Новости химической науки > Танец воды не дает огнецветкам замерзнуть

Определенные типы растений и животных могут защищать себя от температур, меньших температуры замерзания воды, с помощью специальных белков-антифризов.

Исследователи из группы Мартины Хавенит (Martina Havenith) из Университета Дрездена совместно с коллегами из США смогли определить, как личинка жука Dendroides Canadensis может противостоять температурам, меньшим, чем температура –30°C.

Международная группа исследователей продемонстрировала, как взаимодействие белков-антифризов с молекулами воды вносит свой вклад в защиту животного от холода.

Белок-антифриз (синий) личинки жука-огнецветки меняет динамическое поведение тыоды на поверхности, связывающей лед за счет треониновых боковых групп (зеленые). (Рисунок из PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1214911110)

Ранее предполагалось, что эффект борьбы с холодом достигается за счет непосредственного контакта белка-протеина с кристаллами льда. Исследователи получили новые результаты, комбинируя терагерцовую спектроскопию и компьютерные расчеты с помощью молекулярной механики. Строение белка-антифриза жука-огнецветки напоминает тригональную призму. Поверхность призмы, связывающаяся со льдом, содержит много доступных боковых цепей – отсатков аминокислоты – треонина, которые и связываются с кристалликами льда.

До настоящего времени предполагалось, что белки-антифризы взаимодействуют локально с нанокристаллами льда, таким образом, препятствуя образованию больших по размеру кристаллов льда. Исследователи продемонстрировали, что взаимодействие белков и кристаллов льда может реализовываться не только локально, но и на больших расстояниях, за счет молекул воды, которые также вносят свой вклад в защиту организма от холода. Поблизости от поверхности, связывающейся с кристаллами льда, исследователи наблюдали гораздо менее интенсивное движение молекул воды, характер которого существенно отличалось от особенностей движения, как свободных молекул воды, так и молекул воды, связанных с поверхностью белка-антифриза, при этом с понижением температуры скорость движения молекул понижалась.

Хавенит предполагает, что более спокойное движение молекул воды на поверхности белка упрощает связывание с нанокристаллами льда. Проверяя это предположение, исследователи наблюдали незначительное изменение в движении молекул воды, связанных с неактивным мутированным белком-антифризом. Белки-антифризы жуков-огнецветок в десять-сто раз активнее антифризов арктических и антарктических рыб, защищающих их от холода в –1,9°C.

Насекомые достигают столь высокой антифризной активности за счет комбинации двух факторов – прямого взаимодействия белка-антифриза и льда, а также их взаимодействия посредством молекул воды. Хавенит отмечает, что особая роль воды в природных антифризах является отличным примером, демонстрирующим то, что изучая функции биологической молекулы, стоит оценивать не только ее трехмерную структуру, но и ее окружение – взаимодействие такой молекулы с растворителем, в данном конкретном случае – с водой.

Источник: PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1214911110

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #межмолекулярные взаимодействия, #молекулярная биология, #супрамолекулярная химия