温度依赖性钙调蛋白-靶肽复合物结构稳定性的分子动力学模拟研究及其生物学意义

为解决钙调蛋白(CaM)在温度波动下的结构稳定性机制问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟分析了CaM-靶肽复合物在298-400 K温度范围内的构象变化。结果表明高温导致RMSD值升高(0.5277 nm至0.6949 nm)、α-螺旋解旋及Ca2+结合能力下降（4?内氧原子数从7.48降至6.37），揭示了CaM热敏感性的分子基础，为环境适应性研究和蛋白质工程提供理论依据。

　　

钙调蛋白(CaM)作为真核细胞中广泛存在的多功能钙传感器，通过结合Ca²⁺调控细胞增殖、分化等关键生理过程。然而，环境温度波动会显著影响其构象稳定性，进而干扰Ca²⁺信号通路。尽管前人通过实验发现CaM在25-37°C范围内物理性质改变，但分子水平的热稳定性机制仍存在认知空白。

为解决这一科学问题，衢州学院化学与材料工程学院的研究团队采用分子动力学(MD)模拟技术，系统研究了CaM-靶肽复合物在298-400 K温度梯度的结构动态变化。研究通过GROMACS软件包结合GROMOS 54A7力场，采用SPC水模型和周期性边界条件，对PDB 2BBM结构的CaM-肽复合物进行100 ns模拟，分析RMSD、氢键网络、EF-hand结构域动态等参数。

主要技术方法
研究基于NMR解析的CaM-肽复合物晶体结构(PDB 2BBM)，通过GROMACS 2020软件实施全原子MD模拟。采用NPT/NVT系综和Parrinello-Rahman压力耦合算法，设置2 fs时间步长和1.2 nm截断半径。通过DFT计算验证Ca²⁺结合位点水合效应，使用DSSP算法分析二级结构演变，Multiwfn程序进行能量分解(EDA-FF)。

结构稳定性
RMSD分析显示298 K时结构偏差为0.5277 nm，400 K时增至0.6949 nm，表明高温导致显著构象波动。EF-hand结构域呈现区域特异性变化：N/C端结构域(残基20-26/129-135)RMSD达3.5-6 nm，而中心区域(56-62/93-99)仅0.5-1 nm，反映末端更高的构象柔性。

相互作用能分析
静电相互作用主导Ca²⁺结合，298 K时库仑能为-633,460 kJ·mol^-1，400 K时降低13.6%。DFT计算证实水分子插入会延长Ca-O键距（无水时2.29 ?→3水合时2.37 ?），削弱结合能力。

氢键网络
298 K时蛋白内氢键数146.75，400 K时减少6.1%。EF-hand区域残基56-62的氢键数反常增加（2.73→3.53），提示局部解折叠而非完全变性。

Ca²⁺结合机制
4?内配位氧原子数从298 K的7.48降至400 K的6.37，375 K出现异常峰值（8.02），反映高温下溶剂分子对结合位点的竞争效应。

二级结构演变
DSSP分析显示α-螺旋含量随温度升高而减少，400 K时出现螺旋→转角→无规卷曲的级联转变，EF-hand特征性的"螺旋-环-螺旋"构象遭到破坏。

该研究首次通过多尺度模拟阐明CaM热敏感性的分子机制：温度升高通过削弱静电相互作用、破坏氢键网络和诱导α-螺旋解旋三重途径，导致Ca²⁺结合能力下降。这不仅为解释季节性温度变化对生物钟蛋白功能的影响提供理论依据，更为设计热稳定CaM突变体（如农业抗逆作物培育）指明了关键靶点。研究采用的温度梯度模拟策略（298-400 K）克服了传统实验难以捕捉瞬态构象的局限，为蛋白质环境适应性研究建立了新范式。

未来研究可结合圆二色谱和微秒级增强采样模拟，进一步验证EF-hand结构域的解折叠动力学。该成果发表于《BMC Chemistry》，为蛋白质工程和钙信号相关药物开发提供了重要理论基础。