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抗冻蛋白

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抗冻蛋白(AFPs)或冰结构蛋白(ISPs)是指由某些动物、植物、真菌和细菌产生的一类多肽，此种蛋白允许这些生命能够在零下环境中生存。抗冻蛋白能够与小冰晶结合，抑制对生命致命的冰生长和重结晶过程。[1] 越来越多的证据表明，抗冻蛋白通过与哺乳动物细胞膜相互作用，保护它们免受寒冷损伤。这些工作表明抗冻蛋白参与了冷适应过程。[2]

1 非依数性质编辑

与广泛使用的汽车防冻剂乙二醇不同，抗冻蛋白不会按浓度比例降低冰点。相反，他们以一种非依数的方式工作。这种现象允许它们在浓度为其他溶解溶质浓度的1/300至1/500时充当防冻剂。它们的低浓度使它们对渗透压的影响最小化。[2] 抗冻蛋白此种不同寻常的性质归因于它们对特定结晶冰形式的选择性亲和力以及由此导致的冰成核过程的阻断。[3]

2 热滞后现象编辑

热滞后很容易在实验室用纳升渗透压力计测量。生物体的热滞后值不同。鱼类抗冻蛋白显示的最大热滞后水平约为-3.5℃(谢赫·马哈塔布丁等人，科学通报杂志)(29.3℉)。然而，昆虫抗冻蛋白的活性是鱼类蛋白的10-30倍。这种差异可能反映了昆虫在陆地上遇到温度较低。相比之下，水生生物只暴露在零下1到2摄氏度的环境中。在极端的冬季月份，云杉卷叶蛾在接近-30℃的温度下抵抗冰冻。[2] 阿拉斯加甲虫天牛通过使用非蛋白质的防冻剂在-60℃的温度下生存。[4]

冷却速度会影响抗冻蛋白的热滞后值。快速冷却可以显著降低非平衡冰点，从而降低热滞后值。因此，如果温度突然下降，生物体不一定能适应零下的环境。[2]

3 抗冻性与防冻性编辑

含有抗冻蛋白的物种可分为两种：

防冻能力:这些物种能够完全防止体液冻结。一般来说，在极冷的温度下，抗冻蛋白的功能可能会被克服，导致冰快速生长和生物死亡。

抗冻能力:这些物种能够在体液冷冻中存活。一些耐冷冻物种被认为使用抗冻蛋白作为防冻剂来防止冷冻的损害，但不是完全冷冻。确切的机制仍然未知。然而，人们认为抗冻蛋白可以抑制重结晶，稳定细胞膜，防止冰的破坏。[5]它们可能与蛋白质冰核因子(PINs)一起作用来控制冷冻后冰的扩增速度。[5]

4 多样性编辑

已知有许多非同源类型的抗冻蛋白。

4.1 鱼抗冻蛋白

图1. I型AFP的三个面

在南极鱼和北鳕鱼中发现了抗冻糖蛋白。它们的大小是2.6-3.3 kD。[6]抗冻糖蛋白分别在南极鱼和北鳕鱼中进化。在南极鱼中，抗冻糖蛋白基因来源于祖先的类胰蛋白酶丝氨酸蛋白酶基因。[7]

一型抗冻蛋白见于冬季比目鱼、长角鱼和短角鱼。这是最有文献记载的抗冻蛋白，因为它是第一个三维结构得到具体确认的。[8] 一型抗冻蛋白由单个长的两亲性α螺旋组成，大小约为3.3-4.5 kD。3D结构有三个面:疏水面、亲水面和苏氨酸-Asx面。[8]

一型羟丙抗冻蛋白(羟丙代表极度活跃)存在于几种比目鱼中。它大约是32 kD(两个17 kD的二聚分子)。这种蛋白质是从比目鱼血浆中分离出来的。它在降低冷冻温度方面比大多数鱼类抗冻蛋白好得多。[9]

第二类抗冻蛋白存在于海鸦、胡瓜鱼和鲱鱼中。它们是富含半胱氨酸的球状蛋白质，含有五个二硫键。[10] 二型抗冻蛋白可能由钙依赖性(c型)凝集素进化而来。[11] 海鸦、胡瓜鱼和鲱鱼是硬骨鱼的非常不同的谱系。如果抗冻蛋白基因存在于这些谱系的最近共同祖先中，那么奇怪的是，该基因分散在这些谱系中，在某些分支中存在，而其他的分支中却不存在。有人认为横向基因转移可导致这种差异，因此胡瓜鱼从鲱鱼中获得了二型抗冻蛋白基因。[12]

第三类抗冻蛋白发现于南极鳗口。它们在冰结合表面表现出与一型抗冻蛋白相似的整体疏水性。它们的大小约为6kD。[6] 第三型抗冻蛋白可能是从南极鳗口中的唾液酸合成酶基因进化而来的。通过一个基因复制事件，这个基因——已经显示出它自己的一些冰结合活性——进化成一个有效的抗冻蛋白基因。[13]

第四类抗冻蛋白存在于长角杜父鱼中。它们是富含谷氨酸盐和谷氨酰胺的α螺旋蛋白。[14] 这种蛋白质的大小约为12KDa，由一个4螺旋束组成。[14] 它唯一的翻译后修饰是焦谷氨酸残基，一种位于其氮末端的环化谷氨酰胺残基。[14]

4.2 植物抗冻蛋白

当发现植物抗冻蛋白时，抗冻蛋白的分类变得更加复杂。[15] 植物抗冻蛋白在以下方面与其他抗冻蛋白有很大不同:

  1. 与其他抗冻蛋白相比，它们具有弱得多的热滞后活性。[16]
  2. 它们的生理功能可能是抑制冰的重结晶，而不是防止冰的形成。[16]
  3. 其中大多数是进化而来的致病相关蛋白，有时保留抗真菌特性。[16]

4.3 昆虫抗冻蛋白

昆虫抗冻蛋白有两种类型，黄粉虫和松毛虫抗冻蛋白，它们都属于不同的昆虫家族。它们彼此相似，都是极度活跃的(即更大的热滞后值)，并且由大约8.3至12.5 kD的不同数量的12或13聚体重复组成。在蛋白质的整个长度上，至少每六个残基中有一个是半胱氨酸。[5] 最近发现，甚至高度截短的昆虫抗冻蛋白(例如，仅由两个或三个卷曲组成的肽)也可能表现出冰结构和热滞后活性。[17]

黄粉虫或五型抗冻蛋白存在于甲虫中，[18]而松毛虫或烟支寄蝇抗冻蛋白存在于一些鳞翅目昆虫中。

4.4 海冰生物抗冻蛋白

在生活在海冰中的微生物中也发现了抗冻蛋白。圆柱拟脆杆藻和短角硅藻在极地海冰群落中起着关键作用，它们控制着表面层和浮冰内部的组合。抗冻蛋白在这些物种中广泛存在，抗冻蛋白基因作为一个多基因家族的存在表明了这一组对拟脆杆藻属的重要性。短角硅藻[19] 鉴定出的抗冻蛋白属于抗冻蛋白家族，在不同的分类群中有代表，在与海冰有关的其他生物(科尔韦利亚属，冰川纳维藻、新细角毛藻、长角毛藻和南极隐孢子虫[20][21])和南极内陆冰细菌(黄杆菌科)，[22][23]以及耐寒真菌(石斑蒲、香菇和大众金针菇) 中也有发现。[24][25])

5 演变编辑

抗冻蛋白的显著多样性和分布表明，不同类型的抗冻蛋白是最近随着100万-200万年前北半球和1000万-3000万年前南极洲发生的海平面冰川作用而演变的。这种相似适应的独立发展被称为收敛进化。[2] 尽管它们是多样化的，有两个原因可以解释为什么许多类型的抗冻蛋白能够执行相同的功能:

  1. 虽然冰是由氧和氢均匀组成的，但它有许多不同的用于结合的表面暴露出来。不同类型的抗冻蛋白可以与不同的表面相互作用。
  2. 虽然这五种类型的抗冻蛋白在氨基酸的一级结构上有所不同，但当它们折叠成一种功能蛋白时，它们在三维或三级结构上可能有相似之处，从而促进了与冰的相同相互作用。[2][26]

6 作用机制编辑

抗冻蛋白被认为通过吸附—抑制机制抑制生长。[27] 它们吸附在冰的非底部平面上，抑制热力学上有利于冰的生长。[28] 在一些抗冻蛋白中，平面刚性表面的存在似乎有助于其通过范德华力表面互补性与冰相互作用。[29]

7 与冰结合编辑

通常，在溶液中生长的冰晶只显示出基底面(0001)和棱镜面(1010)，并且呈现为圆形和扁平的圆盘。[3] 然而，似乎抗冻蛋白的存在暴露了其他的表面。现在看来，冰表面（2021）是优选的结合表面，至少对一型抗冻蛋白来说是如此。[30] 通过对一型抗冻蛋白的研究，冰和抗冻蛋白最初被认为是通过氢键相互作用的(雷蒙德和德弗里斯，1977)。然而，当被认为有助于氢键形成的蛋白质部分发生突变时，并没有观察到抗冻活性的预期下降。最近的数据表明疏水相互作用可能是主要原因。[31] 由于水-冰界面复杂，很难辨别结合的确切机理。目前，人们正试图通过分子建模程序(分子动力学或蒙特卡罗方法)来揭示精确的机制。[1][3]

8 结合机制和防冻功能编辑

根据对美洲拟鲽抗冻蛋白的结构和功能研究[32]显示出一型抗冻蛋白分子的抗冻机制是由于其四个苏氨酸残基的羟基通过氢键结合到沿  晶格方向的氧上而以拉链状方式结合到冰成核结构上，随后阻止或延缓冰锥体平面的生长，从而降低冰点。[32]

上述机制可用于阐明具有以下两个共同特征的其他抗冻蛋白的结构-功能关系:

  1. 苏氨酸残基(或其侧链能与水形成氢键的任何其他极性氨基酸残基)在相关序列的11个氨基酸周期内重复出现，以及
  2. 其中丙氨酸残基成分的高百分比。[32]

9 历史编辑

20世纪50年代，挪威科学家斯科兰德开始尝试解释北极鱼类如何在比血液冰点还冷的水中生存。他的实验让他相信北极鱼类的血液中有“防冻剂”。[1] 然后在20世纪60年代末，动物生物学家亚瑟·德弗里斯通过对南极鱼的研究，分离出了抗冻蛋白。[33] 这些蛋白质后来被称为抗冻糖蛋白(AFGs)或抗冻糖肽，以区别于新发现的非糖蛋白生物抗冻剂。德弗里斯和罗伯特·芬尼(1970)一起研究抗冻蛋白的化学和物理性质。[34] 1992年，格里菲斯等人记录了他们在冬黑麦叶中发现的抗冻蛋白。大约在同一时间，乌鲁蒂亚、杜曼和奈特(1992)记录了被子植物的热滞后蛋白。第二年，杜曼和奥尔森指出，在超过23种被子植物中也发现了抗冻蛋白，包括人类食用的被子植物。[35] 他们报告了它们在真菌和细菌中的存在。

10 名称更改编辑

最近已经尝试将抗冻蛋白重新标记为冰结构蛋白，以更准确地表示它们的功能，并解决抗冻蛋白和汽车防冻剂乙二醇之间的任何假定的负相关关系。这两件事是完全独立的实体，只在功能上表现出松散的相似性。[36]

11 商业和医疗应用编辑

许多领域将能够受益于冰冻对组织损伤的保护。企业目前正在研究这些蛋白质在以下方面的用途:

  • 提高作物的抗冻性，延长寒冷气候下的收获季节
  • 在较冷的气候条件下提高农场鱼类产量
  • 延长冷冻食品的保质期
  • 改进低温外科手术
  • 加强医学移植或输血用组织的保存[37]
  • 低温疗法
  • 人类冷冻保存(人体冷冻)

联合利华已经获得英国批准，使用转基因酵母生产鱼类来源的抗冻蛋白，用于冰淇淋生产。[38]

12 最近的新闻编辑

最近一项成功的商业努力是将抗冻蛋白引入冰淇淋和酸奶产品。这种被称为冰结构蛋白的成分已经被食品和药物管理局批准。这些蛋白质从鱼中分离出来，并在基因改造的酵母中大规模生产。[39]

反对转基因生物的组织担心抗冻蛋白会引起炎症。[40] 在大多数北方和温带地区，饮食中抗冻蛋白的摄入量可能已经很大了。[6]鉴于已知历史上抗冻蛋白的消费量，可以安全地得出结论，它们的功能特性不会对人类产生任何毒理学或过敏性影响。[6]

同时，冰结构蛋白的转基因生产过程已经在社会上得到广泛应用。胰岛素和凝乳酶是用这种技术生产的。该过程不影响产品；它只是提高了生产效率，防止了鱼的死亡，否则鱼会被杀死来提取蛋白质。

目前，联合利华在其一些美国产品中加入了抗冻蛋白，包括一些冰棒和一系列新的布雷耶轻质双份搅拌冰淇淋棒。在冰淇淋中，抗冻蛋白可以生产出含较少添加剂的乳脂状、致密、低脂肪的冰淇淋。[41]他们控制着装载码头或餐桌上解冻带来的冰晶生长，这些冰晶的生长会大大降低了产品质量。[42]

2009年11月，《美国国家科学院院刊》发表了在阿拉斯加甲虫中对一种分子的发现，这种分子的行为类似于抗冻蛋白，但由单糖和脂肪酸组成。[4]

2010年的一项研究证明了过热水冰晶在抗冻蛋白中的稳定性，表明蛋白质不仅可以抑制冷冻，它们也可以抑制融化。[43]

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