Белки выполняют львиную долю той работы, которая необходима живым организмам

Наука и жизньНаука

Океан белковых структур

Нобелевская премия по химии 2024 года присуждена Дэвиду Бейкеру (Вашингтонский университет в Сиэтле) «За вычислительный дизайн белков» и Демису Хассабису и Джону Джамперу (оба — Google DeepMind) «За предсказание белковых структур».

Кирилл Стасевич

По образному выражению Станислава Лема, «…и муравьи, и мы, и всё живое представляет собой взвесь белка в воде»*. Выглядит преувеличением, однако если иметь в виду не только массу и объём, но и функциональную роль белковых молекул, то Лем более чем прав. Белки выполняют львиную долю той работы, которая необходима, чтобы всё живое оставалось живым. Они переваривают пищу и добывают энергию; благодаря белкам клетки общаются друг с другом и сообща борются с инфекциями; всевозможные биомолекулы, от древесной целлюлозы до нейромедиаторов, тоже синтезируются белками; наконец, белки постоянно возятся с ДНК — копируют её, ремонтируют, считывают информацию с генов. Но перед тем как начать работать, любая белковая молекула должна правильно свернуться.

* Лем С. Формула Лимфатера. Цит. по: Собрание сочинений в 10 томах, т. 3. М., Текст, 1993.

Почему белки сворачиваются

Многим из нас при словах «свернувшийся белок» наверняка приходит на ум варёное яйцо: яичный белок нагрели, и он свернулся. На самом деле молекулы его и в сыром виде были свёрнуты, а при варке они природную свёрнутость утратили и денатурировали, слипшись в твёрдый ком. Свёрнутость белка — это трёхмерная конфигурация, обусловленная химическими и физическими взаимодействиями его атомов. Вообще трёхмерная конфигурация есть у любых мало-мальски сложных молекул, и пространственная структура в той или иной степени определяет их поведение. Белки устроены более чем сложно, и их функциональность полностью зависит от пространственной формы. А пространственная форма зависит от аминокислотной последовательности, или от первичной структуры.

Клеточная белоксинтезирующая машина соединяет аминокислоты в соответствии с генетическим текстом конкретного белкового гена. На выходе появляется полимер — полипептидная цепь. Но эта цепь никогда не выглядит ровной негибкой палкой. Во-первых, у химических связей есть своя геометрия, и атомы, которые находятся рядом друг с другом, будут располагаться друг относительно друга под определёнными углами. Во-вторых, атомы неизбежно взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом. Тут нужно вспомнить, как устроены аминокислоты. В их молекулах есть так называемые боковые группы, или радикалы, которые во многом определяют свойства аминокислот. Радикал может быть неполярным, может нести какой-то заряд, может быть довольно крупным, а может состоять из одного-единственного атома водорода, как у глицина. Полярный (гидрофильный) радикал будет нормально себя чувствовать в окружении воды, а неполярный (гидрофобный) будет стараться куда-нибудь от воды спрятаться. (В абсолютно чистой воде белки никогда не плавают, и с ними взаимодействуют не только молекулы воды, но и разнообразные ионы и вообще самые разные вещества, включая другие белки, но для простоты ограничимся одной водой.) За неформальными описаниями «нормально чувствовать» и «стараться спрятаться» скрываются энергетические особенности системы молекул: когда говорят, например, что гидрофобный радикал постарается спрятаться от воды, это означает, что кусок полипептида с такой аминокислотой** и окружающий раствор пребывают в относительном напряжении. Если у них появится возможность перейти в такое состояние, в котором напряжение будет меньше, они в него перейдут. «Напряжение» в данном случае тоже не слишком точный термин, но бо́льшая точность нам сейчас не нужна, сейчас нам достаточно понять, что для полипептидной цепи энергетически выгодно спрятать гидрофобные аминокислотные радикалы от воды. Лучше всего сгруппировать их вместе, а от воды пусть их прикрывают полярные, гидрофильные радикалы.

** Строго говоря, после встраивания в полипептидную цепь аминокислоты становятся аминокислотными остатками, но для простоты будем по-прежнему называть их аминокислотами.

Аминокислоты глицин и фенилаланин, соединённые пептидной связью в дипептид. Цепочку атомов, образованную азотами и углеродами пептидной связи, а также углеродами, к которым присоединены радикалы, называют главной цепью. Радикал (боковая группа) глицина состоит всего из одного атома водорода, радикал фенилаланина — ароматическое углеродное кольцо, соединённое с главной цепью через ещё один атом углерода с двумя водородами. Пространственная форма полипептида зависит как от геометрии связей между атомами главной цепи, так и от размеров и химических свойств радикалов, которые взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Рисунок (с изменениями) из статьи: Финкельштейн А. и др. Искусственный интеллект для физики белка. «Наука и жизнь», №1, 2024 г.

И вот полипептидная цепь сворачивается в клубок (глобулу) с гидрофобным ядром и гидрофильной поверхностью. В гидрофобном ядре встречаются друг с другом аминокислоты, которые по положению в цепи могут стоять довольно далеко друг от друга. Соответственно, на поверхности рядом могут оказаться гидрофильные аминокислоты, которые в полипептидной цепи находятся на далёких позициях. Но это если мы имеем дело с белком, который свободно плавает в растворе. Если же его судьба сидеть в клеточной мембране, которая составлена из липидов, то, как можно догадаться, в таком белке прятаться от липидного окружения будут аминокислоты с гидрофильными радикалами. А может быть, белок одной своей частью сидит в мембране, а другой смотрит в цитоплазму или наружу из клетки — соответственно, эти части будут по-разному сворачиваться. Важно не забывать, что кроме отношений аминокислот с окружающей средой есть ещё их отношения друг с другом. Между собой аминокислоты тоже взаимодействуют, притягиваясь или отталкиваясь с разной силой, а их размеры и особенности химического строения порой ограничивают гибкость полипептидной цепи, делая невозможными те или иные пространственные конфигурации.

Полипептидная цепь до (слева) и после сворачивания. Выделены элементы вторичной структуры: α-спираль и участки полипептидной цепи, образующие β-лист (обозначены плоскими зелёными стрелками); α- и β-элементы соединены нерегулярными структурными участками. Источник: DrKjaergaard/Wikimedia Commons/PD

Трёхмерная структура белка определяет его функции. Возьмём какой-нибудь фермент и посмотрим на его каталитический центр — то место в молекуле, которое ускоряет химическую реакцию. Мы увидим в нём аминокислоты, которые расшатывают химические связи, манипулируют электронами и т. д. Работать они могут, только находясь рядом друг с другом, но оказаться рядом друг с другом они могут только в результате сворачивания (или, как его обычно называют в специальной литературе, фолдинга — от англ. fold). То же самое касается и рецепторных белков, которые специфично взаимодействуют с определёнными сигнальными веществами, и транспортных белков, чья задача — схватить некую молекулу и переправить её в другое место, и вообще всех белков. Изменения в окружающей среде (например, повышение температуры, изменение солёности или кислотности) или мутации в аминокислотной последовательности могут очень сильно нарушить пространственную структуру, и белок не сможет работать.

То, что сворачивание белка определяется его аминокислотной последовательностью, в 1961 году показал Кристиан Анфинсен* в экспериментах с обратимой денатурацией: денатурированный фермент возвращался в природное функциональное состояние сам, не требуя никакого специального вмешательства, как только денатурирующие условия менялись на нормальные. Но белков на свете очень много, и аминокислотные последовательности у них разные. Значит ли это, что каждый из них сворачивается собственным уникальным способом? Вовсе нет. Когда пространственные формы белков стали изучать подробнее, то увидели, что между последовательностью аминокислот и готовым клубком, плавающим в растворе, есть небольшие структурные элементы, образованные близкорасположенными или, по крайней мере, не слишком удалёнными друг от друга аминокислотами. Их назвали вторичной структурой (или элементами вторичной структуры), которая занимает место между первичной структурой, то есть аминокислотной последовательностью, и третичной, то есть готовым клубком. Элементов вторичной структуры несколько, самые распространённые — это α-спираль и β-лист (или β-складчатый слой). Некоторые участки полипептидной цепи остаются нерегулярными, то есть в них нет повторяющихся структурных параметров. Какие-то аминокислоты тяготеют к одним элементам, какие-то — к другим, но суть в том, что различные короткие последовательности аминокислот могут вписаться в небольшое число регулярных элементов вторичной структуры, соединённых элементами нерегулярными. Элементы соединяются друг с другом, образуя структурные мотивы, и всё в итоге заканчивается третичной структурой.

* За исследования, посвящённые взаимосвязи аминокислотной последовательности и функции у белков, Кристиан Анфинсен в 1972 году был удостоен Нобелевской премии по химии.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Чистейший образец» «Чистейший образец»

Составить цельный образ Натальи Николаевны Гончаровой — сложная задача

Дилетант
Приказали стать Леонардо Приказали стать Леонардо

Как создавался памятник картографии «Хорографическая книга Сибири»

Знание – сила
30 до 30. Управление 30 до 30. Управление

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Управление

Forbes
Здравствуй, Дедушка Мороз! Здравствуй, Дедушка Мороз!

А нужно ли поддерживать в сыне или дочке веру в сказочного деда?

Лиза
Сергей Капица как искусственный интеллект Сергей Капица как искусственный интеллект

В чем опасность цифрового двойника человека

Наука
Председатель Сахалинской областной думы: «Словосочетание «Первый в России» для нас становится привычным» Председатель Сахалинской областной думы: «Словосочетание «Первый в России» для нас становится привычным»

Как выстроена работа депутатов в Сахалинской области?

ФедералПресс
Останетесь без волос: почему нельзя мыть голову горячей водой Останетесь без волос: почему нельзя мыть голову горячей водой

Горячий душ может навредить коже вашей головы

ТехИнсайдер
РНК-интерференция снизила уровень липопротеина (а) во второй фазе испытаний РНК-интерференция снизила уровень липопротеина (а) во второй фазе испытаний

Ученые: об успехе испытаний препарата на основе малой интерферирующей РНК

N+1
«Никто не прибьет полку так хорошо, как ты!»: как общаться с окружающими без манипуляций «Никто не прибьет полку так хорошо, как ты!»: как общаться с окружающими без манипуляций

Может ли ложь быть безобидной?

Psychologies
Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики! Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики!

Болезни принцесс Disney: от болезней легких у Золушки до травм у Покахонтас

ТехИнсайдер
Нас возвышающий финал Нас возвышающий финал

Как Илья Авербах находил гармонию в окружающей нелепости

Weekend
Радужные перспективы Радужные перспективы

Увидеть радугу посреди зимы – добрая примета. Но что именно она сулит?

Лиза
Роботы теснят программистов Роботы теснят программистов

Какие факторы провоцируют нарастающую волну увольнений специалистов в сфере IT

Монокль
Снова всегда Снова всегда

Как Чарли Кауфман сводит все концы со всеми началами

Weekend
Облачный атлас Облачный атлас

Интерьер загородного дома в духе бельгийской школы дизайна

SALON-Interior
До IPO не дотерпели До IPO не дотерпели

Почему компании выбирают выход на рынок pre-IPO

Монокль
Аллергия на холод Аллергия на холод

Холодовая аллергия – одно из самых парадоксальных заболеваний

Здоровье
Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии» Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии»

Глава из романа Дмитрия Лукьянова «Год в Чувашии»

СНОБ
«А ты возьми и купи слона»: как не вестись на маркетинговые уловки и не потратить все деньги перед Новым годом «А ты возьми и купи слона»: как не вестись на маркетинговые уловки и не потратить все деньги перед Новым годом

Как узнать все секреты продавцов, чтобы покупать осознанно?

Psychologies
Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика

Гид по лимоновской прозе

РБК
За стенами: 10 российских художников уличной волны, которых стоит знать За стенами: 10 российских художников уличной волны, которых стоит знать

Десять знаковых российских художников с уличным бэкграундом

Правила жизни
Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором? Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором?

Как ИИ влияет на авторское право в музыкальной сфере?

Наука и техника
Силой мысли Силой мысли

Решила стать стройнее? Для этого нужен определенный настрой

Лиза
8 заветных желаний 8 заветных желаний

Как же заставить силу воображения работать? Надо превратить мечты в планы

Лиза
Прикосновение дома Прикосновение дома

Из каких деталей складывается характер дома?

СНОБ
Трогательные отношения: что делать, если вам не хватает прикосновений партнера Трогательные отношения: что делать, если вам не хватает прикосновений партнера

Почему на самом деле важен телесный контакт? Какую роль в отношениях он играет?

Psychologies
Андрес Неуман «Странник века». Путешественник и шарманщик Андрес Неуман «Странник века». Путешественник и шарманщик

Отрывок из романа Андреса Неумана о эмансипации, литературе и искусстве

СНОБ
У последнего редута У последнего редута

Бенито Муссолини закончил политическую карьеру главой марионеточного государства

Дилетант
Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение

Итоги года: как сделать этот процесс наполняющим, а не разочаровывающим?

Psychologies
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Открыть в приложении