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

Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Февральская революция Февральская революция

Как русские ученые устроили шестую промышленную революцию в лаборатории

ТехИнсайдер
Степной закат Степной закат

Этот дом максимально ориентирован на ландшафт

Идеи Вашего Дома
Большая история маленького самолета. Часть 1 Большая история маленького самолета. Часть 1

Через призму суперджета смотрим на российский авиапром в новейшем времени

Наука и техника
Самый энергичный свет Самый энергичный свет

История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизнь
Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама

Что случилось с компанией Hybrid, которая неудачно зашла на вьетнамский рынок

Forbes
Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов

Простые рекомендации, которые помогут поддерживать оптимальный уровень сахара

ТехИнсайдер
«Гулливер» ставит на многофактурность: в одежде и в бизнесе «Гулливер» ставит на многофактурность: в одежде и в бизнесе

Как участники рынка детской розницы справляются с рыночной турбулентностью

Монокль
Квартира, наполненная памятью Квартира, наполненная памятью

Интервью с создателем музея «Память Колымы» Иваном Паникаровым

Дилетант
Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их» Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их»

Какой путь прошел парламент Нижегородской области за 30 лет

ФедералПресс
В городе дождей В городе дождей

Обустройство квартиры для сдачи в аренду — задача со многими неизвестными

Идеи Вашего Дома
Сверхзнание боли Сверхзнание боли

Как Даниил Андреев увидел невидимые миры и что он в них нашел

Weekend
Шорт-лист Шорт-лист

Журнал «Автопилот» обойтись без людей совершенно не мог

Автопилот
Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение

Что такое синдром Маугли и как он проявляется у детей?

Psychologies
Елена Николаева: «Я была влюблена в Смехова. Его Атос казался мне мужчиной мечты» Елена Николаева: «Я была влюблена в Смехова. Его Атос казался мне мужчиной мечты»

Я в отношениях уже девять лет, поэтому не могу сказать, что влюблена. Я люблю

Караван историй
«Тупому и еще тупее» с Джимом Керри 30 лет. Как эта дурацкая комедия на грани стала знаковой и любимой «Тупому и еще тупее» с Джимом Керри 30 лет. Как эта дурацкая комедия на грани стала знаковой и любимой

«Тупому и еще тупее»: история создания фильма и его значимость для жанра

Правила жизни
Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку

Провал Пумы: вышедший в новой обуви на поле Кукурелья дважды поскользнулся

Forbes
Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров

Как практика One day offer помогает нанимать лучших специалистов в IT-отрасли

СНОБ
Дело сделано Дело сделано

Творцы заряжают верой в то, что любимое занятие может вырасти в небольшое дело

Seasons of life
«Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают «Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают

Важные факты из истории ВАЗ-2108, о которых многие даже не догадываются

РБК
Теория расширяющейся Земли Теория расширяющейся Земли

В самом центре земного ядра находится мощный термоядерный реактор

Зеркало Мира
«Путь к диалогу человека с Богом открыт каждому» «Путь к диалогу человека с Богом открыт каждому»

В чем в сущности своей различаются восточная и западная ветви христианства?

Монокль
«Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют «Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют

Что делать, если вам уже давно за 30, а вас все еще пытаются контролировать?

Psychologies
Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин

Почему вас из колеи выбивает даже сущая ерунда?

Psychologies
Всё это приключилось Всё это приключилось

Реальные истории о самых странных и счастливых праздниках

Новый очаг
Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам

Поговорим о пяти привычках, которые помогут вам день ото дня становиться лучше

Psychologies
Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию

Почему корпорации ищут спасение «старом» атоме и причем тут ИИ?

Forbes
Чем дышат почвы и как они влияют на климат Чем дышат почвы и как они влияют на климат

Наверное, мало кто знает, что почвы участвуют в регуляции климата

Наука и жизнь
Черная-черная пятница: как нас подсаживают на иглу бесконтрольного шопинга и при чем тут скидки и маркетплейсы Черная-черная пятница: как нас подсаживают на иглу бесконтрольного шопинга и при чем тут скидки и маркетплейсы

Шопоголизм: как распознать в себе зависимость и избавиться от нее?

Psychologies
Выдворение китайских студентов из СССР Выдворение китайских студентов из СССР

После смерти Сталина между СССР и Китаем стали нарастать противоречия

Дилетант
Открыть в приложении