Войти
| Антифризный протеин от насекомых, тип Tenebrio | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура Tenebrio molitor бета-спиральный антифризный протеин | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | AFP | ||||||||
| Pfam | PF02420 | ||||||||
| InterPro | IPR003460 | ||||||||
| SCOPe | 1ezg / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| Антифризный белок насекомых (CfAFP) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Структура бета-спирального антифриза Choristoneura fumiferana (еловый почковый червь) | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | CfAFP | ||||||||
| Pfam | PF05264 | ||||||||
| InterPro | IPR007928 | ||||||||
| SCOPe | 1m8n / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
| Рыбный антифризный белок, тип I | |
|---|---|
| Идентификаторы | |
| Символ | ? |
| InterPro | IPR000104 |
| SCOPe | 1wfb / СУПФАМ |
| Рыбий антифриз, тип II | |
|---|---|
| Идентификаторы | |
| Символ | ? |
| InterPro | IPR002353 |
| CATH | 2py2 |
| SCOPe | 2afp / СУПФАМ |
| Рыбий антифриз, тип III | |
|---|---|
| Идентификаторы | |
| Символ | ? |
| InterPro | IPR006013 |
| SCOPe | 1hg7 / SUPFAM |
| См. Также Домен SAF (InterPro : IPR013974 ). | |
| Ледоподобный белок (организм морского льда) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||||||||
| Символ | DUF3494 | ||||||||
| Pfam | PF11999 | ||||||||
| InterPro | IPR021884 | ||||||||
| |||||||||
антифризы (AFPs ) или белки, структурирующие лед (ISP ) относятся к классу полипептидов, продуцируемых некоторыми животными, растениями, грибами. i и бактерии, которые выживают при температурах ниже точки замерзания воды. AFP связываются с небольшими кристаллами льда, чтобы ингибировать рост и перекристаллизацию льда, которая в противном случае была бы фатальной. Также появляется все больше доказательств того, что AFP взаимодействуют с мембранами клеток млекопитающих, чтобы защитить их от повреждения холодом. Эта работа предполагает участие AFP в холодовой акклиматизации.
В отличие от широко используемого автомобильного антифриза, этиленгликоля, AFP не понижают точку замерзания пропорционально концентрации. Скорее, они работают не коллигативным образом. Это явление позволяет им действовать как антифриз при концентрациях от 1/300 до 1/500 от концентраций других растворенных веществ. Их низкая концентрация сводит к минимуму их влияние на осмотическое давление. Необычные свойства AFP объясняются их селективным сродством к определенным кристаллическим формам льда и результирующей блокадой процесса зародышеобразования льда.
AFP создают разницу между температурой плавления и точка замерзания (температура разрушения кристалла льда, связанного AFP), известная как тепловой гистерезис. Добавление AFP на границе раздела между твердым льдом и жидкой водой подавляет термодинамически благоприятный рост кристаллов льда. Рост льда кинетически ингибируется AFP, покрывающими доступные для воды поверхности льда.
Температурный гистерезис легко измеряется в лаборатории с помощью нанолитрового осмометра. Организмы различаются по величине теплового гистерезиса. Максимальный уровень теплового гистерезиса, показанный AFP рыб, составляет приблизительно -3,5 ° C (Sheikh Mahatabuddin et al, SciRep) (29,3 ° F). Однако белки-антифризы из насекомых в 10–30 раз активнее рыбных белков. Эта разница, вероятно, отражает более низкие температуры, с которыми сталкиваются насекомые на суше. Напротив, водные организмы подвергаются воздействию только от -1 до -2 ° C ниже нуля. В экстремальные зимние месяцы еловый почковый червь устойчив к замерзанию при температурах, приближающихся к -30 ° C. Аляскинский жук Upis ceramboides может выжить при температуре -60 ° C, используя антифризы, не являющиеся белками.
Скорость охлаждения может влиять на величину теплового гистерезиса AFP. Быстрое охлаждение может существенно снизить температуру неравновесного замерзания и, следовательно, величину теплового гистерезиса. Следовательно, организмы не могут обязательно адаптироваться к окружающей среде с отрицательными температурами, если температура резко упадет.
Виды, содержащие AFP, могут быть классифицированы как
предотвращающие замораживание виды способны полностью предотвратить замерзание жидкостей своего тела. Как правило, функция AFP может быть преодолена при чрезвычайно низких температурах, что приводит к быстрому росту льда и смерти.
Устойчив к замораживанию : Эти виды способны пережить замораживание жидкостей организма. Считается, что некоторые устойчивые к замораживанию виды используют AFP в качестве криопротекторов, чтобы предотвратить повреждение замораживания, но не замораживания в целом. Точный механизм пока неизвестен. Однако считается, что AFP могут ингибировать перекристаллизацию и стабилизировать клеточные мембраны, чтобы предотвратить повреждение льдом. Они могут работать вместе с (PIN) для управления скоростью распространения льда после замерзания.
Существует много известных негомологичных типов AFP.
Рисунок 1 . Три стороны AFP типа I Antifreeze гликопротеины или AFGP обнаружены в антарктических нототениоидах и северной треске. Они составляют 2,6–3,3 кДа. AFGP развивались отдельно у нототениоидов и северной трески. У нототениоидов ген AFGP произошел от предкового гена трипсиноген-подобной сериновой протеазы.
Классификация AFP стала более широкой сложно, когда были обнаружены антифризы из растений. Растительные AFP значительно отличаются от других AFP по следующим аспектам:
Там представляют собой ряд AFP, обнаруженных у насекомых, в том числе из жуков Dendroides, Tenebrio и Rhagium, елового почкопухового червя и бледной бабочки, а также мошек (в том же порядке, что и мухи). AFP насекомых имеют определенное сходство, при этом большинство из них обладают более высокой активностью (то есть большим значением теплового гистерезиса, называемым гиперактивным) и повторяющейся структурой с плоской поверхностью, связывающей лед. Жуки от близкородственных жуков Tenebrio и Dendroides гомологичны, и каждый 12-13-аминокислотный повтор стабилизирован внутренней дисульфидной связью. Изоформы имеют от 6 до 10 таких повторов, которые образуют катушку или бета-соленоид. Одна сторона соленоида имеет плоскую поверхность, связывающую лед, которая состоит из двойного ряда остатков треонина. Другие жуки (род Rhagium) имеют более длинные повторы без внутренних дисульфидных связей, которые образуют сжатый бета-соленоид (бета-сэндвич) с четырьмя рядами остатков треонина, и этот AFP структурно аналогичен модели, смоделированной для негомологичного AFP из бледной красоты. моль. Напротив, АФП еловой почковой совки представляет собой соленоид, который внешне напоминает белок Tenebrio, с аналогичной поверхностью связывания со льдом, но имеет треугольное поперечное сечение с более длинными повторами, в которых отсутствуют внутренние дисульфидные связи. АФП от мошек структурно аналогичен AFP от Tenebrio и Dendroides, но бета-соленоид с дисульфидной связкой образован из более коротких 10 аминокислотных повторов, а вместо треонина поверхность, связывающая лед, состоит из одного ряда тирозина. остатки. Коллемболы (Collembola) не насекомые, но, как и насекомые, это шестиногие членистоногие. Вид, обитающий в Канаде, которого часто называют «снежной блохой», производит гиперактивные AFP. Хотя они также повторяются и имеют плоскую ледяную поверхность, на этом сходство заканчивается. Около 50% остатков представляют собой глицин (Gly) с повторами Gly-Gly-X или Gly-X-X, где X - любая аминокислота. Каждый 3-аминокислотный повтор образует один виток спирали полипролина II типа. Затем спирали складываются вместе, образуя пучок толщиной в две спирали, с поверхностью связывания льда, в которой преобладают небольшие гидрофобные остатки, такие как аланин, а не треонин. Другие насекомые, такие как аляскинский жук, производят гиперактивные антифризы, которые даже менее похожи, поскольку они представляют собой полимеры сахаров (ксиломаннан), а не полимеры аминокислот (белков). Взятые вместе, это говорит о том, что большинство AFP и антифризов возникло после того, как линии, давшие начало этим различным насекомым, разошлись. Сходства, которые они разделяют, являются результатом конвергентной эволюции.
Многие микроорганизмы, живущие в морском льду, обладают AFP, которые принадлежат к одному семейству. диатомеи Fragilariopsis cylindrus и F. curta играют ключевую роль в сообществах полярного морского льда, доминируя в сообществах как в слое тромбоцитов, так и в паковых льдах. AFP широко распространены у этих видов, и присутствие AFP генов как мультигенного семейства указывает на важность этой группы для рода Fragilariopsis. АФП, идентифицированные у F. cylindrus, принадлежат к семейству АФП, которое представлено в различных таксонах и может быть обнаружено у других организмов, связанных с морским льдом (Colwellia spp. И Leucosporidium antarcticum) и антарктических внутренних ледяных бактерий ( Flavobacteriaceae ), а также у устойчивых к холоду грибов (Typhula ishikariensis, Lentinula edodes и Flammulina populicola ).
Несколько структур для морских льдов AFP Это семейство белков сворачивается в бета-спираль, которая формирует плоскую поверхность связывания со льдом. В отличие от других AFP, нет единственного мотива последовательности для сайта связывания со льдом.
АФП, обнаруженный в метагеноме инфузорий Euplotes focardii и психрофильных бактерий, обладает эффективной способностью ингибировать перекристаллизацию льда. 1 мкМ ледяного связывающего белка Euplotes focardii consortium (EfcIBP) достаточно для полного ингибирование перекристаллизации льда при температуре –7,4 ° C.Эта способность ингибировать перекристаллизацию льда помогает s бактерии переносят лед, а не препятствуют его образованию. EfcIBP также создает зазор теплового гистерезиса, но эта способность не так эффективна, как способность ингибирования рекристаллизации льда. EfcIBP помогает защитить как очищенные белки, так и целые бактериальные клетки при отрицательных температурах. Зеленый флуоресцентный белок функционирует после нескольких циклов замораживания и плавления при инкубации с EfcIBP. Escherichia coli выживает более длительные периоды при температуре 0 ° C, когда ген efcIBP был вставлен в геном E. coli. EfcIBP имеет типичную структуру AFP, состоящую из нескольких бета-листов и альфа-спирали. Кроме того, все полярные остатки, связывающиеся со льдом, находятся в одном и том же сайте белка.
Замечательное разнообразие и распространение AFP предполагают, что различные типы AFP эволюционировали недавно в ответ на оледенение на уровне моря , которое произошло 1-2 миллиона лет назад в Северном полушарии и 10-30 миллионов лет назад в Антарктиде. Это независимое развитие подобных адаптаций называется конвергентной эволюцией. Существует две причины, по которым многие типы AFP способны выполнять одну и ту же функцию, несмотря на их разнообразие:
АФП, как полагают, подавляют рост посредством адсорбции - ингибирования механизм. Они адсорбируются на не базальных плоскостях льда, подавляя термодинамически благоприятный рост льда. Наличие плоской жесткой поверхности в некоторых AFP, по-видимому, способствует его взаимодействию со льдом за счет силы Ван-дер-Ваальса комплементарности поверхности.
Обычно лед кристаллы, выращенные в растворе, имеют только базальную (0001) и призматическую грани (1010) и выглядят как круглые и плоские диски. Однако похоже, что присутствие AFP открывает другие лица. Теперь выясняется, что поверхность льда 2021 является предпочтительной связывающей поверхностью, по крайней мере, для AFP типа I. Изучая исследования AFP типа I, первоначально считалось, что лед и AFP взаимодействуют посредством водородных связей (Raymond and DeVries, 1977). Однако, когда части белка, которые, как считается, способствуют образованию водородных связей, были мутированы, предполагаемое снижение активности антифриза не наблюдалось. Последние данные показывают, что основной причиной могут быть гидрофобные взаимодействия. Трудно определить точный механизм связывания из-за сложной границы раздела вода-лед. В настоящее время попытки раскрыть точный механизм предпринимаются с помощью программ молекулярного моделирования (молекулярная динамика или метод Монте-Карло ).
Согласно исследованию структуры и функции антифриза из Pseudopleuronectes americanus, антифризный механизм молекулы АФП I типа был обусловлен связыванием со структурой образования ледяных зародышей в как застежка-молния за счет водородной связи гидроксильных групп его четырех остатков Thr с атомами кислорода вдоль ![[01 {\ overline {1}} 2]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/25dd6fa8ecf7c3d8135f0b3bda61dde8032d89ce)
Вышеупомянутый механизм может быть использован для выяснения взаимосвязь структура-функция других белков-антифризов со следующими двумя общими особенностями:
В 1950-х годах норвежский ученый Шоландер решил объяснить, как арктические рыбы могут выжить в воде, температура которой ниже точки замерзания их крови. Его эксперименты привели его к мысли, что в крови арктических рыб есть «антифриз». Затем, в конце 1960-х годов, биолог-зоотехник Артур ДеВриз смог выделить антифризный белок в ходе исследования антарктических рыб. Эти белки позже были названы антифризовыми гликопротеинами (AFGP) или антифризовыми гликопептидами, чтобы отличить их от недавно открытых негликопротеиновых биологических антифризов (AFP). Де Врис работал с Робертом Фини (1970), чтобы охарактеризовать химические и физические свойства антифризовых белков. В 1992 году Гриффит и др. задокументировали открытие AFP в листьях озимой ржи. Примерно в то же время Уррутия, Думан и Найт (1992) зарегистрировали белок теплового гистерезиса у покрытосеменных. В следующем году Думан и Олсен отметили, что AFP также были обнаружены у более чем 23 видов покрытосеменных, включая те, которые поедаются людьми. Они также сообщили об их присутствии в грибах и бактериях.
В последнее время были предприняты попытки переименовать белки-антифризы как белки, структурирующие лед, чтобы более точно представить их функцию и устранить любую предполагаемую отрицательную связь между AFP и автомобильным антифризом, этиленгликоль. Эти две вещи представляют собой совершенно разные сущности и слабо похожи только по своим функциям.
Многие области могут получить выгоду от защиты от повреждения тканей путем замораживания. В настоящее время компании изучают возможность использования этих белков в:
Unilever получила одобрение Великобритании на использование генетически модифицированных дрожжей для производства антифризовых белков из рыбы для использования в производстве мороженого.
Один из недавних, успешным бизнесом было внедрение AFP в мороженое и йогуртовые продукты. Этот ингредиент, обозначенный как белок, структурирующий лед, был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Белки выделяются из рыбы и реплицируются в большем масштабе в генетически модифицированных дрожжах.
Существуют опасения со стороны организаций, выступающих против генетически модифицированных организмов (ГМО), которые считают, что антифризные белки могут вызвать воспаление. Потребление AFP с пищей, вероятно, уже достаточно в большинстве северных и умеренных регионов. Учитывая известное историческое потребление AFP, можно с уверенностью заключить, что их функциональные свойства не вызывают каких-либо токсикологических или аллергенных эффектов у людей.
Кроме того, трансгенные процесс производства ISP уже широко используется в обществе. Инсулин и сычужный фермент производятся с использованием этой технологии. Процесс не влияет на продукт; это просто делает производство более эффективным и предотвращает гибель рыбы, которая в противном случае была бы убита для извлечения белка.
В настоящее время Unilever включает AFP в некоторые свои американские продукты, в том числе в некоторые Popsicle леденцы и новую линейку Breyers. Легкие батончики для мороженого с двойным взбиванием. В мороженом AFP позволяют производить очень сливочное, плотное мороженое с пониженным содержанием жира с меньшим количеством добавок. Они контролируют рост кристаллов льда, вызванный таянием на погрузочной платформе или кухонном столе, что снижает качество текстуры.
В ноябре 2009 года Proceedings of the National Academy of Sciences опубликовали открытие молекула аляскинского жука, которая ведет себя как AFP, но состоит из сахаридов и жирных кислот.
Исследование 2010 года продемонстрировало стабильность кристаллов перегретого водяного льда в растворе AFP, показав, что хотя белки могут препятствовать замораживанию, они также могут препятствовать плавлению.
