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Lexikon der Biologie: Gefrierschutzproteine

Gefrierschutzproteine, Frostschutzproteine, Antifreeze-Proteine, Abk. AFP, Proteine und Glykopeptide mit relativen Molekülmassen zwischen 45.000 und 2600, die das Wachstum von Eiskristallen (Eis) behindern. Gefrierschutzproteine werden neben anderen Frostschutzmitteln in der Körperflüssigkeit antarktischer Fische (Antarktisfische) und überwinternder Insekten (z.B. Hornissenarten; Überwinterung) sowie in Pflanzen gefunden. Auf der Basis der Primärstruktur können die Gefrierschutzproteine der Seefische in Antifreeze-Glykopeptide (AFGP) und wenigstens 3 Arten Antifreeze-Proteine (AFP) unterteilt werden. Das Glykoprotein aus dem Serum der Fische Trematomus borchgrevinski und Boreogadus saida (Dorsche) ist z.B. aus der sich wiederholenden Einheit (Ala-Ala-Thr)n mit an Threonin α-glykosidisch gebundenen β1 →3-Galactosyl-N-Acetylgalactosaminresten aufgebaut. Man unterscheidet folgende Wirkungsweisen: a) Erniedrigung des Gefrierpunkts von Lösungen durch die Bindung von Eiskristallen. Die Bindung von Eiskristallen wird durch eine Vielzahl von polaren Atomgruppen ermöglicht, die auf der einen Seite der Moleküloberfläche planar angeordnet sind. Durch die Bindung wird die weitere Wasser-Absorption der Kristalle und damit deren weiteres Wachstum gestoppt (Kelvin-Effekt). Die restliche Oberfläche der Gefrierschutzproteine ist unregelmäßig und initiiert keine Eisbildung. b) Schutz vor Schäden durch hypothermische Temperaturen durch Zelloberflächenkontakte und Interaktionen mit Ionenkanälen. c) Bei der Acker-Schmalwand Arabidopsis thaliana ist für das Gefrierschutzprotein COR15 noch ein weiterer Mechanismus nachgewiesen worden, wobei das Protein die Krümmung der Chloroplastenmembran verändert und so eine Herabsetzung der mechanischen Belastung durch die Eiskristalle verursacht. – Es gibt biotechnologische Experimente zum Transfer der Gene für Gefrierschutzproteine bei Speisefischen und Nutzpflanzen, um deren Frostempfindlichkeit zu senken (Frost). So konnte durch Überexpression von COR15 die Frostresistenz der Acker-Schmalwand um 5 °C erhöht werden. Auch die Nutzung von Gefrierschutzproteinen bei der Lagerung von Zellen und Organen für medizinische Anwendungen wird intensiv untersucht. Bei Pflanzen läßt sich die Frostresistenz durch Anzucht in kühlen, jedoch über dem Gefrierpunkt liegenden Temperaturen steigern (sog. Kälteakklimation; Adaptation). Hierbei wird durch Erhöhung des Pegels an Abscisinsäure eine Signalkette in Gang gebracht, die in der Bildung des Transkriptionsfaktors CBF1 gipfelt. Dieser Faktor bindet an ein DNA-Sequenzmotiv (sog. C-repeat) im Promotorbereich von Genen, die durch Kälte und Trockenheit angeschaltet werden (z.B. das COR15-Gen). Anpassung, Polarregion, Temperaturanpassung, Tiefseefauna.

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