of AFPs. It is because the entropy increase of the low-entropy hydration shell around IBS, while the higher entropy water molecules at NIBS most likely prevent ice crystal growth. These findings provide new mechanistic insights into the ice-binding of AFPs.
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