Las proteínas anticongelantes ( AFP ) o las proteínas estructurantes del hielo ( ISP ) se refieren a una clase de polipéptidos producidos por ciertos animales, plantas, hongos y bacterias que permiten su supervivencia en entornos bajo cero. Las AFP se unen a pequeños cristales de hielo para inhibir el crecimiento y la recristalización de hielo que de otro modo serían fatales.
También hay evidencia creciente de que las AFP interactúan con las membranas celulares de los mamíferos para protegerlas del daño por frío. Este trabajo sugiere la participación de las AFP en la aclimatación al frío.
Propiedades no coligativas
A diferencia del anticongelante automotriz ampliamente utilizado, el etilenglicol, las AFP no reducen el punto de congelación en proporción a la concentración. Por el contrario, trabajan de manera no coligativa. Este fenómeno les permite actuar como anticongelante en concentraciones de 1/300 a 1/500 de las de otros solutos disueltos.
Su baja concentración minimiza su efecto sobre la presión osmótica. Las propiedades inusuales de las AFP se atribuyen a su afinidad selectiva por formas específicas de hielo cristalino y al bloqueo resultante del proceso de nucleación de hielo.
Histéresis térmica
Las AFP crean una diferencia entre el punto de fusión y el punto de congelación (temperatura de ruptura del cristal de hielo unido a AFP) conocida como histéresis térmica. La adición de AFP en la interfaz entre hielo sólido y agua líquida inhibe el crecimiento termodinámicamente favorecido del cristal de hielo.
El crecimiento de hielo es inhibido cinéticamente por las AFP que cubren las superficies de hielo accesibles al agua.
La histéresis térmica se mide fácilmente en el laboratorio con un osmómetro de nanolitros. Los organismos difieren en sus valores de histéresis térmica. El nivel máximo de histéresis térmica que muestra el pescado AFP es de aproximadamente -3.5 º C (Sheikh Mahatabuddin et al, SciRep) (29.3 º F). Sin embargo, las proteínas anticongelantes de insectos son 10-30 veces más activas que las proteínas de pescado.
Esta diferencia probablemente refleja las temperaturas más bajas que encuentran los insectos en la tierra. En contraste, los organismos acuáticos están expuestos solo a -1 a -2 º C bajo cero. Durante los meses de invierno extremos, el gusano de abeto se resiste a la congelación a temperaturas cercanas a -30 º C.
El escarabajo de Alaska Upis ceramboidespuede sobrevivir a una temperatura de -60 º C utilizando agentes anticongelantes que no sean proteínas.
La velocidad de enfriamiento puede influir en el valor de histéresis térmica de las AFP. El enfriamiento rápido puede disminuir sustancialmente el punto de congelación sin equilibrio y, por lo tanto, el valor de histéresis térmica. En consecuencia, los organismos no pueden adaptarse necesariamente a su entorno bajo cero si la temperatura cae abruptamente.
Tolerancia de congelación versus evitación de congelación
Las especies que contienen AFP pueden clasificarse como
Evita la congelación : estas especies pueden evitar que sus fluidos corporales se congelen por completo. En general, la función AFP puede superarse a temperaturas extremadamente frías, lo que lleva a un rápido crecimiento de hielo y la muerte.
Tolerante a la congelación : estas especies pueden sobrevivir a la congelación de fluidos corporales. Se cree que algunas especies tolerantes a la congelación usan AFP como crioprotectores para prevenir el daño de la congelación, pero no la congelación por completo. El mecanismo exacto aún se desconoce.
Sin embargo, se cree que las AFP pueden inhibir la recristalización y estabilizar las membranas celulares para evitar daños por hielo. Pueden trabajar en conjunto con los nucleadores de hielo de proteínas (PIN) para controlar la velocidad de propagación del hielo después de la congelación.
Diversidad
Hay muchos tipos de AFP no homólogos conocidos.
AFP de pescado
Anticongelantes glicoproteínas o AFGPs se encuentran en la Antártida nototenoideos y bacalao del norte. Son 2.6-3.3 kD. Las AFGP evolucionaron por separado en nototenioides y bacalao del norte. En los nototenioides, el gen AFGP surgió de un gen ancestral de serina proteasa similar al tripsinógeno.
La AFP tipo I se encuentra en la platija de invierno, la escultura de cuernos largos y la escultura de cuernos cortos. Es la AFP mejor documentada porque fue la primera en determinar su estructura tridimensional. La AFP tipo I consiste en una hélice alfa anfipática única, larga, de aproximadamente 3,3-4,5 kD de tamaño.
La estructura 3D tiene tres caras: la cara hidrófoba, hidrófila y Thr-Asx.
El tipo I-hyp AFP (donde hyp significa hiperactivo) se encuentra en varias platijas derechas. Tiene aproximadamente 32 kD (dos moléculas diméricas de 17 kD). La Proteína se aisló del plasma sanguíneo de la platija de invierno. Es considerablemente mejor para bajar la temperatura de congelación que la mayoría de las AFP de peces.
La capacidad se deriva parcialmente de sus muchas repeticiones del sitio de unión al hielo Tipo I.
Las AFP tipo II (p. Ej., P05140 ) se encuentran en cuervos de mar, olores y arenques. Son proteínas globulares ricas en cisteína que contienen cinco enlaces disulfuro. Las AFP tipo II probablemente evolucionaron a partir de lectinas dependientes de Calcio (tipo c). Los cuervos de mar, el olor y el arenque son linajes bastante diferentes de teleósteos.
Si el gen AFP estuviera presente en el ancestro común más reciente de estos linajes, es peculiar que el gen se encuentre disperso en esos linajes, presente en algunos órdenes y ausente en otros. Se ha sugerido que la transferencia lateral de genes podría atribuirse a esta discrepancia, de modo que el olor adquirió el gen AFP tipo II del arenque.
Las AFP tipo III se encuentran en el eelpout antártico. Exhiben una hidrofobicidad general similar en las superficies de unión de hielo a las AFP de tipo I. Tienen aproximadamente 6kD de tamaño. Las AFP de tipo III probablemente evolucionaron a partir de un gen de ácido siálico sintasa (SAS) presente en el eelpout antártico.
A través de un evento de duplicación génica, este gen, que se ha demostrado que exhibe cierta actividad de unión al hielo, evolucionó en un gen AFP efectivo por la pérdida de la parte N-terminal.
Las AFP tipo IV ( P80961 ) se encuentran en las esculpinas de cuernos largos. Son proteínas alfa helicoidales ricas en glutamato y glutamina. Esta proteína tiene un tamaño aproximado de 12 KDa y consiste en un paquete de 4 hélices. Su única modificación postraduccional es un residuo de piroglutamato, un residuo de glutamina ciclado en su extremo N-terminal.
Planta de AFP
La clasificación de las AFP se volvió más complicada cuando se descubrieron las proteínas anticongelantes de las plantas. Las AFP de planta son bastante diferentes de las otras AFP en los siguientes aspectos:
Tienen una actividad de histéresis térmica mucho más débil en comparación con otras AFP.
Es probable que su función fisiológica sea inhibir la recristalización del hielo en lugar de prevenir la formación de hielo.
La mayoría de ellos son proteínas evolucionadas relacionadas con la patogénesis, que a veces conservan propiedades antifúngicas.
AFP de insectos
Hay dos tipos de proteínas anticongelantes de insectos, Tenebrio y Dendroides AFP que están en diferentes familias de insectos. Son similares entre sí, siendo ambos hiperactivos (es decir, mayor valor de histéresis térmica) y consisten en números variables de repeticiones de 12 o 13 meros de aproximadamente 8,3 a 12,5 kD.
A lo largo de la longitud de la proteína, al menos cada sexto residuo es una cisteína. Recientemente se descubrió que incluso el insecto AFP altamente truncado (por ejemplo, el péptido que consta de solo dos o tres bobinas) puede exhibir actividades de estructuración de hielo e histéresis térmica.
Las AFP Tenebrio o Tipo V se encuentran en escarabajos, mientras que las AFP Dendroides o Choristoneura fumiferana se encuentran en algunos Lepidópteros.
Organismos de hielo marino AFP
Muchos microorganismos que viven en el hielo marino poseen AFP que pertenecen a una sola familia. Las diatomeas Fragilariopsis cylindrus y F. curta desempeñan un papel clave en las comunidades de hielo marino polar, dominando los ensamblajes de ambas capas de plaquetas y dentro del paquete de hielo.
Las AFP están muy extendidas en estas especies, y la presencia de genes AFP como familia multigénica indica la importancia de este grupo para el género Fragilariopsis. Las AFP identificadas en F. cylindrus pertenecen a una familia de AFP que está representada en diferentes taxones y se puede encontrar en otros organismos relacionados con el hielo marino ( Colwellia spp., Navicula glaciei,Chaetoceros neogracile y Stephos longipes y Leucosporidium antarcticum ) y bacterias antárticas de hielo interior ( Flavobacteriaceae ), así como también en hongos tolerantes al frío ( Typhula ishikariensis, Lentinula edodes y Flammulina populicola ).
Se han resuelto varias estructuras para las AFP de hielo marino. Esta familia de proteínas se pliega en una hélice beta que forma una superficie plana de unión al hielo. A diferencia de las otras AFP, no hay un motivo de secuencia singular para el sitio de unión al hielo.
La AFP encontrada en el metagenoma del Euplotes focardii ciliado y las bacterias psicrofílicas tiene una capacidad eficaz de inhibición de la recristalización del hielo. 1 μM de la proteína de unión al hielo del consorcio Euplotes focardii ( Efc IBP) es suficiente para la inhibición total de la recristalización del hielo a –7,4 º C de temperatura.
Esta capacidad de inhibición de la recristalización del hielo ayuda a las bacterias a tolerar el hielo en lugar de prevenir la formación de hielo. Efc IBP también produce brecha de histéresis térmica, pero esta capacidad no es tan eficiente como la capacidad de inhibición de la recristalización de hielo.
Efc IBP ayuda a proteger las proteínas purificadas y las células bacterianas enteras en temperaturas de congelación.La proteína verde fluorescente es funcional después de varios ciclos de congelación y fusión cuando se incuba con Efc IBP. Escherichia coli sobrevive períodos más largos a 0 º C de temperatura cuando el gen efcIBP se insertó en el genoma de E.
Coli.. Efc IBP tiene una estructura típica de AFP que consiste en múltiples hojas beta y una hélice alfa. Además, todos los residuos polares que se unen al hielo están en el mismo sitio de la proteína.
Evolución
La notable diversidad y distribución de las AFP sugiere que los diferentes tipos evolucionaron recientemente en respuesta a la glaciación a nivel del mar que ocurrió hace 1-2 millones de años en el hemisferio norte y hace 10-30 millones de años en la Antártida. Este desarrollo independiente de adaptaciones similares se conoce como evolución convergente.
Hay dos razones por las cuales muchos tipos de AFP pueden realizar la misma función a pesar de su diversidad:
Aunque el hielo está compuesto uniformemente por moléculas de agua, tiene muchas superficies diferentes expuestas para la unión. Los diferentes tipos de AFP pueden interactuar con diferentes superficies.
Aunque los cinco tipos de AFP difieren en su estructura primaria de aminoácidos, cuando cada uno se pliega en una proteína funcional, pueden compartir similitudes en su estructura tridimensional o terciaria que facilita las mismas interacciones con el hielo.
Mecanismos de acción
Se cree que las AFP inhiben el crecimiento mediante un mecanismo de adsorción- inhibición. Se adsorben en los planos de hielo no basales, inhibiendo el crecimiento de hielo favorecido termodinámicamente. La presencia de una superficie plana y rígida en algunas AFP parece facilitar su interacción con el hielo a través de la complementariedad de la fuerza de Van der Waals.
Unión al hielo
Normalmente, los cristales de hielo crecidos en solución solo exhiben las caras basales (0001) y del prisma (1010), y aparecen como discos redondos y planos. Sin embargo, parece que la presencia de AFP expone otras caras. Ahora parece que la superficie de hielo 2021 es la superficie de unión preferida, al menos para AFP tipo I.
A través de los estudios sobre AFP tipo I, inicialmente se pensó que el hielo y AFP interactuaban a través de enlaces de hidrógeno (Raymond y DeVries, 1977). Sin embargo, cuando se mutaron partes de la proteína que se cree que facilitan este enlace de hidrógeno, no se observó la disminución hipotética de la actividad anticongelante.
Datos recientes sugieren que las interacciones hidrofóbicas podrían ser el principal contribuyente. Es difícil discernir el mecanismo exacto de unión debido a la compleja interfaz agua-hielo. Actualmente, se están intentando descubrir el mecanismo preciso mediante el uso de programas de modelado molecular ( dinámica molecular o el método de Monte Carlo ).
Mecanismo de enlace y función anticongelante
Según el estudio de estructura y función sobre la proteína anticongelante de Pseudopleuronectes americanus, se demostró que el mecanismo anticongelante de la molécula de AFP tipo I se debe a la unión a una estructura de nucleación de hielo en forma de cremallera a través de enlaces de hidrógeno de los grupos hidroxilo de sus cuatro residuos Thr a los oxígenos a lo largo del{\ displaystyle}dirección en la red de hielo, deteniendo o retrasando posteriormente el crecimiento de los planos piramidales de hielo para deprimir el punto de congelación.
El mecanismo anterior se puede utilizar para dilucidar la relación estructura-función de otras proteínas anticongelantes con las siguientes dos características comunes:
Recurrencia de un residuo Thr (o cualquier otro residuo de aminoácido polar cuya cadena lateral puede formar un enlace de hidrógeno con agua) en un período de 11 aminoácidos a lo largo de la secuencia en cuestión, y
Un alto porcentaje de un componente de residuo Ala en el mismo.
Historia
En la década de 1950, el científico noruego Scholander se propuso explicar cómo los peces árticos pueden sobrevivir en aguas más frías que el punto de congelación de su sangre. Sus experimentos lo llevaron a creer que había «anticongelante» en la sangre de los peces del Ártico. Luego, a fines de la década de 1960, el biólogo animal Arthur DeVries pudo aislar la proteína anticongelante a través de su investigación sobre peces antárticos.
Estas proteínas se denominaron luego glucoproteínas anticongelantes (AFGP) o glucopéptidos anticongelantes para distinguirlos de los agentes anticongelantes biológicos (AFP) recién descubiertos. DeVries trabajó con Robert Feeney (1970) para caracterizar las propiedades químicas y físicas de las proteínas anticongelantes.
En 1992, Griffith et al.documentaron su descubrimiento de AFP en hojas de centeno de invierno. Casi al mismo tiempo, Urrutia, Duman y Knight (1992) documentaron la proteína de histéresis térmica en angiospermas. Al año siguiente, Duman y Olsen notaron que también se habían descubierto AFP en más de 23 especies de angiospermas, incluidas las que se comen los humanos.
También informaron su presencia en hongos y bacterias.
Cambio de nombre
Se han realizado intentos recientes para volver a etiquetar las proteínas anticongelantes como proteínas estructurantes del hielo para representar con mayor precisión su función y eliminar cualquier relación negativa asumida entre las AFP y el anticongelante automotriz, el etilenglicol. Estas dos cosas son entidades completamente separadas, y muestran similitudes sueltas solo en su función.
Aplicaciones comerciales y médicas
Numerosos campos podrían beneficiarse de la protección del daño tisular por congelación. Actualmente, las empresas están investigando el uso de estas proteínas en:
Aumentar la tolerancia a la congelación de las plantas de cultivo y extender la temporada de cosecha en climas más fríos.
Mejora de la producción de peces de granja en climas más fríos.
Alargar la vida útil de los alimentos congelados.
Mejorando la criocirugía
Mejora de la preservación de tejidos para trasplante o transfusión en medicina
Terapia para la hipotermia.
Criopreservación Humana (Cryonics)
Unilever obtuvo la aprobación del Reino Unido para utilizar una levadura genéticamente modificada para producir proteínas anticongelantes a partir de pescado, para su uso en la producción de helados.
Noticias recientes
Un esfuerzo empresarial reciente y exitoso ha sido la introducción de AFP en helados y productos de yogurt. Este ingrediente, etiquetado como proteína estructuradora del hielo, ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos. Las proteínas se aíslan del pescado y se replican, a mayor escala, en levaduras genéticamente modificadas.
Existe preocupación de organizaciones que se oponen a los organismos genéticamente modificados (OGM) que creen que las proteínas anticongelantes pueden causar inflamación. La Ingesta de AFP en la Dieta es probablemente sustancial en la mayoría de las regiones del norte y templadas. Dado el consumo histórico conocido de AFP, es seguro concluir que sus propiedades funcionales no imparten ningún efecto toxicológico o alergénico en humanos.
Además, el proceso transgénico de producción de ISP ya se usa ampliamente en la sociedad. La insulina y el cuajo se producen con esta tecnología. El proceso no afecta el producto; simplemente hace que la producción sea más eficiente y evita la muerte de peces que de otro modo se matarían para extraer la proteína.
Actualmente, Unilever incorpora AFP en algunos de sus productos estadounidenses, incluidos algunos paletas heladas Popsicle y una nueva línea de barras de helado Breyers Light Double Churned. En los helados, las AFP permiten la producción de helados muy cremosos, densos y bajos en Grasa con menos aditivos.
Controlan el crecimiento de los cristales de hielo provocado al descongelar en el muelle de carga o la mesa de la cocina, lo que reduce la calidad de la textura.
En noviembre de 2009, las Actas de la Academia Nacional de Ciencias publicaron el descubrimiento de una molécula en un escarabajo de Alaska que se comporta como AFP, pero está compuesta de sacáridos y Ácidos grasos.
Un estudio de 2010 demostró la estabilidad de los cristales de hielo de agua sobrecalentados en una solución de AFP, mostrando que si bien las proteínas pueden inhibir la congelación, también pueden inhibir la fusión.