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

Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода

Для СССР результаты войны в Арктике оказались весьма болезненными

Наука
Cмешай и соедини! Cмешай и соедини!

Сбрасываем вес, не испытывая чувства голода

Лиза
Русский частный космос. Наикратчайший путеводитель Русский частный космос. Наикратчайший путеводитель

Как устроена область частной космонавтики в нашей стране и что происходит сейчас

ТехИнсайдер
Быть отцом: как в мире развивается тренд на осознанное отцовство Быть отцом: как в мире развивается тренд на осознанное отцовство

Что такое осознанное отцовство и почему в России развивается эта концепция

Правила жизни
От любви до ненависти и обратно От любви до ненависти и обратно

Советская интеллигенция возмутилась разносами, которые Хрущёв устроил художникам

Дилетант
Пицца, суши, роллы: что делает бизнес, чтобы люди заказывали и считали еду модной и необходимой Пицца, суши, роллы: что делает бизнес, чтобы люди заказывали и считали еду модной и необходимой

Как бизнес сохраняет интерес к одним и тем же людям в течении многих лет?

Inc.
Коллекция осень-зима Коллекция осень-зима

Урок пейзажной фотосъемки — чтобы подойти к путешествиям во всеоружии

КАНТРИ Русская азбука
«Серьезно?!» ИК-обогреватель крутая штука, но он может быть опасен – как избежать вреда «Серьезно?!» ИК-обогреватель крутая штука, но он может быть опасен – как избежать вреда

Как пользоваться инфракрасными обогревателями

ТехИнсайдер
Дом для университета Дом для университета

История СПбГУ неразрывно связана со зданием Двенадцати коллегий

Санкт-Петербургский университет
«Как же бесит!»: почему партнер начинает раздражать и как с ним ужиться «Как же бесит!»: почему партнер начинает раздражать и как с ним ужиться

Могут ли приступы раздражения на партнера поставить под угрозу отношения двоих?

Psychologies
10 лучших «вечных» советов по уходу за кожей, которые передаются из поколения в поколение 10 лучших «вечных» советов по уходу за кожей, которые передаются из поколения в поколение

Какие бьюти-рекомендации выдержали испытание временем.

VOICE
Историк о диалоге как пути мировой культуры Историк о диалоге как пути мировой культуры

Какую роль играет умение обращать свои мысли к собеседнику?

РБК
Центральную Анатолию назвали местом одомашнивания овец Центральную Анатолию назвали местом одомашнивания овец

Скорее всего, люди одомашнили конийских муфлонов в Центральной Анатолии

N+1
Как Аватар пришел на помощь Чебурашке Как Аватар пришел на помощь Чебурашке

Как пиратский прокат фильмов позволяет кинотеатрам закрывать финансовую брешь

Монокль
Пересними это Пересними это

10 самых тиражируемых кинокадров

Weekend
Юбилейный сезон — юбилейная премьера Юбилейный сезон — юбилейная премьера

Феликс Михайлов о работе над шоу и планах на юбилейный сезон ОK!

OK!
Джим лежа Джим лежа

Героические истории со съемок первых фильмов великих режиссеров

Правила жизни
Татьяна Ким: «Планы на Ближний Восток, Азию и Африку остаются в силе» Татьяна Ким: «Планы на Ближний Восток, Азию и Африку остаются в силе»

Чего ждут подростки от e-commerce, зачем сейлерам наружная реклама

РБК
Алексей Новиков: «Кибербезопасность становится несущей конструкцией для бизнеса» Алексей Новиков: «Кибербезопасность становится несущей конструкцией для бизнеса»

Почему русский кибербез интересен мировому сообществу

РБК
Астероиды стали источником цинка и дали возможность развитию земной жизни Астероиды стали источником цинка и дали возможность развитию земной жизни

Без «нерасплавленных» астероидов на Земле не появилось бы жизни

ТехИнсайдер
Как самому проверить шины на брак: 6 неочевидных советов от эксперта шинного центра Как самому проверить шины на брак: 6 неочевидных советов от эксперта шинного центра

Признаки, которые укажут на брак автомобильной резины

ТехИнсайдер
Тимофей Гриднев: «Бульдозерная выставка» — это не противостояние, это акт идентификации Тимофей Гриднев: «Бульдозерная выставка» — это не противостояние, это акт идентификации

Тимофей Гриднев вспоминает свою встречу с организатором «Бульдозерной выставки»

СНОБ
Ученые вывели устойчивые к волнам жары кораллы Ученые вывели устойчивые к волнам жары кораллы

Ученые вывели кораллы, способные выдержать потепление воды

N+1
«Джеймс Уэбб» увидел растущую изнутри наружу галактику в ранней Вселенной «Джеймс Уэбб» увидел растущую изнутри наружу галактику в ранней Вселенной

Как космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил галактику в эпоху Реионизации

N+1
«Америка и век джаза». Отрывок из книги композитора Эндрю Ганта «Америка и век джаза». Отрывок из книги композитора Эндрю Ганта

Как появился джаз в Америке?

СНОБ
3 фактора, снижающих либидо у женщин: что делать 3 фактора, снижающих либидо у женщин: что делать

Что влияет на женское либидо и получение удовольствия от секса?

Psychologies
Нейросети-растениеводы Нейросети-растениеводы

Как нейросети помогают узнать, сколько удобрений нужно вносить в почву

Санкт-Петербургский университет
«Я хочу построить наследие»: роман о рабыне, которая стала предпринимательницей «Я хочу построить наследие»: роман о рабыне, которая стала предпринимательницей

Отрывок из романа Ванессы Райли «Королева острова»

Forbes
«Буквально держится на краске»: неочевидные факты о том, как сохраняют Эйфелеву башню «Буквально держится на краске»: неочевидные факты о том, как сохраняют Эйфелеву башню

Чем автомобильные выхлопы вредят Эйфелевой башне?

ТехИнсайдер
Выбросил пилота из кабины и сам приземлился: чем удивляет первый бесхвостый бомбардировщик «Жар-птица» Выбросил пилота из кабины и сам приземлился: чем удивляет первый бесхвостый бомбардировщик «Жар-птица»

К-12: «эта машина явилась прототипом всех современных сверхзвуковых самолетов»

ТехИнсайдер
Открыть в приложении