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

Сверхнизкие орбиты: уникальные возможности и интрига освоения Сверхнизкие орбиты: уникальные возможности и интрига освоения

Сверхнизкие орбиты открывают перспективы, которых нет у других космических высот

Наука
Страшно влиятельный доктор Страшно влиятельный доктор

Из чего 105 лет назад появился первый хоррор

Weekend
О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Микромусор в океанах, история нашей пищи и невидимые соседи

Наука и жизнь
«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
Меню по сезону Меню по сезону

Зачем менять систему питания в зависимости от времени года?

Лиза
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
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
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
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
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
Попасть в нейросети Попасть в нейросети

Что для дизайнеров ИИ: увлекательная игрушка или удобный инструмент?

SALON-Interior
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
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
Шестой Шестой

Новый 4Runner: пятнадцать лет спустя

Автопилот
Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком

Пять лекарств, которые не следует смешивать с молочными продуктами

ТехИнсайдер
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
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
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
«Тень за спиной». Кто такие сталкеры и как от них защититься «Тень за спиной». Кто такие сталкеры и как от них защититься

Как обезопасить себя от сталкера и какими тактиками они пользуются

СНОБ
Эволюция Бриджит Джонс: путь от неловкой девушки до эмоционально зрелой женщины Эволюция Бриджит Джонс: путь от неловкой девушки до эмоционально зрелой женщины

За что мы так любим Бриджит Джонс? Разбираемся вместе с психологом

Psychologies
Джонни Депп — очень смелый режиссер Джонни Депп — очень смелый режиссер

Итальянский актер Риккардо Скамарчо о Джонни Деппе в роли режиссера

Ведомости
Винные тренды 2025 года — мнения экспертов и героев проекта «РБК Визионеры» Винные тренды 2025 года — мнения экспертов и героев проекта «РБК Визионеры»

Тренды винной культуры в мире и мнения экспертов

РБК
Инвестиции без страха Инвестиции без страха

Создание Первой ткацкой фабрики — уникальный для российского легпрома проект

Монокль
10 крупных секс-скандалов шоу-бизнеса, не считая Пи Дидди 10 крупных секс-скандалов шоу-бизнеса, не считая Пи Дидди

Как звезды теряли свой моральный облик и к чему это приводило

Maxim
Японцы сделали роборуку с человеческими мышцами Японцы сделали роборуку с человеческими мышцами

Японские инженеры разработали биогибридную руку с человеческими мышцами

N+1
Спасет ли Zara торговые центры? Спасет ли Zara торговые центры?

Иностранные арендаторы вряд ли вернут российские торговые центры к процветанию

Монокль
Мода как универсальный феномен Мода как универсальный феномен

История и природа явления моды, перспективы ее развития

Знание – сила
Питаемся по типу фигуры Питаемся по типу фигуры

Яблоко, груша, банан… Это не натюрморт и не призыв к веганству, а типы фигуры

Лиза
Самые безопасные: 10 авиакомпаний мира, у которых не было авиакатастроф за всю историю их существования Самые безопасные: 10 авиакомпаний мира, у которых не было авиакатастроф за всю историю их существования

Какие авиакомпании безопаснее других за всю историю гражданской авиации

ТехИнсайдер
Открыть в приложении