Многие живущие на Крайнем Севере животные имеют у себя особые антифризные белки, которые не дают крови превратиться в лёд. Связываясь с кристаллами льда, молекулы этих белков не позволяют им разрастаться.

Арктические виды рыб живут при температурах ниже нуля, однако ни кровь, ни другие жидкости в их организме не обращаются в лёд. Рыбы — существа холоднокровные, подогревать себя изнутри они не могут, зато у них есть особые антифризные белки. Их функция — связываться с кристаллами льда и предотвращать их рост. Долгое время оставалось неясным, как эти белковые молекулы отличают замороженную воду от жидкой.

Любой белок представляет собой уникальную последовательность аминокислот. При этом все аминокислоты могут быть разделены на две большие группы: *гидрофильные** и гидрофобные. В растворе (а подавляющее число белков функционирует в водных растворах) молекула белка приобретает опять же уникальную пространственную конфигурацию, сворачиваясь клубком, обращая к воде гидрофильные аминокислоты и пряча внутрь клубка гидрофобные.

Рис. 1. Cтруктура ледяной решётки. Красным обозначены атомы водорода и кислорода, белым — связи между ними, серым — водородные связи между атомами кислорода и водорода разных молекул воды. (Иллюстрация Kenneth Libbrecht).

В случае с антифризными белками наблюдается в некотором смысле необычная ситуация: они выставляют наружу много гидрофобных аминокислот. В связи с этим выдвигались гипотезы о том, что эти наружные гидрофобные участки и отличают лёд от жидкой воды. Но экспериментальных подтверждений тому, как они это делают, долгое время не было.

Исследователи из Института генетики и молекулярной и клеточной биологии в Страсбурге (Франция) изучили взаимодействие антифризных белков со льдом с помощью метода малоуглового нейтронного рассеяния. Технология позволила определить пространственное расположение атомов водорода, что было критичным для построения 3D-модели «белка на льду». Выяснилось, что группы гидрофобных аминокислот на поверхности белковых молекул имитируют льдоподобные тетраэдрические структуры, которые образуют молекулы воды при замерзании. Итоговая модель, которую удалось построить по результатам эксперимента, выглядела как шесть ледяных колец воды, в которые были вставлены молекулы белка. Такие кольца образуются лишь в замерзающей воде, и только с такими кольцами антифризный белок может взаимодействовать.

Построение пространственной модели дало ответ на вопрос, как белки арктических рыб предотвращают замерзание крови: они просто обрывают рост кристалла, взаимодействуя одним боком молекулы с «ледяной» структурой, а другим — как раз НЕ взаимодействуя с жидкой водой.

Практических приложений для антифризных белков предполагается множество. Они могут служить подспорьем для криохирургов и трансплантологов, помогая сохранить в целости и сохранности пересаживаемые ткани и органы, обеспечивая им жидкую воду при температурах ниже нуля. Эти же белки пригодятся в пищевой промышленности: с их помощью можно продлить срок хранения продуктов, не прибегая к потенциально ядовитым консервантам.

Статья о поведении антифризных белков опубликована в издании Journal of Molecular Recognition.