Protizmrzovalni protein

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje

Protizmrzovalni proteini (angleško antifreeze proteins ali AFP) so polipeptidi, ki se nahajajo v določenih vretenčarjih, rastlinah, glivah ter bakterijah in omogočajo preživetje v okoljih s temperaturami pod zmrziščem. V osnovi se vežejo na kristale ledu in inhibirajo rast ter rekristalizacijo ledu, ki bi bil usoden za organizem,[1] poleg tega pa naj bi interakcije s celičnimi membranami pri sesalcih ščitile pred poškodbami zaradi nizkih temperatur. Protizmrzovalni proteini naj bi tako v evolucijskem smislu omogočali razvoj novih ekoloških niš organizmov, natančneje prilagoditve na mrzla geografska območja.[2]

Zgodovina[uredi | uredi kodo]

Pionir v raziskovanju protizmrzovalnih proteinov je bil kanadski znanstvenik P.F. Scholander, ki je s pomočjo eksperimentov, opravljenih v 50-ih 20. stoletja, nakazal, da morajo biti prisotne v krvi arktičnih rib »protizmrzovalne« molekule.[1] V poznih 60-ih letih je biolog Arthur L. DeVries uspel izolirati protizmrzovalne proteine iz antarktičnih rib, natančneje protizmrzovalne glikoproteine (AFGP).[3] Leta 1992 so bili AFP-ji odkriti sprva v rži, pozneje v istem letu pa še v 23 vrstah kritosemenk ter v bakterijah in glivah.[4]

Evolucijski izvor[uredi | uredi kodo]

Velika raznolikost in razširjenost protizmrzovalnih proteinov nakazuje, da so se pri nesorodnih organizmih razvili kot odziv na poledenitev (glaciacijo) 1-2 milijonov let nazaj na severni polobli in 10-30 milijonov let nazaj na Antarktiki; razvoj analognih lastnosti pri nesorodnih organizmih imenujemo konvergentna evolucija.[2][5]

Mehanizem delovanja in lastnosti[uredi | uredi kodo]

Najverjetneje AFP-ji inhibirajo rast kristalov preko adsorpcije, tj. na površini kristalih ledu tvori plast, in tako inhibirajo termodinamsko favorizirano rast kristalov.[6][7] Raziskave prvotne hipoteze o vezavi preko vodikovih vezi niso potrdile, pač pa naj bi bile v glavnem pomembne za adsorpcijo hidrofobne interakcije,[8] dodatno pa naj bi stabilizirale vezave še van der Waalsove sile.[9]

Kljub njihovi raznolikosti AFP-ji delujejo zelo podobno, saj se lahko različni tipi vežejo na različne površine na kristalih ledu, poleg tega pa imajo kljub drugačnemu zaporedju aminokislin (primarni strukturi) podobne tridimenzionalne strukture (terciarne strukture), ki promovirajo tvorbo enakih interakcij z ledom.[2]

V nasprotju z avtomobilskimi sredstvi proti zamrzovanju, kot je etilen glikol, ti proteini ne znižujejo temperature zmrzišča sorazmerno z njihovo koncentracijo, pač pa lahko delujejo tudi pri koncentracijah, ki so 300 do 500-krat nižje od koncentracij običajnih sredstev in tako tudi minimalno vplivajo na osmotski pritisk; njihovo delovanje je iz tega vidika torej nekoligativno.[2] Vzrok tega leži v njihovi vezavi na specifične površine na kristalih ledu.[10]

AFP-ji ustvarijo tudi razliko med temperaturo tališča in zmrzišča, kar je znano kot termična histereza. Le-ti namreč predstavljajo oviro med kristali ledu in tekočo vodo in tako inhibirajo v termodinamskem smislu favorizirano rast kristalov.[10] Različni organizmi imajo različne termične histereze: najvišjo vrednost, okoli 1,5 °C, so izmerili pri ribjih AFP-jih. Kljub temu pa imajo AFP-ji žuželk 10 do 30-krat večjo aktivno od ribjih tipov, kar je verjetno posledica tega, da so temperature na kopnem, katerim so izpostavljene žuželke, veliko nižje od tistih v morju, katerim so izpostavljene ribe. Tako lahko metulji rodu Choristoneura preživijo tudi pri temperaturi  –30 °C. Hitrost zmrzovanja lahko vpliva na temperaturo zmrzišča, kar pomeni, da se pri naglem nižanju temperature organizmi ne morejo prilagoditi dovolj hitro na nove razmere v okolju.[2]

Tipi protizmrzovalnih proteinov[uredi | uredi kodo]

Ribji AFP-ji[uredi | uredi kodo]

Shematski prikaz treh površin AFP-ja tipa I.

Obstaja več tipov ribjih protizmrzovalnih proteinov:

Tip Organizem Značilnosti
I bokoplavutarica vrste Pseudopleuronectes americanus, žarkoplavutarice reda Scorpaeniformes[11] enojna, dolga in amfipatična alfa vijačnica, velikost 3,3-4,5 kDa, 3 strani: hidrofobna, hidrofilna in Thr-Asx stran[11][12]
I-hyp bokoplavutarice[13] dimerna molekula, vsak monomer je velikosti 17 kDa[13]
II žarkoplavutarice družin Hemitripteridae, Osmeridae ter sardele rodu Clupea[14] globularni proteini, ki so bogati s cisteinom in vsebujejo 5 disulfidnih vezi
III antarktični ostrižnjaki družine Zoarcidae[15] podobna hidrofobnost kot pri tipu I, velikost 6 kDa[15]
IV žarkoplavutarice reda Scorpaeniformes[16] sekundarno strukturo predstavljajo alfa vijačnice, bogate z glutamatom in glutaminom, velikost je okoli 12 kDa, post-translacijska modifikacija je piroglutamat na N-koncu[16]
AFGP antarktični ostrižnjaki podreda Notothenioidei, severne trske rodu Gadus[15] običajna velikost proteinov je 2,6-3,3 kDa[15]

Znanstveniki so sprva bili mnenja, da se protizmrzovalni glikoproteini (AFGP) proizvajajo v jetrih (kot velja za večino serumskih proteinov), vendar so raziskave pokazale, da sta glavna organa, odgovorna za proizvodnjo teh proteinov, trebušna slinavka in želodec, nakar se vsrkajo preko tankega črevesja v kri. V evolucijskem smislu se je po vsej verjetnosti taki razvil zaradi tega, da ne bi zmrznila tekoča vsebina v črevesju, saj zaužijejo ribe skupaj s plenom tudi določeno mero kristalov ledu.[17]

AFP-ji žuželk[uredi | uredi kodo]

Tridimenzionalna struktura AFP-ja žuželke, bogatega s cisteinom.

V splošnem so prisotni pri različnih družinah žuželk in so bogati s cisteinom.[18] V hroščih vrste Upis ceramboides, ki prebivajo na območju Aljaske, so bile odkrite molekule, ki delujejo kot protizmrzovalni proteini, vendar so sestavljene iz disaharidov in maščobnih kislin.[19]

Rastlinski AFP-ji[uredi | uredi kodo]

Tudi v rastlinah so prisotni AFP-ji,[20] vendar se od drugih tipov razlikujejo po tem, da:

  1. imajo šibkejšo termično histerezo,[21]
  2. verjetno inhibirajo rekristalizacijo in ne preprečujejo same tvorbe kristalov ledu,[21]
  3. so se razvili iz proteinov, ki so povezani s patogenezo, nekateri pa imajo tudi proti-glivične lastnosti.[21]

Uporaba[uredi | uredi kodo]

Teoretično obstaja veliko možnosti za aplikacijo protizmrzovalnih proteinov, še posebej v prehrambeni industriji in medicini.[22] Trenutno potekajo raziskave za povečanje zmrzitvene tolerance kulturnih rastlin, podaljšanje žetvene sezone in izboljšanje proizvodnje ribogojnic na območjih s hladnejšim podnebjem, podaljšanje roka uporabnosti zamrznjenih živil ter izboljšanje kriokirurgije in ohranjanja tkiv za presaditev (transplantacijo) ali transfuzijo.[23]

Glede na raziskave protizmrzovalne proteini, zaužiti skupaj s hrano, ne izzovejo toksičnih učinkov ali alergičnih reakcij.[15]

Sklici in opombe[uredi | uredi kodo]

  1. ^ 1,0 1,1 Madura, J. (2001). Fishy Proteins. Pridobljeno 27.11.2009.
  2. ^ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Fletcher G.L., Hew C.L. in Davies P.L. (2001). Antifreeze Proteins of Teleost Fishes. Annu. Rev. Physiol. 63, str. 359–390.
  3. ^ DeVries, A.L.; Wohlschlag, Donald E. (1969). "Freezing Resistance in Some Antarctic Fishes". Science 163 (3871): 1073–1075. doi:10.1126/science.163.3871.1073. 
  4. ^ Duman, J.G.; Olsen, T.M. (1993). "Thermal hysteresis protein activity in bacteria, fungi and phylogenetically diverse plants". Cryobiology 30: 322–328. doi:10.1006/cryo.1993.1031. 
  5. ^ Chen L., DeVries A.L. in Chi-Hing C. Cheng. (1997). "Convergent evolution of antifreeze glycoproteins in Antarctic notothenioid fish and Arctic cod". Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (8): 3817–3822.
  6. ^ Raymond, J.; DeVries, A. L. (1977). "Adsorption inhibition as a mechanism of freezing resistance in polar fishes". Proceedings of the National Academy of Sciences 74 (6): 2589–2593. doi:10.1073/pnas.74.6.2589. 
  7. ^ Raymond, J.; s sod. (1989). "Inhibition of growth of nonbasal planes in ice by fish antifreezes". Proceedings of the National Academy of Sciences 86 (3): 881–885. doi:10.1073/pnas.86.3.881. PMC 286582. PMID 2915983. 
  8. ^ Haymett A., Ward L. in Harding M. (1998). "Valine substituted winter flounder 'antifreeze': preservation of ice growth hysteresis". FEBS LETT 430, str. 301.
  9. ^ Yang, D.S.; s sod. (1998). "Identification of the ice-binding surface on a type III antifreeze protein with a "flatness function" algorithm". Biophysical Journal 74 (5): 2142–2151. doi:10.1016/S0006-3495(98)77923-8. PMC 1299557. PMID 9591641. 
  10. ^ 10,0 10,1 Jorov A., Zhorov B.S. in Yang D.S. (2004). "Theoretical study of interaction of winter flounder antifreeze protein with ice". Protein Science 13, str. 1524-1537.
  11. ^ 11,0 11,1 Duman, J. & DeVries, A.L. (1976). "Isolation, characterization and physical properties of protein antifreezes from the Winter Flounder Pseudopleunectus Americanus". Comp. Biochem. Physiol. B54, str. 375–380.
  12. ^ Tričrkovni zapis Asx pomeni, da je lahko prisotna aminokislina bodisi aspartat (Asp) bodisi asparagin (Asn).
  13. ^ 13,0 13,1 Scotter, A. J.; s sod. (2006). "The basis for hyperactivity of antifreeze proteins". Cryobiology 53 (2): 229–239. doi:10.1016/j.cryobiol.2006.06.006. PMID 16887111. 
  14. ^ Ng, N. in Hew, C. (1992). "Structure of antifreeze polypeptide from sea raven: Disulfide bonds and similarity to lectin-binding proteins". J. Biol. Chem. 267, str. 16069-16075.
  15. ^ 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 Crevel R.W.R., Fedyk J.K. in Spurgeon M.J. (2002). "Antifreeze proteins: characteristics, occurrence and human exposure". Food and Chemical Toxicology 20, str. 899-903.
  16. ^ 16,0 16,1 Deng G., Andrews D.W. in Laursen R.A. (1997). "Amino acid sequence of a new type of antifreeze protein, from the longhorn sculpin Myoxocephalus octodecimspinosis". FEBS Lett 402 (1), str. 17-20.
  17. ^ Carey, B. Cold, Hard Fact: Fish Antifreeze Produced in Pancreas. Pridobljeno 28.11.2009
  18. ^ J.G. Duman. (2001)."Antifreeze and Ice Nucleator Proteins in Terrestrial Arthropods". Annu. Rev. Physiol. 63, str. 327–57.
  19. ^ Walters K.R. Jr., Serianni A.S., Sformo T., Barnes B.M. in Duman J.G. (2009). "A nonprotein thermal hysteresis-producing xylomannan antifreeze in the freeze-tolerant Alaskan beetle Upis ceramboides". Proceedings of the National Academy of Sciences. PMID 19934038. 
  20. ^ Griffith, M. s sod. (1992). "Antifreeze Protein Produced Endogenously in Winter Rye Leaves". Plant Physiology 100 (2), str. 593-596.
  21. ^ 21,0 21,1 21,2 M. Griffith and M. Yaish. (2004). Antifreeze proteins in overwintering plants: a tale of two activities. Trends in Plant Science 9:8, 399-405.
  22. ^ Fletcher G.L., Goddard S.V. in Yaling Wu. (1999). "Antifreeze proteins and their genes: From basic research to business opportunity". Chemtech 29 (6), str. 17-28.
  23. ^ "New Antifreeze Protein Found In Fleas May Allow Longer Storage Of Transplant Organs" Science Daily, 21. oktober 2005.

Nadaljnje branje[uredi | uredi kodo]

  • Haymett, A.; Ward, L. in Harding, M. (1999). "Winter Flounder 'anti-freeze' proteins: Synthesis and ice growth inhibition of analogues that probe the relative importance of hydrophobic and hydrogen bonding interactions". Journal of the American Chemical Society 121 (5): 941–948. doi:10.1021/ja9801341. ISSN 00027863. 
  • Sicheri, F.; Yang, D. S. (1995). "Ice-binding structure and mechanism of an antifreeze protein from winter flounder". Nature 375 (6530): 427–431. doi:10.1038/375427a0. PMID 7760940. 

Zunanje povezave[uredi | uredi kodo]

  • Fish Antifreeze Proteins - splošen opis protizmrzovalnih proteinov pri ribah. National Science Foundation (NSF). (v angleščini)