חלבון נוגד קיפאון

תרשים של המבנה המולקולרי של חלבון נוגד קיפאון של חרק

חלבונים נוגדי קיפאון (Antifreeze protein; AFP) הם סוג של פוליפפטידים המיוצרים על ידי חיידקים, פטריות, צמחים ובעלי חוליות מסוימים המאפשרים לאורגניזמים המייצרים אותם לשרוד בטמפרטורה מתחת לאפס. חלבונים אלו נקשרים לגבישי קרח קטנים ומעכבים את הגדילה והגיבוש מחדש של הקרח שאחרת עלול היה להיות קטלני. ישנן גם ראיות גוברות לכך שחלבונים אלו מתקשרים עם ממברנות של תאי יונקים ומגנים מפני נזקי קור.

מנגנון פעולה

בשונה מאתילן גליקול הנמצא בשימוש נרחב למניעת קיפאון ברכבים, חלבונים נוגדי קיפאון לא מורידים את טמפרטורת הקיפאון ביחס לריכוז, אלא פועלים באופן לא קוליגטיבי. הודות לכך חלבונים נוגדי קיפאון מסוגלים לפעול בריכוזים נמוכים פי 300–500 מאשר מומסים אחרים. תכונה זו גם מקטינה את ההשפעה שלהם על הלחץ האוסמוטי. תכונות ייחודיות אלו נזקפות להם בזכות יכולתם להיקשר למשטחים ספציפיים של גבישי קרח.

חלבונים נוגדי קיפאון יוצרים הבדלים בנקודת ההיתוך ובנקודת הקיפאון הידועים כ"היסטרזיס תרמי" (Thermal hysteresis). החיבור של חלבונים אלו בממשק בין קרח מוצק ומים נוזליים מעכב את הגדילה של גביש הקרח העדיפה מבחינה תרמודינמית.

במעבדה ניתן למדוד את ההיסטרזיס התרמי באמצעות אוסמומטר. לאורגניזמים שונים יש ערכים שונים של היסטרזיס תרמי. הרמה הגבוהה ביותר של היסטרזיס תרמי מופיעה בחלבונים נוגדי קיפאון של דגים והיא מגיעה ל -1.5°C. עם זאת, חלבונים נוגדי קיפאון של חרקים הם פי 10 עד 30 פעילים יותר מכל חלבון נוגד קיפאון מוכר של דג. הסבר לכך עשוי להיות הטמפרטורות שעמן חרקים נאלצים להתמודד על פני הקרקע, שעשויות להיות נמוכות מטמפרטורות של –1°C או –2°C שבהן נתקלים דגים במים קפואים. במהלך חודשי החורף הקרים מסוגל העש Choristoneura להתמודד עם טמפרטורות של –30°C ולהימנע מקיפאון, על אף שהחיפושית Upis ceramboides החיה באלסקה מסוגלת לשרוד אף בטמפרטורה של –60°C באמצעות שימוש במולקולה נוגדת קיפאון שאינה מורכבת מחלבונים.

קצב ההתקררות עשוי להשפיע על ערכי ההיסטרזיס התרמי של חלבונים נוגדי קיפאון, ואם הטמפרטורה צונחת במהירות האורגניזמים המייצרים חלבונים אלו עשויים שלא להסתגל לסביבה הקפואה.

אבולוציה

המגוון והתפוצה של חלבונים נוגדי קיפאון מרמזים על כך שהסוגים השונים של חלבונים אלו התפתחו לאחרונה בתגובה לתקופת התקרחות שהתרחשה לפני כ1–2 מיליון שנה בחצי הכדור הצפוני ולפני כ-10–30 מיליון שנה באנטארקטיקה. ההתפתחות העצמאית של אדפציות שונות היא אבולוציה מתכנסת.

שימושים מסחריים

חלבונים נוגדי קיפאון עשויים לשמש למגוון רב של שימושים מסחריים. תחומים מסוימים עשויים להפיק תועלת מהגנה על רקמות מנזקי קיפאון. בין היתר נבחנים השימושים הבאים:

• הגדלת הסיבולת לקפיאה של צמחי יבול והארכת תקופת הקציר באקלימים קרים
• הגדלת תוצרת של חוות דגים באקלימים קרים
• הארכת חיי המדף של מזונות מוקפאים
• שימוש בקריותרפיה
• ברפואה, שיפור השימור של רקמות להשתלה
• טיפול בהיפותרמיה