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
Три мира Три мира

Духи этих мест приглашают за хлебосольный стол дархана, настоящего Мастера

Seasons of life
Коллекция воспоминаний Коллекция воспоминаний

Современный интерьер для любителя искусства от дизайнера Александра Кононенко

SALON-Interior
Женское имя в науке – Софья Ковалевская Женское имя в науке – Софья Ковалевская

Как удалось хрупкой на вид Софье Ковалевской стать знаменитым ученым?

Знание – сила
Когда это закончится? Когда это закончится?

Жителям Польши дольше других пришлось ждать, чем кончится схватка

Дилетант
Быстро, удобно и вкусно Быстро, удобно и вкусно

Прогноз развития food-сегмента до 2030 года

Агроинвестор
Время чудес Время чудес

Молодые актеры о веселых и трогательных воспоминаниях нового года

Grazia
Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать» Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать»

Эх, вернуть бы еще молодость, которая так быстро пронеслась

Караван историй
Вечность пахнет нефтью Вечность пахнет нефтью

«Лэндмен»: нефтедобытчики куют американскую мечту

Weekend
Окно в Сибирь Окно в Сибирь

Сибирь: чем так притягивает туристов этот суровый край?

Лиза
Когда-то по Земле ходили «мега-пингвины»! Интересные факты о доисторических птицах ростом с человека Когда-то по Земле ходили «мега-пингвины»! Интересные факты о доисторических птицах ростом с человека

Какими были гигантские доисторические пингвины и почему они исчезли?

ТехИнсайдер
Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков

Как придать коже возле ногтей здоровый вид?

VOICE
Как проходил суд над Иосифом Бродским. Отрывок из книги Фриды Вигдоровой Как проходил суд над Иосифом Бродским. Отрывок из книги Фриды Вигдоровой

Глава из книги правозащитницы Фриды Вигдоровой «Дневник матери»

СНОБ
«Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством «Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством

Кино о женщине, которая балансирует между ролью матери и опасной работой

Forbes
Скорость без звука Скорость без звука

Как устроены электрические байки Ducati V21L

ТехИнсайдер
Джон Тиндаль и уникальные свойства паров воды: физика и метафизика Джон Тиндаль и уникальные свойства паров воды: физика и метафизика

Вклад открытий Джона Тиндаля в науку

Знание – сила
Школа жизни Алексея Лукина Школа жизни Алексея Лукина

Алексей Лукин и курс на успех

Men Today
Возвращаться домой Возвращаться домой

Обновленный Geely Coolray и тяга к жизни

Автопилот
Методом пропп Методом пропп

Хтоническая подоплека классических русских сказок

Правила жизни
Хмелита: день сегодняшний и завтрашний Хмелита: день сегодняшний и завтрашний

О нынешнем дне усадьбы Хмелита и всего музея-заповедника

Знание – сила
«Стыд должен сменить сторону»: как Жизель Пелико прервала молчание жертв насилия «Стыд должен сменить сторону»: как Жизель Пелико прервала молчание жертв насилия

Как Жизель Пелико вдохновила женщин не стыдиться того, что с ними произошло

Forbes
Морская прогулка Морская прогулка

Интерьер в эклектичном стиле, вдохновленный островом Санторини

SALON-Interior
Догматический монетаризм или новое кеинсианство Догматический монетаризм или новое кеинсианство

Какую экономическую модель выбирает Россия

Деньги
Привезите мне на Новый год санкционку в подарок Привезите мне на Новый год санкционку в подарок

Какими путями в страну попадает импорт и какие препятствия стоят у него на пути

Монокль
«Наше оружие — это разговоры»: почему тюрьмы в Норвегии считаются лучшими в мире «Наше оружие — это разговоры»: почему тюрьмы в Норвегии считаются лучшими в мире

Что произойдет, если мы начнем относиться к преступникам как к обычным людям?

Psychologies
Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов» Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов»

В театре завидовали: Кузнецов провинциал, а все снимается и снимается!

Караван историй
Каким он парнем был Каким он парнем был

«Ученик»: экранизация первых шагов Дональда Трампа в бизнесе

Дилетант
Три сестры Три сестры

Вера Джусти: как успешно развивать семейный бизнес и не поссориться

Grazia
«Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа» «Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа»

Что нужно сделать, чтобы в 2025 году вам сопутствовала удача в делах

Добрые советы
Пока не кончилось Пока не кончилось

Каково это — увидеть финал того, что длилось много серий

Weekend
Открыть в приложении