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

«Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией» «Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией»

Наверное, каждый задумывался, как из неживой материи однажды появилась живая

Наука
Дорожная карта Дорожная карта

Фильмы, которые помогут увидеть мир

Лиза
От экзопланет к экзолунам От экзопланет к экзолунам

Экзопланеты, экзолуны и шансы на жизнь в космосе — новые открытия

Знание – сила
ИИ проверят на дырки ИИ проверят на дырки

Минцифры проведет эксперимент по внедрению ИИ в региональные «Госуслуги»

Ведомости
Вопрос/ответ Вопрос/ответ

Можно ли сбрасывать радиоактивные отходы в вулканы и другие интересные вопросы

Вокруг света
Новые методы помогут искать воду в лунных кратерах и глубоко под поверхностью Новые методы помогут искать воду в лунных кратерах и глубоко под поверхностью

Ученые пытаются определить, где и сколько льда находится на Луне

ТехИнсайдер
Почему женщины выбирают мужчин с криминальным прошлым: объясняет психолог Почему женщины выбирают мужчин с криминальным прошлым: объясняет психолог

По каким причинам девушки выбирают парней с криминальным прошлым?

VOICE
В ритме сердца: что такое HRV и так ли он важен В ритме сердца: что такое HRV и так ли он важен

Разбираем все, что нужно знать о вариабельности сердечного ритма

РБК
Право на смелость Право на смелость

Певица Люся Чеботина и психолог Анетта Орлова — о любви к себе и сепарации

Psychologies
Куда приводят мечты инженеров Куда приводят мечты инженеров

Маршрут выходного дня по Калужской области

Weekend
«Я, наверное, вас удивлю…» «Я, наверное, вас удивлю…»

Ирина Безрукова — о возрасте, красоте и женской силе

OK!
Исследование показало, сколько раз нужно заниматься сексом, чтобы снизить риск депрессии Исследование показало, сколько раз нужно заниматься сексом, чтобы снизить риск депрессии

Секс один-два раза в неделю может принести наибольшую психологическую пользу

Inc.
Щедры на дивиденды Щедры на дивиденды

Какие компании в этом году поделятся прибылью с акционерами

Деньги
Юродивый из Лефортова Юродивый из Лефортова

Почему смерть рэпера обсуждала вся страна и что не так с молодежной политикой?

Монокль
Эффект рататуя Эффект рататуя

Как вкусы из детства могут формировать наш характер и модель поведения

Grazia
Десять цветов Десять цветов

Самые древние и почитаемые традиционные ремесла – часть культурного кода Мьянмы

Вокруг света
Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты Новое исследование: мат улучшает спортивные результаты

Как «матюки» во время физических нагрузок помогают превзойти свои возможности

Maxim
Новое прочтение Новое прочтение

Современная архитектура и продуманный классический интерьер: дом в Подмосковье

SALON-Interior
Маме не говори Маме не говори

О чем не стоит рассказывать даже маме? Вернее – особенно ей?

VOICE
Цифровой сценарист: как ИИ создает иллюзию свободы выбора Цифровой сценарист: как ИИ создает иллюзию свободы выбора

Как научиться распознавать технологические манипуляции

Forbes
«Это ведь не считается!»: 3 неочевидных признака эмоциональной неверности, которые опасно игнорировать «Это ведь не считается!»: 3 неочевидных признака эмоциональной неверности, которые опасно игнорировать

Как понять, что вы вот-вот измените, пусть и не в стандартном понимании?

Psychologies
Есть, чтобы жить Есть, чтобы жить

Люди в три раза меньше болели бы раком, если бы только правильно питались

Лиза
Почему герои русской литературы — это антипример концепции wellbeing Почему герои русской литературы — это антипример концепции wellbeing

Не перестаем любить героев великой классики, однако в жизни делаем все наоборот

РБК
Растениеводы в поисках маржи Растениеводы в поисках маржи

На чем смогут заработать аграрии в 2025 году

Агроинвестор
Зал ожиданий Зал ожиданий

Для психического здоровья фитнес даже полезнее, чем для физического

VOICE
Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей Так буллинг приводит к трагедии: почему сериал «Переходный возраст» стал откровением для родителей

Чему нас может научить сериал о психологии насилия «Переходный возраст»

VOICE
Снаряды против пушек Снаряды против пушек

Даже в первый год Великой Отечественной войны в СССР проходили соревнования

Ведомости
Доходное расхождение Доходное расхождение

Как продавцы маркетплейсов объяснят расхождения в налоговых декларациях

Ведомости
Заглянули под капот: ученые выяснили, как ИИ принимает решения на разных этапах Заглянули под капот: ученые выяснили, как ИИ принимает решения на разных этапах

Что такое метод SAE Match и как он поможет заглянуть в «душу» ИИ?

Forbes
Ученые из Сколковского института раскрыли механизм выброса солнечного ветра из корональных дыр Ученые из Сколковского института раскрыли механизм выброса солнечного ветра из корональных дыр

Как корональные дыры формируют движение солнечного ветра по всей гелиосфере

Inc.
Открыть в приложении