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抗冻蛋白具有降低水溶液的冰点而不改变熔点的功能。它们可以帮助许多生物体在寒冷的环境下生存，尤其是当环境的温度低于其体液的冰点时。关于抗冻蛋白的抗冻机理的研究有很多，然而到目前为止，产生抗冻活性的分子机理仍然不是很清楚。本论文研究的CfAFP-501是从云杉蚜虫中发现的，它具有121个氨基酸残基，是迄今所发现的活性最高的抗冻蛋白。本文以抗冻蛋白CfAFP-501为研究对象，利用核磁共振技术对它在溶液中的空间结构和主链的动力学性质以及氢键网络特征进行了研究。
本论文的主要工作分为三个部分：1.CfAFP-501溶液结构解析。溶液结构解析结果表明，CfAFP-501具有非常规则的左手β螺旋结构，每一圈左手螺旋由15至17个氨基酸残基组成，每圈螺旋都由3个β折叠股组成，并且在C端有一圈含有18个氨基酸残基的右手螺旋结构。整个蛋白分子呈三棱柱型，三个棱面均由平行的β-折叠股组成，其中一个平面具有保守的‘Thr-Xaa-Thr序列，这些保守的Thr残基侧链都暴露在蛋白质表面并且规则的排成两列，它们被推测是该蛋白与冰晶表面结合的活性位点。除蛋白质N-端和C-端的部分残基外，CfAFP-501的溶液结构和晶体结构基本一致。另外，在溶液结构的计算中，还发现了Gly90-Pro91肽键为顺式构象，这与晶体结构中Gly90-Pro91肽键的反式构象不同。
2.核磁共振方法研究CfAFP-501的主链动力学。测量了在室温和零度以下的主链15N原子的弛豫数据，通过分析不同温度下的TROSY-CPMG实验结果得到了蛋白质在毫秒时间尺度上的构象交换信息。结果显示，在室温(290K)下，CfAFP-501在溶液中是以二聚体-单体的平衡状态存在的，而随着温度的降低，溶液中二聚体的比例减少，单体的比例增加，在270K时，CfAFP-501在溶液中绝大部分是以单体状态存在的。二聚体界面的残基(即具有保守的Thr-Xaa-Thr序列的蛋白质与冰晶互相结合的表面)在室温290K下绝大部分氨基酸残基都存在毫秒时间尺度上的构象交换，而随着温度的降低，CfAFP-501在溶液中构象的状态从二聚体向单体转变，除蛋白质N-端的部分氨基酸残基外，蛋白质结构其它区域的氨基酸残基在毫秒时间尺度内不具有构象交换。另外，通过降低蛋白质的浓度证实了与冰晶结合表面的氨基酸残基在室温(290K)下的毫秒时间尺度的构象交换主要是由单体-二聚体的平衡引起的。动力学研究的结果表明，随温度的降低，蛋白质结构刚性增强；然而在低温下，N-端的部分原子仍然表现出很大幅度的构象交换，据此进一步推测N-端构象在低温下的柔性对蛋白质与冰晶表面相互识别和调节可能起到了关键性的作用。
3.对CfAFP-501的氢键网络的研究。首先通过氢氘交换实验计算得到了蛋白质主链酰氨质子的保护因子，结果表明，蛋白质结构中存在非常广泛的氢键网络。另外，对主链酰氨质子的化学位移的温度梯度(△δ/△T)以及酰氨质子的化学位移与无规卷曲肽链的化学位移偏差(CSD)的相关性进行了研究。结果表明Thr-Xaa-Thr序列内的两列Thr的主链酰胺质子的温度梯度和化学位移偏差的相关性不同。第一列Thr残基的相关性较高(相关系数R=0.81)，表明在较高温度下，局部构象柔性较高，随着温度的降低，局部构象的刚性增强；而第二列Thr残基不具有与第一列Thr残基相似的相关性(相关系数R=0.29)，表明该列残基的构象对温度变化不灵敏。本文推测这两列Thr在与冰晶结合时所起的作用可能不同。Davies等在2000年发表在Eur.J.Biochem.的文章对CfAFP的多个异构体进行了氨基酸序列比对，结果显示第一列Thr残基的保守性较低，而第二列Thr残基的保守性很高。他们推测CfAFP与冰结合时，两列Thr残基作用不同，结合的过程可能分两步：保守性较高的第二列Thr残基首先与冰晶表面互相识别并结合，而保守性较低的第一列Thr残基通过调整侧链的构象使侧链的原子达到一个合适的位置之后，再进一步与冰晶表面相互识别吸附在冰晶表面。本论文首次从实验上为Davies的假说提供了证据。