Protein pembentuk inti es

Protein pembentuk inti es merupakan kelompok famili protein yang dibentuk oleh beberapa organisme, seperti serangga dan bakteri pembentuk inti es. Protein ini merupakan protein yang unik karena dapat mengkatalisis pembentukan kristal es pada temperatur yang relatif tinggi. Pembentukan kristal es ini merupakan reaksi proteksi untuk menjaga mikroorganisme dari kerusakan karena pembentukan es secara intraseluler melalui supercooling, dengan memberikan waktu bagi sel untuk mengatur metabolit selulernya, serta mereduksi tegangan osmotik karena pembentukan es.

Berkas:Protein pembentuk inti es.jpg

Pembentukan es dengan perantara protein pembentuk es

Mekanisme dan peranan

Nukleasi es dengan protein pembentuk inti es diawali dengan agregasi molekul air oleh protein, dengan menambah probabilitas pembentukan air menjadi suatu embrio es dengan mendispersikan dirinya sampai mencapai ukuran yang ideal untuk pembentukan nukleus es yang kemudian akan membesar karena menarik molekul air di sekitarnya, sehingga menjadi es. Ketika matriks es terbentuk, gradien osmotik antara intrasel dan ekstrasel juga akan terbentuk, sehingga menyebabkan dehidrasi sel karena tingginya konsentrasi solut di bagian ekstraseluler yang menyebabkan penurunan titik beku dan supercooling point dari bagian intraseluler sel. Protein pembentuk nukleasi es berperan sebagai antibeku bagi air dalam bagian intraseluler dan mengisolasi pembentukan kristal es hanya pada bagian ekstraseluler saja, sehingga bakteri dapat tetap hidup. Hal ini sangat penting bagi bakteri dan serangga karena biasanya pembentukan es secara intraseluler bersifat letal untuk keduanya. Pembentukan nukleasi es oleh protein pembentuk inti es tergolong kedalam nukleasi heterogenus karena menggunakan nukleator selain air untuk membentuk inti esnya.

Jenis

Berkas:Kurva hipotesis pembekuan air.jpg

supercooling didefinisikan sebagai perbedaan antara freezing point (A) dan situs nukleasi (B). Total waktu pembekuan merupakan perbedaan waktu ketika temperatur air melewati freezing point (A) dan pada saat ia mencapai suhu lingkungan (B)

Dalam pembentukan inti es, protein pembentuk inti es selalu dibantu oleh molekul lain yang berikatan kompleks dan membuat beberapa tipe dari situs nukleasi es. Beberapa diantaranya, diurutkan berdasarkan keefektifan situs nukleasinya adalah: 1. Kompleks protein-mannan-fosfatidil inositol (Tipe I). Fosfatidil inositol yang dimaksid dapat berupa molekul fosfolipid yang berada pada bagian fosfolipid dari bakteri dan sel serangga. 2. Kompleks protein-gula (Tipe II). Contoh gula yang dimaksud adalah manan dan glukosamin, tetapi tidak mengikat fosfolipid dan berada pada daerah ekstraseluler 3. Protein pembentuk inti es yang terikat dengan beberapa residu manan yang terintegrasi pada bagian luar membran sel (Tipe III)

Sekuen waktu (Kiri-Kanan-Bawah) pertumbuhan nukleus es yang diamati dengan sinar-γ

Studi mengenai inaktivasi nukleasi es menggunakan sinar-γ yang ditujukan untuk memprediksi ukuran target protein pembentuk inti es dengan radiasi, menunjukan bahwa kekuatan radiasi yang dibutuhkan meningkat untuk melelehkan es, seiring dengan naiknya temperatur nukleasi. Hal ini menunjukan dependensi dari frekuensi nukleasi es terhadap jumlah protein pembentuk es yang non-linier, sehingga dibutuhkan 2-3 monomer dari protein yang terhubung satu sama lain untuk beroperasi sebagai pembentuk nukleus aktif es. Pengukuran laju pembentukan nukleasi es menunjukan terjadinya inisiasi kooperatif dari nukleus yang aktif pada temperatur yang hangat dan nukleasi terbentuk lebih lambat dari temperatur dingin, perbedaan antara suhu ini mengindikasikan bahwa protein nukleasi es tipe I terbentuk akibat adisi beberapa monomer dengan nuklei protein pembentuk inti es tipe II atau III, hal ini ditemukan adanya nukleasi es heterolog yang muncul pada bagian luar dan dalam dari bakteri gram negatif, sehingga dapat disimpulkan bahwa berbagai kelas nukleasi es terbentuk pada lokasi yang berbeda juga.

Biologi molekuler protein nukleasi es

Protein nukleasi es dikodekan oleh sebuah gen yang berlokasi pada DNA kromosom yang berukuran antara 3,4 kbp sampai 7,5 kbp. Gen penyandi protein nukleasi es atau gen ina memiliki 1 open reading frame (ORF), di mana 80%nya merupakan sekuen DNA berulang dan sangat homolog antar jenis protein nukleasi es lainnya. Protein pembentuk inti es yang dihasilkan oleh bakteri berbeda, secara imunologi akan menimbulkan cross reaction antara satu dengan yang lainnya, yang menunjukan bahwa protein pembentuk nukleasi es memiliki struktur antigen yang mirip.

Protein pembentuk inti es dibagi menjadi tiga domain yang dapat dibedakan, yaitu terminal N-domain yang relatif hidrofobik dan merupakan penahan keseluruhan struktur protein pembentuk inti es. Terminal C-domain yang relatif basa dan hidrofil dengan pusatnya yang memiliki pengulangan. Dan yang ketiga yaitu domain pengulangan sentral yang hidrofilik dan kaya akan asam amino alanin.