Muchas plantas, insectos, animales y otros organismos han evolucionado con el único mecanismo de adaptación que les permite sobrevivir en ambientes hostiles a temperaturas extremas.Casi dos tercios de la superficie terrestre está formado por agua donde la temperatura de éste varía de los 2°C a los 30° C dependiendo de la latitud.
Dentro de las regiones polares, temperaturas del agua de mar estan siempre por debajo del punto de congelación de las soluciones fisiológicas por debajo del punto de congelación del agua pura, 0° C a 1 atmósfera, debido a los azúcares y las sales disueltas. El efecto de temperaturas bajo cero en las células de plantas, animales, bacterias puede ser extremadamente perjudicial, incluso mortal.
Scholander y DeVries fueron los primeros en investigar los mecanismos por los cuales las especies de peces que habitan los océanos polares con temperaturas frecuentemente por debajo del punto de congelación del agua pura, son capaces de sobrevivir. El análisis del plasma de sangre de estos peces mostraron que las concentraciones de sales y los pequeños iones en los fluidos corporales son más altos en relación con los peces en aguas de la zona templada. Estas sales sólo son responsables de un 40-50% de la disminución del punto de congelación observada. El resto del efecto protector se atribuye a la presencia de una serie de glicoproteínas de alto peso molecular y proteínas anticongelantes.
Las proteínas anticongelantes (AFP) y las glicoproteínas anticongelantes (AFGPs) han sido identificados en los fluidos corporales de muchas especies de peces polares. Hay cuatro distintas clases de estructura de AFPs, clasificados como de tipo I, el tipo II, el tipo III y el tipo IV que han sido identificados. Las características principales de estos compuestos se resumen en la figura. 1.
Estos compuestos bajan la temperatura en la que el hielo crece de manera desconocida, y por lo tanto, muestran histéresis térmica, es decir, una diferencia positiva entre el punto de fusión de equilibrio y la temperatura del punto de congelacion.
Esta característica permite a los peces sobrevivir en las aguas a temperaturas bajo cero en las temperaturas más frías que el equilibrio del punto de congelación de la sangre y otros fluidos internos que por su grosor, los cristales de hielo pueden modificar o suprimir la protección de las membranas celulares de daño por frío.
Las posibles aplicaciones incluyen, mejorar la protección de las plaquetas de sangre y órganos humanos
a bajas temperaturas, el aumento de la eficacia de la destrucción de los tumores malignos en la criocirugía y mejora de la suave textura de los alimentos congelados. La investigación se ha centrado en las AGFPs tipo I y una AFP.
ESTRUCTURA Y CLASIFICACION DE LAS GLICOPROTEINAS
Las glucoproteínas anticongelantes se refieren a un grupo de al menos ocho glicoproteínas relacionadas estructuralmente, que constituyen la fracción importante de proteínas en el suero sanguíneo de los nototenoideos de la Antártida y el bacalao del Ártico. Cada AFGP consiste en un número de unidades repetidas de (Ala-Ala-Thr)n, con menores variaciones secuenciales y el disacárido β-D-galactosil-n-acetil-D-galactosamina sumado a un glucósido de Hidroxil oxigeno y residuos de Thr. Las glicoproteínas aisladas de nototenoideos, ha sido clasificada de la AFGP1-8 sobre la base de las tasas de migración electroforética. Hay ocho clases distintas de glicopéptidos, que varían en relación al peso molecular.
Además de estas variaciones en el tamaño del peso molecular, hay algunas diferencias de menor importancia en la composición de aminoácidos en AGFPs 6-8 donde la primer Ala en algunas de las repeticiones es reemplazada por Pro.
Estas glicoproteínas son muy similares a las presentes en nototeniodeos actuales con excepción de que en ocasiones la Thr es sustituida por un residuo Arg y por lo tanto los glucopéptidos carecen de un disacárido en esta posición.
PROPIEDADES
Las AFGPs se acumulan en ciertas caras del hielo y la superficie del agua, modificando el ritmo y la forma de crecimiento de cristales. La actividad anticongelante, inhibe el crecimiento del hielo y la histéresis. Una propiedad característica de las AFP y AFGPs es la histéresis térmica el cual está determinado por la medición del punto ce crecimiento cinético y la sustracción del equilibrio del punto de fusión de una solución. En presencia de un AFGP, la disminución del punto de fusión se mide sobre la base de las propiedades coligativas.
El hielo puede existir en muchas formas polimórficas, la forma mas estable en una atmósfera por debajo de 0°C es hexagonal.
Raymond et al. demostró que los cristales de hielo suspendidos en soluciones de AFGP1-5 en las temperaturas de histéresis forman una brecha de pozos en el plano basal. Estos pozos finalmente cubren toda la superficie expuesta de hielo, que entonces deja de crecer hasta que la temperatura se reduce aún más.
MODIFICACION ESTRUCTURAL DE AZUCARES
La estructura de los glucopéptidos es importante como β-eliminación de sacáridos y la pérdida de la funcionalidad hidroxilo Thr elimina toda la actividad anticongelante. La acetilación de los hidroxilos de azúcar para dar un derivado, o la oxidación de peryodato del azúcar galactosa terminal, remueve las propiedades de histéresis de la AFGP.
MODIFICACION DEL ESQUELETO PEPTIDICO
El tripéptido más común de AFGPs es Ala-Ala-Thr, mientras que en los más pequeños. los valores de histéresis medidos en las soluciones de estos AFGPs diferentes tienen un rango de concentraciones que indican que la composición del aminoácido no tiene un efecto significativo en la disminución del punto de congelación desconocida. Un determinado número de sustituciones de Ala a Pro o Thr a Arg que puede ser tolerado en una determinada masa molecular de AFGP elimina la actividad anticongelante.
En particular, el grupo β-metil de Thr, junto con algunos residuos hidrofóbicos, incluyendo Ala, proporcionan una cara hidrofóbica de la hélice que se orienta hacia la cara de hielo/agua.
SINTESIS DE GLICOPROTEINAS ANTICONGELANTES
La síntesis de la primera y única de una forma natural de AFGP se informó en 1996 y se resume en la figura. que se muestra a continuación.
El glicotripeptido clave fue polimerizado mediante acido difenilfosforilo para dar un polímero con una masa molecular estimada de 6000-7300 i. e. En principio, la modificación de este esquema de síntesis debe permitir la producción de análogos sintéticos AFGP en la que el número estereoquímico y relativo de los hidroxilos son variados y que faciliten el acceso a compuestos que permiten los principales estudios de estructura-actividad a realizar.
La ventaja de utilizar la síntesis en fase sólida (Fig. 6B) es la capacidad de generar oligómeros de longitud definida y variación de la secuencia, incluyendo las mutaciones de los residuos Ala en uno o más sitios en la secuencia y la modificación de la estructura de cada azúcar. Por el contrario, la solución de la fase de ruta (Fig. 6A) siempre se producen mezclas de oligómeros que deben ser separados, y requieren el uso de una unidad tripéptido único para la reacción de polimerización.
MECANISMO
Actualmente no hay ningún mecanismo que explica las propiedades de la inhibición del hielo por AFGPs.
Un mecanismo dominado de enlace de hidrógeno, consiste en la inserción de los hidroxilos disacárido de AFGPs
en el enrejado de vacío de hielo, fue propuesto con un modelo para el AFP tipo I que se basa en la vinculación del hidrógeno a que participen los grupos hidroxilo en los residuos Thr
Mientras las AFGPs no tienen estructura en solución, se ha observado que en una conformación triple pliegue helicoidal, la glicoproteína contiene un lado hidrofílico y una cara hidrofóbica en la que la mayoría de las cadenas laterales Ala están localizadas.
APLICACIONES
Las AFGPs y AFPs presentan un único número de propiedades que protegen los sistemas biológicos in vitro y han
sido investigados por posibles aplicaciones en la medicina, la biotecnología y la industria alimentaria.
La capacidad de cambiar el hábito de crecimiento normal de hielo, la capacidad para inhibir la cristalización y la protección de las membranas celulares son todas las propiedades de las AFP y AFGPs que pueden ser adaptadas para una gama de procesos a baja temperatura. La capacidad de AFGPs pueden ayudar en la crioconservación y
almacenamiento hipotérmico de células y tejidos.
El efecto de la adición de una mezcla de AFGP1-8, podrían almacenar ovocitos de cerdo que no pueden sobrevivir en condiciones hipotérmicas.
La estabilización de los efectos de AFGPs en células intactas durante la refrigeración reportados en estudios anteriores se debe a un efecto inespecífico en los componentes lípidicos de las membranas nativas.
Se ha demostrado que la hipótesis de que las AFGPs protegen a las membranas celulares durante la fase de transiciones de lípidos, la mejora de almacenamiento de plaquetas de la sangre fría. En contraste con liposomas,
no hubo un efectos beneficioso
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