As proteínas anticonxelantes (AFPs) ou proteínas estruturantes do xeo son unha clase de polipéptidos producidos por certos animais, plantas, fungos e bacterias que lles permiten sobrevivir a temperaturas por debaixo do punto de conxelación da auga. As proteínas anticonxelantes (PAC) teñen nas bases de datos de proteínas o símbolo AFP (do inglés antifreeze proteín), que é o que se utilizará neste artigo. As AFPs únense a pequenos cristais de xeo inhibindo o crecemento e recristalización do xeo, que doutro modo tería consecuencias mortais. Hai tamén cada vez máis probas de que as AFPs interaccionan coas membranas celulares de mamíferos para protexelas dos danos causados polo frío. Isto suxire a intervención das AFPs na aclimatación ao frío.
Propiedades non coligativas A diferenza do anticonxelante de motores amplamente usado etilenglicol, as AFPs funcionan de maneira non coligativa. Este fenómeno permítelles actuar como anticonxelante a concentracións de só 1/300 a 1/500 das doutros solutos disoltos. A súa baixa concentración minimiza o seu efecto sobre a presión osmótica. As propiedades pouco comúns das AFPs atribúense á súa afinidade selectiva por formas de xeo cristalino específicas e o resultante bloqueo do proceso de nucleación do xeo.
Histérese térmica As AFPs crean unha diferenza entre o punto de fusión e o punto de conxelación coñecida como histérese térmica. A adición de AFPs á interface entre o xeo sólido e a auga líquida inhibe o crecemento favorecido termodinamicamente do cristal de xeo. O crecemento do xeo é inhibido cineticamente polas AFPs cubrindo as superficies de xeo accesibles á auga.
A histérese térmica mídese doadamente no laboratorio cun osmómetro nanolitro. Os organismos diferéncianse nos seus valores de histérese térmica. O nivel máximo de histérese térmica dunha AFP de peixe é de aproximadamente −3,5 °CMahatabuddin, S., Hanada, Y., Nishimiya, Y. et al. Concentration-dependent oligomerization of an alpha-helical antifreeze polypeptide makes it hyperactive. Sci Rep 7, 42501 (2017). https://doi.org/10.1038/srep42501. En contraste, os organismos acuáticos están expostos só a de −1 a −2 °C por debaixo da conxelación. Durante os meses de inverno extremo, o insecto lepidóptero Choristoneura resiste a conxelación a temperaturas que se aproximan aos −30 °C.
A velocidade do arrefriamento pode influír no valor de histérese térmica das AFPs. O arrefriamento rápido pode diminuír substancialmente o punto de conxelación non en equilibrio, e, por tanto, o valor da histérese térmica. En consecuencia, os organismos non se poden adaptar necesariamente ao seu ambiente subcero se a temperatura descende abruptamente.
Tolerancia e evitación da conxelación As especies que conteñen AFPs poden clasificarse en dous grupos:
Evitadoras da conxelación. Estas especies poden impedir que os seus fluídos corporais se conxelen totalmente. Xeralmente, os efectos das AFP poden ser superados a temperaturas extremadamente frías, o que causará un rápido crecemento de xeo e a morte do organismo.
Tolerantes á conxelación. Estas especies poden sobrevivir a unha conxelación dos seus fluídos corporais. Algunhas especies tolerantes pénsase que usan as AFPs como crioprotectores para impedir os danos da conxelación, pero non evitan completamente a conxelación. O mecanismo exacto aínda é descoñecido. Porén, pénsase que as AFPs poden inhibir a recristalización e estabilizan as membranas celulares para impedir os danos causados polo xeo. Poden funcionar en conxunción con proteínas nucleadoras do xeo para controlar a velocidade de propagación do xeo unha vez comezada a conxelación.
Diversidade
Coñécense moitos tipos de AFPs non homólogas.
AFPs de peixes miniatura|Figura 1. As tres caras dunha AFP tipo I
As glicoproteínas anticonxelantes ou AFGPs encóntranse en peixes antárticos nototenioides e gádidos árticos. Son de 2,6-3,3 kD. As AFGPs evolucionaron por separado en nototenioides e nos bacallaus do norte. Nos nototenioides o xene da AFGP orixinouse a partir dun xene de serina protease similar ao tripsinóxeno ancestral.
A AFP de tipo I encóntrase en Pseudopleuronectes americanus (solla vermella, un pleuronéctido), Myoxocephalus octodecemspinosus e Myoxocephalus scorpius (ambos cótidos). É a AFP mellor documentada porque foi a primeira na que se determinou a súa estrutura tridimensional. A AFP de tipo I consiste nunha soa hélice alfa longa anfipática dun tamaño de 3,3-4,5 kD. Ten tres caras na súa estrutura tridimensional: a face hidrófoba, a hidrófila e a face Thr-Asx. As AFP de tipo I-hyp (onde hyp significa hiperactivas) encóntranse en varios pleuronéctidos. Son de aproximadamente 32 kD (dúas moléculas dímeras de 17 kD). A proteína illouse do plasma sanguíneo da solla vermella. É considerabelmente mellor á hora de diminuír a temperatura de conxelación que a maioría das AFPs de peixes. Esta capacidade deriva parcialmente das súas moitas repeticións do sitio para a unión ao xeo de tipo I. As AFPs de tipo II (por exemplo ) encóntranse nos Hemitripterinae, nos Osmeridae e no arenque. Son proteínas globulares ricas en cisteína que conteñen cinco pontes disulfuro. As AFPs de tipo II probablemente evolucionaron a partir de lectinas dependentes de calcio (tipo c). Os Hemitripterinae, Osmeridae e arenques son liñaxes bastante diverxentes de teleósteos. Se o xene da AFP estivese presente no antepasado común máis recente destas liñaxes, é peculiar que o xene estea espallado iregularmente por esas liñaxes, presente nalgunhas ordes e ausente noutras. Suxeriuse que a responsable desta discrepancia pode ser a transferencia lateral de xenes, de tal maneira que os Osmeridae terían adquirido o xene da AFP de tipo II a partir do arenque. As AFps de tipo III atópanse nos Zoarcidae antárticos. Presentan unha hidrofobidade global similar na unión a superficies de xeo que as AFPs de tipo I. O seu tamaño é de aproximadamente 6kD. As AFPs de tipo III probablemente evolucionaron a partir do xene da ácido siálico sintase (SAS) presente nos Zoarcidae antárticos. Por medio dun evento de duplicación xénica este xene (que se sabe que o seu produto mostra certa actividade de unión ao xeo) evolucionou a un xene de AFP efectivo ao perder a parte N-terminal. As AFps de tipo IV () atópanse no Myoxocephalus octodecemspinosus. Son proteínas en hélice alfa ricas en glutamato e glutamina. Esta proteína é de aproximadamente 12KDa e consta dun feixe de 4 hélices. A súa única modificación postraducional é un residuo de piroglutamato, un residuo de glutamina ciclado no seu N-terminal.
AFPs de plantas A clasificación das AFPs fíxose máis complicada cando se descubriron proteínas anticonxelantes en plantas. As AFPs de plantas son bastante diferentes doutras AFPs nos seguintes aspectos:
Teñen unha histérese térmica moito máis débil comparada con outras AFPs. A súa función fisiolóxica é probablemente inhibir a recristalización do xeo en vez de impedir a súa formación. A maioría delas son proteínas relacionadas coa patoxénese evolucionadas, que ás veces conservan propiedades funxicidas.
AFPs de insectos
En insectos atopáronse varias AFPs, entre as que están as dos escaravellos Dendroides, Tenebrio e Rhagium, os lepidópteros Choristoneura e Campaea perlata e certos mosquitos (dípteros). As AFPs de insectos comparten certas semellanzas, e a maioría teñen unha maior actividade (é dicir, un maior valor de histérese térmica e denomínanse hiperactivas) e unha estrutura repetitiva cunha superficie de unión ao xeo plana. As dos escaravellos estreitamente emparentados Tenebrio e Dendroides son homólogas e cada repetición de 12–13 aminoácidos está estabilizada por unha ponte disulfuro interna. As isoformas teñen entre 6 e 10 destas repeticións, que forman unha cola ou beta-solenoide. Un lado do solenoide ten unha superficie plana de unión ao xeo que consta dunha dobre ringleira de residuos de treonina. Outros escaravellos (xénero Rhagium) teñen repeticións máis longas sen pontes disulfuro internas que formen un beta-solenoide comprimido (sándwich beta) con catro ringleiras de residuos de treonina, e esta AFP é estruturalmente similar á da modelada para a AFP non homóloga da avelaíña Campaea perlata. En contraste, a AFP de Choristoneura é un solenoide que lembra superficialmente a proteína de Tenebrio, cunha superficie de unión ao xeo similar, pero ten unha sección transversal triangular, con repeticións máis longas que carecen de pontes disulfuro internas. A AFP de mosquitos é estruturalmente similar á de Tenebrio e Dendroides, pero o beta-solenoide sostido por pontes disulfuro fórmase a partir de repeticións máis curtas de 10 aminoácidos, e, ademais, en vez de treonina, a superficie de unión ao xeo consta dunha soa ringleira de residuos de tirosina.
Os colémbolos (actualmente non considerados insectos senón un tipo de Hexapoda, tamén con 6 patas) teñen algunhas especies que viven no Canadá, que producen AFPs hiperactivas. Aínda que son tamén repetitivas e teñen unha superficie de unión ao xeo plana, a semellanza acaba aquí. Arredor do 50% dos residuos son de glicina (Gly), con repeticións de Gly-Gly- X ou Gly-X-X, onde X é calquera aminoácido. Cada repetición de 3 aminoácidos forma un xiro dunha hélice de poliprolina de tipo II. As hélices dóbranse despois unhas sobre outras, formando un feixe que ten dúas hélices de grosor, cunha face de unión ao xeo dominada por un pequeno tramo de residuos hidrófobos como a alanina, en vez de treonina.
Outros insectos como o escaravello de Alasca Upis ceramboides, producen anticonxelantes hiperactivos que son aínda menos similares, xa que non son polímeros de aminoácidos (proteínas) senón polímeros de azucres (xilomananos).
En conxunto, isto suxire que a maioría das AFPs e anticonxelantes orixináronse despois de que diverxesen as liñaxes que deron lugar a estes insectos. As semellanzas que comparten son o resultado de evolución converxente.
AFPs dos microorganismos do xeo mariño
Moitos microorganismos que viven no xeo oceánico posúen AFPs que pertencen a unha soa familia. As diatomeas Fragilariopsis cylindrus e F. curta exercen un papel clave nas comunidades de xeo oceánico dos mares polares, dominando as ensamblaxes tanto das capas de plaquetas de xeo coma dentro do xeo compacto. As AFPs son comúns nestas especies e a presenza de xenes de AFPs constituíndo unha familia multixénica indica a importancia deste grupo de xenes para o xénero Fragilariopsis. As AFPs identificadas en F. cylindrus pertencen á familia de AFPs que está representada en diferentes taxons e pode encontrarse noutros organismos relacionados co xeo mariño (Colwellia spp., Navicula glaciei, Chaetoceros neogracile, Stephos longipes e Leucosporidium antarcticum) e as bacerias do xeo terrestre antártico (Flavobacteriaceae), así como en fungos tolerantes ao frío (Typhula ishikariensis, Lentinula edodes e Flammulina populicola).
Resolvéronse varias estruturas das AFPs das comunidade do xeo mariño. Esta familia de proteínas prégase nunha hélice beta que forma unha superficie plana de unión ao xeo. A diferenza doutras AFPs, non hai un motivo de secuencia singular para o sitio de unión ao xeo.