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.
Antifreeze proteins (AFPs) or ice structuring proteins refer to a class of polypeptides produced by certain animals, plants, fungi and bacteria that permit their survival in temperatures below the freezing point of water. AFPs bind to small ice crystals to inhibit the growth and recrystallization of ice that would otherwise be fatal. There is also increasing evidence that AFPs interact with mammalian cell membranes to protect them from cold damage. This work suggests the involvement of AFPs in cold acclimatization.
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.
They have much weaker thermal hysteresis activity when compared to other AFPs. Their physiological function is likely in inhibiting the recrystallization of ice rather than in preventing ice formation. Other beetles (genus Rhagium) have longer repeats without internal disulfide bonds that form a compressed beta solenoid (beta sandwich) with four rows of threonine residus, and this AFP is structurally similar to that modelled for the non homologous AFP from the pale beauty moth. In contrast, the AFP from the spruce budworm moth is a solenoid that superficially resembles the Tenebrio protein, with a similar ice binding surface, but it has a triangular cross section, with longer repeats that lack the internal disulfide bonds. The AFP from midges is structurally similar to those from Tenebrio and Dendroides, but the disulfide braced beta solenoid is formed from shorter 10 amino acids repeats, and instead of threonine, the ice binding surface consists of a single row of tyrosine residues. Springtails (Collembola) are not insects, but like insects, they are arthropods with six legs. A species found in Canada, which is often called a "snow flea", produces hyperactive AFPs. Other insects, such as an Alaskan beetle, produce hyperactive antifreezes that are even less similar, as they are polymers of sugars (xylomannan) rather than polymers of amino acids (proteins). Taken together, this suggests that most of the AFPs and antifreezes arose after the lineages that gave rise to these various insects diverged. The similarities they do share are the result of convergent evolution.
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.