Антифризы рыб



Некоторые рыбы живут при отрицательных температурах воды. Они не замерзают благодаря присутствию в их организме специальных белков-антифризов.
В норме кровь рыб замерзает при температуре от -0,4 С до -0,9 С. Так как подавляющее большинство видов никогда не встречаются с такими низкими температурами в природе, то и риска замерзнуть перед ними не стоит. Однако рыбы обитают и в высокоширотных Арктических и Антарктических морях, где благодаря суровому климату и высокой солености температура "жидкой" воды в некоторых районах приближается к -1,9 С. Как же эти рыбы выживают, если температура окружающей среды зачастую почти на 1С ниже температуры замерзания их крови? Все дело в том, что в их организме содержатся специальные вещества - антифризы, которые препятствуют образованию льда. Об этом и пойдет речь сегодня.
антифризы рыб
антифризы рыб
О присутствии антифризов в организме не только рыб, но и других живых существ (сейчас они обнаружены у насекомых, растений, грибов и даже бактерий) до недавнего времени ничего не было известно. История их изучения началась лишь в 1970-х годах, когда ученые задались вопросом как выживают холодноводные рыбы антарктических морей в очевидно крайне суровых и неподходящих для обитания большинства животных условиях. Первым объектом этих исследований стали нототениевые рыбы (сем. Nototheniidae) - наиболее массовые и широко распространенные обитатели антарктических вод. После того, как антифризы были обнаружены в их организме, новые уже более "прицельные" поиски подобных веществ начались и у других видов, и очень быстро стало понятно, что они имеют достаточно широкое распространение.
Что представляют собой антифризы рыб?
С каждым годом исследователи обнаруживают у рыб все новые и новые классы антифризов, но все же большинство из них (об исключениях я расскажу ниже) являются белками. Как правило, это очень крупные молекулы с высокой молекулярной массой, в составе которых можно выделить повторяющиеся последовательности ("блоки") аминокислот. На основе аминокислотного состава этих последовательностей и формы молекулы (шарообразная, спиральная и т.п.) выделяют 5 типов антифризов: 4 из них являются протеинами (antifreeze proteins - AFPs) и еще 1 гликопротеином (antifreeze glycoprotein - AFGPs). Подробнее об их строении я расскажу чуть ниже, а сейчас - о принципе их работы.
Принцип работы белков-антифризов
С самого момента открытия белков-антифризов многие ученые с большим скепсисом относились к утверждению об их антифризной функции. Было совершенно непонятно, каким образом они снижают температуру замерзания воды, ведь до сих пор считалось, что в живых организмах на это влияет только присутствие электролитов (главным образом солей).

Тем не менее, исследователи, обнаружившие эти белки, были уверены в своей правоте и не переставали выдвигать гипотезы и ставить эксперименты до тех пор, пока, наконец, не установили механизм их работы. Оказалось, что связан он с особенностями процесса замерзания воды.

Этот процесс, пусть и примитивно, можно описать следующим образом: при понижении температуры отдельные молекулы воды объединяются в микроскопические кристаллы льда, после чего, за счет присоединения все новых и новых молекул, эти кристаллы разрастаются до тех пор, пока все молекулы воды не окажутся связанными. Так вот молекулы белков-антифризов умеют распознавать еще только начинающие формироваться кристаллы льда и, специфически связываясь с ними, препятствовать присоединению к ним новых молекул воды, блокируя тем самым их последующий рост. Это и позволяет жидкостям в организме рыб оставаться жидкими при температурах, ниже температуры замерзания.

Интересный факт: кристаллы льда, к которым присоединились молекулы белков-антифризов, могут сохраняться даже при наступлении положительных температур, что обеспечивает их присутствие в организме рыбы чуть ли не на протяжении всей ее жизни, которая может длиться более 20 лет.
Место работы белков-антифризов
Имеющиеся на сегодняшний день данные указывают на то, что белки-антифризы работают только в межклеточных жидкостях, а не внутри клеток, которые, как считается, достаточно хорошо защищены клеточной мембраной и поэтому антифризов внутри не содержат. К межклеточным жидкостям относится, в том числе, плазма крови - важнейшей ткани, замерзание которой привело бы к блокированию ее транспортной функции и гибели животного. Именно поэтому наибольшей концентрации белки-антифризы достигают здесь. Кровь, однако, является не единственным местом присутствия антифризов, что естественно - воздействию холодных температур подвергается весь организм. Исходя из этого становится понятным обнаружение высоких концентраций антифризов в коже, жабрах и глазах рыб - эти органы первыми контактируют с холодом, создавая своеобразный фронт борьбы с ним. Кроме того, в силу постоянной необходимости заглатывать воду (это связано с особенностями осморегуляции) еще одним местом соприкосновения морских рыб с низкими температурами окружающей среды является кишечник, поэтому здесь также присутствуют антифризы.
Место синтеза белков-антифризов
Поначалу считалось, что белки-антифризы (речь именно о AFPs) синтезируются только в печени рыб, откуда попадают напрямую в кровь и разносятся по всему организму. Однако их повышенные концентрации в ряде органов (кожа, жабры, глаза и т.п.) и отсутствие специфических рецепторов белков-антифризов (их наличие позволило бы органу распознать белок и "забрать" его из крови) заставили ученых задуматься о том, что, возможно, в ряде случаев они синтезируются непосредственно в самих органах. И действительно, специальные исследования подтверждают это - синтез некоторых типов белков-антифризов (AFPs) происходит в глазах, клетках жабр и кожи - там, где более всего необходим быстрый ответ на появление холода.

Что касается антифризов-гликопротеинов (AFGPs), то их цикл в организме несколько сложнее: основная их масса производится в поджелудочной железе, откуда они попадают сначала в кишечник (и защищают его от замерзания) и только потом всасываются в кровь через эпителий в его задних отделах. Кроме того, часть AFGPs синтезируется специальными клетками самого желудка. Замечу также, что попадание антифризов непосредственно в пищеварительную систему приводит к тому, что часть из них неизбежно вымывается из организма рыбы вместе с фекалиями.
Сезонность присутствия белков-антифризов в крови рыб
Несмотря на суровость полярных океанов, температура воды в них все же подвержена сезонным колебаниям и зачастую опускается ниже 0 градусов только в "зимние" месяцы. Это означает, что с проблемой выживания в гиперхолодной воде рыбы также сталкиваются не круглый год. Так вот, исследования показали, что у северных видов белки-антифризы AFPs присутствуют в организме не постоянно - они начинают вырабатываться при понижении температуры в предзимние месяцы, а максимальных концентраций достигают зимой, когда температура воды опускается до минимальных (ниже 0 градусов) значений.
Типы белков-антифризов
Выше я уже упоминал, что антифризы, обнаруженные в организме рыб, разделяются на 5 крупных типов: 4 из них относятся к белкам (AFPs) и 1 к гликопротеинам (AFGPs).
антифризы рыб
Типы антифризов рыб и их характеристика.

Таблица взята из книги "Biology of Fishes" (3rd edition) под редакцией Q.Bone и R.H.Moore
Об их строении нужно рассказать подробнее.

Так как первыми антифризами, обнаруженными в организме рыб, были гликопротеины (AFGPs), то начну с них. Гликопротеины - это двухкомпонентные белки, в состав которых входят сахара. Не вдаваясь в подробности, скажу, что антифризы-гликопротеины рыб состоят из повторяющихся блоков из трех аминокислот - 2 аланинов и 1 треонина (-Ala-Ala-Thr-), где на каждый треонин "навешена" молекула сахара (для тех, кому интересно, это дисахарид галактозил-N-ацетилгалактозамин). Таких блоков в молекуле антифриза может быть от 4 до более чем 50, так что в итоге масса молекул колеблется от 2600 до 33000 Дальтон.

Теперь перейдем к антифризам-протеинам (AFPs). Как я уже сказал выше, их классификация построена на основе внешнего строения и аминокислотного состава молекулы. В настоящее время известны 4 типа AFPs: type-I, type-II, type-III, type-IV.

Антифризы-протеины 1-го типа (type-I AFPs), как и AFGPs, богаты аминокислотами аланин и треонин, причем в таком же соотношении 2:1, и имеют форму альфа-закрученной моноспирали. Кроме упомянутых выше аланина и треонина, в состав этого типа антифризов входят и другие аминокислоты. Их масса находится в пределах 3300-4500 Дальтон.

Антифризы-протеины 2-го типа (type-II AFPs), наоборот, богаты аминокислотой цистеин и имеют шарообразную форму. Это более крупные молекулы с массой 11000-24000 Дальтон.

Антифризы-протеины 3-го типа (type-III AFPs) имеет структуру из двух параллельных плоскостей и напоминает тем самым сэндвич (в англоязычной литературе эту форму так и называют beta-sandwich). Интересно, что среди антифризов этого типа выделяют два подтипа, один из которых не является антифризом, то есть не обладает способностью присоединяться к кристаллам льда. При этом в препятствовании кристаллизации (замерзанию) воды он все же принимает участие - будучи в смеси с первым подтипом он увеличивает активность последнего в несколько раз. Молекулярная масса этих молекул составляет около 6500 Дальтон.

В составе антифризов-протеинов 4-го типа (type-IV AFPs), также как и у AFPs type-I, преобладает аминокислота аланин, более того, в их структуре также выделяют спиральные элементы. Однако элементов этих несколько и, будучи компактно упакованы, вместе они образуют итоговую шарообразную форму молекулы, масса которой около 12000 Дальтон.
Распространение белков-антифризов
Распространение антифризов среди морских рыб как северных, так и южных полярных и приполярных вод имеет ряд интересных особенностей.
1
Каждый из типов антифризов специфичен для определенной группы рыб, то есть обнаруживается только в ее пределах. Так, антифризы-гликопротеины (AFGPs) присутствуют только у нототениевых (Nototheniidae) и трескообразных (Gadidae) рыб; AFPs type-I - только у камбал, палтусов и некоторых бычков; AFPs type-II - только у сельдей и корюшек; AFPs type-III - только у бельдюговых (сем. Zoarcidae) и Зубатковых (сем. Anarchichadidae); AFPs type-IV - только у одного вида - длиннорогого бычка Myoxocephalus octodecimspinosus
2
В организме рыбы может присутствовать несколько подтипов антифризов, но только какого-то одного типа (того, что характерен для группы, к которой она относится)
3
У особей одного вида всегда обнаруживаются одинаковые подтипы/типы антифризов, однако у близкородственных видов они могут значительно отличаться
Такой сложный и неоднотипный характер распределения белков-антифризов говорит о том, что они возникли сравнительно недавно, а их эволюция происходила во многих группах независимо, но при этом достаточно резко. Ученые связывают это с последним периодом мощных полярных оледенений и приводят следующие оценки: в северном полушарии белки-антифризы появились у рыб примерно 1-2 млн лет назад, а в южном - около 10-30 млн лет.
Другие типы антифризов: глицерол
Помимо белков-антифризов в последние два десятилетия были открыты еще несколько веществ, обладающих антифризной функцией. При этом они не всегда имеют белковую природу и могут действовать совершенно иным образом, в частности являться электролитами.

Одним из них является спирт глицерол, который был обнаружен в организме корюшки Osmerus mordax и мойвы Mallotus villosus. При этом в организме этих рыб уже присутствуют белки-антифризы, однако, так как молекулы глицерола по сравнению с молекулами белков имеют значительно меньшие размеры, они в отличие от последних могут свободно проникать в клетки и защищать их от возникновения льда, обеспечивая тем самым их дополнительную защиту.
Антифризы у пресноводных видов рыб
Несмотря на то, что пресноводные рыбы почти никогда не сталкиваются с воздействием отрицательных температур, в их организме также могут присутствовать антифризы, правда обнаружены они пока только у двух видов (карася Carassius auratus и данио Danio rerio) и только одного типа (AFPs type-IV). При этом концентрация их весьма незначительна, а выполняемые функции до конца не ясны. И если для карася их антифризную функцию предположить возможно (все-таки известна его способность перезимовывать в суровых условиях замерзших водоемов), то для тропического Данио это исключено - у него их роль вероятно сводится к регуляторной.
Перспективы хозяйственного использования белков-антифризов
Ну и в заключение не могу не сказать еще об одном. Открытие антифризов имеет не только важное научное значение, так как пополняет копилку наших знаний о разнообразии и особенностях функционирования живых существ, но и серьезный коммерческий потенциал. Перспективы хозяйственного использования антифризов почти безграничны и способны кардинально изменить всю нашу жизнь. Уже сейчас компании вкладывают огромные деньги в исследования возможного применения антифризов в трансплантологии (они могут позволить увеличить время сохранения органов), пищевой промышленности (как метод сохранения свежести продуктов или, например, в производстве мороженого), сельском хозяйстве (могут повысить выживаемость теплолюбивых видов в суровых условиях) и ряде других отраслей.
Список литературы
[1] J. G. Duman, 2015. Animal ice-binding (antifreeze) proteins and glycolipids: an overview with emphasis on physiological function // The Journal of Experimental Biology (2015) 218, 1846-1855 doi:10.1242/jeb.116905

[2] Musharaf Hossain, 2012. Fish antifreeze proteins: Computational analysis and physicochemical characterization // International Current Pharmaceutical Journal 2012, 1(2): 18-26

[3] G. L. Fletcher, C. L. Hew, P. L. Davies, 2001. Antifreeze proteins of teleost fishes. // Annu. Rev. Physiol. 2001. 63:359–90

[4] E. Kristiansen, K. E. Zachariassen, 2005. The mechanism by which fish antifreeze proteins cause thermal hysteresis // Cryobiology 51 (2005) 262–280

[5] Woon-Kai Low, Qingsong Lin, Costas Stathakis, Ming Miao, Garth L. Fletcher, Choy L. Hew, 2001. Isolation and Characterization of Skin-type, Type I Antifreeze Polypeptides from the Longhorn Sculpin, Myoxocephalus octodecemspinosus // The journal of biological chemistry. Vol. 276, No. 15, Issue of April 13, pp. 11582–11589, 2001

[6] J. A. Raymond, 1992. Glycerol Is a Colligative Antifreeze in Some Northern Fishes // The journal of experimental zoology 262:347-352 (1992)
Вы можете подписаться на рассылку чтобы получать уведомления о новых записях