Парадоксальные белки-антифризы, которые помогают выживать при -30°С

НаукаНаука

Как работают белки-антифризы

Богдан Мельник, доктор физико-математических наук, Институт белка РАН

Рис. 1. Гусеница еловой листовертки-почкоеда Choristoneura fumiferana В ранних возрастах гусеницы минируют хвою и листья, то есть прогрызают в них ходы; в старших возрастах оплетают паутинкой хвою и листовую пластинку и скручивают ее в трубку, вызывая их полное усыхание. Зимуют в опавшей хвое, выдерживая морозы до ‑30°С. Именно ее рекомбинантный белок-антифриз исследовался в экспериментах в Институте белка РАН. Фото: Jerald E. Dewey, USDA Forest Service, United States

В лаборатории физики белка Института белка РАН обнаружены и исследованы парадоксальные белки-антифризы, которые помогают животным, растениям и бактериям выживать при отрицательных температурах до -30°С. Физический принцип их действия продолжает исследоваться, но с большой вероятностью эти белки экранируют поверхности мембран в клетке, препятствуя возникновению на них центров кристаллизации льда.

Природные и искусственные антифризы

Экспрессируемые в холоднокровных организмах белки-антифризы, которые мешают образованию льда в их телах и тем самым помогают им выживать даже при экстремально низких температурах, были открыты в 1950‑х годах и с тех пор довольно хорошо изучены. Однако до конца механизм действия этих белков все еще непонятен. Во всяком случае, он не сводится просто к понижению температуры сосуществования льда и воды.

В лаборатории физики белка Института белка РАН, исследуя ледсвязывающий белок (мутантную форму белка-антифриза cfAFP из гусеницы Choristoneura fumiferana, зимующей в хвое), мы обнаружили, что этот белок-антифриз вовсе не понижает температуру замерзания воды и, как ни парадоксально, даже повышает температуру плавления льда. Прежде чем перейти к объяснению этого парадокса, наверное, полезно будет вспомнить о том, как работают вещества, которые обычно используются в качестве природных и искусственных антифризов.

Например, чтобы спирт понизил температуру замерзания воды до ‑30°С, его нужно добавить почти 50%, то есть соотношение молекул спирта и воды должно быть приблизительно один к одному. Такое соотношение необходимо, чтобы молекулы спирта нарушили связи между молекулами воды и не давали им соединиться в структуру льда. В таких же больших концентрациях используют соли, глицерины и другие вещества, понижающие температуру замерзания воды.

Неужели белки-антифризы работают в таких же больших концентрациях, нарушая связи между молекулами воды? Вряд ли! Жидкий «бульон» из молекул белка никому не нужен, ни нам для биотехнологий, ни клеткам для выживания в холодных условиях. В клетках, в которых обнаружены эти белки, соотношение белка-антифриза и молекул воды приблизительно 1:400 000. Это вполне приемлемая концентрация для белка, в том смысле, что такое количество белка клетка вполне способна синтезировать при подготовке «к зиме» и потом утилизировать при подготовке «к лету». Но как же тогда белки-антифризы могут работать в таких низких концентрациях? Каким образом одна молекула белка может повлиять на 400 тыс. молекул воды, чтобы всем им «запретить» замерзать? Такое априори невозможно!

Алексей Финкельштейн, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, выполнил теоретические расчеты, основанные на теории кристаллизации, которые показывают, что при температурах 0°…–30°C лед может возникать только на контактирующих с водой стенках (особенно «рифленых»), но никак не в толще воды. Эти расчеты и дополнительные эксперименты с белком-антифризом позволяют понять физический базис явления.

Смешать, но не взбалтывать!

Из школьных учебников физики мы знаем, что вода замерзает при нуле градусов Цельсия. Действительно, лужи зимой замерзают достаточно быстро, чуть только подморозит. Но если налить в стакан очень чистую воду и поставили ее в морозильную камеру, в которой минус пять градусов, что произойдет? Правильно, ничего! Чистая вода замечательно существует в переохлажденном состоянии.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ускоритель для растений Ускоритель для растений

Уникальные климатические камеры для ускоренного развития растений

Наука
Как проверить скорость SSD на запись и чтение Как проверить скорость SSD на запись и чтение

Программы для проверки скорости работы твердотельного накопителя

CHIP
Чудеса системы Сатурна: два безумных океана Чудеса системы Сатурна: два безумных океана

Система Сатурна – настоящее собрание диковин и чудес

Наука и Техника
Многозадачность: что это и нужно ли ее развивать Многозадачность: что это и нужно ли ее развивать

Почему многозадачность не всегда полезна?

РБК
Капсула для настроения Капсула для настроения

Как извлечь пользу из антидепрессантов и избежать нежелательных последствий

Psychologies
Евгений Шмидт: «Многие используют Германию в целях обогащения» Евгений Шмидт: «Многие используют Германию в целях обогащения»

Правящая партия Германии сознательно проводит политику привлечения мигрантов

Монокль
Палеогенетики прочитали ДНК представителя первых земледельцев Северного Кавказа Палеогенетики прочитали ДНК представителя первых земледельцев Северного Кавказа

Палеогенетики проанализировали геном представителя дарквети-мешоковской культуры

N+1
Вечная нефтяная зависимость Вечная нефтяная зависимость

История «голландской болезни» Венесуэлы

Деньги
Так ли надежна пневмоподвеска на самом деле? Так ли надежна пневмоподвеска на самом деле?

Пневмоподвеска против классики: что лучше?

Maxim
Чувство полета Чувство полета

Роскошный современный интерьер с арт-акцентами

SALON-Interior
Как люди живут в «умных городах» и при чем тут ИИ! Интересные факты о будущем Как люди живут в «умных городах» и при чем тут ИИ! Интересные факты о будущем

«Умные города», где искусственный интеллект делает жизнь людей удобнее

ТехИнсайдер
Теплый ламповый криминал Теплый ламповый криминал

«Людвиг»: история робкого детектива в Кембридже

Weekend
Дама с собачкой (или кошечкой) Дама с собачкой (или кошечкой)

Когда любовь к питомцу превращается в зависимость

Лиза
Гений вне морали, или Смертоносная красота. Как Оскар Уайльд и эстетизм проиграли современному миру Гений вне морали, или Смертоносная красота. Как Оскар Уайльд и эстетизм проиграли современному миру

За что викторианская эпоха выбрала Уайльда козлом отпущения

СНОБ
10 предметов, которые нельзя чистить средством для мытья стекол (хотя кажется, что можно) 10 предметов, которые нельзя чистить средством для мытья стекол (хотя кажется, что можно)

Каким предметам можно навредить жидкостью для мытья стекол?

VOICE
Всё напоказ Всё напоказ

Вспоминаем ярчайшие модные показы XXI века

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Нобелевский комитет захвачен искусственным интеллектом Нобелевский комитет захвачен искусственным интеллектом

Главным героем Нобелевской недели-2024 стал искусственный интеллект

Монокль
У меня лапки: что такое вооруженная некомпетентность и почему удобно быть беспомощным У меня лапки: что такое вооруженная некомпетентность и почему удобно быть беспомощным

Как мнимая беспомощность оказывается оружием для защиты собственных интересов

Forbes
Дизайнер Никита Калмыков — про свой бренд ODOR, реализм и вдохновение — интервью на «Снобе» Дизайнер Никита Калмыков — про свой бренд ODOR, реализм и вдохновение — интервью на «Снобе»

Никита Калмыков о фаст-фешене, старинных кружевах и объемах продаж

СНОБ
10 лучших фильмов ужасов за последние десять лет, которые стоит посмотреть каждому. Выбор читателей «Правил жизни» 10 лучших фильмов ужасов за последние десять лет, которые стоит посмотреть каждому. Выбор читателей «Правил жизни»

От «Реинкарнации» до «Субстанции»: фильмы ужасов, которые стоит посмотреть

Правила жизни
Бот еще: чем опасна для бизнеса «забытая» автоматизация Бот еще: чем опасна для бизнеса «забытая» автоматизация

Не стоит забывать об одном риске IT-компании — «забытой» автоматизации

Forbes
Как ножницы могут парализовать работу одного из самых загруженных аэропортов: необычный инцидент из Японии Как ножницы могут парализовать работу одного из самых загруженных аэропортов: необычный инцидент из Японии

35 авиарейсов пришлось отменить, еще 201 — задержать... из-за ножниц

ТехИнсайдер
Физики порадовали астрономов улучшенным детектором одиночных фотонов инфракрасного диапазона Физики порадовали астрономов улучшенным детектором одиночных фотонов инфракрасного диапазона

Физики разработали детектор одиночных фотонов инфракрасного диапазона

N+1
Как владелец Киржачской типографии вкладывает в родной город сотни миллионов рублей Как владелец Киржачской типографии вкладывает в родной город сотни миллионов рублей

Как предприниматель Евгений Федоров возвращает жизнь в родной Киржач

Forbes
Почти «космос», только не плавает: как создавался последний супер-вездеход ЗИЛ Почти «космос», только не плавает: как создавался последний супер-вездеход ЗИЛ

ЗИЛ-4972: последний культовый вездеход завода имени Лихачёва

ТехИнсайдер
Уоллес Стегнер «Угол покоя». Впервые на русском Уоллес Стегнер «Угол покоя». Впервые на русском

Отрывок из романа Уоллеса Стегнера «Угол покоя» о биении жизни

СНОБ
Как хобот слона стал самым невероятным хватательным органом на планете Как хобот слона стал самым невероятным хватательным органом на планете

Главную роль в достижении удивительной гибкости хобота у слонов играют морщины

ТехИнсайдер
Как зимой хранить электровелосипед, если его нельзя хранить никак: эти 4 совета вы редко где встретите Как зимой хранить электровелосипед, если его нельзя хранить никак: эти 4 совета вы редко где встретите

Как хранить электровелосипед, чтобы не повредить его аккумулятор?

ТехИнсайдер
Город-текст, пытающийся вырваться из своего контекста Город-текст, пытающийся вырваться из своего контекста

Екатеринбург: архитектура советского корпоративного проекта

Weekend
Если снова болит голова Если снова болит голова

По каким причинам могут возникать частые головные боли?

Лиза
Открыть в приложении