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

Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода

Для СССР результаты войны в Арктике оказались весьма болезненными

Наука
«Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи» «Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи»

Как дисковые галактики сохраняют устойчивость

N+1
В глубинах Бермудского треугольника В глубинах Бермудского треугольника

Снег в глубинах океана и те, кто им питается

Наука и жизнь
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
Меню по сезону Меню по сезону

Зачем менять систему питания в зависимости от времени года?

Лиза
Попасть в нейросети Попасть в нейросети

Что для дизайнеров ИИ: увлекательная игрушка или удобный инструмент?

SALON-Interior
Синдром отмены: симптомы, сколько длится, признаки и лечение Синдром отмены: симптомы, сколько длится, признаки и лечение

Разбираем основные признаки синдрома отмены и сколько он длится

Psychologies
Почему телефон быстро разряжается и как это исправить: 5 простых советов Почему телефон быстро разряжается и как это исправить: 5 простых советов

Как сделать, чтобы телефон не разряжался быстро

CHIP
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
Что такое термостат и как его проверить в домашних условиях Что такое термостат и как его проверить в домашних условиях

Все про термостат: что такое, как проверить, диагностика своими руками дома

РБК
Запаслись опционом Запаслись опционом

Мирные инициативы России и США: возвращение иностранного бизнеса в нашу страну

Ведомости
Пушкин — герой карнавала Пушкин — герой карнавала

Громкая премьера середины февраля — фильм «Пророк. История Александра Пушкина»

Монокль
Анастасия Толокнова: «Если у вас есть десертная карта, значит, вам нужен кондитер» Анастасия Толокнова: «Если у вас есть десертная карта, значит, вам нужен кондитер»

В чем сила Анастасии Толокновой в кондитерском искусстве

Bones
Павел Прилучный. Когда проходит влюбленность, приходит любовь Павел Прилучный. Когда проходит влюбленность, приходит любовь

Когда нет благодарности у обоих, тогда и случаются эти кризисы

Караван историй
Молодость навсегда Молодость навсегда

Важные бьюти-ингредиенты, которые помогают нам дольше оставаться молодыми

Лиза
Актриса Мила Ершова о сериале «Аутсорс», маме и «позитивной депрессии» Актриса Мила Ершова о сериале «Аутсорс», маме и «позитивной депрессии»

Актриса Мила Ершова — о своей героине в сериале «Аутсорс» и тонкостях профессии

СНОБ
Соскочить с крючка вины: как распознать манипуляцию с первой секунды Соскочить с крючка вины: как распознать манипуляцию с первой секунды

Что такое навязанная вина и как она связана с манипуляцией?

VOICE
«Служебный роман» наоборот: как влюбить в себя начальника (профессионально, конечно!) «Служебный роман» наоборот: как влюбить в себя начальника (профессионально, конечно!)

Какими качествами обладает идеальный сотрудник?

Maxim
Шестой Шестой

Новый 4Runner: пятнадцать лет спустя

Автопилот
«Японские джунгли» в Париже: что нужно знать об основателе Kenzo дизайнере Кензо Такаде «Японские джунгли» в Париже: что нужно знать об основателе Kenzo дизайнере Кензо Такаде

Кензо Такада: смешение культур в коллекциях и смена моды на дизайн мебели

Правила жизни
Жизнебетонные блоки Жизнебетонные блоки

«Оскар» как причина съездить в Чебоксары

Weekend
Я — сноб: арт-директор фонда и галереи Ruarts Катрин Борисов Я — сноб: арт-директор фонда и галереи Ruarts Катрин Борисов

Арт-директор Ruarts Катрин Борисов — о любви к российской фотографии и вине

СНОБ
Загадка сфинкса на берегу залива Загадка сфинкса на берегу залива

О восстановлении усадьбы «Тихий берег» и разорванности семейной истории

Afternoon Seasons of life
Еда, любовь и алкоголь: 6 книг о современных зависимостях Еда, любовь и алкоголь: 6 книг о современных зависимостях

Подборка книг, которая изучает зависимости с разных сторон

Psychologies
Микрокредитные лимиты Микрокредитные лимиты

Почему снижается доля одобрения микрозаймов для повторных клиентов?

Ведомости
Укол в сердце Укол в сердце

Нельзя обидеть – можно обидеться. Так ли это? В чем смысл этого послания?

Psychologies
Прежде чем спорить, давайте считать Прежде чем спорить, давайте считать

Эксперты разошлись во мнениях о драйверах и тормозах российской экономики

Деньги
Курс капитана Курс капитана

Как живут капитаны круизных лайнеров

Men Today
Свет-оконце Свет-оконце

Сломаем шаблон типичной статьи про китайскую премьеру легкового D-класса

Автопилот
Кузница кадров Кузница кадров

Главная кузница кадров — технический персонал

Bones
Открыть в приложении