Введение

Класс пептидов, помогающих клеткам выживать в условиях замораживания. Противозамерзающие белки (AFP) или белки, структурирующие лёд, – это класс полипептидов, производимых некоторыми животными, растениями, грибами и бактериями, которые обеспечивают их выживание при температурах ниже точки замерзания воды. AFP связываются с небольшими кристаллами льда, подавляя их рост и перекристаллизацию, что в противном случае было бы губительно. Также появляется всё больше данных о том, что AFP взаимодействуют с мембранами клеток млекопитающих, защищая их от повреждений, вызванных холодом. Данные исследования указывают на участие AFP в холодовой акклиматизации.

Неколлигативные свойства

В отличие от широко используемого автомобильного антифриза – этиленгликоля, АФП не понижают температуру замерзания пропорционально концентрации. Вместо этого, они действуют не коллоидно-осмотическим способом. Это позволяет им проявлять антифризные свойства при концентрациях в 1/300-й – 1/500-й части от концентраций других растворенных веществ. Их низкая концентрация минимизирует влияние на осмотическое давление.

Термическая гистереза

АФП создают разницу между точкой плавления и точкой замерзания (температура разрушения связанного с АФП кристалла льда), известную как термический гистерезис. Добавление АФП на границе между твердым льдом и жидкой водой ингибирует термодинамически благоприятный рост ледяных кристаллов. Рост льда кинетически подавляется АФП, покрывающими воднодоступные поверхности льда. Они могут работать в сочетании с белками, инициирующими образование льда (INPs), для контроля скорости распространения льда после замораживания. AFGP эволюционировали независимо у нототениоидов и северной трески. У нототениоидов ген AFGP произошел от предшествующего гена серинпротеазы, подобного трипсиногену. АФП I типа встречается у зимней камбалы, длиннорогого и короткорогого скумбриевых. Это наиболее хорошо изученный АФП, поскольку его трехмерная структура была определена первой. АФП типа I состоит из одной длинной амфипатической альфа-спирали размером около 3,3–4,5 кДа. 3D-структура имеет три грани: гидрофобную, гидрофильную и Thr Asx. Способность частично обусловлена многочисленными повторениями участка связывания льда типа I. АФП типа II (например, ) встречаются у морского черта, миноги и сельди. Это глобулярные белки, богатые цистеином, содержащие пять дисульфидных связей. АФП типа II, вероятно, эволюционировали из кальцийзависимых (c-типа) лектинов. Морской черт, минога и сельдь – это довольно далекие линии телеостей. Если ген АФП присутствовал у последнего общего предка этих линий, то примечательно, что ген рассеян по этим линиям, присутствует в одних отрядах и отсутствует в других. Предполагалось, что боковой перенос генов может объяснить это расхождение, например, минога приобрела ген АФП типа II от сельди. АФП типа III встречаются у антарктического угреобразного. Они проявляют аналогичную общую гидрофобность на поверхностях, связывающих лед, по сравнению с АФП типа I. Их размер составляет примерно 6 кДа. АФП типа IV встречаются у длиннорогого скумбриевого. Это альфа-спиральные белки, богатые глутаматом и глутамином. Этот белок имеет размер примерно 12 кДа и состоит из пучка из четырех спиралей. Растительные АФП отличаются от других АФП следующими аспектами: они обладают гораздо более слабой активностью термического гистерезиса по сравнению с другими АФП. Их физиологическая функция, вероятно, заключается в ингибировании перекристаллизации льда, а не в предотвращении образования льда. Другие жуки (род Rhagium) имеют более длинные повторы без внутренних дисульфидных связей, которые образуют сжатый бета-соленоид (бета-сэндвич) с четырьмя рядами треониновых остатков, и этот АФП структурно похож на смоделированный для негомологичного АФП от бабочки pale beauty. В отличие от этого, АФП от соснового шелкопряда – это соленоид, который поверхностно напоминает белок Tenebrio, с аналогичной поверхностью связывания льда, но имеет треугольное поперечное сечение с более длинными повторами, лишенными внутренних дисульфидных связей. АФП из мошек структурно похож на АФП из Tenebrio и Dendroides, но дисульфидный бета-соленоид образован из более коротких 10-аминокислотных повторов, и вместо треонина поверхность связывания льда состоит из одного ряда остатков тирозина. Подёнок (Collembola) – не насекомое, но, как и насекомые, является членистоногим с шестью ногами. Вид, найденный в Канаде, часто называемый «снежной блохой», производит гиперактивные АФП. Другие насекомые, такие как аляскинский жук, производят гиперактивные антифризы, которые еще менее похожи, поскольку они являются полимерами сахаров (ксиломаннаном), а не полимерами аминокислот (белков). В совокупности это говорит о том, что большинство АФП и антифризов возникли после того, как линии, породившие этих различных насекомых, разошлись. Сходство, которое они разделяют, является результатом конвергентной эволюции.

Морские ледовые организмы AFP

Многие микроорганизмы, обитающие в морском льду, обладают АФП, принадлежащими к одному семейству. Диатомы Fragilariopsis cylindrus и F. curta играют ключевую роль в полярных морских ледяных сообществах, доминируя в сообществах как пластинчатого слоя, так и внутри упаковки льда. АФП широко распространены в этих видах, и наличие генов АФП в виде многогенного семейства указывает на важность этой группы для рода Fragilariopsis. АФП, идентифицированные в F. cylindrus, относятся к семейству АФП, которое представлено в различных таксонах и может быть обнаружено в других организмах, связанных с морским льдом (Colwellia spp., Navicula glaciei, Chaetoceros neogracile и Stephos longipes, Leucosporidium antarcticum) и антарктических внутренних ледяных бактериях (Flavobacteriaceae), а также в холодостойких грибах (Typhula ishikariensis, Lentinula edodes и Flammulina populicola). Структуры нескольких морских ледяных АФП были определены. Это семейство белков сворачивается в бета-спираль, формирующую плоскую поверхность, связывающую лед. В отличие от других АФП, для участка связывания льда не существует единого последовательного мотива. АФП, обнаруженный в метагеноме ресничного червя Euplotes focardii и психофильных бактерий, обладает эффективной способностью ингибировать перекристаллизацию льда. 1 мкМ консорциума Euplotes focardii ледосвязывающего белка (EfcIBP) достаточно для полного ингибирования перекристаллизации льда при температуре –7,4 °C. Эта способность ингибировать перекристаллизацию льда помогает бактериям переносить лед, а не предотвращать его образование. EfcIBP также создает температурный гистерезис, но эта способность менее эффективна, чем способность ингибировать перекристаллизацию льда. EfcIBP помогает защитить как очищенные белки, так и целые бактериальные клетки при замораживании. Зеленый флуоресцентный белок остается функциональным после нескольких циклов замораживания и оттаивания при инкубации с EfcIBP. Escherichia coli выживает в течение более длительного периода при температуре 0 °C, когда ген efcIBP был вставлен в геном E. coli. Охлаждение Антарктики, вызванное этим течением, привело к массовому вымиранию видов телеостей, не способных выдерживать замораживание. Виды нототениоидов с антифризным гликопротеином смогли пережить оледенение и диверсифицироваться в новые ниши. Хотя два отряда рыб имеют схожие антифризные белки, виды трески содержат аргинин в AFG, в то время как антарктические нототениоиды – нет. Предыдущие исследования выявили различные усилители антифризного белка этого жука, включая тауматиноподобный белок и поликарбоксилаты. Модификация DAFP 1 с использованием аргинин-специфического реагента привела к частичной и полной потере температурного гистерезиса в DAFP 1, что указывает на то, что аргинин играет решающую роль в усилении его способности. Активность TH DAFP 4 не зависела от pH, если только не наблюдалась низкая концентрация растворенного вещества (pH 1), при которой TH снижалась. Известно, что направление переноса происходит от сельди к миноге, поскольку у сельди в 8 раз больше копий гена AFP, чем у миноги (1), а сегменты гена у миноги содержат транспозоны, которые в противном случае характерны и распространены для сельди, но не встречаются у других рыб. Активность антифризного гликопротеина наблюдается у нескольких видов рыб с лучевыми плавниками, включая угрей, скульпинов и виды трески. Виды рыб, обладающие антифризным гликопротеином, проявляют различные уровни белковой активности. Полярная треска (Boreogadus saida) проявляет аналогичную белковую активность и свойства, как и антарктический вид T. borchgrevinki. Горизонтальный перенос генов отвечает за наличие антифризных белков в двух видах морских диатомовых водорослей, F. cylindrus и F. curta. Они адсорбируются на небезельных плоскостях льда, подавляя термодинамически благоприятный рост льда. Наличие плоской, жесткой поверхности в некоторых АФП, по-видимому, облегчает его взаимодействие со льдом посредством поверхностной комплементарности сил Ван-дер-Ваальса.

Привязка к льду

Обычно кристаллы льда, выращенные в растворе, демонстрируют только базальные (0001) и призматические грани (1010) и выглядят как круглые и плоские диски. В ходе исследований АФП I типа изначально считалось, что взаимодействие льда и АФП происходит посредством водородных связей (Raymond и DeVries, 1977). Однако, когда части белка, предположительно способствующие этим водородным связям, были подвергнуты мутациям, ожидаемого снижения антифризной активности не наблюдалось. Недавние данные указывают на то, что основную роль могут играть гидрофобные взаимодействия. Из-за сложного строения межфазной области вода-лёд, трудно установить точный механизм связывания. В настоящее время предпринимаются попытки выяснить этот механизм с использованием программ молекулярного моделирования (молекулярной динамики или метода Монте-Карло). Было показано, что антифризный механизм молекулы АФП типа I обусловлен связыванием со структурой зародышеобразования льда по типу «молнии» посредством водородных связей гидроксильных групп четырех остатков треонина с атомами кислорода вдоль направления в кристаллической решетке льда, что впоследствии останавливает или замедляет рост пирамидальных плоскостей льда и снижает температуру замерзания. Эти белки позднее стали называть антифризными гликопротеинами (АФГП) или антифризными гликопептидами, чтобы отличать их от недавно обнаруженных негликопротеиновых биологических антифризов (АФП). DeVries работал с Робертом Фини (1970) над изучением химических и физических свойств антифризных белков. В 1992 году Griffith и др. задокументировали открытие АФП в листьях озимой ржи. В следующем году Duman и Olsen отметили, что АФП также были обнаружены более чем в 23 видах цветковых растений, включая виды, употребляемые в пищу человеком. Они также сообщили об их наличии в грибах и бактериях.

Изменение названия

Недавние попытки были предприняты, чтобы переименовать антифризные белки в белки, структурирующие лёд, для более точного отражения их функции и устранения какой-либо предполагаемой негативной связи между АФП и автомобильным антифризом – этиленгликолем. Это два совершенно разных вещества, имеющие лишь поверхностное сходство в своей функции.

Последние новости

Недавно успешным бизнес-проектом стало внедрение АФП в мороженое и йогурт. Этот ингредиент, обозначаемый как белок, структурирующий лёд, был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Белки выделяют из рыбы и воспроизводят в больших масштабах в генетически модифицированных дрожжах. Организации, выступающие против генетически модифицированных организмов (ГМО), выражают обеспокоенность тем, что антифризные белки могут вызывать воспаление. Потребление АФП с пищей, вероятно, уже значительно в большинстве северных и умеренных регионов. Они контролируют рост кристаллов льда, образующихся при оттаивании на погрузочной платформе или кухонном столе, что ухудшает текстуру продукта. В ноябре 2009 года в Proceedings of the National Academy of Sciences было опубликовано открытие молекулы в аляскинском жуке, которая действует как АФП, но состоит из сахаров и жирных кислот. В 2021 году ученые из EPFL и Уорвика создали искусственную имитацию антифризных белков.