Біологічні науки/9. Біохімія і біофізика

Богайчук І.В. ¹, Козій М.І. ¹, Коржов В.І.²

¹Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Факультет біомедичної інженерії

²ДУ «Національний інститут фтизіатрії і пульмонології імені Ф. Г. Яновського» НАМН України

АНАЛІЗ ТА УЗАГАЛЬНЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ АНТИФРИЗНИХ БІЛКІВ

Анотація. Робота присвячена аналізу даних про походження антифризних білків, їх поширення, властивості і особливості функціонування. Також розглянута перспектива розвитку, вивчення та застосування антифризних білків в сучасній медицині, зокрема в кріоінженерії.

Вступ. Антифризні білки, або антифризні глікопротеїни, є важливими елементами низькотемпературної адаптації. Необхідна для процесу концентрація антифризних протеїнів у 300-500 разів нижче, ніж інших антифризних речовин. Здатність перебувати у вільному стані у водних розчинах, а потім необоротно зв'язуватися з водою в її твердому стані є визначальною фізичною властивістю антифризних білків [1].

Адсорбція антифризних глікопротеїнів на поверхні льоду призводить до різниці між температурою замерзання і температурою плавлення, або термогістерезису, а також гальмування рекристалізації льоду. Термогістерезисна, або антифризна, активність глікопротеїнів – це здатність знижувати температуру замерзання розчину без істотного впливу на температуру плавлення. Встановлено, що для термогістерезисної активності необхідне виконання наступних умов, а саме:

1) високий вміст аланінових залишків, що забезпечують спіральну комфортацію;

2) гідрофобна поверхня повинна взаємодіяти з поверхнею кристала льоду;

3) наявність заряджених полярних амінокислотних залишків, відповідаючих за розчинність і/або взаємодію з решіткою льоду;

4) мінімальна довжина ланцюжка в 25 амінокислотних залишків [3, 4].

Гальмування рекристалізації льоду дозволяє зменшити механічне пошкодження тканин, перешкоджаючи термодинамічному зумовленому процесу безперервного зростання великих кристалів льоду за рахунок більш дрібних в процесі заморожування.

Матеріали і методи. При виконанні даної роботи використовувався комплексний метод досліджень, а саме: аналіз та узагальнення отриманих на даний момент наукових знань про клас антифризних білків, опрацювання інформаційної бази проведених досліджень на основі живих організмів. Аналітико-синтетична обробка документації дала змогу якісніше оцінити отримані результати.

Результати та їх обговорення. Антифризні білки – один із трьох класів білків, які контролюють процеси нуклеації та рекристилізації. Вони синтезуються в організмі пойкілотермними організмами при холодовому стресі. Дані білки мають різне еволюційне походження, структуру, механізми регуляції, проте всім їм властива особливість адсорбуватися на поверхні кристалів льоду та модифікувати їх ріст [2]. Антифризні протеїни поділяються на три групи за ефективністю їх дії. На відміну від більшості розчинних речовин, які витісняються фронтом льоду в процесі заморожування, антифризні білки необоротно зв’язуються з поверхнею льоду і включаються до складу його кристалічної решітки. Вважають, що зв'язування з льодом відбувається в 2 етапи:

1) освоєння поверхні, за яке відповідальні ділянки ланцюга, що утворюють водневі зв'язки;

2) встановлення ван-дер-ваальсової взаємодій між амінокислотними залишками, що збільшує силу зв’язку білок-лід.

Процес стабілізується за рахунок стратегічно розташованих відповідно до решітки льоду амінокислотних залишків [4].

Пошук загального механізму зв'язування антифризних білків з льодом ускладнений варіабельністю структури цих білків і тим, що вони розпізнають різні за структурою поверхні кристала льоду. Проте деякі загальні властивості і закономірності були виявлені, зокрема: сайти зв'язування з льодом, як правило, плоскі, відносно гідрофобні і займають більшу частину поверхні білка [1,5].

Більшість антифризних протеїнів мають множинні ізоформи, гени даних білків є представниками сімейств родинних генів, окремі представники цих родин можуть по-різному представлятися в певних частинах організму або окремих тканинах. На рівень активності даних білків впливають як фактори зовнішнього середовища, так і чинники, які залежать від самого організму, у тому числі гормони та стадія розвитку. До внутрішніх факторів також відносяться: кількість генів та ізоформи антифризних протеїнів, їх концентрація, кількість повторів структурних елементів сайту зв'язування льоду, наявність інших білків, що виступають у ролі підсилювачів .

Еволюція антифризних глікопротеїнів характеризується виникненням неспоріднених типів антифризів всередині одного і того ж таксона, а також конвергентної еволюцією, при якій подібні структури з'являються у віддалених видів. Дивовижне розмаїття антифризних білків поряд з дуже вузьким поширенням всередині таксонів призвело до гіпотези про те, що такі типи білків виникли незалежно один від одного під час недавніх з точки зору геологічної історії подій охолодження і заледеніння, після того як сформувалися сучасні види тварин і рослин. Ще однією причиною розмаїття антифризних білків може бути те, що кристал льоду має безліч поверхонь з різним геометричним розташуванням атомів кисню. Антифризи мають два протилежні шляхи походження. Деякі з них виникли через дегенерацію окремих членів сімейств білків, що мають абсолютно незв'язані з глікопротеїнами функції. Інші можуть вважатися новими білками, чиї гени з'явилися внаслідок порівняно недавніх генетичних подій . В окремих випадках дослідники припускають горизонтальний перенос генів антифризних протеїнів між неспорідненими таксонами.

В результаті дослідження представлено існуючі знання відносно походження, регуляції, стабільності і використання антифризних білків. Запропонований варіант класифікації антифризних білків відносно організмів в яких вони були відкриті. Розглянуто можливості використання антифризних білків для захисту організму при низьких температурах.

Висновки. Властивість антифризних білків взаємодіяти з льодом визначає їх необхідність для організму: вони нейтралізують нуклеатори льоду; понижують температуру замерзання рідин організму; відіграють кріопротекторну роль по відношенню до деяких мембран та білків.

Перелік посилань

1. Бильданова Л.Л., Салина Е.А., Шумный В.К. Основние свойства и особенности эволюции антифризних белков // Вавиловський журнал генетики и селекции. - 2012. - Т.16, №1. - С.250-266.

2. Трунова Т. И. Растение и низкотемпературный стресс // Тимирязевские чтения. М.: Наука, - 2007. - Т. 64. - 54с.

3. Barrett J. Thermal hysteresis proteins // Int. J. Biochem. Cell Biol. – 2001.– Vol.33, Issue 2.– P. 105–117.

4. Clarke C.J., Buckley S.L., Lindner N. Ice structuring proteins –a new name for antifreeze proteins // Cryo Letters.– 2002.– Vol. 23, N2.– P. 89–92.

5. Davies P.L., Baardsnes J., Kuiper M.J. et al. Structure and function of antifreeze proteins // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B.Biol. Sci.– 2002.– Vol. 357, N1423.– P. 927–935.