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Proteínas Sub-Zero

Atualizado: Jan 14

Para muitas espécies de plantas, passar o inverno congeladas é uma estratégia adaptativa perigosa, principalmente por prejudicar processos metabólicos essenciais ao funcionamento celular. No entanto, para a gramínea Deschampsia antarctica esta condição ambiental parece não ser um empecilho para o seu crescimento e desenvolvimento. A medida que o inverno intensifica, essa planta desencadeia a produção e secreção de proteínas “antifreeze no apoplasto que se aderem a pequenos cristais de gelo evitando o congelamento celular. Normalmente, um cristal de gelo tem dois planos distintos: um basal e um na forma de prisma (Figura 1). O gelo cresce devido à adição de moléculas de água a esses planos. O crescimento do gelo é mais rápido a partir do plano do prisma, conduzindo à formação de cristais de gelo mais largos em forma de disco, processo conhecido por recristalização.




Figura 1. Esquema da estrutura cristalina do gelo, com planos: basal e prisma (Fonte: Gupta e Deswal, 2014) (A) e a atividade de proteínas anticongelante em extratos apoplásticos de D. antarctica e C. quitensis (B) aclimatadas em baixas temperaturas (Fonte: Bravo e Griffith, 2005).


Quanto maiores os cristais de gelo, maior a possibilidade de haver danos físicos às células e tecidos. As proteínas “antifreeze” evitam a ocorrência de recristalização de proteínas por se adsorverem a diferentes partes na superfície do cristal de gelo através de uma ou mais formas de interação. Por possuírem em sua estrutura um lado hidrofílico e outro hidrofóbico, a face hidrofílica da proteína se liga a superfície do cristal de gelo e o lado hidrofóbico fica voltado para o exterior dificultando a ligação de outras moléculas de água com o cristal de gelo.

Desse modo, a adsorção das proteínas no gelo resulta na redução da temperatura de congelamento da água de uma maneira não coligativa, sem alterar significativamente o ponto de fusão da água. Essa propriedade de histerese térmica, a transição do líquido para o sólido é promovida a uma temperatura mais baixa do que a transição do sólido para o líquido. Durante esse processo, o cristal de gelo é estabilizado levando a formação de pequenos cristais hexagonais, não danificando a estrutura celular (Figura 2 - Informação complementar). Essas adaptações ao congelamento são exemplos de como D. antarctica é a única espécie de gramínea que preenche os territórios Antárticos, conferindo a elas vantagens em relação a outras plantas.


Figura 2 informação complementar - Proteção contra congelamento induzida por estresse e proteínas antifreeze, também conhecidas por proteínas de ligação ao gelo ( Ice-binding Proteins - IBP) em plantas. Na ausência de IBPs, plantas não aclimatadas, grandes cristais de gelo se formam nos apoplastos que podem danificar fisicamente as membranas plasmáticas (1). À medida que as moléculas de água se unem à estrutura do cristal de gelo, um gradiente osmótico é formado (2), resultando no sequestro de água intracelular e consequente desidratação celular (3). A perda de volume celular pode causar o colapso ou ruptura das células (4). A expressão de IBPs induzida por aclimatação ao frio, que normalmente é secretada no apoplasto (1), adsorve nos cristais de gelo, impedindo o seu crescimento (2). Os IBPs também podem impedir o congelamento associado à nucleação bacteriana do gelo (3). Fonte: Bredow e Walker, 2017. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.02153


Texto escrito por Fábia Barbosa


Referências

Bravo L.A., Griffith M. Characterization of antifreeze activity in Antarctic plants. Journal of Experimental Botany, v.56, n.414, p. 1189-1196, 2005.

Bredow M., Walker V.K. Ice-binding proteins in plants. Frontiers in Plant Science, v.8, p. 1-15, 2017.

Gupta R., Deswal R. Antifreeze proteins enable plants to survive in freezing conditions. Journal of Biosciences, v.5, n. 39, p.931-944, 2014.


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Idealizadora e Autora

Francynês Macedo

Bióloga com mestrado e doutorado em Fisiologia e Bioquímica de Plantas pela Esalq/USP. Desenvolve pesquisas na área de Fisiologia de Plantas sob Estresse com ênfase em Eletrofisiologia Vegetal. Possui ampla experiência com a técnica de medição de sinais elétricos em plantas. Na área de ensino tem experiência com Metodologias Ativas de Aprendizagem, incluindo Design Thinking na formação de professores. Propósito de vida: aprender e ensinar.