【摘要】 河南工业大学卞科课题组在 Food Chemistry 发表研究，解析隐藏型基质结合态脱氧雪腐镰刀菌烯醇 DON 与小麦蛋白的分子作用机制。科学指南针唯理计算助力分子对接与 100 ns 分子动力学模拟，揭示 DON 与醇溶蛋白形成稳定复合物，关键残基包括 Gln223 和 Phe238，为小麦真菌毒素检测与精准解毒策略提供理论支持。

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这项发表在 Food Chemistry 的研究系统解析了隐藏型基质结合态脱氧雪腐镰刀菌烯醇 DON 与小麦蛋白的分子作用机制。研究发现，DON 在四类小麦蛋白中主要与醇溶蛋白发生特异性结合，并通过静态荧光猝灭形成 1:1 稳定复合物，结合过程主要由氢键、范德华力和疏水作用协同驱动。科学指南针唯理计算助力完成了该研究中的分子对接与 100 ns 分子动力学模拟，进一步揭示 DON 结合于醇溶蛋白疏水空腔，关键残基包括 Gln223 和 Phe238，为理解隐藏型 DON 难降解、难检测的分子根源及开发精准解毒策略提供了理论支持。

题目：

Molecular mechanism of hidden matrix-bound deoxynivalenol binding to proteins in wheat

隐藏型基质结合态脱氧雪腐镰刀菌烯醇与小麦蛋白质结合的分子机制

期刊名称：Food Chemistry

影响因子：一区 IF=10.4

计算项目：

1. 小麦蛋白质-醇溶蛋白与小分子毒素DON的分子对接：使用AutoDock vina 1.2.5程序将处理过的蛋白（受体）与分子（配体）进行全局对接，为后续进行二者的分子动力学模拟做准备。

2. 分子动力学模拟（MD）：从分析DON-Gliadin（G）复合物稳定性、G蛋白质高级结构、结合自由能和二者相互作用阐明DON与G之间互作的分子机制。

 

01 研究背景

小麦是全球主粮，却受赤霉病及其产生的呕吐毒素（DON）严重威胁。隐蔽型蛋白结合态DON会导致传统检测低估其含量，且阻碍毒素降解，但其与小麦蛋白的分子作用机制尚不明确，亟需深入研究以开发针对性解毒策略。

 

02 工作介绍

据此，河南工业大学卞科教授团队研究以赤霉病小麦和正常小麦提取的清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白为原料，采用荧光光谱、FTIR、圆二色谱等多光谱技术，结合分子对接与100ns分子动力学模拟，旨在阐明DON与小麦蛋白的结合机制。结果显示，DON仅与醇溶蛋白发生显著相互作用，通过静态荧光猝灭形成1:1稳定复合物，主要作用力为氢键、范德华力和疏水作用，关键结合残基为 Gln223和Phe238。结合后醇溶蛋白α-螺旋和β-折叠含量下降，β-转角和无规卷曲占比上升，表面疏水性降低，整体有序结构被破坏。

 

03 内容表述

1、DON与小麦四类蛋白的结合特异性筛选

研究人员首先筛选了DON与小麦四种主要蛋白（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白）的相互作用，通过稳态荧光光谱检测不同浓度DON下各蛋白的荧光发射变化。结果显示，仅醇溶蛋白的最大荧光强度随DON浓度升高呈显著浓度依赖性下降，表现出明显的荧光猝灭效应，其余三类蛋白的荧光强度无实质性变化。这一结果明确了小麦中醇溶蛋白是与DON发生特异性结合的唯一靶蛋白，为后续分子机制研究锁定了核心研究对象。

图1 四种蛋白的荧光发射光谱

2、DON - 醇溶蛋白静态猝灭机制与热力学特性

为阐明结合机制，研究人员开展了多温度荧光猝灭分析与荧光寿命测定。基于 Stern-Volmer 方程的计算表明，猝灭常数随温度升高而降低，且双分子猝灭速率常数远超生物大分子动态猝灭上限；同时，荧光寿命测定显示 DON 加入后醇溶蛋白的平均荧光寿命无显著变化，证实该猝灭为静态猝灭，即二者形成了非荧光性基态复合物。结合常数计算表明二者具有中等亲和力，结合比接近 1:1；热力学参数分析显示 ΔG、ΔH、ΔS 均为负值，说明结合过程自发进行，且主要由氢键和范德华力驱动。

图2 Stern-Volmer图和DON-G复体在不同温度（298、304和310 K）下的Lineweaver-Burk对数图。

图3 （A）不同浓度比下DON-G的荧光寿命衰变曲线。（B）拟合荧光寿命衰变曲线图。（C）对应的残余图。

3、DON - 醇溶蛋白非共价相互作用力定量解析

为定量区分不同非共价作用力的贡献，研究人员采用不同解离试剂处理不同摩尔比的 DON - 醇溶蛋白复合物，通过蛋白溶解度变化间接表征相互作用力类型。结果显示，氢键贡献随 DON 浓度升高先增后减，在 DON 浓度为 1×10-7 mol 时达到峰值 52%；而疏水作用则呈现先减后增的趋势，当氢键作用被饱和后逐渐成为主导作用力。这一结果与热力学分析一致，证实了 DON 与醇溶蛋白的相互作用是氢键与疏水作用协同驱动的多力耦合过程。

图4 DON-G复合物的非共价相互作用

4、DON 诱导醇溶蛋白构象与表面性质改变

研究人员联合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、同步荧光光谱与圆二色谱（CD），系统表征了 DON 结合对醇溶蛋白构象的影响。FTIR 结果显示，酰胺 A 带发生显著红移，酰胺 I、II 带出现蓝移，表明 DON 与醇溶蛋白的肽键羰基、氨基发生了相互作用；同步荧光分析表明，色氨酸残基的荧光猝灭程度远大于酪氨酸残基，且其最大发射峰发生红移，说明结合位点更靠近色氨酸残基，且其微环境极性增强；CD 光谱定量分析显示，DON 结合使醇溶蛋白的 α- 螺旋含量降低 4.29%、β- 折叠降低 2.86%，而 β- 转角和无规卷曲分别升高 3.75% 和 3.35%，蛋白整体有序性下降。

图5 （A） G的FTIR光谱与不同浓度的DON相互作用。当Δλ = 15 nm（B）和Δλ = 60 nm（C）时，在恒定浓度下获得DON与G相互作用的同步荧光光谱。（D）则获得了G与不同浓度DON相互作用的CD光谱。

5、分子水平结合机制与动力学稳定性验证

作为本研究机制解析的重要组成部分，科学指南针唯理计算助力开展了 DON 与醇溶蛋白的分子对接和 100 ns 分子动力学模拟，从复合物稳定性、结合自由能、残基贡献和蛋白构象变化等方面验证了实验结果。

研究人员通过 AlphaFold 3 构建了 α/β- 醇溶蛋白的三维结构，结合分子对接与 100 ns 分子动力学模拟，在原子水平揭示了 DON 与醇溶蛋白的结合机制。分子对接结果显示，DON 结合于醇溶蛋白的疏水空腔内，结合能为 - 5.851 kcal/mol，主要与 Gln223、Gln228 形成氢键，与 Phe238 形成 π- 烷基相互作用；分子动力学模拟证实，复合物在 40 ns 后达到动力学平衡，RMSD 值低于游离醇溶蛋白，表明结合后蛋白构象更稳定；结合自由能分解分析进一步确认，Gln223 和 Phe238 是贡献最大的关键残基，其分解自由能分别为 - 3.25 kcal/mol 和 - 3.31 kcal/mol，为靶向解毒靶点的设计提供了原子级依据。

图6 （A）G的SDS-PAGE分析。（B）α-胶蛋白的氨基酸序列。使用 AlphaFold 3 创建的 G （C）和 DON （D）的三维模型。

图7 DON-G复杂二维对接图（A）和三维对接图（B）的分子对接结果。

图8 (A）G和DON-G 复形的 RMSD 分析。（B）G和DON-G复形的RMSF分析。（C）G的二级结构分析。（D）G和DON-G复合体的SASA分析。DON-G复合物的结合自由能（E）和解离由能（F）。

 

04 文章总结

本工作结合多光谱分析与分子动力学模拟技术，系统阐明了小麦中隐蔽型基质结合态呕吐毒素（DON）与蛋白的分子作用机制。研究证实 DON 与小麦醇溶蛋白发生特异性相互作用，通过静态荧光猝灭形成 1:1 稳定基态复合物，结合过程由氢键、范德华力与疏水作用协同驱动，其中 Gln223 和 Phe238 为核心结合残基。DON 结合会破坏醇溶蛋白的氢键网络，导致 α- 螺旋、β- 折叠含量降低，β- 转角与无规卷曲占比上升，蛋白整体有序性下降并改变表面疏水性。该研究揭示了小麦基质中 DON 降解效率低的分子根源，为开发靶向破坏 DON - 蛋白相互作用的精准解毒策略提供了理论支撑，对完善隐蔽型真菌毒素检测方法、提升小麦食品安全水平具有重要科学意义。

 

论文链接：

Zhang, S., Li, M., Wang, R., He, X., Song, Y., He, W., Guan, E., & Bian, K. (2026). Molecular mechanism of hidden matrix-bound deoxynivalenol binding to proteins in wheat. Food Chemistry, 521, 149939.

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149939

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308814626006447

 

FAQ

1.隐藏型基质结合态 DON 为什么值得关注？​

隐藏型基质结合态 DON 与小麦蛋白结合后，可能导致传统检测方法低估毒素含量，同时增加毒素降解难度。由于 DON 是小麦赤霉病相关的重要真菌毒素，明确其与小麦蛋白的结合机制，有助于完善食品安全检测方法，并为后续开发靶向解毒策略提供依据。

2.DON 主要与哪类小麦蛋白发生相互作用？​

研究对清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白四类小麦蛋白进行了筛选，结果显示 DON 主要与醇溶蛋白发生显著相互作用。荧光光谱结果表明，随着 DON 浓度升高，醇溶蛋白的荧光强度呈明显下降趋势，而其他三类蛋白变化不明显。

3.DON 与醇溶蛋白的结合机制是什么？​

DON 与醇溶蛋白主要通过静态荧光猝灭形成 1:1 稳定基态复合物，结合过程由氢键、范德华力和疏水作用共同驱动。结合后，醇溶蛋白的 α-螺旋和 β-折叠含量下降，β-转角和无规卷曲比例上升，说明 DON 会扰动蛋白高级结构并降低整体有序性。

4.科学指南针唯理计算在这项 Food Chemistry 研究中提供了哪些支持？​

科学指南针唯理计算助力完成了该研究中的部分模拟计算项目，包括 DON 与小麦醇溶蛋白的分子对接，以及 DON-Gliadin 复合物的 100 ns 分子动力学模拟。相关计算用于分析复合物稳定性、蛋白高级结构变化、结合自由能和关键残基相互作用，为阐明 DON 与醇溶蛋白互作机制提供了分子层面的理论支持。

5.分子对接和分子动力学模拟揭示了哪些关键信息？​

分子对接结果显示，DON 可结合于醇溶蛋白疏水空腔内，结合能为 -5.851 kcal/mol，并与 Gln223、Gln228 形成氢键，与 Phe238 形成 π-烷基相互作用。100 ns 分子动力学模拟显示，DON-Gliadin 复合物在约 40 ns 后达到动力学平衡，结合自由能分解进一步表明 Gln223 和 Phe238 是主要贡献残基。

6.这项研究对小麦食品安全有什么意义？​

这项研究从分子水平解释了隐藏型 DON 与小麦醇溶蛋白结合的原因，揭示了 DON 难以被传统检测充分识别和难以降解的潜在机制。相关结果可为开发更准确的隐蔽型真菌毒素检测方法、设计靶向破坏 DON-蛋白相互作用的解毒策略提供理论依据。