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
Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли» Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли»

Как можно ускорить строительство новых многоквартирных домов?

ФедералПресс
Лучше меньше, да лучше Лучше меньше, да лучше

Аскетичное пространство, в котором живет архитектор Алексей Дунаев и его семья

AD
Призрак технооптимизма Призрак технооптимизма

Годовая статистика роста технологичных отраслей в РФ снова будет рекордной

Монокль
Моя золотая долина… Моя золотая долина…

Интервью с академиком Анатолием Деревянко

Наука и жизнь
Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе

Что такое моббинг и можно ли ему противостоять?

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
9 признаков того, что вы едите излишне много соли 9 признаков того, что вы едите излишне много соли

Что указывает на большое количество соли в организме, и как это исправить

ТехИнсайдер
Время Льва. Зимнее небо Время Льва. Зимнее небо

Об одном из самых крупных зодиакальных созвездий — созвездии Лев

Наука и жизнь
Нечеловеческим животным отказали в чувстве справедливости Нечеловеческим животным отказали в чувстве справедливости

Ученые не обнаружили у животных непринятия несправедливости

N+1
Методом пропп Методом пропп

Хтоническая подоплека классических русских сказок

Правила жизни
Фатима Дзгоева: «Многие ищут средство Макропулоса, только не от старения, а для похудения. Но его ещё никто не придумал, оно в нас самих» Фатима Дзгоева: «Многие ищут средство Макропулоса, только не от старения, а для похудения. Но его ещё никто не придумал, оно в нас самих»

Фатима Дзгоева об ожирении, воспалительных клетках и ИМТ

Здоровье
Александр Черниченко: «Если сидеть и говорить, что это невозможно, так оно и будет» Александр Черниченко: «Если сидеть и говорить, что это невозможно, так оно и будет»

Александр Черниченко про спорт и своих сыновей

Maxim
Аллергия на холод Аллергия на холод

Холодовая аллергия – одно из самых парадоксальных заболеваний

Здоровье
От копеечной свечи От копеечной свечи

Всё началось с того, что осенью 1664 года в небе над Англией была видна комета

Дилетант
Женщины поймут Женщины поймут

Энрика Антонелли: в чем идея новой коллекции под лозунгом Made by Italian Women

Grazia
«Сколько ты зарабатываешь?»: стоит ли говорить родственникам о своих доходах и расходах «Сколько ты зарабатываешь?»: стоит ли говорить родственникам о своих доходах и расходах

Важно ли скрывать, сколько вы зарабатываете от родственников?

Psychologies
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 театр приходят не за развлечением, а за разговором» «В театр приходят не за развлечением, а за разговором»

Евгений Цыганов о мечтах, опустошении и роли искусства в изменившемся мире

Правила жизни
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 волки воют, а люди – поют Зачем волки воют, а люди – поют

Зачем и как млекопитающие используют акустическую коммуникацию

Знание – сила
Ключ к красоте и ухоженности Ключ к красоте и ухоженности

На вопросы о лазерной эпиляции отвечает Ксения Филатова, врач-дермато-венеролог

Здоровье
Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса

Что такое self-skills и зачем они нужны в работе?

Forbes
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
Лилия Любимова: «Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа» Лилия Любимова: «Нет такого вопроса, на который у звезд не было бы правильного ответа»

Астролог Лилия Любимова — о ретроградном Меркурии и гороскопах

Лиза
Юра, мы все развенчали Юра, мы все развенчали

«Мифология советского космоса»: деконструкция космического нарратива

Weekend
Как понять, что вам не хватает витамина D — и как его получить зимой? Простой ответ Как понять, что вам не хватает витамина D — и как его получить зимой? Простой ответ

Как недостаток витамина D влияет на наш организм?

ТехИнсайдер
Мамбл-ром-хоррор Мамбл-ром-хоррор

«Мой сосед — монстр»: «Красавица и чудовище» нового времени

Weekend
Спорт после перерыва Спорт после перерыва

Руководство по предотвращению травм для тех, кто делал паузу в тренировках

Лиза
Выводим домашний маникюр на новый уровень: что такое ремувер для кутикулы и почему он тебе нужен Выводим домашний маникюр на новый уровень: что такое ремувер для кутикулы и почему он тебе нужен

Дорого выглядящие ногти на 80% состоят из тщательной обработки кутикулы

VOICE
Открыть в приложении