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

Вездесущие карлики Вездесущие карлики

В чем может скрываться опасность наночастиц

Наука
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
Непростые отношения Непростые отношения

Сегодня у нас — некоторые трудности глагольного словоизменения

Наука и жизнь
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
Почитать. Топ-10 Почитать. Топ-10

Подборка актуальных книг по истории, культуре и искусству

Дилетант
Молодость навсегда Молодость навсегда

Важные бьюти-ингредиенты, которые помогают нам дольше оставаться молодыми

Лиза
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
Страшно влиятельный доктор Страшно влиятельный доктор

Из чего 105 лет назад появился первый хоррор

Weekend
Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе Ученые обнаружили настоящие пляжи на Марсе

Наблюдения показали на Красной планете подземные образования, напоминающие пляжи

Inc.
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
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
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
«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
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
Алло, гараж! Алло, гараж!

Как, зачем и для кого в России создают мотоциклы на заказ

Men Today
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
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
Родина акушерского туризма Родина акушерского туризма

Зачем Вологодскую область хотят сделать привлекательной для рожениц

Ведомости
Город-феникс Город-феникс

Что стоит увидеть в столице Чеченской Республики в первую очередь

Лиза
Зеленый древесный питон Зеленый древесный питон

Наш герой – зеленый, или древесный, питон – вид ромбических питонов

Знание – сила
Юлия Пересильд: «Для меня первичен даже не персонаж, а сценарий» Юлия Пересильд: «Для меня первичен даже не персонаж, а сценарий»

Юлия Пересильд о том, стоит ли бояться ИИ и какие фильмы любит пересматривать

Ведомости
Лукерья Ильяшенко: «Счастье внутри» Лукерья Ильяшенко: «Счастье внутри»

Лукерья Ильяшенко о мечтах, неожиданных поворотах судьбы и секретах радости

Караван историй
Техника уступила еде Техника уступила еде

Как вырос объем интернет-торговли в России

Ведомости
Не хочу учиться! Не хочу учиться!

7 причин нелюбви к школе и возможностей их исправить

Лиза
7 весенних штрафов ГАИ. На что обратить внимание, чтобы не лишиться прав 7 весенних штрафов ГАИ. На что обратить внимание, чтобы не лишиться прав

Ряд специфичных дорожных штрафов, характерных для весны

РБК
Борьба за пятое измерение Борьба за пятое измерение

Россия наметила свой путь освоения технологий — в стороне от мировой схватки

Монокль
«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
Авторство жизни: как предпринимателю выйти из тоннеля и найти для себя новый смысл Авторство жизни: как предпринимателю выйти из тоннеля и найти для себя новый смысл

Как предпринимателям найти себя в новом мире: на что надеяться и что делать?

Forbes
Лардо Лардо

Лардо: сало может быть настоящим деликатесом

Bones
Открыть в приложении