Парадоксальные белки-антифризы, которые помогают выживать при -30°С

НаукаНаука

Как работают белки-антифризы

Богдан Мельник, доктор физико-математических наук, Институт белка РАН

Рис. 1. Гусеница еловой листовертки-почкоеда Choristoneura fumiferana В ранних возрастах гусеницы минируют хвою и листья, то есть прогрызают в них ходы; в старших возрастах оплетают паутинкой хвою и листовую пластинку и скручивают ее в трубку, вызывая их полное усыхание. Зимуют в опавшей хвое, выдерживая морозы до ‑30°С. Именно ее рекомбинантный белок-антифриз исследовался в экспериментах в Институте белка РАН. Фото: Jerald E. Dewey, USDA Forest Service, United States

В лаборатории физики белка Института белка РАН обнаружены и исследованы парадоксальные белки-антифризы, которые помогают животным, растениям и бактериям выживать при отрицательных температурах до -30°С. Физический принцип их действия продолжает исследоваться, но с большой вероятностью эти белки экранируют поверхности мембран в клетке, препятствуя возникновению на них центров кристаллизации льда.

Природные и искусственные антифризы

Экспрессируемые в холоднокровных организмах белки-антифризы, которые мешают образованию льда в их телах и тем самым помогают им выживать даже при экстремально низких температурах, были открыты в 1950‑х годах и с тех пор довольно хорошо изучены. Однако до конца механизм действия этих белков все еще непонятен. Во всяком случае, он не сводится просто к понижению температуры сосуществования льда и воды.

В лаборатории физики белка Института белка РАН, исследуя ледсвязывающий белок (мутантную форму белка-антифриза cfAFP из гусеницы Choristoneura fumiferana, зимующей в хвое), мы обнаружили, что этот белок-антифриз вовсе не понижает температуру замерзания воды и, как ни парадоксально, даже повышает температуру плавления льда. Прежде чем перейти к объяснению этого парадокса, наверное, полезно будет вспомнить о том, как работают вещества, которые обычно используются в качестве природных и искусственных антифризов.

Например, чтобы спирт понизил температуру замерзания воды до ‑30°С, его нужно добавить почти 50%, то есть соотношение молекул спирта и воды должно быть приблизительно один к одному. Такое соотношение необходимо, чтобы молекулы спирта нарушили связи между молекулами воды и не давали им соединиться в структуру льда. В таких же больших концентрациях используют соли, глицерины и другие вещества, понижающие температуру замерзания воды.

Неужели белки-антифризы работают в таких же больших концентрациях, нарушая связи между молекулами воды? Вряд ли! Жидкий «бульон» из молекул белка никому не нужен, ни нам для биотехнологий, ни клеткам для выживания в холодных условиях. В клетках, в которых обнаружены эти белки, соотношение белка-антифриза и молекул воды приблизительно 1:400 000. Это вполне приемлемая концентрация для белка, в том смысле, что такое количество белка клетка вполне способна синтезировать при подготовке «к зиме» и потом утилизировать при подготовке «к лету». Но как же тогда белки-антифризы могут работать в таких низких концентрациях? Каким образом одна молекула белка может повлиять на 400 тыс. молекул воды, чтобы всем им «запретить» замерзать? Такое априори невозможно!

Алексей Финкельштейн, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, выполнил теоретические расчеты, основанные на теории кристаллизации, которые показывают, что при температурах 0°…–30°C лед может возникать только на контактирующих с водой стенках (особенно «рифленых»), но никак не в толще воды. Эти расчеты и дополнительные эксперименты с белком-антифризом позволяют понять физический базис явления.

Смешать, но не взбалтывать!

Из школьных учебников физики мы знаем, что вода замерзает при нуле градусов Цельсия. Действительно, лужи зимой замерзают достаточно быстро, чуть только подморозит. Но если налить в стакан очень чистую воду и поставили ее в морозильную камеру, в которой минус пять градусов, что произойдет? Правильно, ничего! Чистая вода замечательно существует в переохлажденном состоянии.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Красная книга – это не просто книжка с картинками» «Красная книга – это не просто книжка с картинками»

Чем ценны суслики, почему важно их изучать и зачем надо их охранять

Наука
Развод и утрата: как справиться с последствиями Развод и утрата: как справиться с последствиями

Как утрата влияет на наше психологическое состояние?

VOICE
Расшифровка диалога, полученного по молекулярной связи Расшифровка диалога, полученного по молекулярной связи

Я жив. И даже условно цел, но существую в виде облака...

Наука и жизнь
Переходим на летнее время Переходим на летнее время

7 актуальных задач, которые легче решить под ярким солнцем

Лиза
Гита, жена Мономаха Гита, жена Мономаха

Первой женой Мономаха была дочь Гарольда Годвинсона, павшего при Гастингсе

Дилетант
Финкульт-привет Финкульт-привет

Низкая финграмотность — вызов не только для клиентов, но и для банков

Ведомости
Группы, в которых не менялся состав. Никогда Группы, в которых не менялся состав. Никогда

Группы, в которых состав отличается своей стабильностью

Maxim
Самоубийство семьи бургомистра Самоубийство семьи бургомистра

«Кризис закончен. Орудия затихли. Кто знал, как нам стоит поступить?»

Дилетант
Есть на что строить Есть на что строить

Зачем создавать отдельный механизм финансирования — инфраструктурные облигации?

Монокль
Компьютерное зрение: когда роботы перестали тыкать пальцем в небо? Компьютерное зрение: когда роботы перестали тыкать пальцем в небо?

Зачем нужно компьютерное зрение и какие задачи оно решает в разных сферах

Наука и техника
Почему машина заводится и глохнет и что с этим делать Почему машина заводится и глохнет и что с этим делать

Что делать, если машина глохнет: причины, диагностика, куда смотреть

РБК
Правило рецидивиста Правило рецидивиста

Норма, именуемая сегодня «Правилом Миранды», существовала далеко не всегда

Дилетант
«Почему вы хотите завоевать весь мир?» «Почему вы хотите завоевать весь мир?»

Страх ядерной войны между США и СССР был настолько высок, что передался детям

Дилетант
«Меняются материалы, а круг образов всегда один» «Меняются материалы, а круг образов всегда один»

Художник Борис Кочейшвили — о том, что рай — это состояние

Weekend
Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять» Екатерина Глухарева: «Банки видят уязвимости бизнеса и помогают их исправлять»

Директор по рискам «Точка банк» — о видах атак мошенников на малый бизнес

Ведомости
Петрикирхе: почему молчат колокола Петрикирхе: почему молчат колокола

Петрикирхе напоминает айсберг, немалая часть которого скрыта в катакомбах

Дилетант
Динозавры за Полярным кругом Динозавры за Полярным кругом

Как жили динозавры и их соседи в условиях крайнего Севера или Юга

Наука и техника
Уголь в цене Уголь в цене

Что происходит с ценами на уголь и что на них влияет

Ведомости
Иван Бунин оправдывается… Иван Бунин оправдывается…

Жизнь в эмиграции всегда не проста, часто эмигрантам приходится объединяться

Дилетант
Ламздорфы Ламздорфы

Род Ламздорфов по праву могут считать своим и Россия, и Германия

Дилетант
Хитовая история Хитовая история

Факты о песнях, которые в свое время возглавляли всевозможные чарты

ЖАРА Magazine
Кризис нэпа Кризис нэпа

100 лет тому назад страна жила в атмосфере «правого коммунизма»

Дилетант
Экологическая модернизация Экологическая модернизация

Как разные страны переосмысливают управление органическими отходами

Агроинвестор
Он лгал и учил лгать Он лгал и учил лгать

«Мы не знаем страны, в которой живем». А знаем ли мы Юрия Андропова?

Дилетант
Борьба с прогулами Борьба с прогулами

Антикоррупционные инициативы Андропова советские граждане встретили на «ура»

Дилетант
Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты» Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты»

О том, как обнаруживаются экзопланеты и какими они бывают

Наука и техника
Ад и рай Чехова Ад и рай Чехова

Дом-музей Антона Чехова — как жил и творил великий писатель?

Отдых в России
«В России гость за 150 рублей ждет вкус, как в Мельбурне, и сервис, как в Токио. И получает это» «В России гость за 150 рублей ждет вкус, как в Мельбурне, и сервис, как в Токио. И получает это»

Легко ли миллениалу делать кофейный бизнес в России

Монокль
Польский узел Польский узел

В 1980 году ситуация в Польше складывалась непростая...

Дилетант
Анекдотные коменданты Анекдотные коменданты

Генералы Башуцкий и Мартынов прославились как коллективный персонаж анекдотов

Дилетант
Открыть в приложении