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
Почему на самом деле у металлических крышек для бутылок ровно 21 зубец и зачем они вообще нужны Почему на самом деле у металлических крышек для бутылок ровно 21 зубец и зачем они вообще нужны

Почему у металлических крышек для стеклянных бутылок ровно 21 зубчик?

ТехИнсайдер
Осенняя уборка! Вещи, от которых нужно избавиться Осенняя уборка! Вещи, от которых нужно избавиться

Какие вещи стоит регулярно выбрасывать из дома?

VOICE
«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
Корабль-призрак Корабль-призрак

Как генерал де Голль боролся с долларом США

Деньги
Направо пойдешь? Направо пойдешь?

Чтобы реже ошибаться, важно знать, как работает механизм принятия решений

VOICE
Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка

Dongfeng Paladin: аутентичный внедорожник

4x4 Club
Привычка быть счастливой Привычка быть счастливой

Как Марина Александрова транслирует свою миссию «делать людей счастливыми»

OK!
Уходящий уходит — и выигрывает Уходящий уходит — и выигрывает

Как прощаются в русском театре

Weekend
Хмелита: день сегодняшний и завтрашний Хмелита: день сегодняшний и завтрашний

О нынешнем дне усадьбы Хмелита и всего музея-заповедника

Знание – сила
Враги женского здоровья: 5 привычек, которые мешают укрепить мышцы тазового дна Враги женского здоровья: 5 привычек, которые мешают укрепить мышцы тазового дна

Отрывок из книги о женском здоровье «Влюбиться в свое тело»

Psychologies
Как создать пространство для партнерства после рождения ребенка: 4 простых упражнения Как создать пространство для партнерства после рождения ребенка: 4 простых упражнения

Как избежать угасания эмоциональной связи после рождения ребенка?

Psychologies
Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям

Что такое «синдром вахтера» и как он проявляется?

Psychologies
Юлианна Караулова: «Пусть сбудется всё, что загадано под бой курантов!» Юлианна Караулова: «Пусть сбудется всё, что загадано под бой курантов!»

Юлианна Караулова о семейных традициях празднования Нового года

Здоровье
Эмоциональное техно Эмоциональное техно

Как можно описать стиль эмоциональной архитектуры?

ТехИнсайдер
Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога

Смартфон для ребенка: польза и вред

Psychologies
Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же» Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же»

В 90-х годах казалось, что российский кинематограф закончился

Коллекция. Караван историй
Снял с языка Снял с языка

Матвей Лыков — о кино и жизни

Men Today
Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм» Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм»

Нет маленьких ролей! Маленькая роль у тебя в голове

Караван историй
Фантом диверсанта Фантом диверсанта

Родился Отто Скорцени 12 июня 1908 года в Австрии, в Вене

Дилетант
Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки

Странный артефакт, сопровождавший воинов Римской империи практически всю жизнь

ТехИнсайдер
«Ангел с черным крылом»: роман о воровке, которая учится спасать жизни «Ангел с черным крылом»: роман о воровке, которая учится спасать жизни

Отрывок из авантюрного романа Аманды Скенандор «Ангел с черным крылом»

Forbes
Давид против Голиафа Давид против Голиафа

«Изобретение концлагеря» начиналось в стране буров...

Знание – сила
Женское имя в науке – Софья Ковалевская Женское имя в науке – Софья Ковалевская

Как удалось хрупкой на вид Софье Ковалевской стать знаменитым ученым?

Знание – сила
Любимые места микробов: 10 самых негигиеничных вещей Любимые места микробов: 10 самых негигиеничных вещей

Как долго микробы сохраняются на различных поверхностях?

ТехИнсайдер
Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза

Кохль — не просто косметическое средство, а символ культурной идентичности

ТехИнсайдер
Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль» Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль»

Ольга Бузова: как продолжить верить людям, несмотря на прошлый негативный опыт

Добрые советы
«Персидский выбор» Александра Грибоедова «Персидский выбор» Александра Грибоедова

Дипломатическая служба и заслуги А. С. Грибоедова

Знание – сила
Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона

Какую роль «Аватара» занял в истории кино и наших сердцах?

Правила жизни
«Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии «Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии

О слабости Люка к фастфуду и увлечении компьютерными играми

Forbes
Открыть в приложении