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
Грани и границы Грани и границы

Петр Рыков играет на грани

Men Today
Как использовать анальные шарики, чтобы испытать новый для себя вид оргазма Как использовать анальные шарики, чтобы испытать новый для себя вид оргазма

Анальные шарики для новичков: как выбрать и как использовать?

VOICE
Сверхзнание боли Сверхзнание боли

Как Даниил Андреев увидел невидимые миры и что он в них нашел

Weekend
Схема мироздания Схема мироздания

Что объединяет орнамент, тело человека, элементарные частицы и земной шар?

Вокруг света
«Очень приличный император» «Очень приличный император»

Римский император Диоклетиан: тот, кто променял власть на капусту

Дилетант
Женщины поймут Женщины поймут

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

Grazia
Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там

Как перестать быть заложником гонки за «успешным успехом» и найти баланс?

Inc.
Сон с младенцем Сон с младенцем

Что лучше: спать в одной кровати с младенцем или раздельно?

Здоровье
Искусственный интеллект освоил 3D-печать Искусственный интеллект освоил 3D-печать

Аддитивные технологии включаются в производство высокотехнологичных изделий

Монокль
Андрес Неуман «Странник века». Путешественник и шарманщик Андрес Неуман «Странник века». Путешественник и шарманщик

Отрывок из романа Андреса Неумана о эмансипации, литературе и искусстве

СНОБ
Привычка быть счастливой Привычка быть счастливой

Как Марина Александрова транслирует свою миссию «делать людей счастливыми»

OK!
«Привет, я псих из палаты номер шесть»: история мужчины, который попал в клинику неврозов «Привет, я псих из палаты номер шесть»: история мужчины, который попал в клинику неврозов

Что, если на самом деле психиатрическая больница — это не так уж и страшно?

Psychologies
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
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
3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже 3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже

Какой вид пилинга выбрать? Разбираемся с косметологом-эстетистом

Psychologies
А у нас в Рязани... А у нас в Рязани...

Не только грибы с глазами, но и масса всего интересного

Лиза
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
Стильные идеи для загородного дома Стильные идеи для загородного дома

Сейчас в тренде несколько направлений новогодней стилистики

Добрые советы
Вперед, к природе! Вперед, к природе!

Зимняя вечеринка на даче: как все устроить за три дня

Лиза
Февральская революция Февральская революция

Как русские ученые устроили шестую промышленную революцию в лаборатории

ТехИнсайдер
Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней

Как добывают редкие цветные драгоценные камни и в чем их ценность?

Forbes
Грозные «молодцы» мчались по рельсам Грозные «молодцы» мчались по рельсам

Рассвет и закат боевого железнодорожного ракетного комплекса (БЖРК)

Наука и техника
«Когда вкусно, тогда вкусно!» «Когда вкусно, тогда вкусно!»

О кухне народов России

Зеркало Мира
Бэтмен против Супермена Бэтмен против Супермена

Tank 700 двойного действия

Автопилот
Теория множественности вселенных Теория множественности вселенных

А что, если существует огромное количество параллельных вселенных?

Зеркало Мира
Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо

Что мы знаем о трех родоначальниках Возрождения: Данте, Петрарке, Боккаччо?

Знание – сила
5 привычек, от которых давно пора избавиться 5 привычек, от которых давно пора избавиться

Как понять, что привычки «тормозят» вас, не дают развиваться и достигать целей?

Psychologies
Два вальса Два вальса

Грибоедов писал немало музыкальных произведений, однако большинство не записывал

Знание – сила
«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
Открыть в приложении