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抗冻蛋白

不冻蛋白质（抗冻蛋白）（Antifreeze proteins ，AFPs）或叫冰结构蛋白（ice structuring proteins ，ISPs)是指一类由某些脊椎动物、植物、真菌和细菌产生的多肽。这些多肽能保证这些物种在零下温度环境下生存。AFP结合到小的冰晶上，阻止冰的结晶化和晶体的生长，不然，将会对那些生命物种是致命的。[1]越来越多的证据表明，AFP与哺乳动物细胞膜相互作用保护细胞膜不会被冻坏。关于不冻蛋白的研究提示ATF参与生物体对冷气候的适应过程。[2]

非依数性

不像广泛使用的汽车抗冻剂，乙二醇，AFP对冰点的降低不和浓度成正比。它们不是按照依数性规律起作用。这样，就能使它们在相当于其他溶解的溶质的1/300到1/500的浓度，而起到防冻剂的作用。这将使它们对渗透压的影响降至最小。[2]AFP得到这种非凡的能力归因于它们在特定的冰晶表面上的结合能力。.[3]

热滞后现象

AFP所产生的熔点和冰点间的差值叫做热滞后。在固态的冰和液态的水之间的界面上加入AFP阻止冰晶生长的热力学的有利条件。从动力学角度讲，AFP覆盖住水进入冰的表面。[3]

热滞后在实验室里很容易用纳升渗透压计（nanolitre osmometer）测量。不同的生物体具有不同的热滞后值。最大的热滞后值是鱼的APF的热滞后值，接近-1.5°C (2.7°F)。然而，昆虫的不冻蛋白是任何已知的鱼类的不冻蛋白活性的10-30倍。这可能是由于昆虫在地面上遇到的低温要比鱼在冻水中遇到的–1°C or –2°C还要低。在严冬月份里，云杉实心虫可以战–30°C低温，而不会被冻僵。[2] 阿拉斯加的甲壳虫Upis ceramboides可以在–60°C的低温下存活，但它使用的抗冻分子不是由蛋白质组成的。[4]

冷冻的速率可以影响AFP的热滞后值。迅速的冷却可以显著地降低非平衡态冰点，并且，因而降低热滞后值。这意味着如果温度骤然下降，生物体可能无法适应它们所处的零下环境。

耐冻和防冻

含AFP的物种可以分为一下几类：

防冻，避冻类（Freeze avoidant）:这些物种能保护它们的体液，防止冻到一起。一般说来，在极冷的温度下AFP功能会受损，导致冰晶的迅速增长，以至生物体死亡。

耐冻类（Freeze tolerant）：这些物种在体液冻结时，仍能生存。一些耐冻物种被认为是用AFP作为低温保护剂（cryoprotectants）以保护生物体免受冻伤，而不是不结冻。这种作用的确切机理还不知道。然而，人们认为这里AFP可能是抑制重结晶化和稳定细胞膜以防止其被冰损害。[5]AFP与冰核蛋白联合作用在结冻后，控制冰的扩展速率。[5]

多样性

有许多类已知的非同源AFP

鱼类AFP

 
Figure 1. The three faces of Type I AFP

抗冻糖蛋白或AFGP是在南极鱼科和北部的鳕鱼体内发现的。它们的分子量2.6-3.3 kD[6]


I型AFP是在美洲拟鲽（winter flounder）、长角杜父鱼（longhorn sculpin）和短角杜父鱼（shorthorn sculpin）中发现的。这一类AFP有很完备的文献资料，因为它们的三维结构是最先被测定出的。[7]I类AFP由单条、长的、两性的阿勒发螺旋构成。分子量约为3.3-4.5 kD。三维结构有三面，即疏水面、亲水面和Thr-Asx面[7] I-hyp型AFP (这里hyp代表高活性（hyperactive）是在几种三斑沙鲽（righteye flounders）中发现的。该类AFP的分子量约为32kD（两个17kD 组成的二聚体分子）。该蛋白已经从美洲拟鲽的血浆中分离出来。它比大多数鱼的AFP对降低冷冻温度的作用效果好得多。[8]

II型AFP是在大牛尾鱼（sea raven）、胡瓜鱼（smelt fish）和鲱（herring）中发现的。它们是富含半胱氨酸的球蛋白。其中含五个二硫键。[9]

III型AFP是在南极鲇鱼类（Antarctic eelpout）中发现的。在整个冰结合表面它们表现了与I型AFP相似的疏水性。它们的分子量接近6kD[6]

IV型AFP是在长角杜父鱼（longhorn sculpin）中发现的。它们是富含谷氨酸和谷氨酰胺的阿勒发螺旋蛋白。.[10] 这种蛋白的分子量接近12KDa并且含有一个4螺旋的束。[10]其唯一的翻译后修饰是一个焦谷氨酸残基、一个环化的谷氨酸残基处于N-末端。[10]在加拿大的贵湖大学（the University of Guelph）目前正在考查这种焦谷氨酸残基在来自于长角杜父鱼的IV型AFP的抗冻活性。

植物AFP

当植物中的不冻蛋白质被发现后，AFP的分类就更复杂了。.[11] 植物的AFP在下列方面与其他的AFP相当不同：

  1. 与其他的AFP相比较，植物的AFP的热滞后活性要弱得多。[12]
  1. 植物AFP的生理功能似乎是抑制冰的重结晶而不是防止冰的形成。[12]
  2. 大多数植物AFP是进化了的致病性相关蛋白，有时保持着抗真菌的性质。[12]

'也参见脱水蛋白

昆虫AFP

有两种类型的昆虫不冻蛋白质，“拟步行虫科”（Tenebrio）和“树的”（Dendroides）AFP它们处于不同的昆虫科。它们彼此相似，都是超活性的（比如，具有高的热滞后值）而且，是由不同数量的分子量大约为8.3 到12.5 kD的12或13聚体构成。通过蛋白分子链的全长，至少，每第六个残基是一个半胱氨酸。[5]

“拟步行虫科”（Tenebrio）或V型AFP来源于甲壳虫，[13]而“树的”（Dendroides）或云杉黄卷蛾（Choristoneura fumiferana ）AFP来源于一些鳞翅目昆虫。

Insect antifreeze protein repeat
 
Structure of the Tenebrio molitor beta-helical antifreeze protein[14]
鉴定
标志AFP
PfamPF02420（旧版）
InterPro（英语：InterPro）IPR003460
SCOP（英语：Structural Classification of Proteins）1ezg / SUPFAM
Choristoneura fumiferana antifreeze protein (CfAFP)
 
Structure of Choristoneura fumiferana (spruce budworm) beta-helical antifreeze protein[15]
鉴定
标志CfAFP
PfamPF05264（旧版）
InterPro（英语：InterPro）IPR007928
SCOP（英语：Structural Classification of Proteins）1m8n / SUPFAM

海冰微生物物种的AFP

人们在生活在海冰里的微生物体内也发现有AFP。圆柱拟脆杆藻（Fragilariopsis cylindrus）和脆杆硅藻'（F. curta）这两种硅藻在极地海冰中的硅藻群落中扮演了重要的角色，主宰著小板冰层和浮冰群内的聚集过程。AFP广泛散布在这些物种中，并且，AFP基因的存在作为多基因家族显示著这一组AFP对于脆杆藻属（the genus Fragilariopsis）的重要性。[16]在圆柱拟脆杆藻（F. cylindrus）中鉴定出的AFP属于在不同的分类单元中代表的AFP家族，并且，也可以在其他与海冰相关的生物物种中发现，如：南极嗜冷菌（Colwellia spp）、冰川舟形藻（Navicula glaciei）、硅藻Chaetoceros neogracile、浮游动物Stephos longipes和南极白冬孢酵母（Leucosporidium antarcticum）[17][18])和南极内陆冰菌黄杆菌科（Flavobacteriaceae），[19][20]以及，在耐寒真菌雪腐黒色小粒菌核病菌（Typhula ishikariensis）、, 冷季型香菇（Lentinula edodes）和金针菇类（[Flammulina populicola]中。[21][22])

进化

APF显著的多样性和分布提示进化成不同类型是相应1-2百万年前在北半球发生和1千万－3千万年前在南极发生的海平面冰川作用的结果。这种独立发展的相似的适应化叫做趋同演化（进化）。[2]为什么许多类型的AFP尽管它们具有多样性，但是却能执行相同的功能。这有两个原因：

  1. 尽管冰是统一由氧和氢构成的，它有许多暴露的、用于结合的表面。不同类型的AFP可以与不同的表面相互作用。
  2. 尽管五种AFP的氨基酸的初级序列不同，但当它们每一种折叠成功能蛋白时，它们可以具有三维的或四级结构的相似性。这种相似性为它们和冰的同样的相互作用提供了方便。[2][23]

作用机制

人们认为AFP抑制冰晶的生长是靠一种吸附–抑制机制。[24]它们被吸附到冰的非底平面，从而，从热力学角度不利于冰的生长。[25]在一些AFP上存在平的、刚性表面看来有利于该AFP与冰通过范德华力（Van der Waals force）发生表面互补性相互作用。[26]

与冰结合

正常地，在溶液里生长的冰晶只展示底面(0001)和棱面(1010),并呈圆或扁盘状。[3]然而，在AFP的存在下会暴露出其他表面。现在出现的2021表面至少对于I型AFP是首选的结合表面。.[27]通过对I型AFP的研究，冰和AFP最初被认为是通过氢键相互作用(Raymond and DeVries, 1977)。然而，当被认为是有益于这种氢键的蛋白部分发生突变后，并没有观察到人们所推测会发生的抗冻活性的降低。最近的数据提示疏水相互作用可能是主要的贡献因素。[28]由于复杂的水冰相互作用，很难体察到结合的确切机理。最近人们通过使用分子建模编程的分子热力学方法（molecular modelling programs molecular dynamics）或蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）试图揭示精确的机理。[1][3]

结合机制和抗冻作用

根据鱼类美洲拟鲽中的不冻蛋白质的结构和功能的研究，[29]展示出I型AFP分子的抗冻机制是由于AFP是通过它的四个苏氨酸残基的羟基与沿着冰的晶格 方向的氧之间形成的氢键以拉链式样结合到冰的成核结构上。因而，停止或抑制冰的金字塔表面的生长，这样降低冰点。[29] 上述机制可以用来阐明具有下列两个共同的特性的其他抗冻蛋白的结构-功能关系：

  1. 沿着相关序列，每11个氨基酸残基周期内就出现一个苏氨酸残基（或任何其他侧链能和水形成氢键的其他极性氨基酸残基），并且，
  2. 其残基组成中丙氨酸的百分含量高。[29]

历史

在20世纪50年代加拿大科学家t Scholander着手于解释为何北极的鱼类可以在低于其血液的冰点的冷水中生存。他做的实验使他相信北极鱼血液内有抗冻物质。.[1]然后，在20世纪60年代后期，动物生物学家Arthur DeVries已能够从他考察的南极鱼类体内分离出不冻蛋白质。[30]后来，这些蛋白质被称作为抗冻糖蛋白(AFGPs)或抗冻糖肽以区别于新发现的非糖蛋白生物抗冻剂。DeVries与 Robert Feeney 合作(1970)勾画出抗冻蛋白的物理和化学性质。[31]1992年Griffith等记载了他们在冬黑麦（winter rye）叶子中发现的AFP。大约同时，Urrutia, Duman 和Knight (1992)记载了在被子植物（angiosperms）中的热滞后蛋白。转年，Duman and Olsen指出已经在23种以上的被子植物中发现AFP，包括，一些被人们作为食物的被子植物。[32]他们还报道了AFP存在于真菌和细菌中。

名称的改变

最近人们试图把不冻蛋白质重新命名为冰结构蛋白 （Ice Structuring Proteins，ISP）以更精确地表达其功能并消除任何对AFP和汽车防冻液乙二醇之间的负面联想。这是两种截然不同的东西，仅是在功能上有一点点相似性。[33]

商业用途

商业上，不冻蛋白质具有无数的用途。[34]许多领域可以从它保护组织以免冻伤的作用方面受益。企业界目前正在考察不冻蛋白质在以下方面的使用：

  • 增加谷类植物的耐冻性在寒冷气候的区域拓宽收获季节。
  • 在寒冷气候的地区改善渔业产量。
  • 延长冷冻食品的货架存放期。
  • 改善冷冻手术
  • 增强医学上移植或输血用组织的保存效果。[35]
  • 用于体温过低状态的治疗。

最近消息

一项最近的成功的商业尝试是将AFP引入到冰淇淋和酸奶产品中。这个成分被标示为冰结构蛋白Ice Structuring Proteins，ISP）已经获得FDA（美国食品和药物监管局）的批准。该冰结构蛋白分离自鱼类并且在酵母中大规模复制。

对于这类事情引起了反对遗传修饰生物物种（genetically modified organisms (GMOs)）的组织的反对。他们提出异议说，修饰过的不冻蛋白质会引起发炎。[36]然而，正如已经指明的，ISP在经过一些认真的试验后，已经批准可以被人类所消费。似乎在极北部地区和温带地区的生活的人们已经在饮食中摄入大量的AFP。[6]根据已知的AFP的历史消耗量，可以安全的得出结论：AFP的功能性质不会对人体造成任何毒理性或过敏性影响。[6]

同时，生产冰结构蛋白的转基因过程已被广泛地在社会上使用。例如，每年用巨大量的转基因技术生产的胰岛素有用于治疗I型糖尿病的患者。转基因过程对产品不造成影响；仅仅是可以提高产量，同时，防止仅为提取这种蛋白就要杀死大量的鱼。

最近，联合华利公司已经把AFP放到一些美国产品里。包括，一些冰棒和一个新系列的Breyers品牌的轻双搅雪糕（Light Double Churned ice cream bars）在雪糕（冰淇淋）中AFP在加较少添加剂的情况下使之产生非常滑腻，密实和低脂的效果。[37]AFP控制在装卸处或厨房餐桌上的融化所产生的冰晶的生长，而这种冰晶的生长对雪糕的口感影响非常大。[38]

2009年11月，美国国家科学院院刊发表了在阿拉斯加的甲壳虫中发现行为像AFP的分子，但是该分子是由二糖和脂肪酸组成。[4]

一项2010年的研究证实了在AFP溶液中过热水冰晶的稳定性，显示该蛋白即可以抑制结冰，也可以抑制冰的融化。[39]

参考资料

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进一步阅读

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  • Sicheri, F.; Yang, D. S. Ice-binding structure and mechanism of an antifreeze protein from winter flounder. Nature. 1995, 375 (6530): 427–431. PMID 7760940. doi:10.1038/375427a0. 

外部链接

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