Молекулярная биология, 2022, T. 56, № 2, стр. 343-352

Физический базис функционирования белка-антифриза

Б. С. Мельник a*, А. В. Финкельштейн ab

a Институт белка Российской академии наук
142290 Пущино, Московская обл., Россия

b Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
119234 Москва, Россия

* E-mail: bmelnik@phys.protres.ru

Поступила в редакцию 16.08.2021
После доработки 16.08.2021
Принята к публикации 31.08.2021

Аннотация

Белки-антифризы, экспрессируемые в холоднокровных организмах, мешают образованию льда в их телах и тем помогают им выживать при экстремально низких зимних температурах. Однако механизм действия этих белков все еще непонятен. Во всяком случае, он не сводится просто к понижению температуры сосуществования льда и воды. В данной работе, исследуя ледсвязывающий белок (мутантную форму белка-антифриза cfAFP из гусеницы Choristoneura fumiferana, зимующей в хвое), мы показали, что этот белок-антифриз вовсе не понижает температуру замерзания воды и, как ни парадоксально, даже повышает температуру плавления льда. С другой стороны, расчеты, основанные на теории кристаллизации, показывают, что при температурах 0°…–30°C лед может возникать только на контактирующих с водой стенках (особенно “рифленых”), но никак не в толще воды. Полученные нами факты позволяют по-новому взглянуть на роль белков-антифризов: их задача не в том, чтобы связываться с уже образовавшимися в организме кристалликами льда (как это принято полагать) и останавливать их рост, а в том, чтобы связываться с теми поверхностями, на которых могут возникнуть зародыши льда, и тем самым полностью ингибировать образование льда в переохлажденной воде или биологической жидкости.

Ключевые слова: ледсвязывающий белок, белок-антифриз, плавление льда, кристаллизация льда, температура кристаллизации льда, зародыши льда, инициирующие образование льда поверхности, ингибирование образование льда

Список литературы

  1. Scholander P.F., van Dam L., Kanwisher J.W., Hammel H.T., Gordon M.S. (1957) Supercooling and osmoregulation in arctic fish. J. Cell. Comp. Physiol. 49, 5–24.

  2. DeVries A.L. (1971) Glycoproteins as biological antifreeze agents in antarctic fishes. Science. 172, 1152–1155.

  3. DeVries A.L. (1982) Biological antifreeze agents in coldwater fishes. Comp. Biochem. Physiol. Part A Physiol. 73, 627–640.

  4. Surís-Valls R., Voets I.K. (2019) The impact of salts on the ice recrystallization inhibition activity of antifreeze (glyco)proteins. Biomolecules. 9, 347.

  5. Hirano Y., Nishimiya Y., Kowata K., Mizutani F., Tsuda S., Komatsu Y. (2008) Construction of time-lapse scanning electrochemical microscopy with temperature control and its application to evaluate the preservation effects of antifreeze proteins on living cells. Anal. Chem. 80, 9349–9354.

  6. Jorov A., Zhorov B.S., Yang D.S.C. (2004) Theoretical study of interaction of winter flounder antifreeze protein with ice. Protein Sci. 13, 1524–1537.

  7. DeVries A.L. (1974) Survival at freezing temperatures. Biochem. Biophys. Perspect. Mar. Biol. 289–330.

  8. Celik Y., Drori R., Pertaya-Braun N., Altan A., Barton T., Bar-Dolev M., Groisman A., Davies P.L., Braslavsky I. (2013) Microfluidic experiments reveal that antifreeze proteins bound to ice crystals suffice to prevent their growth. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110, 1309–1314.

  9. Kuramochi M., Takanashi C., Yamauchi A., Doi M., Mio K., Tsuda S., Sasaki Y.C. (2019) Expression of ice-binding proteins in caenorhabditis elegans improves the survival rate upon cold shock and during freezing. Sci. Rep. 9, 6246.

  10. Zachariassen K.E., Kristiansen E. (2000) Ice nucleation and antinucleation in nature. Cryobiology. 41(4), 257–279.

  11. Pertaya N., Marshall C.B., Celik Y., Davies P.L., Braslavsky I. (2008) Direct visualization of spruce budworm antifreeze protein interacting with ice crystals: basal plane affinity confers hyperactivity. Biophys. J. 95, 333–341.

  12. Уббелоде А. (1969) Плавление и кристаллическая структура (главы 2, 14). М: Мир.

  13. Glukhova K.A., Okulova J.D., Melnik B.S. (2020) Designing and studying a mutant form of the ice-binding protein from Choristoneura fumiferana. BioRxiv. https://doi.org/10.1101/2020.08.31.275651

  14. Leinala E.K., Davies P.L., Doucet D., Tyshenko M.G., Walker V.K., Jia Z. (2002) A β-helical antifreeze protein isoform with increased activity. J. Biol. Chem. 277, 33349–33352.

  15. Leinala E.K., Davies P.L., Jia Z. (2002) Crystal structure of β-helical antifreeze protein points to a general ice binding model. Structure. 10, 619–627.

  16. Tyshenko M.G., Doucet D., Davies P.L., Walker V.K. (1997) The antifreeze potential of the spruce budworm thermal hysteresis protein. Nat. Biotechnol. 15, 887–890.

  17. Cziko P.A., DeVries A.L., Evans C.W., Cheng C.-H.C. (2014) Antifreeze protein-induced superheating of ice inside Antarctic notothenioid fishes inhibits melting during summer warming. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111, 14583–14588.

  18. Doucet D., Tyshenko M.G., Kuiper M.J., Graether S.P., Sykes B.D., Daugulis A.J., Davies P.L., Walker V.K. (2000) Structure–function relationships in spruce budworm antifreeze protein revealed by isoform diversity. Eur. J. Biochem. 267, 6082–6088.

  19. Fukuda H., Arai M., Kuwajima K. (2000) Folding of green fluorescent protein and the cycle3 mutant. Biochemistry. 39, 12025–12032.

  20. Glukhova K.F, Marchenkov V.V., Melnik T.N., Melnik B.S. (2017) Isoforms of green fluorescent protein differ from each other in solvent molecules “trapped” inside this protein. J. Biomol. Struct. Dyn. 35, 1215–1225.

  21. Smit W.J., Bakker H.J. (2017) The surface of ice is like supercooled liquid water. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 56, 15540–15544.

  22. Métois J.J., Heyraud J.C. (1989) The overheating of lead crystals. J. Phys. 50, 3175–3179.

  23. Forsblom M., Grimvall G. (2005) How superheated crystals melt. Nat. Mater. 4, 388–390.

  24. Mei Q.S., Lu K. (2007) Melting and superheating of crystalline solids: from bulk to nanocrystals. Prog. Mater. Sci. 52, 1175–1262.

  25. Finkelstein A.V. (2020) Some peculiarities of water freezing at small sub-zero temperatures. Preprint. ArXiv 2008.13682. https://arxiv.org/abs/2008.13682

  26. Чернов А.А. (1980) Процессы кристаллизации. В кн.: Современная кристаллография. Том 3. Образование кристаллов (глава 1, §§ 3, 5, 6). Под ред. Гиваргизова Е.И., Багдасарова Х.С., Кузнецова В.А., Демьянец Л.Н., Лобачева А.Н. М.: Наука.

  27. Ruckenstein E., Berim G. (2016) Kinetic Theory of Nucleation. Boca Raton, CRC Press, Taylor & Francis Group.

  28. Lide D.R. (2005) CRC Handbook of Chemistry and Physics on CD (section 6). Boca Raton, CRC Press.

  29. Hillig W.B. (1998) Measurement of interfacial free energy for ice/water system. J. Cryst. Growth. 183, 463–468.

  30. Эмануэль Д.Г., Кнорре Н.М. (1984) Курс химической кинетики, 4-е изд. (главы II, III, V (§§ 2, 3)). М: Высшая школа.

  31. Becker R., Döring W. (1935) Kinetic treatment of grain-formation in super-saturated vapours. Ann. Phys. 24, 719–752.

  32. Eyring H. (1935) The activated complex in chemical reactions. J. Chem. Phys. 3, 107–115.

  33. Holz M., Heil S.R., Sacco A. (2000) Temperature-dependent self-diffusion coefficients of water and six selected molecular liquids for calibration in accurate 1H NMR PFG measurements. Phys. Chem. Chem. Phys. 2(20), 4740–4742.

  34. Koop T., Murray B.J. (2016) A physically constrained classical description of the homogeneous nucleation of ice in water. J. Chem. Phys. 145, 211915.

  35. Зельдович Я.Б. (1942) К теории образования новой фазы. Кавитация. ЖЭТФ. 12, 525–538.

  36. Faraday M. (1859) Experimental Researches in Chemistry and Physics. London: Taylor and Francis, pp. 372‒382.

  37. Strandburg K.J. (1988) Two-dimensional melting. Rev. Mod. Phys. 60. 161–207.

  38. Sear R.P. (2007) Nucleation: theory and applications to protein solutions and colloidal suspensions. J. Physics: Condens. Matter. 19(3), 033101.

  39. Bissoyi A., Reicher N., Chasnitsky M., Arad S., Koop T., Rudich Y., Braslavsky I. (2019) Ice nucleation properties of ice-binding proteins from snow fleas. Biomolecules. 9, 532.

Дополнительные материалы отсутствуют.