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

Памяти советского Гайд-парка Памяти советского Гайд-парка

История преследуемого и одновременно удобного для власти театра на Таганке

Наука
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
Ядерный проект века: «Вопрос топлива решится на десятки тысяч лет» Ядерный проект века: «Вопрос топлива решится на десятки тысяч лет»

Создание новых технологий переработки ядерных отходов изменит жизнь человечества

ФедералПресс
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
«Лихая мода, наш тиран…» «Лихая мода, наш тиран…»

Итак, поговорим о моде в разных ее проявлениях

Знание – сила
Молодость навсегда Молодость навсегда

Важные бьюти-ингредиенты, которые помогают нам дольше оставаться молодыми

Лиза
Родина акушерского туризма Родина акушерского туризма

Зачем Вологодскую область хотят сделать привлекательной для рожениц

Ведомости
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
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
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
Попасть в нейросети Попасть в нейросети

Что для дизайнеров ИИ: увлекательная игрушка или удобный инструмент?

SALON-Interior
«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
«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
Актив меж двух океанов Актив меж двух океанов

Как строили и распоряжались Панамским каналом

Деньги
Шестой Шестой

Новый 4Runner: пятнадцать лет спустя

Автопилот
Алло, гараж! Алло, гараж!

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

Men Today
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
Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком Почему некоторые таблетки лучше не запивать молоком

Пять лекарств, которые не следует смешивать с молочными продуктами

ТехИнсайдер
Связанные одной целью Связанные одной целью

Можно ли в одном организме объединить несколько разных существ?

Вокруг света
Джонни Депп — очень смелый режиссер Джонни Депп — очень смелый режиссер

Итальянский актер Риккардо Скамарчо о Джонни Деппе в роли режиссера

Ведомости
Два месяца под землей без света и общения с людьми: эксперимент Мишеля Сифра Два месяца под землей без света и общения с людьми: эксперимент Мишеля Сифра

Как проходил эксперимент Мишеля Сифра и к каким он пришел выводам

ТехИнсайдер
6 пород кошек, самых простых в уходе 6 пород кошек, самых простых в уходе

Рассказываем про лучших кошек для чайников: с кем меньше возни и больше радости

Maxim
Морская жемчужина Морская жемчужина

Украшение черноморского побережья — семейная вилла в неоклассическом стиле

SALON-Interior
Кровать, которая не даст больному залежаться Кровать, которая не даст больному залежаться

«Папийон» налаживает серийное производство инновационных медицинских кроватей

Монокль
Винный смолток: да — чувствам, нет — снобизму Винный смолток: да — чувствам, нет — снобизму

Какие существуют беспроигрышные темы для беседы за бокалом?

РБК
Вячеслав Богдан: Мы уже обошли нишевых конкурентов и сейчас соревнуемся с универсалами Вячеслав Богдан: Мы уже обошли нишевых конкурентов и сейчас соревнуемся с универсалами

Гендиректор Flowwow — как нишевые маркетплейсы конкурируют с универсальными

Ведомости
Почему болит запястье? Почему болит запястье?

Целый день работаешь за компьютером? Тебе грозит туннельный синдром

Лиза
Хотите избавиться от эмоциональной зависимости от партнера? Вам поможет психодраматическое упражнение! Хотите избавиться от эмоциональной зависимости от партнера? Вам поможет психодраматическое упражнение!

Как быть, если вы понимаете, что выйти из отношений без потерь не получится?

Psychologies
Аппетиты к тратам Аппетиты к тратам

В январе ненефтегазовые доходы федерального бюджета выросли на 9%

Ведомости
Российские виноделы — о причине прорыва белых вин в России Российские виноделы — о причине прорыва белых вин в России

Почему наконец совершился знаковый качественный прорыв в белых винах

РБК
Открыть в приложении