Protizmrzovalni proteini ( 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,Madura, J. (2001). Fishy Proteins . Pridobljeno 27.11.2009. 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.Fletcher G.L., Hew C.L. in Davies P.L. (2001). Antifreeze Proteins of Teleost Fishes. Annu. Rev. Physiol. 63, str. 359–390.
Zgodovina 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. V poznih 60-ih letih je biolog Arthur L. DeVries uspel izolirati protizmrzovalne proteine iz antarktičnih rib, natančneje protizmrzovalne glikoproteine (AFGP). 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.
Evolucijski izvor 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.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.
Mehanizem delovanja in lastnosti Najverjetneje AFP-ji inhibirajo rast kristalov preko adsorpcije, tj. na površini kristalih ledu tvori plast, in tako inhibirajo termodinamsko favorizirano rast kristalov. Raziskave prvotne hipoteze o vezavi preko vodikovih vezi niso potrdile, pač pa naj bi bile v glavnem pomembne za adsorpcijo hidrofobne interakcije,Haymett A., Ward L. in Harding M. (1998). "Valine substituted winter flounder 'antifreeze': preservation of ice growth hysteresis". FEBS LETT 430, str. 301. dodatno pa naj bi stabilizirale vezave še van der Waalsove sile.
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.
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. Vzrok tega leži v njihovi vezavi na specifične površine na kristalih ledu.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.
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. 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.
Tipi protizmrzovalnih proteinov Ribji AFP-ji right|thumb|200px|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<ref name=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. enojna, dolga in amfipatična alfa vijačnica, velikost 3,3-4,5 kDa, 3 strani: hidrofobna, hidrofilna in Thr-Asx stranTričrkovni zapis Asx pomeni, da je lahko prisotna aminokislina bodisi aspartat (Asp) bodisi asparagin (Asn). I-hyp bokoplavutarice dimerna molekula, vsak monomer je velikosti 17 kDa II žarkoplavutarice družin Hemitripteridae, Osmeridae ter sardele rodu ClupeaNg, 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. globularni proteini, ki so bogati s cisteinom in vsebujejo 5 disulfidnih vezi III antarktični ostrižnjaki družine Zoarcidae podobna hidrofobnost kot pri tipu I, velikost 6 kDa IV žarkoplavutarice reda ScorpaeniformesDeng 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. sekundarno strukturo predstavljajo alfa vijačnice, bogate z glutamatom in glutaminom, velikost je okoli 12 kDa, post-translacijska modifikacija je piroglutamat na N-koncu AFGP antarktični ostrižnjaki podreda Notothenioidei, severne trske rodu Gadus običajna velikost proteinov je 2,6-3,3 kDaCrevel 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.
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.Carey, B. Cold, Hard Fact: Fish Antifreeze Produced in Pancreas. Pridobljeno 28.11.2009
AFP-ji žuželk thumb|right|Tridimenzionalna struktura AFP-ja žuželke, bogatega s cisteinom. V splošnem so prisotni pri različnih družinah žuželk in so bogati s cisteinom.J.G. Duman. (2001)."Antifreeze and Ice Nucleator Proteins in Terrestrial Arthropods". Annu. Rev. Physiol. 63, str. 327–57. 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.
Rastlinski AFP-ji Tudi v rastlinah so prisotni AFP-ji,Griffith, M. s sod. (1992). "Antifreeze Protein Produced Endogenously in Winter Rye Leaves". Plant Physiology 100 (2), str. 593-596. vendar se od drugih tipov razlikujejo po tem, da: imajo šibkejšo termično histerezo,M. Griffith and M. Yaish. (2004). Antifreeze proteins in overwintering plants: a tale of two activities. Trends in Plant Science 9:8, 399-405. verjetno inhibirajo rekristalizacijo in ne preprečujejo same tvorbe kristalov ledu, so se razvili iz proteinov, ki so povezani s patogenezo, nekateri pa imajo tudi proti-glivične lastnosti.
Uporaba Teoretično obstaja veliko možnosti za aplikacijo protizmrzovalnih proteinov, še posebej v prehrambeni industriji in medicini.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. 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."New Antifreeze Protein Found In Fleas May Allow Longer Storage Of Transplant Organs" Science Daily, 21. oktober 2005.
Glede na raziskave protizmrzovalne proteini, zaužiti skupaj s hrano, ne izzovejo toksičnih učinkov ali alergičnih reakcij.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.
Sklici in opombe
Nadaljnje branje
Zunanje povezave Fish Antifreeze Proteins - splošen opis protizmrzovalnih proteinov pri ribah. National Science Foundation (NSF).
Kategorija:Beljakovine Kategorija:Kriobiologija