Kriyoprotektanlar ve Donma Direnci: Alaska Ağaç Kurbağaları, Kışın "Donuyor", Yazın "Çözünüyor"!

Birçok canlının donmaya karşı bir miktar direnci vardır; ancak Rana sylvatica türü Alaska Ağaç Kurbağaları'nın düzeyine pek az hayvan erişebilmektedir. Bu ufak kurbağalar, donma halindeyken vücutlarındaki suyun %65'inden fazlası tamamen donsa da, haftalarca hayatta kalabilirler. Bu hayvanlar, -2^oC sıcaklıkta tamamen donarlar. -6^oC sıcaklıkta ise, donmuş haldeyken, günlerce yaşamlarını sürdürebilirler.^[1]

Bu mekanizma öylesine uç boyutlardadır ki, kurbağalar bazı zamanlar günlerce, hatta haftalarca hiç nefes almazlar, kalpleri de atmaz. Bu "donma hali" boyunca kurbağanın metabolik faaliyetleri durma noktasına kadar yavaşlar. Kış boyunca hayvanlar birkaç defa donup çözünebilirler. 

Kurbağalar bunu başarabilmek için "kriyoprotektan" (İng: "cryoprotectant") adı verilen kimyasallar kullanırlar. Bunlar, hayvanın dokularının donma noktasını normalin altına çekebilen, soğuğa ve donmaya karşı koruyucu kimyasallardır. Bunların miktarca artışı, kurbağanın hücrelerinin hayatta kalmasını mümkün kılmaktadır. Yapılan incelemeler, donmuş kurbağaların kanındaki kriyoprotektan oranlarının şu şekilde dağıldığını göstermektedir:^[1]

• Kanda: 185 μmol/mL
• Kalpte: 388 μmol/mL
• Karaciğerde: 198 μmol/mL
• Böbreklerde: 121 μmol/mL
• Bacak kaslarında: 27 μmol/mL

Birçok hayvanın hücreleri donma noktasının altındaki sıcaklıklara maruz kaldığında büzüşür. Bunun sebebi, dokulardaki buz oluşumunun hücre içindeki suyu kendine çekmesidir. Bir nevi oluşan buz, hücrenin içindeki suyu "emer". Bu da nihayetinde ölüme sebep olur. Ancak kriyoprotektanlar, hücrelerin bu büzüşmeye karşı koyabilmesini sağlar. Bunu, dokunun donma sıcaklığını düşürerek başarırlar. Böylece dışarısı dondurucu düzeyde soğuk olsa da, hayvanların dokuları normal şekilde korunabilir.^[2]

Bu koruyucu kimyasalların salgılanabilmesi için, sıcaklığın oldukça ani bir şekilde değişmesi gerekmektedir. Örneğin hayvanlar 11 hafta boyunca 3^oC sıcaklıkta bekletildiklerinde veya 23^oC sıcaklıktan 0^oC sıcaklığa her gün 1^oC sıcaklık azalmasıyla maruz bırakıldıklarında, donmaya karşı beklentiyi ölçmekte kullanılan glikoz artışı görülmemiştir. Ancak kurbağalar doğrudan doğruya 0-2^oC sıcaklığa maruz bırakıldığında kriyoprotektan sentezi gözlenmiştir. Ayrıca dışarıdan sentetik yollarla glikoz verilen kurbağaların donma direnci de artmıştır ve -5^oC sıcaklıklara bile direnebilmişlerdir; böylece donma refleksinin glikoz tarafından kontrol edildiği doğrulanmıştır.^{[3], [4]}

Bu özelliğin evrimsel bir adaptasyon olduğunu gösteren çalışmalar da yapılmıştır. Örneğin ABD'nin Ohio eyaletinde Şubat ayı boyunca yapılan bir çalışmada, popülasyon içi çeşitliliğe bağlı olarak bazı kurbağaların direncinin yüksek, bazılarının daha düşük olduğu gösterilmiştir.^[5] Bu çalışmada da, kurbağaların donma direnci limitinin -5^oC civarında olduğu, -5.5^oC'ye maruz kalan kurbağaların hayatta kalamadığı gözlenmiştir.

Donma tepkisi, kendince dezavantajlara da sahiptir: Örneğin kurbağanın donan organları, iskemi olarak bilinen kan ile beslenmeme sorunu yaşar. Sıcaklıklar yükselip, kan bu organlara yeniden hücum ettiğindeyse, birdenbire oksijen derişiminde bir artış yaşanır ve buna bağlı olarak, bu bölgedeki dokular reaktif oksijen bileşenlerine (oksidatif strese) maruz kalırlar. Kurbağalar, bununla başa çıkabilmek için antioksidanlardan faydalanırlar. Yapılan çalışmalarda, donma sırasında özellikle de glutatiyon peroksidaz isimli bir antioksidanın 1.2-2.5 kat arttığını ve antioksidan enzimlerinin faaliyetlerinde de artma yaşandığını göstermiştir.^[6]