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
Взрывная техника Джона Перальты Взрывная техника Джона Перальты

Взрывные диаграммы легендарных приборов, механизмов и гаджетов прошлого

ТехИнсайдер
Опасно для здоровья: 7 продуктов, которые не следует разогревать повторно Опасно для здоровья: 7 продуктов, которые не следует разогревать повторно

При повторном нагревании эти продукты могут стать токсичными

ТехИнсайдер
Власть тайной азбуки Власть тайной азбуки

История развития криптографии

Знание – сила
Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни» Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни»

Интервью с Валентином Юмашевым, зятем Бориса Ельцина, о событиях конца 1999 года

Дилетант
Бородатый рейс — о чем говорят мужчины на приеме у косметолога и пластического хирурга Бородатый рейс — о чем говорят мужчины на приеме у косметолога и пластического хирурга

Почему мужчины все чаще обращаются к косметологам и хирургам

СНОБ
Хмелита и Грибоедовы Хмелита и Грибоедовы

Атмосфера усадьбы формировала личность гениального поэта А. С. Грибоедова

Знание – сила
«Белград»: фрагмент из нового романа Нади Алексеевой «Белград»: фрагмент из нового романа Нади Алексеевой

Отрывок из романа Нади Алексеевой об «одиночестве в толпе»

СНОБ
Южнорусский лингвистический остров на карте Уругвая Южнорусский лингвистический остров на карте Уругвая

Как переселенцы из России сохраняют язык в Латинской Америке

Наука
Всё идёт по плану Всё идёт по плану

Сегодня не все задумываются о контрацепции в период пременопаузы. А зря...

Новый очаг
О Юрии Никулине. Великий клоун О Юрии Никулине. Великий клоун

Татьяна могла бы и сама стать известной актрисой, но Никулин не позволил

Коллекция. Караван историй
Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет

Планетологи заново оценили возраст Луны, теперь он составляет 4,43–4,53 млрд лет

N+1
Непростой узелок Непростой узелок

О чем сообщают увеличенные лимфоузлы у ребенка?

Лиза
Современное состояние ВТС России и Китая Современное состояние ВТС России и Китая

Сотрудничество Москвы и Пекина носит выраженный «антиамериканский» характер

Обозрение армии и флота
Древние джентльмены удачи Древние джентльмены удачи

Анархисты и разбойники Древнего мира – хапиру

Знание – сила
На худой конец На худой конец

Как быть при осечке в сексе

Men Today
«Собеседник на вашей стороне»: как преодолеть страх
при общении на иностранном языке «Собеседник на вашей стороне»: как преодолеть страх
при общении на иностранном языке

Как воспринимать общение на иностранном языке не как суд и пытку?

Forbes
Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком

Породы, которые не подходят для семей с маленькими детьми

ТехИнсайдер
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
Эффект Зинаиды Штильман: как самооценка может кардинально изменить наш образ в глазах других Эффект Зинаиды Штильман: как самооценка может кардинально изменить наш образ в глазах других

Как формируется наша самооценка и что делать, если она слишком низка?

Psychologies
Праздник на Неве Праздник на Неве

Зимний Санкт-Петербург приглашает на новогодние каникулы!

Лиза
Перезагрузка жилищной сферы России: «Все начинается с земли» Перезагрузка жилищной сферы России: «Все начинается с земли»

Как реализуются проекты комплексного развития территорий?

ФедералПресс
Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли» Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли»

Альпинистка Алина Пекова — о местах силы и планах на будущее

СНОБ
Укротители змей Укротители змей

Как встретить хозяйку нового года по всем правилам, чтобы год принес счастье

Добрые советы
Шорт-лист Шорт-лист

Журнал «Автопилот» обойтись без людей совершенно не мог

Автопилот
Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона

Какую роль «Аватара» занял в истории кино и наших сердцах?

Правила жизни
Догматический монетаризм или новое кеинсианство Догматический монетаризм или новое кеинсианство

Какую экономическую модель выбирает Россия

Деньги
Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки» Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки»

Мегахейры – «прототип креветки-богомола, созданный на базе аномалокариса»

Наука и техника
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Это не шутки: что такое мемкоины Это не шутки: что такое мемкоины

Можно ли разбогатеть на меме с собачкой или лягушонком

VC.RU
Открыть в приложении