1993 年, Rentier小組對幾種嗜冷性蛋白酶、脂酶和半乳糖苷酶進行了研究, 發現它們含有幾個嗜溫酶所沒有的“額外”氨基酸殘基。Feller等人建立的計算機模型也表明,嗜冷蛋白酶含有大量帶負電荷的氨基酸殘基,特別是天冬氨酸殘基；分子表面的四個極性環狀結構呈伸展狀態；分子內缺少離子間作用與疏水作用。這些結構特征使酶分子呈松散狀態, 具有較大的可變性, 從而導致酶的穩定性降低。Gerday對幾種嗜冷酶的研究表明,這些酶與嗜溫酶相比, 鹽橋更少, 疏水基團更少,芳香烴-芳香烴反應更少,這些都增加了酶的柔性。脯氨酸和精氨酸殘基也較少。脯氨酸的結構熵比其它氨基酸小, 更易折疊, 需更高的能量才能解開, 可提高酶的熱穩定性。高催化效力與更松散而更具柔性的蛋白質結構形成相關聯,這種蛋白質結構容許利用更少的能量投入就產生具有催化效能的構象變化,這樣,嗜冷酶代謝反應所需的活化自由能與嗜溫酶相比具有更低的值。對酶晶體進行化學交聯可使嗜冷酶更穩定。主要是因為酶晶體的晶格里,酶蛋白的穩定性接近理論的極限值,蛋白質與蛋白質間由親水作用和靜電張力捆結在一起, 使蛋白質對熱和其它變性因素的抗性明顯增加,蛋白質的伸展、凝集和裂解作用減少, 而且活性比游離酶高。由于蛋白質動力學研究嗜冷酶適冷機制的常用途徑是取代突變，即在酶蛋白的某個位點改變氨基酸種類來改變蛋白質的高級結構, 再篩選出熱穩定性增加或下降的突變株。由此可以看出,酶的穩定性、活性及柔性之間有一定關系。
到目前為止,還沒有在嗜冷酶中發現一種或幾種與耐冷性有關的模式結構,這說明不同的酶以多種不同的結構上的變化、同一種酶以多種變化的總和來維持低溫條件下的高催化活性。這些變化包括：酶分子具有更大的柔韌性和較小的功能域：減少了亞基表面之間的相互作用并增加了暴露于溶劑中疏水殘基的數量：酶的活性中心更容易接近底物, 且酶與底物的親合力更大(較低的Km值)等。這些結構特點是嗜冷酶耐受低溫的主要機制。