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Proteína anticongelante

Las proteínas anticongelantes ( AFP ) o proteínas estructurantes del hielo se refieren a una clase de polipéptidos producidos por ciertos animales , plantas , hongos y bacterias que permiten su supervivencia a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. Las AFP se unen a pequeños cristales de hielo para inhibir el crecimiento y la recristalización del hielo que de otro modo sería fatal. [3] También hay cada vez más pruebas de que las AFP interactúan con las membranas de las células de los mamíferos para protegerlas del daño causado por el frío. Este trabajo sugiere la participación de las AFP en la aclimatación al frío . [4]

Propiedades no coligativas

A diferencia del anticongelante para automóviles ampliamente utilizado, el etilenglicol , los AFP no reducen el punto de congelación en proporción a la concentración. [ cita necesaria ] Más bien, funcionan de forma 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 . [4] 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 del hielo. [5]

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 la AFP), conocida como histéresis térmica. La adición de AFP en la interfaz entre el hielo sólido y el agua líquida inhibe el crecimiento termodinámicamente favorecido del cristal de hielo. El crecimiento del hielo es inhibido cinéticamente por las AFP que cubren las superficies del hielo accesibles al agua. [5]

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 mostrado por la AFP de los peces es de aproximadamente −3,5 °C (Sheikh Mahatabuddin et al., SciRep)(29,3 °F). Por el contrario, los organismos acuáticos sólo están expuestos a -1 a -2 °C bajo cero. Durante los meses extremos del invierno, el gusano de las yemas del abeto resiste la congelación a temperaturas cercanas a los -30 °C. [4]

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 de desequilibrio y, por tanto, el valor de histéresis térmica. En consecuencia, los organismos no necesariamente pueden adaptarse a su ambiente bajo cero si la temperatura cae abruptamente. [4]

Tolerancia a la congelación versus evitación de la congelación

Las especies que contienen AFP pueden clasificarse como

Evitador de la congelación : estas especies pueden evitar que sus fluidos corporales se congelen por completo. Generalmente, la función de la AFP puede verse superada a temperaturas extremadamente frías, lo que provoca un rápido crecimiento del hielo y su muerte.

Tolerante a la congelación : estas especies pueden sobrevivir a la congelación de fluidos corporales. Se cree que algunas especies tolerantes a la congelación utilizan 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 el hielo. [6] Pueden trabajar en conjunto con proteínas nucleantes de hielo (INP) para controlar la velocidad de propagación del hielo después de la congelación. [6]

Diversidad

Se conocen muchos tipos no homólogos de AFP.

AFP de pescado

Figura 1 . Las tres caras de la AFP Tipo I

Las glicoproteínas anticongelantes o AFGP se encuentran en los nototenioides antárticos y en el bacalao del norte . Tienen entre 2,6 y 3,3 kD. [7] Los AFGP evolucionaron por separado en los nototenioides y el bacalao del norte. En los nototenioides, el gen AFGP surgió de un gen ancestral de serina proteasa similar al tripsinógeno. [8]

Planta AFP

La clasificación de las AFP se volvió más complicada cuando se descubrieron las proteínas anticongelantes de las plantas. [17] Las AFP de planta se diferencian bastante de las demás AFP en los siguientes aspectos:

  1. Tienen una actividad de histéresis térmica mucho más débil en comparación con otras AFP. [18]
  2. Es probable que su función fisiológica sea inhibir la recristalización del hielo en lugar de prevenir la formación de hielo. [18]
  3. La mayoría de ellas son proteínas evolucionadas relacionadas con la patogénesis , que a veces conservan propiedades antifúngicas . [18]

AFP de insectos

Hay una serie de AFP que se encuentran en insectos, incluidos los de los escarabajos Dendroides , Tenebrio y Rhagium , el gusano de las yemas del abeto y las polillas de la belleza pálida, y los mosquitos (del mismo orden que las moscas). Las AFP de insectos comparten ciertas similitudes: la mayoría tiene una mayor actividad (es decir, un mayor valor de histéresis térmica, denominado hiperactivo) y una estructura repetitiva con una superficie plana de unión al hielo. Los de los escarabajos Tenebrio y Dendroides , estrechamente relacionados , son homólogos y cada repetición de 12 a 13 aminoácidos está estabilizada mediante un enlace disulfuro interno. Las isoformas tienen entre 6 y 10 de estas repeticiones que forman una bobina o beta-solenoide. Un lado del solenoide tiene una superficie plana de unión al hielo que consta de una doble fila de residuos de treonina. [6] [19] Otros escarabajos (género Rhagium ) tienen repeticiones más largas sin enlaces disulfuro internos que forman un beta-solenoide comprimido (sándwich beta) con cuatro filas de residuos de treonina, [20] y esta AFP es estructuralmente similar a la modelada para la AFP no homóloga de la polilla de la belleza pálida. [21] Por el contrario, la AFP de la polilla del gusano de las yemas del abeto es un solenoide que superficialmente se parece a la proteína Tenebrio , con una superficie de unión al hielo similar, pero tiene una sección transversal triangular, con repeticiones más largas que carecen de enlaces disulfuro internos. La AFP de los mosquitos es estructuralmente similar a la de Tenebrio y Dendroides , pero el beta-solenoide reforzado con disulfuro se forma a partir de repeticiones más cortas de 10 aminoácidos y, en lugar de treonina, la superficie de unión al hielo consta de una sola fila de residuos de tirosina. . [22] Los colémbolos (Collembola) no son insectos, pero al igual que los insectos, son artrópodos con seis patas. Una especie que se encuentra en Canadá y que a menudo se llama "pulga de las nieves" produce AFP hiperactivas. [23] Aunque también son repetitivos y tienen una superficie plana para unir el hielo, la similitud termina ahí. Alrededor del 50% de los residuos son glicina (Gly), con repeticiones de Gly-Gly-X o Gly-XX, donde X es cualquier aminoácido. Cada repetición de 3 aminoácidos forma una vuelta de una hélice de poliprolina tipo II. Luego, las hélices se pliegan para formar un haz de dos hélices de espesor, con una cara de unión al hielo dominada por pequeños residuos hidrófobos como la alanina, en lugar de la treonina. [24] Otros insectos, como el escarabajo de Alaska, producen anticongelantes hiperactivos que son aún menos similares, ya que son polímeros de azúcares ( xilomanano ) en lugar de polímeros de aminoácidos (proteínas). [25] En conjunto, esto sugiere que la mayoría de las AFP y los anticongelantes surgieron después de que divergieran los linajes que dieron origen a estos diversos insectos. Las similitudes que comparten son el resultado de una evolución convergente.

AFP de organismos del hielo marino

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 las asociaciones tanto de la capa de plaquetas como dentro de la banquisa. Las AFP están muy extendidas en estas especies y la presencia de genes AFP como una familia multigénica indica la importancia de este grupo para el género Fragilariopsis . [26] Las AFP identificadas en F. cylindrus pertenecen a una familia de AFP que está representada en diferentes taxones y se pueden encontrar en otros organismos relacionados con el hielo marino ( Colwellia spp., Navicula glaciei , Chaetoceros neogracile y Stephos longipes y Leucosporidium antarcticum ) [27 ] [28] y bacterias del hielo continental antártico ( Flavobacteriaceae ), [29] [30] así como en hongos tolerantes al frío ( Typhula ishikariensis , Lentinula edodes y Flammulina populicola ). [31] [32]

Se han solucionado varias estructuras para AFP de hielo marino. Esta familia de proteínas se pliega en una hélice beta que forma una superficie plana de unión al hielo. [33] A diferencia de otras AFP, no existe un motivo de secuencia singular para el sitio de unión al hielo. [34]

La AFP que se encuentra en el metagenoma del ciliado Euplotes focardii y las bacterias psicrófilas tiene una capacidad eficaz de inhibición de la recristalización del hielo. [35] 1 μM de proteína fijadora de hielo del consorcio Euplotes focardii ( Efc IBP) es suficiente para la inhibición total de la recristalización del hielo a una temperatura de –7,4 °C. Esta capacidad de inhibición de la recristalización del hielo ayuda a las bacterias a tolerar el hielo en lugar de impedir su formación. Efc IBP también produce una brecha de histéresis térmica, pero esta capacidad no es tan eficiente como la capacidad de inhibición de la recristalización del hielo. Efc IBP ayuda a proteger tanto las proteínas purificadas como las células bacterianas enteras en temperaturas bajo cero. La proteína fluorescente verde es funcional después de varios ciclos de congelación y fusión cuando se incuba con Efc IBP. Escherichia coli sobrevive períodos más largos a una temperatura de 0 °C cuando se insertó el gen efcIBP en el genoma de E. coli . [35] Efc IBP tiene una estructura AFP típica que consta de múltiples láminas beta y una hélice alfa . Además, todos los residuos polares que se unen al hielo se encuentran en el mismo sitio de la proteína. [35]

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 entre 1 y 2 millones de años en el hemisferio norte y hace entre 10 y 30 millones de años en la Antártida. Los datos recopilados de perforaciones en aguas profundas han revelado que el desarrollo de la Corriente Circumpolar Antártica se formó hace más de 30 millones de años. [36] El enfriamiento de la Antártida impuesto por esta corriente provocó una extinción masiva de especies teleósteos que no podían soportar temperaturas bajo cero. [37] Las especies de nototenioides con glicoproteína anticongelante pudieron sobrevivir al evento de glaciación y diversificarse en nuevos nichos. [37] [8]

Este desarrollo independiente de adaptaciones similares se conoce como evolución convergente . [4] La evidencia de la evolución convergente en el bacalao del norte ( Gadidae ) y los nototenioides está respaldada por los hallazgos de diferentes secuencias espaciadoras y diferentes organizaciones de intrones y exones, así como secuencias de tripéptidos AFGP no coincidentes, que surgieron de duplicaciones de secuencias ancestrales cortas que eran diferentes. permutado (para el mismo tripéptido) por cada grupo. Estos grupos divergieron hace aproximadamente 7 a 15 millones de años. Poco después (5-15 millones de años), el gen AFGP evolucionó a partir de un gen ancestral del tripsinógeno pancreático en los nototenioides. Los genes AFGP y tripsinógeno se dividieron mediante una divergencia de secuencia, una adaptación que se produjo junto con el enfriamiento y eventual congelación del Océano Antártico. La evolución del gen AFGP en el bacalao del norte se produjo más recientemente (~3,2 millones de años) y surgió de una secuencia no codificante mediante duplicaciones en tándem en una unidad Thr-Ala-Ala. Los peces nototenioideos antárticos y el bacalao ártico, Boreogadus Saida, son parte de dos órdenes distintos y tienen glicoproteínas anticongelantes muy similares. [38] Aunque los dos órdenes de peces tienen proteínas anticongelantes similares, las especies de bacalao contienen arginina en AFG, mientras que los nototenioides antárticos no. [38] El papel de la arginina como potenciador se ha investigado en la proteína anticongelante Dendroides canadensis (DAFP-1) observando el efecto de una modificación química utilizando 1-2 ciclohexanodiona. [39] Investigaciones anteriores han encontrado varios potenciadores de la proteína anticongelante de este bettles, incluida una proteína similar a la taumatina y policarboxilatos. [40] [41] Las modificaciones de DAFP-1 con el reactivo específico de arginina dieron como resultado la pérdida parcial y completa de la histéresis térmica en DAFP-1, lo que indica que la arginina desempeña un papel crucial en la mejora de su capacidad. [39] Las diferentes moléculas potenciadoras de DAFP-1 tienen una actividad de histéresis térmica distinta. [41] Amornwittawat et al. 2008 descubrió que la cantidad de grupos carboxilato en una molécula influye en la capacidad de mejora de DAFP-1. [41] La actividad óptima en TH se correlaciona con una alta concentración de moléculas potenciadoras. [41] Li y cols. 1998 investigó los efectos del pH y el soluto sobre la histéresis térmica en proteínas anticongelantes de Dendrioides canadensis. [42] La actividad TH de DAFP-4 no se vio afectada por el pH a menos que hubiera una concentración baja de soluto (pH 1) en la que la TH disminuyó. [42] El efecto de cinco solutos; Se informó sobre la actividad de TH de succinato, citrato, malato, malonato y acetato. [42] Entre los cinco solutos, se demostró que el citrato tiene el mayor efecto potenciador. [42]

Este es un ejemplo de un modelo proto-ORF, un caso poco común en el que preexisten nuevos genes como un marco de lectura abierto formado antes de que exista el elemento regulador necesario para activarlos.

En los peces, la transferencia horizontal de genes es responsable de la presencia de proteínas AFP de tipo II en algunos grupos sin una filogenia recientemente compartida. En el arenque y el eperlano se comparten hasta el 98% de los intrones de este gen; Se supone que el método de transferencia ocurre durante el apareamiento a través de espermatozoides expuestos a ADN extraño. [43] Se sabe que la dirección de transferencia es del arenque al eperlano, ya que el arenque tiene 8 veces más copias del gen AFP que el eperlano (1) y los segmentos del gen en elementos transponibles del eperlano que por lo demás son característicos y comunes en el arenque. pero no se encuentra en otros peces. [43]

Existen dos razones por las que muchos tipos de AFP son capaces de realizar la misma función a pesar de su diversidad:

  1. Aunque el hielo está compuesto uniformemente de moléculas de agua, tiene muchas superficies diferentes expuestas para unirse. Diferentes tipos de AFP pueden interactuar con diferentes superficies.
  2. 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. [4] [44]

Se ha observado actividad de glicoproteína anticongelante en varias especies con aletas radiadas, incluidas especies de eelpouts, esculpinas y bacalaos. [45] [46] Las especies de peces que poseen la glicoproteína anticongelante expresan diferentes niveles de actividad proteica. [47] El bacalao polar ( Boreogadus saya) exhibe una actividad proteica y propiedades similares a las de la especie antártica, T. borchgrevinki . [47] Ambas especies tienen mayor actividad proteica que el bacalao azafrán ( Eleginus gracilis ). [47] Se ha informado que las proteínas anticongelantes del hielo en especies de diatomeas ayudan a disminuir el punto de congelación de las proteínas del organismo. [26] Bayer-Giraldi et al. 2010 encontró 30 especies de taxones distintos con homólogos de proteínas anticongelantes de hielo. [26] La diversidad es consistente con investigaciones anteriores que han observado la presencia de estos genes en crustáceos, insectos, bacterias y hongos. [8] [48] [49] La transferencia horizontal de genes es responsable de la presencia de proteínas anticongelantes del hielo en dos especies de diatomeas marinas, F. cylindrus y F. curta. [26]

Mecanismos de acción

Se cree que las AFP inhiben el crecimiento de hielo mediante un mecanismo de inhibición de adsorción . [50] Se adsorben en planos no basales de hielo, inhibiendo el crecimiento de hielo termodinámicamente favorecido. [51] 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 superficie de la fuerza de Van der Waals . [52]

Unión al hielo

Normalmente, los cristales de hielo que crecen en solución solo exhiben las caras basal (0001) y prisma (1010), y aparecen como discos redondos y planos. [5] Sin embargo, parece que la presencia de las AFP expone otras caras. Ahora parece que la superficie del hielo 2021 es la superficie de unión preferida, al menos para la AFP tipo I. [53] A través de estudios sobre la AFP tipo I, inicialmente se pensó que el hielo y la 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 supuesta disminución en la actividad anticongelante. Datos recientes sugieren que las interacciones hidrofóbicas podrían ser el principal contribuyente. [54] 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 método de Monte Carlo ). [3] [5]

Mecanismo de unión y función anticongelante.

Según el estudio de estructura y función de la proteína anticongelante de Pseudopleuronectes americanus , [55] 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 de la dirección de la red de hielo, deteniendo o retardando posteriormente el crecimiento de los planos piramidales del hielo para reducir el punto de congelación. [55]

El mecanismo anterior se puede utilizar para dilucidar la relación estructura-función de otras proteínas anticongelantes con las dos características comunes siguientes:

  1. recurrencia de un residuo Thr (o cualquier otro residuo de aminoácido polar cuya cadena lateral pueda formar un enlace de hidrógeno con agua) en un período de 11 aminoácidos a lo largo de la secuencia en cuestión, y
  2. un alto porcentaje de un componente residual Ala en el mismo. [55]

Historia

En la década de 1950, el científico noruego Scholander se propuso explicar cómo los peces del Ártico pueden sobrevivir en aguas más frías que el punto de congelación de su sangre. Sus experimentos le llevaron a creer que había "anticongelante" en la sangre de los peces del Ártico. [3] Luego, a finales de la década de 1960, el biólogo animal Arthur DeVries pudo aislar la proteína anticongelante a través de su investigación de peces antárticos. [56] Estas proteínas se denominaron más tarde glicoproteínas anticongelantes (AFGP) o glicopéptidos anticongelantes para distinguirlas de los agentes anticongelantes biológicos (AFP) no glicoproteicos recientemente descubiertos. DeVries trabajó con Robert Feeney (1970) para caracterizar las propiedades químicas y físicas de las proteínas anticongelantes. [57] En 1992, Griffith et al. documentaron su descubrimiento de AFP en hojas de centeno de invierno. [17] Casi al mismo tiempo, Urrutia, Duman y Knight (1992) documentaron proteínas con histéresis térmica en angiospermas. [58] Al año siguiente, Duman y Olsen notaron que también se habían descubierto AFP en más de 23 especies de angiospermas , incluidas las consumidas por humanos. [59] 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 supuesta relación negativa entre las AFP y el anticongelante para automóviles, el etilenglicol . Estas dos cosas son entidades completamente separadas y muestran cierta similitud sólo en su función. [60]

Aplicaciones comerciales y médicas.

Numerosos campos podrían beneficiarse de la protección del daño tisular mediante congelación. Actualmente, las empresas están investigando el uso de estas proteínas en: [ cita necesaria ]

Unilever obtuvo la aprobación del Reino Unido, Estados Unidos, la UE, México, China, Filipinas, Australia y Nueva Zelanda para utilizar una levadura genéticamente modificada para producir proteínas anticongelantes a partir de pescado para su uso en la producción de helados. [61] [62] Están etiquetados como "ISP" o proteína estructurante del hielo en la etiqueta, en lugar de AFP o proteína anticongelante.

Noticias recientes

Un esfuerzo empresarial reciente y exitoso ha sido la introducción de AFP en productos de helado y yogur. Este ingrediente, denominado proteína estructurante del hielo, ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos . Las proteínas se aíslan de peces y se replican, a mayor escala, en levaduras genéticamente modificadas. [63]

Existe preocupación por parte de organizaciones que se oponen a los organismos genéticamente modificados (OGM) y creen que las proteínas anticongelantes pueden causar inflamación. [64] La ingesta de AFP en la dieta probablemente ya sea sustancial en la mayoría de las regiones templadas y septentrionales. [7] Dado el conocido consumo histórico de AFP, es seguro concluir que sus propiedades funcionales no imparten ningún efecto toxicológico o alergénico en humanos. [7]

Además, el proceso transgénico de producción de proteínas estructurantes del hielo se utiliza ampliamente en la sociedad. Con esta tecnología se producen insulina y cuajo . El proceso no impacta el producto; simplemente hace que la producción sea más eficiente y previene la muerte de peces que de otro modo serían sacrificados para extraer la proteína.

Actualmente, Unilever incorpora AFP en algunos de sus productos estadounidenses, incluidas algunas paletas heladas Popsicle y una nueva línea de barras de helado Breyers Light Double Churned. En helados, las AFP permiten producir helados muy cremosos, densos, reducidos en grasa y con menos aditivos. [65] Controlan el crecimiento de cristales de hielo provocado por el descongelamiento en el muelle de carga o en la mesa de la cocina, lo que reduce la calidad de la textura. [66]

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 las AFP, pero está compuesta de sacáridos y ácidos grasos . [25]

Un estudio de 2010 demostró la estabilidad de los cristales de hielo de agua sobrecalentada en una solución de AFP, mostrando que si bien las proteínas pueden inhibir la congelación, también pueden inhibir la fusión. [67] En 2021, los científicos de EPFL y Warwick encontraron una imitación artificial de proteínas anticongelantes. [68]

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Otras lecturas

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