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
Вовсе не для развлечения: зачем на самом деле в Windows были встроены игры «Косынка» и «Сапер» Вовсе не для развлечения: зачем на самом деле в Windows были встроены игры «Косынка» и «Сапер»

«Косынка» и «Сапер»: какой замысел Билла Гейтса они в себе таили?

ТехИнсайдер
6 признаков, что ты пьешь слишком много воды (и это очень плохо) 6 признаков, что ты пьешь слишком много воды (и это очень плохо)

Чрезмерная гидратация также может быть опасной

Playboy
Счастье, грусть и черный юмор: 10 фильмов и сериалов про материнство Счастье, грусть и черный юмор: 10 фильмов и сериалов про материнство

10 фильмов и сериалов, которые показывают, каким разным может быть материнство

Forbes
Гита, жена Мономаха Гита, жена Мономаха

Первой женой Мономаха была дочь Гарольда Годвинсона, павшего при Гастингсе

Дилетант
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
Волка боги кормят Волка боги кормят

Один из самых древних сюжетов – сказки об оборотнях

Правила жизни
Мир после мира Мир после мира

Какой мир принесло завершение англо-бурской войны на юг Африки?

Знание – сила
Фюрер и дуче Фюрер и дуче

Между итальянским фашизмом и германским национал-социализмом есть разница

Дилетант
Эпохальное восьмилетие Эпохальное восьмилетие

Какой была «ельцинская эпоха» независимой России?

Дилетант
Повеяло Повеяло

Техника по-пионерски плюс комфорт по-буржуински

Автопилот
Око за око, или секреты человеческого глаза Око за око, или секреты человеческого глаза

Хорошо ли мы знаем, как работает наше зрение?

Зеркало Мира
Власть тайной азбуки Власть тайной азбуки

История развития криптографии

Знание – сила
Загадка темной материи по-прежнему не раскрыта Загадка темной материи по-прежнему не раскрыта

Темная материя: проблема «последнего парсека», новые факты и рекорды в поисках

Знание – сила
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
«Он совершенно чокнутый»: как гипнотизер проклял «Манчестер Сити» и его тренера «Он совершенно чокнутый»: как гипнотизер проклял «Манчестер Сити» и его тренера

Почему футбольный клуб «Манчестер Сити» переживает самый глубокий кризис

Forbes
Каир: город святости, богатства и нищеты Каир: город святости, богатства и нищеты

Египет бывает разный! Послушаем бывалого путешественника

Зеркало Мира
Салман Рушди: «Нож». Отрывок из новой книги писателя Салман Рушди: «Нож». Отрывок из новой книги писателя

Генетика против рака: как клеточная инженерия спасла жизнь Эмили Уайтхед

СНОБ
Целую, береги себя Целую, береги себя

Новый год в трогательных воспоминаниях

Новый очаг
«Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной «Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной

Почему в сборной США по биатлону процветало сексуальное насилие?

Forbes
Волшебный мотив Волшебный мотив

Шампанское и креветки, классический новогодний дуэт, камертон праздничного стола

Добрые советы
С журналами не расставайтесь С журналами не расставайтесь

«Первый номер»: автопортрет глянцевой журналистики

Weekend
Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть

Какие причины заставляют мужчину не жениться и как с ними справиться?

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

Dongfeng Paladin: аутентичный внедорожник

4x4 Club
Как развивают градостроительный потенциал в регионах России Как развивают градостроительный потенциал в регионах России

Как на самом деле обстоят дела с развитием инфраструктуры в регионах

ФедералПресс
Заряд энергии: 7 видов чая, которые взбодрят не хуже кофе Заряд энергии: 7 видов чая, которые взбодрят не хуже кофе

От пуэра до саган-дайля: самые бодрящие виды листового напитка

ТехИнсайдер
Предательство: как снова доверять людям после измены? Предательство: как снова доверять людям после измены?

Измена: как выбраться из этого травматичного опыта и извлечь из него пользу?

Psychologies
Маленькая выставка большого художника Маленькая выставка большого художника

Почему маленькая выставка и действительно ли большого художника?

Наука и жизнь
Как можно использовать искусственный интеллект для создания видео? Интересные факты Как можно использовать искусственный интеллект для создания видео? Интересные факты

Как работают ИИ-видеогенераторы, где их применяют и что ждет нас в будущем

ТехИнсайдер
Обман зрения Обман зрения

Холод, перепады температуры и низкая влажность – серьезные испытания для глаз

Лиза
Открыть в приложении