游离芳香族氨基酸通过溶剂化竞争和π介导的聚集差异性重塑x型高分子量麦胶蛋白亚基

《Food Hydrocolloids》：Free Aromatic Amino Acids Differentially Remodel x-Type High-Molecular-Weight Glutenin Subunits through Solvation Competition and π-Mediated Clustering

　　**摘要要点**- x型HMW-GS对不同芳香族氨基酸呈现选择性响应。- 芳香族氨基酸改变HMW-GS界面水化。- Trp表现出持续存在的氨基酸-氨基酸接触。- Phe使*Bx7*和*Dx2*的均方半径扩展幅度最大。- 支架架构决定麸质蛋白的分子识别。---## 引言高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）是由序列编码的蛋白-聚合物支架，将分子架构转化为小麦麸质的弹性和承重行为。在*Glu-1*位点中，x型HMW-GS与y型 counterparts相比，以更大的分子量、不同的半胱氨酸分布以及特征性的重复结构域组织为标志，这些特征塑造了它们对麦谷蛋白聚合物组装和面团强度的贡献（Payne, 1987; Wrigley, 1996）。然而，仅从共价二硫键连接性无法完全理解x型HMW-GS的功能意义。其重复结构域提供了柔性的、富含相互作用的区域，其中水化、氢键、疏水接触和局部链重排可以调节分子扰动如何通过蛋白支架传播（Belton, 1999; Tatham A. S. et al., 1985）。这引出了一个更具体的分子问题：x型HMW-GS是否作为化学响应性支架，能够将小溶质身份转化为不同的构象、界面和缔合途径。芳香族氨基酸为此问题提供了一个严格的化学检验，因为尽管它们共享两性离子氨基酸骨架，但其芳香侧链的大小、电子特性、极性和水化行为差异显著。苯丙氨酸（Phe）呈现相对紧凑的苄基，主要通过疏水和色散驱动接触起作用；而色氨酸（Trp）包含更大且更易极化的吲哚π体系，能够在生物识别中产生更强的π介导和阳离子-π相互作用（Dougherty, 1996; Meyer et al., 2003）。酪氨酸（Tyr）占据中间但化学上独特的地位：其酚羟基将芳香接触与氢键及水化竞争联系起来，使其行为难以仅从疏水性来预测（Koide et al., 2009）。这些差异表明，x型HMW-GS可能通过化学特异性的相互作用途径来区分芳香族氨基酸，而非将它们作为一类均匀的疏水溶质来响应。游离氨基酸天然存在于小麦粉中，并可通过发芽、酸面团发酵和酶辅助加工过程中的谷物蛋白水解进一步积累（G?nzle et al., 2008）。在这些条件下，游离氨基酸与完整麸质蛋白共存，并可能瞬时与暴露的蛋白区域缔合。此类相互作用对麸质功能具有潜在相关性，因为界面水化和局部链运动性的变化会影响麦谷蛋白缔合和麸质网络的早期组织。Phe、Trp和Tyr之间的化学差异只有在被蛋白支架放大时才具有机制上的意义。这种相互作用模式对x型HMW-GS是合理的，因为其重复结构域呈现延展的、柔性的且组成偏向的表面，而非紧凑且定义明确的配体结合口袋。在此类体系中，小溶质不必通过单一高亲和力位点发挥作用；相反，弱而瞬时的接触可以重塑局部水化环境，改变接触持久性，并重定向早期缔合事件。优先相互作用理论和蛋白水化研究早已表明，共溶质效应源于溶质-表面缔合、排除和水介导稳定之间的平衡，而近期的原子级模拟表明，游离氨基酸可以通过重塑早期遭遇复合物来调控聚集，而不仅仅是稳定天然结构（Ball, 2008; Ng et al., 2024; Timasheff, 2002）。因此，对于x型HMW-GS，核心机制问题在于：芳香族氨基酸是否仍为外围溶剂组分，还是整合入麦谷蛋白支架的动态相互作用图谱中。实验研究已表明，游离氨基酸可通过化学上不同的机制改变小麦蛋白组织和流变行为。L-半胱氨酸通过破坏二硫键介导的蛋白交联来降低小麦粉储能模量和损耗模量，从而削弱粘弹性网络（Lambert and Kokini, 2001）。相关分析进一步表明，半胱氨酸通过巯基-二硫键交换改变小麦麸质蛋白的分子量分布和功能特性（Li et al., 1996, 1998）。相比之下，L-赖氨酸可在热处理下促进小麦麸质展开、表面疏水性、聚集、持水能力和凝胶强度（Li et al., 2022）。这些发现确立了游离氨基酸能够影响麸质组装和流变特性，但先前工作主要关注氧化还原活性或带电氨基酸。关于游离芳香族氨基酸对完整HMW-GS的非共价效应的直接实验证据仍然有限。先前针对麸质蛋白的分子动力学研究主要考察了HMW-GS的内在构象特征、面团搅拌过程中亚基依赖的麸质聚集，以及盐类等加工因素对麦谷蛋白行为的调节（Yang et al., 2025a, 2025b）。这些研究确立了HMW-GS序列架构影响构象稳定性和麸质聚集，但未涉及化学相关的游离芳香族氨基酸如何在完整HMW-GS界面上被差异性组织。此外，涉及芳香族氨基酸的疏水、π-π、阳离子-π和氢键相互作用的普遍作用已得到充分确立（Dougherty, 1996; Meyer et al., 2003）。然而，这种已确立的相互作用化学并不能预测Phe、Trp和Tyr是否在不同HMW-GS支架中产生等价响应。因此，本研究采用受控的3×3设计，包含三种完整x型HMW-GS（*Ax1*、*Bx7*和*Dx2*）和三种游离芳香族氨基酸（Phe、Trp和Tyr）。通过将构象分析与竞争水化、残基级占据、接触持久性、分子流动性以及芳香自聚集相结合，我们确定芳香氨基酸化学和HMW-GS架构如何共同决定界面组织和构象重塑。因此，本工作的新颖性不在于识别芳香相互作用本身，而在于解析其对完整、富含重复序列的x型HMW-GS构象和界面行为的氨基酸特异性和亚基依赖性效应。---## 章节摘要### 2.1 HMW-GS-氨基酸体系的构建选择三种x型高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）——*Ax1*、*Bx7*和*Dx2*——作为分子动力学模拟的代表性麦谷蛋白支架。其核苷酸序列通过RT-PCR扩增和测序从小麦品种宁麦9中实验测定，随后翻译为对应的氨基酸序列。初始三维结构通过I-TASSER服务器使用迭代穿线模板组装方法进行预测。### 3.1 HMW-GS对芳香族氨基酸的构象响应使用结构快照、RMSD、Rg和SASA分析评估了*Ax1*、*Bx7*和*Dx2*对Phe、Trp和Tyr的构象响应（图1a-d）。在所有体系中，模拟早期阶段发生了快速的结构调整，随后在约40-50 ns后进入相对稳定的采样阶段。因此，采用平台期区域来比较天然体系和含芳香氨基酸体系的平衡构象行为。代表性快照### 4 讨论芳香介导的缩聚为本次模拟中观察到的聚集现象提供了更广泛的物理化学背景。实验研究表明，小麦醇溶蛋白可通过短程吸引、长程排斥、蛋白构象和溶剂依赖的弱相互作用之间的平衡而发生液-液相分离（Boire et al., 2018; Sahli et al., 2019）。更近期，Cochereau等人（2024）表明小麦γ-醇溶蛋白的相行为是……### 5 结论总之，本次模拟表明，游离芳香族氨基酸与x型HMW-GS构象和界面行为中存在化学特异性和亚基依赖性的差异相关联，而非仅由疏水性决定的均匀响应。尽管Phe、Trp和Tyr共享芳香特征，但其不同的侧链化学被*Ax1*、*Bx7*和*Dx2*差异性地转化为构象扩展、局部柔韧性等方面的变化。### 6 CRediT作者贡献声明**Jiang Hao：** 验证、监督、资源、项目管理。**Dai Xing-long：** 方法学、调查研究、形式化分析。**Wang Pei：** 方法学、调查研究。**Wang Bo：** 软件、方法学、形式化分析。**Yang Tao：** 撰写——初稿、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、形式化分析、数据整理、概念化。**Li Chen：** 撰写——审阅与编辑、调查研究、资金获取。### 7 未引用参考文献De Sancho and Lopez, 2025; Ho and Huang, 2022; Hunter and Sanders, 1990; Koide and Sidhu, 2009; Maurer and Oostenbrink, 2019; Ng and Konermann, 2024; Swaminathan and Mana, 2025; Tatham et al., 1990.### 8 备注作者声明不存在利益冲突。## 利益冲突声明作者声明不存在竞争性的经济利益关系。## 致谢本工作受陕西省重点研发计划（项目编号：2026NC-YBXM-361）、小麦改良国家重点实验室开放基金（WIKF202504）、陕西省校园联合招聘与人才利用专项（TG20250830）、呼和浩特基础研究和应用基础研究计划（2025011030205986）、西北农林科技大学博士研究生科研基金（编号：Z1090124051）以及国家自然科学基金（32572488）资助。---Tao Yang|Bo Wang|Pei Wang|Xing-long Dai|Hao Jiang|Chen Li