Наука 21 век » Раскрывая тайны биологического антифриза. Биологические антифризы


Об антифризах — белках и не только

Аркадий Курамшин, кандидат химических наук«Химия и жизнь» №12, 2016

Жизнь в полярных широтах сложна и полна ужасов. Соленая морская и океанская вода не замерзает до −2°C, такой холод вполне может погубить живое существо. Однако некоторые животные, неспособные регулировать температуру собственного тела, приспособились к этим температурам. Например, отдельные виды рыб весьма счастливы жизнью, которую ведут в туннелях и дырах, образующихся в плавающих островах из морского льда. Выживать в таких экстремальных условиях им, как и многим другим обитателям полярных широт, помогают сформировавшиеся в ходе эволюции вещества — белки-антифризы, о которых и пойдет речь.

Впервые эти вещества были открыты при изучении антарктических рыб в конце 1960-х годов. С тех пор минуло полвека, и оказалось, что многие другие биологические организмы вырабатывают сходные по структуре соединения, не дающие ледяным кристаллам образоваться в их теле. Рыбы, с изучения которых все началось, выдерживают охлаждение только до −1,9°C, а наземные организмы могут выживать в такие холода, по сравнению с которыми −2°C кажутся жарой. Более эффективные, чем у рыбы, белки-антифризы найдены у многих представителей флоры и фауны, а рекордсмены по холодостойкости — проживающие на Аляске жуки Dendroides canadensis, личинки которых подолгу сохраняют жизнеспособность при температуре −60°C и даже переживают кратковременную заморозку до −100°C (рис. 1).

Рис. 1. Личинка жука Dendroides canadensis. Фото: Грэм Монтгомери, Eric Heupel (flickr.com) («Химия и жизнь» №12, 2016)

Несмотря на значительные различия в строении этих соединений, появляются новые и новые свидетельства в пользу того, что все природные «незамерзайки» работают по близкому и не особо сложному механизму. Он интересен не только специалистам по животному и растительному миру Арктики и Антарктики: знание того, как работают природные антифризы, уже используется на практике.

Кровь не леденеет

Белки-антифризы привлекают внимание медиков и производителей замороженных полуфабрикатов в первую очередь биологической совместимостью, а также и тем, что принцип действия этих веществ кардинально отличается от антифризов, применяющихся, например, для защиты двигателей автомобилей. Главный компонент верного зимнего друга автолюбителя — этиленгликоль — понижает температуру замерзания воды за счет коллигативных эффектов: при добавлении его к раствору увеличивается неупорядоченность жидкой системы, и температура замерзания понижается. По такому же принципу понижают температуру таяния соли, входящие в состав противогололедных реагентов. Именно из-за растворенных в морской воде солей ее температура замерзания «уходит в минуса» и в среднем составляет −2°C.

В 1960-е годы исследователи, изучавшие кровь антарктических рыб, пытались определить соединения, понижающие ее температуру замерзания. Тогда предполагалось, что морозостойкость обитателей полярных широт тоже связана с коллигативными эффектами, поэтому исследователи искали многоатомные спирты (полиолы) и другие низкомолекулярные соединения, близкие по строению к антифризам, использующимся в технике. Представления того времени о физической химии растворов позволяли с уверенностью исключить белки из списка потенциальных антифризов — их концентрации в крови и иных биологических жидкостях полярных животных слишком малы, чтобы они могли понижать температуру замерзания по тому же механизму, что полиолы и соли. Вместе с тем выделенные из крови этих рыб низкомолекулярные вещества также не могли объяснить, почему кровь не замерзает.

Загадку смог разгадать специалист по биологии полярных рыб Артур Деврис (Arthur DeVries), опубликовавший результаты своего исследования в 1969 году (Science, 1969, 163, 3871, 1073–1075, doi: 10.1126/science.163.3871.1073). Он впервые установил, что необычный выделенный из крови полярных рыб гликопротеид — биомолекула, в которой углеводный фрагмент связан с полипептидной цепью, — не дает их крови превратиться в лед (рис. 2).

Рис. 2. Трематома-пестряк (Trematomus bernacchii). Фото: kestrel360 (flickr.com). («Химия и жизнь» №12, 2016)

Вскоре к исследовательской группе Девриса присоединился Джон Дюман. Темой его работы была идентификация веществ, понижающих температуру замерзания крови организмов, которые обитают на другом полюсе Земли, в арктических регионах. Дюману посчастливилось обнаружить белок-антифриз зимней камбалы Pseudopleuronectes americanus (рис. 3). Этот белок, в отличие от того, который обнаружил Деврис, не содержал углеводного фрагмента (Nature, 1974, 247, 5438, 237–238, doi: 10.1038/247237a0). Обнаружение второго белка-антифриза на какое-то время озадачило ученых — такими разными по строению оказались две биомолекулы, отвечающие за одинаковые свойства.

Рис. 3. Зимняя камбала (Pseudopleuronectes americanus). Фото: wikipedia.org («Химия и жизнь» №12, 2016)

Защитив диссертацию и начав собственную научную карьеру, Дюман переключился на изучение морозоустойчивых насекомых, которыми он и занимается по сей день. Один из самых интересных объектов в этой области — уже упомянутый жук Dendroides canadensis: его организм вырабатывает наиболее мощные белки-антифризы. В первичной структуре (то есть попросту в аминокислотной последовательности) одного из этих белков регулярно встречаются остатки треонина и цистеина, причем цистеины образуют дисульфидные мостики, укладывая белок зигзагом. Вторичная структура белка-антифриза — β-складчатая, а третичная обеспечивает равномерное распределение гидроксильных групп треонина по одной плоской стороне белка (рис. 4). Детальное строение этих белков различается не только у разных подвидов D. canadensis, но даже у насекомых, относящихся к одному биологическому виду. Дюман и его коллеги смогли обнаружить около 30 различных подтипов белков-антифризов, строение которых обеспечивает наиболее эффективную работу в различных отделах организма жука (или его личинки), от пищеварительной и кровеносной системы до покровных тканей.

Рис. 4. Белок-антифриз DAFP-1 жука D. canadensis и его третичная структура. Изображения: PNAS USA, 2013;110, 5, 1617–1622, Plant Molecular Biology, 2002, 50, 3, 333–344. («Химия и жизнь» №12, 2016) Рис. 5. Кристаллическая структура белка-антифриза жука Rhagium inquisitor со связанными молекулами воды. Изображение: Journal of Biological Chemistry, 2013, 288, 17, 2295–12304 («Химия и жизнь» №12, 2016)

Питер Дэвис, биохимик из канадского Университета Королевы Марии, изучающий соотношение «структура — свойства» белков-антифризов, отмечает, что строение этих белков зависит от того, к какому царству принадлежит организм, вырабатывающий антифризы, и от примерного времени, когда животное или растение (или их эволюционные предки) смогли «создать» белки, защищающие от холода. В настоящее время среди них известны белки и со спиральной, и со складчатой вторичными структурами, и простые, и сложные, с глобулярной или фибриллярной третичной структурой.

Тем не менее у них, по словам Дэвиса, есть общие структурные мотивы. Обычно одна из поверхностей белков-антифризов плоская, довольно часто гидрофильная, в некоторых случаях на ней располагаются регулярно повторяющиеся группы (рис. 5). Именно благодаря этой поверхности и понижается температура замерзания — с ней связываются зарождающиеся кристаллики льда, а она ограничивает их дальнейший рост.

От теории к практике

Еще в 1971 году Деврис предположил, что белки-антифризы могут препятствовать росту кристаллов льда (Science, 1971, 172, 3988, 1152–1155, doi: 10.1126/science.172.3988.1152). Это предположение блестяще подтверждается при изучении формы кристаллов, образующихся в присутствии белков-антифризов. Обычно кристаллы льда формируются в виде призм с шестью прямоугольными гранями и двумя шестиугольными основаниями, причем площадь оснований меньше площади боковых граней. Белки-антифризы рыб связываются с прямоугольными гранями ледяной призмы, не позволяя новым молекулам воды присоединяться к ним. Доступными для молекул воды остаются только шестиугольные грани-основания, что значительно замедляет рост кристаллов.

Для подтверждения этого механизма Дэвис и его коллеги проводили направленный мутагенез, изменяя определенные участки различных белков-антифризов, и убедительно доказали, что за связывание льда отвечает именно плоская гидрофильная поверхность белка. В настоящее время исследователи считают, что они вплотную подошли к пониманию взаимодействий белка и кристаллов льда на молекулярном уровне.

Печальный глаз зимней камбалы. Фото: Eric Heupel (flickr.com) («Химия и жизнь» №12, 2016)

Как поясняет Дэвис, механизм, который в настоящее время предложен для белков-антифризов рыб, возможно, применим ко всем белкам, собирающим на одной из своих поверхностей воду и кристаллы льда. Предполагается, что он напоминает механизм образования слоя квазижидкой воды на ледяных кристаллах, только вместо квазижидкой воды с кристаллом льда взаимодействуют гидрофильные фрагменты белка.

Хотя такой слой белка, имитирующий поведение квазижидкой воды на поверхности кристалла льда, пока невозможно наблюдать непосредственно, Дэвис с коллегами, используя кристаллографическое исследование белков и их квантово-химическое моделирование, собрали достаточно свидетельств в пользу такой модели. Дэвис заявляет, что большим прорывом было бы детальное изучение кристаллических структур надмолекулярных ассоциатов белков-антифризов со льдом. По его словам, результаты компьютерного моделирования свободных белков очень хорошо согласуются с результатами их исследования с помощью рентгеноструктурного анализа, однако для окончательного вывода необходимо получить еще и кристаллические структуры белков, связанных с водой.

Белки-антифризы интересны не только с точки зрения эволюционной и молекулярной биологии, они уже нашли практические применения. Так, в некоторые сорта мороженого фирмы Unilever добавляют «лед-формирующий белок» — так в списке ингредиентов называют белок-антифриз. Он нужен не для того, чтобы понизить температуру замерзания мороженого (и конечно же не для того, чтобы получить десерт со вкусом рыбы), здесь эксплуатируется другой талант белков-антифризов — способность ограничивать размеры кристаллов. Даже при небольшой добавке такого белка текстура мороженого сохраняется после очень глубокой заморозки, кристаллики льда не хрустят на зубах. Продукты питания, содержащие белки-антифризы, продаются в США и Австралии с начала 2000-х годов, а в 2009 году Unilever получил и разрешение Евросоюза. Разумеется, в промышленных количествах эти белки выделяют не из обитателей полярных широт, а из генетически модифицированных дрожжей.

Применение белков-антифризов сдерживается страхом потенциальных потребителей перед ГМО. Так, по словам Дэвиса, одна из интересных задач, которые можно было бы решить, — выведение устойчивых к низким температурам лососевых рыб. Идея проста: нужно внедрить в геном рыбы или даже растения ген, отвечающий за синтез белка-антифриза. Это позволило бы продлить время выращивания растений, а также выращивать сельхозкультуры или промысловую рыбу в гораздо более холодных регионах. В настоящее время у исследователей достаточно информации, чтобы получить ГМ-лосося, столь же устойчивого к холоду, как эндемичные для Арктики и Антарктики рыбы. Кстати, быстрорастущая генно-модифицированная семга AquAdvantage от компании AquaBounty Technologies уже признана безопасным пищевым продуктом в США и Канаде. Однако пока нет уверенности в том, что у владельцев рыбохозяйств и потребителей будет пользоваться спросом морозоустойчивый лосось.

Криоконсервация: чем заменить природные антифризы?

Другая возможная область применения белков-антифризов — криоконсервация органов, предназначенных для трансплантации. Однако здесь эти биомолекулы зарекомендовали себя не так хорошо, как многие надеялись. При контакте с биологическими тканями, подвергающимися криосохранению, белки-антифризы больше вредят им, чем защищают от повреждения. Проблемы возникают при разморозке донорского органа. Как поясняет специалист по химии биополимеров из Университета Уорвика Мэтью Гибсон, внешняя часть органа начинает оттаивать быстрее внутренней, это приводит к диспропорции в поглощении энергии в различных участках органа, в результате может начаться быстрое повторное образование кристаллов льда, которые и повреждают донорский орган. Способность белков-антифризов блокировать подход воды к боковым граням ледяных призм в данном случае играет злую шутку: кристаллы растут только со стороны оснований, образуются тонкие и острые ледяные иголки, которые протыкают клеточные мембраны и вызывают некоторые другие проблемы.

Гибсон с коллегами пытаются найти материалы, способные ингибировать кристаллизацию льда, не понижая температуру замерзания воды и не формируя кристаллы льда с опасной формой. В поисках подобных соединений исследователи решили испытать ряд синтетических полимеров, способных связывать воду.

Исследование, проведенное в группе Гибсона, привело к неожиданному результату. Оказалось, что поливиниловый спирт — продукт крупнотоннажного производства, к тому же разрешенный к применению в ряде стран в качестве пищевой добавки, — тоже ингибирует кристаллизацию воды при низких температурах (Polymer Chemistry, 2010, 1, 1141–1152, doi: 10.1039/C0PY00089B). Механизм антифризной активности поливинилового спирта еще менее изучен, чем механизм работы белков-антифризов; загадочности добавляет и то обстоятельство, что синтетические полимеры не образуют регулярных третичных структур, подобных белкам. Единственное, о чем с уверенностью говорят полимерщики из Уорвика, — увеличение молекулярной массы полимера приводит к возрастанию его антифризной активности.

Предположение, что для поливинилового спирта размер имеет значение, опровергается рядом работ, в которых показано, что ингибировать рост кристаллов льда могут и низкомолекулярные вещества, правда, опять же способные связаться с водой (рис. 6). В 2012 году Роберт Бен из Университета Оттавы обнаружил, что понижение температуры замерзания воды и замедление ее кристаллизации могут вызывать низкомолекулярные поверностно-активные вещества — октилгалактопиранозид и октилглюконамид (Chemical Science, 2012, 3, 1408–1416, doi: 10.1039/C2SC00885H). В 2016 году химики из Нью-Йорка наблюдали ингибирование роста кристаллов льда сафранином — красителем, который используют в биохимических исследованиях для подкрашивания клеточных ядер (Journal of American Chemical Society, 2016, 138, 40, 13396–13401, doi: 10.1021/jacs.6b08267). Исследователи предполагают, что механизм работы низкомолекулярных антифризов немного иной, чем у высокомолекулярных, — малые молекулы с гидрофильными фрагментами просто размещаются на кристалле льда и нарушают устойчивость границы раздела между слоем квазижидкой воды, окружающей кристалл, и обычной жидкой водой, что также не дает льду расти. Заметим, что коллигативные эффекты, характерные для других низкомолекулярных соединений — солей и многоатомных спиртов, в данном случае, так же, как и для белков, не играют особой роли.

Рис. 6. Низкомолекулярные природные антифризы («Химия и жизнь» №12, 2016)

Не белками едиными

С 1969 года, когда Артур Деврис обнаружил первый белок, защищающий полярных рыб от холода, началась гонка, целью которой были аналогичные или похожие белки других биологических видов. В 1960–1970-е годы все упорно искали только белки, возможно, поэтому открытия природного антифриза, не имеющего белкового строения, пришлось ждать несколько десятилетий.

Такое вещество выделил из организма морозоустойчивого жука Upis ceramboides все тот же Джон Дюман (Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2009, 106, 48, 20210–20215, doi: 10.1073/pnas.0909872106). В его лаборатории несколько месяцев пытались очистить выделенный из личинки жука белок, но все попытки получения чистой фракции оказывались неудачными. Как выяснилось затем, вещество, которое пытались чистить как белок, вовсе не было белком, а представляло собой гликолипид — вещество, содержащее углеводный и липидный фрагменты. (Поскольку к липидам относят любые гидрофобные молекулы, октилгалактопиранозид с октилглюконамидом вполне можно считать синтетическими гликолипидами.)

После открытия гликолипидного антифриза в 2009 году Дюман и его коллеги смогли выделить ингибирующие рост льда гликолипиды из одного вида растения, шести видов насекомых и одной лягушки, поэтому можно предположить, что эти вещества также часто используются в природе для защиты от холода. В отличие от белков-антифризов гликолипиды-антифризы, скорее всего, обеспечивают защиту клеточных мембран. Как полагает Дюман, некоторые виды выработали особый способ борьбы с низкими температурами: хотя их внеклеточная жидкость и замерзает, гликолипиды препятствуют проникновению льда через мембрану и фатальному для организма замерзанию внутриклеточной жидкости. Если это предположение подтвердится, то антифризы природного происхождения для криоконсервации органов будет логичнее искать среди гликолипидов.

В эти зимние дни, поднимая воротник, как парус декабря, стараясь побыстрее попасть из дома на работу, с работы домой, чтобы поменьше оставаться на морозной улице, не забудьте, что есть немало организмов, для которых температура, обычная для наших декабрьских и январских морозов, — не повод для отчаяния и анабиоза. Сохранять активность, жить и оставлять потомство при низких температурах этим организмам помогают антифризы природного происхождения — белки и гликолипиды.

elementy.ru

Антифриз для растений на Supersadovnik.ru

Понятия криопротектор и антифриз как средства для защиты растений вошли в словарь садовода совсем недавно. Эти вещества помогают растениям выдерживать резкие понижения температуры и увеличивают их устойчивость к заморозкам

С научной точки зрения правильнее употреблять понятие криопротектор, поскольку термин антифриз уже давно используется как название незамерзающих жидкостей. Устойчивость растений к заморозкам обеспечивают сахара в составе клеточного сока. Ее резкое снижение во время активного роста объясняется преобразованием сахаров в вещества, необходимые для развития побегов, листвы и цветения.

Выбор препаратов

Хотя в промышленном и фермерском садоводстве криопротекторы уже показали себя с положительной стороны, использование их в частных садах еще не распространено. По воздействию на растения криопротекторы делятся на два типа.

Проникающие. Поступают внутрь клеток растений и препятствуют образованию кристаллов льда. Чаще всего упоминаются глицерин и диметилсульфоксид.

Непроникающие. Остаются на поверхности листьев и коре растений. Принцип защитного действия точно не выяснен. Возможно, таким образом подавляется рост кристаллов и предотвращается резкое понижение температуры на границе растение – воздух. К непроникающим криопротекторам относят сложные сахара – олигосахариды (наиболее часто используют сахарозу и трегалозу) и высокомолекулярные соединения (чаще всего фиколл, альбумин, поливинилпирролидон). Считается, что самостоятельное использование непроникающих криопротекторов менее эффективно, и обычно их включают как дополнительные компоненты в растворы, содержащие криопротекторы первой группы.

заморозки, ледяной дождь

Препараты для защиты растений от заморозков

Мочевин-К 6 (Бизар-Агро, Украина). Комплексный стимулятор, удобрение. Действующие веещества - микро- и макроэлементы, криопротектор (формула засекречена), янтарная кислота, органика, триходермин. Предназначен для обработки семян овощей и цветов. Защищает всходы от заморозков. Обеспечивает нормальное развитие растений при понижении температуры на 4–6 °С. Эффективность по данным производителя – средняя.

Мивал-Агро (АгроСил, Россия). Стимулятор, адаптоген, термопротектор. Действующее вещество - мивал (1-хлорметилсилатран). Проводят опрыскивание при угрозе заморозков за 3–4 дня и по зеленому конусу. Применяют на однолетних и многолетних культурах. Повышает выносливость к заморозкам, ускоряет восстановление деревьев после зимнего подмерзания. По данным невисимых испытаний эффективность высокая.

Марс-EL (Тридента Агро, Украина). Пленкообразующий биостимулятор роста растений с криопротекторным действием. Действующие вещества - гуминовые кислоты, продукты метаболизма грибов. Применяют осенью и весной за 2–3 недели до возможного наступления заморозков на зерновых и овощных культурах, винограде. Снижает температуру замерзания клеточного сока и воды в протоплазме клеток. По данным производителя эффективность высокая, по отзывам потребителей – средняя или низкая.

Антистресс (Тридента Агро, Украина). Пленкообразующий адаптоген с криопротекторным дейстивием. Действующие вещества - гуминовые кислоты, Марс – EL, глицерин, диметилсульфоксид, микроэлементы. Применяют осенью (за 2–3 недели до заморозков) и весной в фазе роспуска листьев на зерновых, овощных культурах и винограде. Повышает устойчивость к заморозкам (по данным производителя повышение стрессоустойчивости растений на 25–30%).

Cropaid (Cropaid International Limited, США). Проникающий криопротектор. Действующие вещества - бактерии Thiobacillus: T. thioxidans, T. thioparus, T. ferroxidans. Опрыскивать однолетние и многолетние культуры нужно не позже, чем за 6 часов до возможного наступления заморозков. Защитное действие сохраняется 7 дней. Повышает устойчивость к заморозкам. По данным производителя и испытаний эффективность высокая.

Thiofer (Bimas Agri, Турция). Проникающий криопротектор. Биологический препарат на основе живых бактерий и 60 минералов (аналог Cropaid). Применяют за 2–3 дня до прогнозируемых заморозков, в крайнем случае за 4–5 часов, на однолетних и многолетних культурах. Растение поддерживает собственную температуру на 7 °С выше температуры окружающей среды. По разным данным эффективность высокая.

Эпин-экстра (Нэст М, Россия). Адаптоген. Действующее вещество - эпибрассинолид. Применяют на всех культурах за 2–3 дня до заморозков, затем каждые 7–10 дней до нормализации температуры. Повышает выносливость и устойчивость к заморозкам. По данным производителя эффективность высокая; по данным пользователей – средняя.

Мороз без снега: стоит ли бояться

Химические биорегуляторы

Обработка семян гормонами роста

Как защитить деревья от солнечных ожогов

Лучшие препараты для работы с рассадой

Хвойные: как подготовить к зиме и что делать весной

www.supersadovnik.ru

Раскрывая тайны биологического антифриза | Наука 21 век

Раскрыты почти все тайны биологического антифриза Многие представители живой природы в результате эволюции научились производить особые химические вещества, позволившие им колонизировать территории с экстремально низкими температурами. Для тех, кто зовёт Арктику или Антарктику своим домом, способность к выживанию при температурах сильно ниже нуля является наиважнейшей. Именно из таких организмов химики выделили много природных биологических «антифризов». Один из таковых, ксиломаннан, продуцируемый холодоустойчивым арктическим ночным жуком Upis ceramboides, был тщательно изучен исследователями из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония).

Впервые ксиломаннан выделили в 2009 году; это один из наиболее эффективных антифризов у насекомых. Биологические антифризы, называемые также факторами теплового гистерезиса [thermal hysteresis factor (THF)], защищают клетки от урона, которой могли бы нанести мельчайшие кристаллики льда, обычно образующиеся внутри клеток при низкой температуре. Считается, что THF прикрепляется к поверхностям зарождающихся кристалликов и каким-то образом препятствует их дальнейшему росту, защищая клеточные мембраны от будущих ледяных игл, которые по мере своего роста протыкали бы её.

Раскрыты почти все тайны биологического антифриза

Компьютерная модель структуры биологического антифриза ксиломаннана: одна «сторона» структуры изобилует кислородными атомами, формируя полярную поверхность для связи с кристалликами льда.

Самая необычная вещь в ксиломаннане — его строение. Все выделенные на сегодня биологические антифризы относятся к классу сложных белков-гликопротеинов [antifreeze proteins (AFP)]. А вот ксиломаннан представляет класс глюканов — длинноцепочечных веществ на основе фрагментов сахаров (но это не протеин, и в этом смысле он уникален).

Чтобы подтвердить предложенную структуру ксиломаннана и перейти к изучению собственно механизма его взаимодействия с кристалликами льда, японские учёные синтезировали то, что, как они полагали, являлось ключевым компонентом этого соединения. Структурный анализ, проведённый с использованием ядерного магнитного резонанса и молекулярного моделирования, подтвердил, что синтетическая структура совпадает с природным веществом. Полученная структура также подсказала исследователям, каким образом ксиломаннан выполняет свои функции сверхэффективного антифриза. А именно: одна «сторона» структуры ксиломаннана намного полярнее другой, что делает одну плоскость молекулы гидрофильной, а другую — гидрофобной. Таким образом, гидрофильная часть молекулы притягивается к кристаллику льда, создавая на его поверхности гидрофобный слой за счёт неполярной стороны молекулы, которая теперь обращена к раствору, отталкивая новые молекулы воды и не позволяя кристаллу расти.

Единственное, что пока остаётся не совсем понятным, — за счет каких именно групп происходит изначальное взаимодействие полярной стороны молекулы ксиломаннана с кристалликом льда. Для прояснения картины учёные собираются синтезировать более длинные фрагменты этого биоантифриза, чтобы поставить точку в исследовании его способности связываться со льдом.

В заключение отметим важность открытия биологических антифризов вообще и данной работы в частности. Понимание принципов действия и возможность использования подобных соединений в генетической инженерии позволило бы, к примеру, увеличить срок хранения замороженных продуктов, улучшить производство рыбы в местах с более холодным климатом, удлинить время сохранения тканей для трансплантологии, кардинально изменить протокол не самой простой и приятной процедуры гипотермальной терапии.

 по информации: compulenta.ru

nauka21vek.ru

Основы криосохранения и его особенности

Термин «криосохранение» (cryopreservation), т. е. хранение объектов при очень низкой температуре (обычно при температуре жидкого азота, которая составляет 96 °С),

употребляется для обозначения сложного многоэтапного процесса, обеспечивающего неограниченно долгое хранение живых клеток, тканей и органов в состоянии анабиоза. Основным критерием криосохранения служит обратимое ингибирование процессов жизнедеятельности. Только в состоянии глубокого анабиоза, когда полностью останавливаются обменные, биохимические реакции и отсутствует жидкая фаза, создаются условия для длительного хранения биологической системы с последующим полным возвратом ее к исходному состоянию в условиях нормотермии.

Единственно надежным средством для решения этой задачи является глубокий холод (-140 °С и ниже), обеспечиваемый применением жидкого азота.

Важнейший этап процесса криосохранения — замораживание. В настоящее время известны два метода криосохранения: программное (медленное) и сверхбыстрое замораживание. Программное замораживание изучается уже давно, поэтому его довольно широко применяют при сохранении животных и растительных клеток. Сверхбыстрое замораживание разрабатывается сравнительно недавно, однако считается, что за этим методом будущее.

На этом этапе возникают трудности, так как существует две группы объектов, подвергаемых криосохранению:

— ткани, содержание воды в которых минимально (пыльца, ортодоксальные семена). Для таких объектов процесс замораживания достаточно прост: их можно погружать непосредственно в жидкий азот и оттаивать впоследствии на воздухе в обычных условиях;

— большинство растительных тканей. Для них характерны большие размеры клеток, прочная целлюлозная стенка и наличие центральной вакуоли. Причем именно степень вакуолизации клетки (оводненность) играет основную роль в устойчивости к действию низких температур. Для таких объектов прием простого замораживания малоэффективен, так как не происходит сохранения всех исходных свойств и жизнеспособности.

При проведении работ по криосохранению клеток растений, особенно культивируемых в условиях in vitro, следует отбирать мелкие клетки с маленькой вакуолью и пониженным 200 содержанием воды. Необходимо разрабатывать в каждом отдельном случае условия замораживания и последующего оттаивания. Это связано с двумя повреждающими факторами, проявляющимися при замораживании. Первый из них — лед, он возникает сначала в растворе вокруг клеток; второй — дегидратация клеток, вызываемая формированием кристаллов этого внеклеточного льда. Поэтому необходимо с наименьшей потерей жизнеспособности миновать при замораживании-оттаивании зону между температурой защитного раствора и температурой -40 °С (в редких случаях — до -70 °С). Именно в этой температурной зоне проявляется действие обоих повреждающих факторов замораживания, каждый из которых опасен потому, что способен вызвать деструкцию внешней клеточной мембраны — плазмалеммы и, следовательно, гибель клеток.

Первая задача криосохранения — предотвратить образование кристаллов льда внутри клеток. В случае клеток растений она решается труднее, чем для других объектов, вследствие обилия в них свободной воды. Эту трудность можно преодолеть за счет снижения скорости охлаждения или предварительным обезвоживанием клеток. Известно, что чем больше воды в клетке, тем меньше должна быть скорость замораживания. С другой стороны, предварительное обезвоживание клеток может вызвать их повреждения, связанные с дегидратацией.

Вторая задача криосохранения — ослабить стрессовые воздействия, вызванные неизбежной дегидратацией. Для этого необходим определенный состав смеси протекторов и оптимальная скорость замораживания. Желательна также оптимизация всей программы процесса криосохранения.

При проведении планомерных фундаментальных и прикладных исследований выясняют механизмы криоповреждений и криозащиты биологических систем разных уровней организации. Рассмотрим некоторые из них:

1. Предотвращение образования внутриклеточного льда. В большинстве случаев клетка погибает при образовании льда в протопласте, поскольку для ее структур безопасны лишь кристаллы льда размером не более 0,1 мкм.

При быстром понижении температуры (20 °С/мин) в протопласте образуются очень мелкие кристаллы льда, которые являются центрами кристаллизации. Они быстро растут, присоединяя молекулы воды из протопласта. Образующиеся большие кристаллы льда способны механически повредить клетки, в основном мембраны и клеточные структуры.

При медленном замораживании (в парах жидкого азота или в специальных программных замораживателях) лед образуется в первую очередь в межклетниках. Известно, что менее концентрированные растворы, находящиеся в них, замерзают быстрее. По мере охлаждения кристаллы льда, возникшие в апопласте, растут за счет воды. Лед формирует градиент водного потенциала, направленный из клеток в межклетники. Это постепенно приводит к дегидратации клеток и, как следствие, к денатурации белков, нарушению функционирования мембран, увеличению концентрации ионов до токсических величин, нарушению синтеза нормальных клеточных белков.

Образование внеклеточного льда и связанный с этим отток воды из клеток стимулируются специальными веществами, которые клетки выделяют в апопласт. Такие соединения называются нуклеаторами, а сам процесс — нуклеацией. Эти вещества выполняют роль центров кристаллизации воды (затравок), тем самым повышая порог зародышеобразования льда. Благодаря нуклеаторам, лед в межклетниках образуется при более высокой температуре, чем те температуры, которые требуются для замерзания внутриклеточной среды.

Таким образом, постепенная дегидратация протопласта является одним из необходимых условий выживания клеток при замораживании.

2. Биологические антифризы. В клетках некоторых растений синтезируются высокомолекулярные соединения, тормозящие процессы нуклеации и роста кристаллов льда. Эти соединения получили название биологических антифризов. Они препятствуют внеклеточному образованию льда, особенно в тех органах и тканях, клетки которых 202 должны сохранить максимальное количество воды и находиться в переохлажденном состоянии (почки и меристемы). Известны антифризы белковой, гликопротеиновой и полисахаридной природы.

Таким образом, с помощью антифризов возможно осуществление блокады роста кристаллов льда.

3. Накопление Сахаров и других совместимых осмолитов. Снижение содержания воды в клетках при образовании внеклеточного льда и сопутствующее дегидратации увеличение концентрации ионов в цитоплазме вызывают различного рода нарушения в структуре и функциях биополимеров, в частности происходит денатурация белков и подавляется их ферментативная активность, изменяется структура липидного бислоя мембран и нарушается их целостность. Деструктивные изменения в мембранах, в свою очередь, приводят к нарушению внутриклеточной компартментации веществ.

Регуляция осмотического давления в клетках при холодовой дегидратации осуществляется преимущественно за счет биосинтеза иизкомолекулярных органических соединений, которые получили название осмолитов. Они хорошо растворимы в воде, нетоксичны, не вызывают изменений в метаболизме, отчего и получили второе название — совместимые вещества. Это могут быть моно- и олигосахариды, многоатомные спирты, аминокислоты, бетаины, амины и белки. Наряду с осморегуляцией, эти вещества выполняют еще одну очень важную при дегидратации функцию. Она может быть определена как защитная (протекторная) по отношению к биополимерам цитоплазмы. Подчеркивая двойную роль осмолитов, их часто называют криопротекторами (от греч. kryos — холод и лат. protector — покровитель, защитник).

Наиболее известны такие криопротекторы, как диметилсульфоксид (ДМСО), различные сахара, глицерин, этиленгликоль, пролин. Все они делятся на две группы — проникающие и не проникающие в клетки, хотя это разделение достаточно условно. Так, глицерин может проникать в клетку при комнатной температуре или выступать как непроникающее соединение, если его добавлять при 0 °С.

Криопротекторы, синтезируясь в клетках при пониженных температурах, могут предотвратить или резко замедлить рост кристаллов льда. Чем выше концентрация раствора, тем ниже точка его замерзания. При накоплении, например, растворимых Сахаров в клетке, во-первых, понижается водный потенциал цитоплазмы и снижается точка ее " замерзания, что препятствует образованию внутриклеточного льда; во-вторых, сахара повышают осмотическую концентрацию клеточного сока, способствуя увеличению водоудерживающей силы клеток и тем самым защищая их от обезвоживания при образовании внеклеточного льда; в-третьих, сахара защищают белки от денатурации, наступающей вследствие сближения макромолекул при дегидратации, а также повышения концентрации токсичных веществ.

Таким образом, гидрофильные белки, моно- и олигоса-хариды, обладающие криопротекторным эффектом, способны связывать значительные количества воды. Связанная таким образом вода уже не замерзает и не транспортируется. Считается, что белки и углеводы, обладающие криопротекторным эффектом, способны стабилизировать другие белки и клеточные мембраны при дегидратации клеток.

4. Изменение состава мембранных липидов и текучести мембран. Дегидратация клеток оказывает непосредственное воздействие на структурное состояние липидов мембран. Мембраны в норме связывают до 30-50 % воды клетки. Взаимодействуя с заряженными и полярными группами белков и фосфолипидов, вода стабилизирует структуру мембран. Основной причиной повреждающего действия низких температур на клетки является нарушение функционирования клеточных мембран из-за их затвердевания, связанного с фазовыми переходами, поскольку при достаточно низких температурах липидные бислои ведут себя как твердые тела. При температуре выше фазового перехода структура бислоя сохраняется, при этом жирные кислоты «плавятся», в результате чего вращение и скручивание молекул происходит легче, чем при низких температурах.

Различная реакция на низкие температуры определяется в первую очередь различиями в составе жирных кислот, входящих в состав мембранных фосфолипидов. Когда в 204 фосфолипидах велико содержание насыщенных жирных кислот (таких, как пальмитиновая и стеариновая), для таких мембран характерны более высокие температуры фазового перехода. При этом они становятся менее текучими, что нарушает функционирование многих белков: каналов, переносчиков, рецепторов, ферментов и т. п. Выявлено, что увеличение количества ненасыщенных жирных кислот (таких, как линоленовая и линолевая) в составе мембран приводит к снижению температуры фазового перехода мембранных липидов, и как результат увеличивается текучесть таких мембран.

Сильная дегидратация может стать причиной нарушения связи между липидами и белками мембран. При внеклеточном образовании льда в мембранах появляются участки, не содержащие белков.

Таким образом, главной мишенью криоповреждений клеток растений является плазмалемма. Рост толерантности к замораживанию связан с изменениями ее характеристик, в том числе состава липидов и их ненасыщенности.

5. Абсцизовая кислота. Важная роль в адаптации клеток растений к низким температурам принадлежит фитогормону АБК (абсцизовая кислота). Было обнаружено, что АБК накапливается в растениях при различных неблагоприятных воздействиях (водном дефиците, повышенной концентрации солей, пониженной температуре и т. д.). Поскольку АБК играет важную роль в адаптации растений к стрессам, это соединение получило название гормона стресса.

На многих растениях из разных систематических групп показано увеличение внутриклеточной концентрации АБК при пониженных температурах, причем у разных видов степень увеличения была различна.

Дегидратация сопровождается значительным повышением концентрации гормона в растительных тканях и синтезом в них новых белков. Активность многих генов и белков, которые экспрессируются при низкой температуре или водном дефиците, может быть индуцирована обработкой АБК. Таким образом, накопление АБК в ткани при пониженной температуре приводит к экспрессии ряда генов и появлению криопротекторных белков.

6. Окислительный стресс. При низких температурах наблюдается интенсивное образование АФК (активных форм кислорода) в хлоропластах, митохондриях, пероксисомах и апопласте. При продолжительном холодовом воздействии на клетки уровень АФК повышается во многих компартментах, в клетке накапливается перекись и развивается окислительный стресс.

Важный фактор устойчивости клеток к низкотемпературному воздействию — функционирование мощной антиоксидантной системы. В эту противоокислительную систему входят высокомолекулярные (ферменты — супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидаза, глутатион-редуктаза), а также низкомолекулярные (аскорбат, токоферол, глутатион, фенольные соединения) антиоксиданты. При низкотемпературном стрессе активность антиоксидантных ферментов значительно возрастает, увеличивается и содержание низкомолекулярных антиоксидантов. Все это способствует снижению повреждения клеток при воздействии низких температур.

Способы подготовки к глубокому замораживаниюБиотехнология получения метаболитов, применение в медицинеВарианты защиты растений с помощью биотехнологий, клональное размножениеМетоды дезинтеграции клетокПрименение ферментов, иммобилизованные ферментыПолучение антибиотиковМетоды биоочистки вод, переработка отходов



biofile.ru

Биологический «антифриз» | Зеленый мир растений

Ученые настроены чрезвычайно оптимистично. Строятся вдохновляющие планы применения генной инженерии для активизации фотосинтеза растений, что должно, к примеру, способствовать быстрому росту деревьев; для обогащения сельскохозяйственных растений некоторыми основными аминокислотами, необходимыми для человеческого организма, что избавило бы миллионы людей от алиментарной дистрофии; для создания засухоустойчивых культур, незаменимых в засушливых районах Азии и Африки; хотят «приспособить» тропическую маниоку для производства этанола, его можно будет использовать вместо бензина, и фруктозы...

Правда, далеко не все разделяют оптимизм исследователей. В США намерение биологов перейти в ближайшее время от лабораторных опытов к испытаниям в природных условиях вызывает активный протест защитников окружающей среды. Противники генной инженерии требуют запретить генетические манипуляции над растениями в природных условиях. Их пугает возможность создания такого вида растений, который сможет сопротивляться любым ядам и, выйдя из-под контроля, устойчивый к засухам, гербицидам и холоду, начнет бурно размножаться и вытеснит всю дикорастущую флору.

О возможной опасности генноинженерных работ говорят и такие факты. В последние годы в США ведутся активные попытки получения биологических средств для борьбы с заморозками. Ученые намерены создать биологический «антифриз».

Убытки, связанные с заморозками, составляют в США более миллиарда долларов в год. И, как выяснилось, во многом тут виноваты бактерии. Именно они способствуют образованию губительных кристалликов льда.

При отсутствии на поверхности листьев бактерий видов Pseudomonas syringae и Erwinia herbicola вода в растениях с падением температуры до нескольких градусов ниже нуля по Цельсию не замерзает, а становится переохлажденной. Растения при этом могут выдерживать температуры до минус 8 градусов Цельсия.

Заморозки вредят растениям, только если на них образуется лед. А для начала кристаллизации сверхохлажденной воды нужны ядра, или центры кристаллизации. Этими ядрами и служат бактерии упомянутых видов. На них-то и нанизываются образующиеся кристаллики льда.

Сначала ученые Висконсинского университета в США пытались бороться с бактериями, опрыскивая поле стрептомицином. Но ясно, что широкое использование этого средства неблагоприятно скажется на окружающей среде. Поэтому тактику борьбы пришлось поменять. Было решено натравить на бактерии убивающие их вирусы, бактериофаги. Лабораторные эксперименты обнадежили. В течение нескольких часов удавалось уничтожить более 90 процентов льдообразующих бактерий. Еще более иезуитский прием - генноинженерными методами так преобразовать бактерии, чтобы они более не вызывали кристаллизации льда. Так сказать, перевоспитать их.

Парадокс тут в том, что исследователи толком не знают, что делает бактерии ядрами кристаллизации. И однако им удалось уничтожить в бактерии Pseudomonas syringae гены, определяющие это их неприятное для людей качество. Ученые вели поиск методом проб и ошибок. Они приготовили из ДНК этой бактерии набор фрагментов самой разной длины. Каждый из фрагментов был затем «вшит» в кишечную палочку, которая обычно не вызывает образование кристалликов льда.Затем - следующий этап этой работы - биоинженеры «вырезали» из ДНК бактерии кусок, ответственный за кристаллизацию. И такой ДНК (ее назвали «минус лед») заменили «нормальную» ДНК бактерии Pseudomonas syringae.

Уже собираются распылять культуры полученных бактерий на опытных участках, засаженных картофелем, с целью повышения морозостойкости растений. Говорят, это первый значительный эксперимент генетических инженеров, затрагивающий окружающую среду. Все было бы хорошо, по бактерии, вокруг которых образуются кристаллики льда, скорее всего играют в природе заметную роль. При занесении их воздушными потоками в верхние слон атмосферы они способствуют образованию дождя и снега. Что произойдет, если эти бактерии «аборигены» не выдержат «конкуренции» с модифицированными человеком микробами? Чем все это кончится? Пока этого никто не знает.

mirzelenee.ru

Зима, водитель, чертыхаясь, поддельный плавит антифриз: feanoturi

Иногда, когда мы, живущие на 1/6 части суши объясняемся в любви к зиме и холодам, это совершенно однозначно напоминает проявления стокгольмского синдрома.

И все же - на дворе Рождественские морозы, на подходе Крещенские, и одной из самых популярных тем в разговорах автовладельцев в эти дни беседы о том, какая незамерзайка в наши морозы замерзает, а какая нет. Чтобы как-то посочувствовать тем, кто сильно зависит от погодных условий, сегодня речь пойдет о таких замечательных веществах, как антифризы, причем антифризах натуральных и антифризе синтетическим.

Должен сразу огорчить читателей, особо ратующих за все натуральное и органическое (в смысле природного происхождения), но заменить для своего железного коня синтетический антифриз антифризом натуральным не получится не, теоретически это можно, только железный конь работать не будет вообще от слова совсем.

Часть I. Антифризы натуральные и органические во всех смыслах. Определенные типы растений и животных могут защищать себя от температур, гораздо меньших, чем температура замерзания воды, с помощью специальных биологически активных соединений-антифризов.

Вот такой простенький белок-антифриз (синяя спираль) защищает личинку жука-огнецветки от температур до –30Deg;C

Долгое время все описанные биологические макромолекулы-антифризы были представлены сложными белками-гликопротеидами (соединения, содержащие химически связанные белковую и полисахаридную цепи), однако недавно из организма арктического жука U. Ceramboides, способного переносить температуры до –60°C был выделен антифриз, представляющий собой просто полисахарид без белка. Такие лед-структурирующие белки самоорганизуются на поверхности кристаллов льда, ингибируя их рост и предотвращая организмы хозяев от обледенения.

Вокруг кристаллов льда наблюдается зеленое свечение флуоресцентно-меченых «белков-антифризов».

До настоящего времени предполагалось, что биологически активные вещества-антифризы самоорганизуются на поверхности кристаллов льда, ингибируя их рост и предотвращая организмы хозяев от обледенения, таким образом, препятствуя образованию больших по размеру кристаллов льда. Однако недавно было продемонстрировали, что механизм действия белков по защите от холода несколько сложнее.

Несмотря на уже упомянутую невозможность использования в «незамерзайках» биологические антифризы все же могут найти многочисленные применения.

Например, их можно использовать в медицине для хранения органов и тканей, предназначенных для трансплантации. Эти белки также могут ингибировать рост кристаллов льда в мороженном, причем некоторые производители пищи уже использует такой способ облагораживания пищевых продуктов.

Тем не менее, использование «натуральных» антифризов в биомедицине и пищевой промышленности не всегда возможно. Во-первых, низкое их содержание в тканях соответствующих организмов затрудняет выделение натуральных антифризов из природных материалов, во-вторых – некоторые из них в больших дозах все же оказываются токсичными для клеток человека.

Ну и конечно же белки-антифризы, точнее генетическая модификация организма за счет введения гена, ответственного за экспрессию (выработку) такого белка, не дающего его "хозяину" загнуться от холода, часто являются современным способом выведения морозоустойчивых сортов клубники, апельсинов и т.д.

Часть II. Антифриз органический, но не натуральный и совсем даже синтетический. Это замечательное вещество, имя которому – этиленгликоль, очень близко знакомо каждому, кто пытался (независимо от успешности попыток) отскрести слой замерзшего льда с лобового стекла машины. Этиленгликоль является основным компонентом антифризов и антиобледенительной жидкости.

Распыление раствора этого замечательного вещества на поверхность льда может способствовать его плавлению, и удачливый водитель освобождает лобовое стекло от слоя замерзшей воды, получая возможность отправиться к месту назначения. А непосредственно в пути образованию кристалликов льда будет мешать жидкость-незамерзайка, в состав которой тоже входит этиленгликоль.

Как же работает антифриз-этиленгликоль? Систематическое название этиленгликоля – этандиол-1,2. Антифризные свойства этого замечательного вещества отчасти объясняются его некоторым сходство с водой – в составе молекулы этиленгликоля имеется две –ОН группы, способные к образованию водородных связей (Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.), к образованию таких связей способна и вода. Из-за этого вода и этиленгликоль могут смешиваться в любых соотношениях.

Известно, что температура замерзания воды – 0°C (а 90° – это прямой угол). Чистый этиленгликоль замерзает при –12°C, однако смешение этиленгликоля с водой приводит к тому, что обе эти жидкости мешают друг другу образовать правильную упорядоченную кристаллическую структуру и температура замерзания смеси становится гораздо меньше температуры замерзания каждого из отдельно взятых веществ. Вообще это довольно распространенное явление – понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания растворителя. На этом же явлении основана борьба с гололедом за счет посыпания улиц поваренной солью или другими твердыми хлоридами.

Может возникнуть вопрос – а почему мы не можем удалять намерзший лед с машин с помощью соли или солевого раствора. Строго говоря, если отбросить мысли о том, что солевой раствор и соль сама по себе будут способствовать коррозии металлических деталей автомобиля, до определенного момента мы можем это сделать, понизив температуру замерзания воды до –10°С – может для областей с мягкой зимой это было бы и достаточно, но не для нас… Тем временем 70%-ный водный раствор этиленгликоля не замерзнет до температуры –50°, да и этиленгликоль гораздо менее опасен для узлов и агрегатов автомобиля по сравнению с солевыми растворами с точки зрения коррозии.

Однако у популярности этиленгликоля в качестве антифриза есть и темная сторона силы – его токсичность. Чистый этиленгликоль обладает сладковатым вкусом и запахом, что может привести к тому, что домашние животные, и некоторые человеки, интеллект которых не сильно превосходит интеллект котов и собак, могут попытаться попробовать атифриз на вкус, получив при этом серьезные проблемы для здоровья. По этой причине в большинстве коммерческих продуктов-антифризов специально вводятся очень горькие добавки, которые имеют шанс остановить неразумных тварей от желания испить антифриз-коктейля.

Сладкий вкус этиленгликоля также стал основой распространенного заблуждения о том, что некоторые беспринципные виноделы добавляют антифриз в вино в качестве подстастителя. На самом деле такие безответственные виноделы добавляют в вино не этиленгликоль (HO–Ch3–Ch3–OH), а диэтиленгликоль (HO–Ch3–Ch3–O– Ch3–Ch3–OH), который, как и большинство других органических соединений, содержащих сразу несколько –ОН групп, обладает сладким вкусом, но не так токсичен, как входящий в состав антифризов этиленгликоль.

Такие добавки к винам производители временами имели привычку практиковать в неблагоприятные годы, когда виноград не успевал как следует вызреть, и вино получалось низкоалкогольным, слаботельным и кислым. Диэтиленгликоль маскирует присутствие в вине дополнительного количества сахара, поэтому сахар можно добавлять в вино без опасения, что он будет обнаружен во время анализов. Кроме того, диэтиленгликоль сам по себе делает вина более сладкими и тельными и, таким образом, они становятся похожими на вина позднего сбора. Однако в настоящее время такое «облагораживание» вина строго запрещено, по крайней мере, для европейских виноделов, а, например, объемы экспорта австрийского вина смогли восстановиться только через 15 лет после скандала 1985 года, связанного с обнаружением в австрийских винах диэтиленгликоля (в 1986 году экспорт упал в 10 раз по сравнению с «доскандальным» 1985 годом).

Тем не менее, если вы или ваши домашние животные по какой-то причине глотнули антифриза, необходимо как можно скорее обратиться за медицинской помощью. Физиология отравления такова – схожесть строения этиленгликоля и этанола первоначально приводит к быстрому опьянению, однако побочные эффекты начинают развиваться быстрее, чем при этаноловом отравлении. По мере того, как организм будет пытаться переработать токсин, гидроксильные группы будут окисляться сначала до альдегидных функций, а потом – до карбоновых кислот. Продукты метаболизма этиленгликоля угнетают деятельность нервной системы, вызывают учащенное сердцебиение, повышение давление, в ряде случае возможен риск сердечного приступа. Если не принять меры, то через 24 часа после отравления могут отказать почки.

К счастью, антидот от отравления этиленгликолем достаточно прост и распространен. В принципе – этот антидот общий для лечения отравления большинством спиртов – этанол. Фермент, который отвечает за окисление этиленгликоля и его трансформацию в токсичные метаболиты – алкогольдегидрогеназа – тот же самый фермент, который отвечает за переработку этанола. К счастью, сродство алкогольдегидрогеназы к этанолу в 100 раз выше, чем к этиленгликолю, поэтому большая доза этанола (который обычно вводится внутривенно) может насытить фермент и «отвлечь» его от производства токсинов – продуктов окисления этиленгликоля. Правда, такое лечение тоже имеет свои побочные эффекты – похмелье, вызванное продуктом ферментативного окисления этанола – уксусным альдегидом, в данном случае будет неизбежно (хотя по сравнению с перспективой выхода из строя почек это хотя и ужас, но не ужас-ужас).

Справедливости ради стоит отметить, что для производства антифриза используется лишь малая доля от примерно 20 миллионов тонн этиленгликоля, производящегося ежегодно. Большая часть этого диола (двухатомного спирта, молекулы с двумя группами –ОН) используется для производства сложных полиэфиров, в особенности – полиэтилентерефталата (ПЭТ) – прозрачного, блестящего и легко поддающегося обработке полимера, из которого изготавливают и пластиковые бутылки и волокна для тканей.

Таковы они, антифризы, вещества, замечательные во всех отношениях, одни из которых помогают выживать многочисленным обитателям крайне северных или крайне южных широт, пугающих нас своими морозами, а другие – помогают нам, так и не эволюционно приспособившимся к крайне низким температурам, не испытывать совсем уж большое отвращение к поездкам по морозу.

This entry was originally posted at http://feanoturi.dreamwidth.org/798790.html.

feanoturi.livejournal.com

Раскрыты почти все тайны биологического антифриза

Раскрыты почти все тайны биологического антифриза

Многие представители живой природы в результате эволюции научились производить особые химические вещества, позволившие им колонизировать территории с экстремально низкими температурами. Для тех, кто зовёт Арктику или Антарктику своим домом, способность к выживанию при температурах сильно ниже нуля является наиважнейшей. Именно из таких организмов химики выделили много природных биологических «антифризов». Один из таковых, ксиломаннан, продуцируемый холодоустойчивым арктическим ночным жуком Upis ceramboides, был тщательно изучен исследователями из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония).

Компьютерная модель структуры биологического антифриза ксиломаннана: одна «сторона» структуры изобилует кислородными атомами, формируя полярную поверхность для связи с кристалликами льда. (Иллюстрация Yukishige Ito / RIKEN.)

Впервые ксиломаннан выделили в 2009 году; это один из наиболее эффективных антифризов у насекомых. Биологические антифризы, называемые также факторами теплового гистерезиса [thermal hysteresis factor (THF)], защищают клетки от урона, которой могли бы нанести мельчайшие кристаллики льда, обычно образующиеся внутри клеток при низкой температуре. Считается, что THF прикрепляется к поверхностям зарождающихся кристалликов и каким-то образом препятствует их дальнейшему росту, защищая клеточные мембраны от будущих ледяных игл, которые по мере своего роста протыкали бы её.

Самая необычная вещь в ксиломаннане — его строение. Все выделенные на сегодня биологические антифризы относятся к классу сложных белков-гликопротеинов [antifreeze proteins (AFP)]. А вот ксиломаннан представляет класс глюканов — длинноцепочечных веществ на основе фрагментов сахаров (но это не протеин, и в этом смысле он уникален).

Чтобы подтвердить предложенную структуру ксиломаннана и перейти к изучению собственно механизма его взаимодействия с кристалликами льда, японские учёные синтезировали то, что, как они полагали, являлось ключевым компонентом этого соединения. Структурный анализ, проведённый с использованием ядерного магнитного резонанса и молекулярного моделирования, подтвердил, что синтетическая структура совпадает с природным веществом. Полученная структура также подсказала исследователям, каким образом ксиломаннан выполняет свои функции сверхэффективного антифриза. А именно: одна «сторона» структуры ксиломаннана намного полярнее другой, что делает одну плоскость молекулы гидрофильной, а другую — гидрофобной. Таким образом, гидрофильная часть молекулы притягивается к кристаллику льда, создавая на его поверхности гидрофобный слой за счёт неполярной стороны молекулы, которая теперь обращена к раствору, отталкивая новые молекулы воды и не позволяя кристаллу расти.

Единственное, что пока остаётся не совсем понятным, — за счет каких именно групп происходит изначальное взаимодействие полярной стороны молекулы ксиломаннана с кристалликом льда. Для прояснения картины учёные собираются синтезировать более длинные фрагменты этого биоантифриза, чтобы поставить точку в исследовании его способности связываться со льдом.

В заключение отметим важность открытия биологических антифризов вообще и данной работы в частности. Понимание принципов действия и возможность использования подобных соединений в генетической инженерии позволило бы, к примеру, увеличить срок хранения замороженных продуктов, улучшить производство рыбы в местах с более холодным климатом, удлинить время сохранения тканей для трансплантологии, кардинально изменить протокол не самой простой и приятной процедуры гипотермальной терапии...

Подробности проведенного исследования опубликованы в издании Journal of the American Chemical Society

www.web-shake.com


Смотрите также