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

Академик Евгений Чойнзонов: «Путь к онкологу должен быть коротким» Академик Евгений Чойнзонов: «Путь к онкологу должен быть коротким»

Томская онкология известна далеко за пределами России

Наука
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Основы советской фантастики закладывались ещё до революции

Наука и жизнь
Родина акушерского туризма Родина акушерского туризма

Зачем Вологодскую область хотят сделать привлекательной для рожениц

Ведомости
«Шаромания» «Шаромания»

Сегодня гравюры — ценный источник сведений по истории воздухоплавания

Дилетант
Шестой Шестой

Новый 4Runner: пятнадцать лет спустя

Автопилот
Пушкин — герой карнавала Пушкин — герой карнавала

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

Монокль
5 способов восстановить режим сна быстро и правильно, советы врача 5 способов восстановить режим сна быстро и правильно, советы врача

Что такое режим сна, зачем он нужен и как приучить себя спать правильно?

РБК
Открыт четвертый вид зрачковой реакции — на фазу дыхания Открыт четвертый вид зрачковой реакции — на фазу дыхания

Ученые открыли, что зрачки реагируют на фазу дыхательного цикла

N+1
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
Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе

Наблюдения показали на Красной планете подземные образования, напоминающие пляжи

Inc.
Молодость навсегда Молодость навсегда

Важные бьюти-ингредиенты, которые помогают нам дольше оставаться молодыми

Лиза
Дорамы, мелодрамы или классика? Что о тебе говорит кино, которое ты смотришь Дорамы, мелодрамы или классика? Что о тебе говорит кино, которое ты смотришь

Какие тайны личности выдаст твой любимый жанр кино?

VOICE
Села батарейка: как дефициты отражаются на нашем организме Села батарейка: как дефициты отражаются на нашем организме

Чувствуете себя вечно усталым? Добро пожаловать в мир скрытых дефицитов

Правила жизни
Попасть в нейросети Попасть в нейросети

Что для дизайнеров ИИ: увлекательная игрушка или удобный инструмент?

SALON-Interior
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
«Глоу-ап» — расцвет после расставания: как разрыв отношений улучшает жизнь «Глоу-ап» — расцвет после расставания: как разрыв отношений улучшает жизнь

С чем связан неожиданный glow-up после уход от партнера?

Psychologies
Служенье музам: как женщины строили карьеру в мире искусства и дизайна Служенье музам: как женщины строили карьеру в мире искусства и дизайна

Женщины, без которых бы не было целых художественных направлений и индустрий

Forbes
Поздравляем, это Ходжкин — опыт лечения лимфомы от первого лица Поздравляем, это Ходжкин — опыт лечения лимфомы от первого лица

Личная история борьбы с лимфомой Ходжкина

СНОБ
5 вопросов, которые помогут достичь эмоциональной близости в отношениях 5 вопросов, которые помогут достичь эмоциональной близости в отношениях

Вопросы для определения уровня взаимопонимания и эмоциональной связи с партнером

Inc.
Путешествия во времени и пространстве Путешествия во времени и пространстве

Немного о городе Гранада и полном роскоши дворце Альгамбра

Знание – сила
Почему болит запястье? Почему болит запястье?

Целый день работаешь за компьютером? Тебе грозит туннельный синдром

Лиза
«Казус белых» на российском рынке вина «Казус белых» на российском рынке вина

На российском винном рынке красные вина постепенно уступают место белым

РБК
Ситуэйшеншип: почему зумеры избегают обязательств и как взять максимум от таких отношений Ситуэйшеншип: почему зумеры избегают обязательств и как взять максимум от таких отношений

Ситуэйшеншип: в чем польза и вред такого формата отношений?

Psychologies
8 трендов в уходе за кожей, которые дерматологи никому не советуют пробовать 8 трендов в уходе за кожей, которые дерматологи никому не советуют пробовать

Вирусные бьюти-тренды, от которых следует держаться подальше

VOICE
Вызов простоты Вызов простоты

Как решение абстрактной задачи угрожает всей экономике?

Вокруг света
Гуляем на масленицу! Гуляем на масленицу!

5 веселых сценариев праздника для всей семьи – масленицы

Лиза
Под замком Сфорца в Италии нашли тайные туннели: их описывал Леонардо да Винчи! Под замком Сфорца в Италии нашли тайные туннели: их описывал Леонардо да Винчи!

Как ученые смогли доказать, что под замком Сфорца существуют подземные туннели

ТехИнсайдер
Парк вместо поля: как семья воронежского предпринимателя привлекла 200 000 туристов Парк вместо поля: как семья воронежского предпринимателя привлекла 200 000 туристов

Как Маньковы превратили окрестности старинного имения в парк развлечений

Forbes
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
Открыть в приложении