抗冻蛋白

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antifreeze proteins;AFP;antifreeze peptide

一类具有提高生物抗冻能力的蛋白质类化合物的总称。最初是从南极与北极地区的海洋鱼类血清中发现一种能与冰晶相结合的特异性蛋白质,它能阻止体液内冰核的形成与生长,维持体液的非冰冻状态。在这些地区生活的鱼类全都具有合成这类蛋白的能力,以适应低温的生活条件。研究最多的可能是生活在南极洋面的Perchlike notothenioids的体内抗冻蛋白,发现这一蛋白基因与鱼的胰蛋白酶原基因中90%以上的核苷酸碱基序列相同或许说明这两者有相近的进化关系。近年来相继在昆虫、植物(如冬黑麦沙冬青、唐古特红景天叶等)体内也发现有类似功能的抗冻蛋白。至今鱼类的AFP基因的转化植物已获成功;与植物中类似AFP基因在微生物体内克隆也获得成功。推测植物抗冻分子生物学和培植农业上抗冻新品种的前景必定是光明的。  

功能

抗冻蛋白是一种能抑制冰晶生长的蛋白质或糖蛋白质.自二十世纪发现以来,研究对象先后从极区鱼类,昆虫,转移到植物材料上.

以生长在天山海拔3 450 m处的珠芽蓼(Polygonum viviparum)为实验材料,从叶片中提取质外体蛋白.经SDS-PAGE分析,发现在分子量为15.2~72.3 kD范围内出现七条多肽,PAS染色显示这些多肽中均含有糖基.通过光镜组织切片显示,在珠芽蓼叶片细胞的质外体中存在丰富的蛋白质,PAS染色确定其含有糖蛋白.通过测定其热滞值,进一步确定质外体蛋白是具有抗冻活性的糖蛋白,说明抗冻蛋白是维持珠芽蓼抗冻性的重要物质基础.

用冰吸附纯化(ice affinity purification)方法,找到抗冻蛋白AFP,研究人员发现低温导致结晶生成时,该蛋白便会活化,参入阻止晶格的形成,而一旦温度回升,或是酸碱度降低时,抗冻蛋白又会完全失去活性。  

生长机制的模型

抗冻蛋白吸附在冰晶表面,通过EAFC3效应抑制其生长.机制的模型为:一般晶体的生长垂直于晶体的表面,假如杂质分子吸附于冰生长通途的表面,那么需要在外加一推动力(冰点下降),促使冰在杂质间生长.由于曲率增大,使边缘的表面积也增加.因表面张力的影响,增加表面积将使体系的平衡状态发生改变,从而冰点降低。通过对抗冻植物抗冻活性的研究,认为抗冻植物形成了一种特殊的控制胞外冰晶形成的机制,即抗冻蛋白和冰核聚物质的协同作用.在植物体内,热滞效应并不明显,而冰重结晶抑制效应显著.吸附抑制学说是否适应于植物有待于进一步的证实.

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