Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide

Budke C (2010)
Bielefeld (Germany): Bielefeld University.

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Bielefeld Dissertation | German
Supervisor
Abstract
Antifreeze proteins (AFP) inhibit the growth of ice crystals and, thus, play an important role in the survival of many organisms at temperatures below the freezing point. But many aspects of the mechanism of action are still not understood, especially for antifreeze glycoproteins and glycopeptides (AFGP), which are present in some fish of the polar oceans. Therefore, within the present work several substances were investigated that inhibit the ice growth similar to AFP and AFGP. The efficiency of this growth inhibition was determined using a special form of Ostwald ripening, namely, the ice recrystallization of polycrystalline ice in aqueous solutions. Experiments on the kinetics of ice recrystallization were conducted for determining the influence of factors such as temperature and ice volume fraction in addition to the inhibitory effect of the substances. Hence, aqueous sodium bromide and sucrose solutions were investigated at recrystallization temperatures of -25 to -5 °C. An extended form of LSW theory (Lifshitz-Slyozov-Wagner) was developed and employed for quantifying the kinetics of the ice recrystallization process and the influence of the different factors. This analysis allows for the determination of the efficiency of AFGP and some synthetic analogues in inhibiting recrystallization. The effects of very small structural changes became evident, allowing for the establishment of quantitative structure-activity relationships, in contrast to previous qualitative studies. The most efficient compound investigated in this work showed antifreeze activity already at a concentration of 0.23 µg/mL^-1. Hence, the method presented here is much more sensitive than other common procedures, which made it possible to detect activity for compounds previously classified as inactive. Furthermore, a new experimental method is presented, which uses the optical anisotropy of ice to provide information on those ice facets, whose growth is inhibited by the specific adsorption of the glycopeptides. The combined data strongly suggests that the adsorption-inhibition mechanism of antifreeze glycopeptides is based on a reversible adsorption to prism ice faces. In addition, the observed structure-activity relationships lead to the conclusion that the hydroxy groups of the carbohydrates at positions C4 or C6 are responsible for the adsorption. It is also clear, however, that the hydroxy groups, or motifs like the disaccharide groups of natural AFGP are not essential for activity, but they greatly increase their efficiency.

Antigefrierproteine (AFP) hemmen das Wachstum von Eiskristallen und spielen daher eine wichtige Rolle beim Überleben vieler Organismen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Insbesondere bei Antigefrierglykoproteinen und -glykopeptiden (AFGP), die in einigen Fischen der Polarmeere vorkommen, sind viele Aspekte zum Wirkmechanismus nach wie vor unverstanden. Daher wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Reihe von Substanzen untersucht, die wie AFP und AFGP das Eiswachstum inhibieren. Dabei wurde die Effizienz dieser Wachstumshemmung mit Hilfe einer speziellen Form der Ostwaldreifung bestimmt, nämlich der Eisrekristallisation von polykristallinem Eis in wässrigen Lösungen. Es wurden Experimente zur Kinetik der Eisrekristallisation durchgeführt, um neben der hemmenden Wirkung der Substanzen auch den Einfluss weiterer Faktoren wie der Temperatur und des Eisanteils zu bestimmen. Hierzu wurden wässrige Natriumbromid- und Saccharoselösungen bei Rekristallisationstemperaturen von -25 bis -5 °C untersucht. Um die Kinetik der Eisrekristallisation und den Einfluss der verschiedenen Faktoren zu quantifizieren, wurde eine erweiterte Form der LSW-Theorie (Lifshitz-Slyozov-Wagner) entwickelt und verwendet. Damit war es möglich, die Effizienz zu bestimmen, mit der AFGP und einige synthetische Analoga die Rekristallisation hemmen. In den Untersuchungen wurden Auswirkungen bereits kleiner struktureller Veränderungen sichtbar, wodurch Struktur-Wirkungs-Beziehungen quantitativ und nicht wie zuvor nur qualitativ abgeleitet werden konnten. Die im Rahmen dieser Arbeit effektivste Verbindung zeigte bereits bei einer Konzentration von 0.23 µg/mL^-1 eine Antigefrieraktivität. Damit ist die hier vorgestellte Methode der Effizienzbestimmung zudem um ein Vielfaches empfindlicher als andere gängige Verfahren, wodurch es möglich wurde, bei bisher als inaktiv eingestuften Verbindungen eine Aktivität nachzuweisen. Des Weiteren wird eine neue experimentelle Methode vorgestellt, bei der die optische Anisotropie von Eis dazu genutzt wurde, um mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie Aufschluss über diejenigen Eisfacetten zu erhalten, deren Wachstum durch die spezifische Adsorption der Glykopeptide gehemmt ist. Unter Verwendung aller erhaltenen Daten ergibt sich, dass der Adsorptions-Inhibierungs-Mechanismus bei Antigefrierglykopeptiden auf einer reversiblen Adsorption an prismatischen Eisflächen basiert. Zudem legen die aufgestellten Struktur-Wirkungs-Beziehungen den Schluss nahe, dass die Adsorption an Eis auf den Hydroxygruppen der Kohlenhydrate an den Positionen C4 oder C6 beruht. Allerdings wird auch deutlich, dass die Hydroxygruppen selbst oder Motive wie die Disaccharidgruppe der natürlichen AFGP nicht essentiell sind, aber die Effektivität sehr stark erhöhen.
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Budke C. Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2010.
Budke, C. (2010). Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Budke, C. (2010). Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Budke, C., 2010. Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide, Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
C. Budke, Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide, Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2010.
Budke, C.: Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide. Bielefeld University, Bielefeld (Germany) (2010).
Budke, Carsten. Hemmung der Eisrekristallisation in wässrigen Lösungen durch Antigefrierglykopeptide. Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2010.
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