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
Вытер в голове Вытер в голове

Что не так с нашей психикой?

Men Today
Формулы красоты Формулы красоты

Книга природы написана языком математики

Вокруг света
Институт особого назначения Институт особого назначения

Какими исследованиями занимается Институт истории естествознания и техники?

Знание – сила
По законам гостеприимства По законам гостеприимства

Солнечный интерьер, который встречает тепло и радостно

Идеи Вашего Дома
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
Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР

Что такое ОКР, как проявляется диагноз и можно ли от него избавиться

Forbes
Два кавказца Два кавказца

Что за офицеры изображены на рисунке, который считался за авторством Лермонтова?

Дилетант
Грибоедов. Русская драма Грибоедов. Русская драма

«Гениальнейшей русской драмой» назвал «Горе от ума» А. Блок. Где же драма?

Знание – сила
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
Миф нового года Миф нового года

Что делать с «неидеальностью» и как встретить Новый год с истинным удовольствием

Grazia
Сказка о бедняке Оскюс-ооле и его мудрых работниках Сказка о бедняке Оскюс-ооле и его мудрых работниках

Давным-давно жил-был на перекрестке семи улиц сирота Оскюс-оол...

СНОБ
Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить

Устаревшие представления о здоровье, в которые мы до сих пор верим

ТехИнсайдер
Баба-Яга и все-все-все: (очень) краткая история сказок в отечественном кино Баба-Яга и все-все-все: (очень) краткая история сказок в отечественном кино

История жанра сказочных фильмов, ключевые периоды и важнейшие имена

СНОБ
Его ошибка — война Его ошибка — война

Началось всё со случайного разговора в спортивном комплексе «Форо Италико»

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

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

Наука и техника
Легенда о старце Легенда о старце

Конспирологическая теория о связи старца Феодора Кузьмича и Александра I

Дилетант
«Песнь клетки: Медицинские исследования и новый человек» «Песнь клетки: Медицинские исследования и новый человек»

Что переносит система циркуляции крови

N+1
А у нас в Рязани... А у нас в Рязани...

Не только грибы с глазами, но и масса всего интересного

Лиза
Лучшие сказки пишутся для себя Лучшие сказки пишутся для себя

Какими должны быть сказки, для кого автор пишет и ходят ли дети в библиотеки

Правила жизни
Повеяло Повеяло

Техника по-пионерски плюс комфорт по-буржуински

Автопилот
Покоритель вершин: как прошел тест-драйв кроссовера WEY 07 по Приэльбрусью Покоритель вершин: как прошел тест-драйв кроссовера WEY 07 по Приэльбрусью

Стоит ли обращать свое внимание на китайский гибридный кроссовер WEY 07

Forbes
Хмелита и Грибоедовы Хмелита и Грибоедовы

Атмосфера усадьбы формировала личность гениального поэта А. С. Грибоедова

Знание – сила
Почему анаморфные объективы популярны в кино, однако не на ТВ? Узнайте секреты киноделов! Почему анаморфные объективы популярны в кино, однако не на ТВ? Узнайте секреты киноделов!

Анаморфные объективы — это техника, которая преобразила язык кинематографа

ТехИнсайдер
Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам

Поговорим о пяти привычках, которые помогут вам день ото дня становиться лучше

Psychologies
Догматический монетаризм или новое кеинсианство Догматический монетаризм или новое кеинсианство

Какую экономическую модель выбирает Россия

Деньги
Люди после трансплантации органов наследуют черты и воспоминания своих доноров Люди после трансплантации органов наследуют черты и воспоминания своих доноров

Сегодня область трансплантации органов отодвигает привычные нам рамки

ТехИнсайдер
Вот так спорт, или назло рекордам Вот так спорт, или назло рекордам

Спортивные соревнования, которые и спортом-то не назовешь

Зеркало Мира
Школа жизни Алексея Лукина Школа жизни Алексея Лукина

Алексей Лукин и курс на успех

Men Today
С журналами не расставайтесь С журналами не расставайтесь

«Первый номер»: автопортрет глянцевой журналистики

Weekend
Открыть в приложении