Океан достигает глубин в 11 километров, что весьма серьезно. Животные на таких глубинах вынуждены адаптироваться к экстремальным условиям, чем обуславливается их зачастую необычный для нашего восприятия внешний вид, ведь мир в котором они живут кардинально отличается от привычного нам, вплоть до, казалось бы банальных, физических условий, таких как давление. На дне Марианской впадины давление достигает 1.1 килобара, что примерно в 11 тысяч раз превышает норму. Этот текст проклят числом 11.
Но не суть! Я нашла невероятно крутую статью на тему того, как глубоководные животные справляются с таким давлением на молекулярном уровне, ведь давление это очень важный физический параметр, влияющий на работу всех биохимических процессов в организме, а именно на стабильность их протекания. Как и температура! Про денатурацию белков все слышали, да? Так вот, при повышении давления начинают происходить похожие штуки, а именно понижается эффективность фолдинга и олигомеризации белков (это важные, но скучные процессы, один из которых я немножко затрону чуток пониже), потому что при такой нагрузке структура воды буквально сплющивается и белки уже не могут так хорошо и весело лепиться туда куда им нужно лепиться, что не приводит ни к чему хорошему.
Теперь подробнее. Белки сами по себе довольно мягкие и подвижные, что необходимо как раз таки для вышеупомянутого фолдинга.
Кто такой фолдинг?
Сразу после синтеза белок находится в первичной структуре, а именно в цепочке из аминокислот, связанных друг с другом пептидными связями, к которым налеплена куча радикалов. В этой структуре он особо ничего не делает, кроме того что несет в себе закодированную информацию. Чтобы начать что-то делать, ему нужно свернуться в третичную структуру, которая будет более устойчивой и иметь уникальную фоpму, и только после этого белок сможет выполнять свои биологические функции. Этот процесс сворачивания и называется фолдингом. За плавность его протекания вообще много чего отвечает, но сейчас сконцентрируемся на участии воды в этом всем.
И так, белок сворачивается, между радикалами начинают образовываться связи, в том числе водородные, и изменение пространственной структуры воды из-за давления (на самом деле плющит гидрационный слой, но про это чуть позже) ослабляет их, что ведет не только к тому что белки не могут свернуться, но и к тому что даже готовые белки могут развернуться.
Еще одна важная штука в фолдинге это гидрофобные интеракции. А именно то как гидрофобные молекулы (в данном случае аминокислоты) слепляются в комочек, и образуют, так скажем, “ядро” белка, в то время как гидрофильные остаются снаружи этого “ядра”, стабилизируя структуру при взаимодействии с водой и образуя гидрационный слой. Такая тема чаще встречается в четверичных структурах, где уже несколько белков соединяются в один. Прямо как пауэр-рейнджеры. И из-за повышенного давления вода может проникнуть внутрь этого “ядра”, дестабилизируя всю структуру.
И так, чем выше давление, тем сильнее плющит воду, и тем сильнее белкам становится, мягко говоря, не очень. Как же обитатели глубин справляются с этим?
Ответ кроется в такой молекуле как триметиламиноксид ((CH₃)₃NO), далее ТМАО. Эта штука есть у всех, вне зависимости от давления окружающей среды, однако при повышении давления, концентрация ТМАО линейно повышается.
Как же ТМАО останавливает детриментальные эффекты давления на структуру воды?
И так, ТМАО это осмолит- небольшая органическая молекула, растворенная во внутриклеточной среде и отвечающая за то чтобы жидкости в этой самой среде работали как надо. Этим занимается не только ТМАО, но еще и много-много разных других подобных молекул, отвечающих за защиту клетки от разных стрессоров, например глицин, таурин и бетаин.
Сейчас будет немного сложно, так как я решила параллельно объяснить еще и биофизику за всем этим, чтобы вывод не звучал как набор слов.
ТМАО полярен и имеет довольно большой дипольный момент. Ща объясню что это. Дипольный момент это физическая величина, которая показывает, насколько сильно молекула "раздвоена" на две противоположные стороны, так как у некоторых молекул электрический заряд может быть распределен неравномерно. Он высчитывается путем вычисления разности зарядов (заряд1 – заряд2) и умножения онной на расстояние между ними. Грубо говоря это дистанция между отрицательным и положительным зарядом, которая увеличивается вместе с магнитудой заряда. Полярность это наличие дипольного момента. Почему это важно? Чем выше дипольный момент, там лучше растворимость в воде. Например, у масла дипольного момента ваще нет, и, следовательно, оно не растворяется.
А еще я наврала. У ТМАО в норме нет дипольного момента, НО(!) в растворителях с нейтральным pH (короче в воде) он принимает форму Цвиттер-иона, где полярная NO приобретает положительный заряд на атоме азота (N) и отрицательный на атоме кислорода (О) и тогда вот этот кусочек начинает растворяться. Я считаю что это уссаться как круто!!! А еще это не только круто, но и важно. Ведь благодаря этой фиче, ТМАО приобретает амфифильность- способность взаимодействовать как с полярными, так и с неполярными соединениями. Что как раз таки модулирует структуру и динамику гидрационной оболочки, и ответственно за эффекты, наблюдаемые на белках в контексте их защиты от стрессоров.
Я много где упоминаю гидрационную оболочку, время рассказать что это такое вообще. И так, гидрационная оболочка- это оболочка из молекул воды вокруг другой молекулы, в нашем случае белка. Эта оболочка состоит из нескольких слоев молекул воды и может существенно влиять на свойства раствора, такие как вязкость, тепловые свойства, электрическую проводимость и т.д. В гидрационной оболочке молекулы воды ориентируются таким образом, что положительные и отрицательные заряды водных молекул направлены к соответствующим зарядам молекул растворенного вещества (привет полярность!).
И так, ТМАО амфифилен. В водных растворах ТМАО ориентируется таким образом, что полярная (гидрофильная) часть соединения (азот и кислород) гидратируется и встраивается в водную оболочку, а неполярный (гидрофобный) хвост из метильных (CH3) групп не гидратируется и встраивается в гидрофобные участки белка. Таким образом ТМАО создает эдакую дополнительную броню вокруг белка, удерживая воду и поддерживая структуру гидрационного слоя вокруг белка. Кроме того, ТМАО также может взаимодействовать с белками и другими биомолекулами через гидрационную оболочку. Это взаимодействие помогает сохранять функциональность белков в экстремальных условиях.
А еще ТМАО помогает стабилизировать биомолекулы не только при влиянии давления, но и всяких других штук, таких как высокой температуры и повышенной концентрации мочевины. Из-за противопоставительной функции ТМАО на последнее, его, кстати, изучают на акулах и прочих хрящевых рыбах, так как у них очень интересная выделительная система и из-за этого довольно высокая концентрация мочевины и, следовательно, ТМАО. А изучать что-то в больших концентрациях всегда проще :)
Вот ссылка на саму статью: https://www.nature.com/articles/s42004-022-00726-z