Танцы по фазе: изучен фазовый переход вещества
© TobiasD/Pixabay
Чем танцы на вечеринке похожи на кристаллизацию, как белковые волокна помогут лечить болезнь Альцгеймера и при чем тут шампанское, рассказывает Indicator.Ru.
Вопреки обывательскому представлению лишь о трех состояниях (фазах) вещества: жидком, твердом и газообразном, — физики различают и более «сложные», термодинамические, фазы. Например, во время плавления металл не сразу переходит из твердого состояния в жидкое, а проходит несколько термодинамических фаз, свойства и строение которых находятся на границе между твердым и жидким состояниями вещества.
Переход из одной термодинамической фазы в другую называется фазовым переходом. В ходе этого перехода происходит структурная перестройка вещества, первым этапом которой является нуклеация, то есть образование зародышей стабильной фазы. И облака, и кипящая вода, и пузырьки в минеральной воде и шампанском похожи друг на друга тем, что для них характерно образование новой термодинамической фазы, в которой должны сформироваться некоторые из мельчайших единиц новой структуры. Только после этого фаза сможет расти. Эта же характеристика касается развития ряда болезней. Понимание процесса фазового перехода имеет решающее значение для лечения заболеваний в том случае, если зародышеобразование можно будет предотвратить или прекратить, если что-то пойдет не так.
Танцуют все!
Команда исследователей из Университетского колледжа Лондона, и Кембриджского университета в Великобритании в сотрудничестве со специалистами из Гарвардского университета добилась определенных успехов в решении этой задачи с молекулярной точки зрения. Их исследование, опубликованное в престижном издании The Journal of Chemical Physics, имеет большое значение для нескольких научных сфер, от медицины до нанотехнологий.
«Возможно, наглядной иллюстрацией процессов нуклеации будет пример, когда тихий ужин внезапно становится шумной вечеринкой с танцами. Такой переход, как правило, требует, чтобы несколько людей начали танцевать, и вокруг них начинают собираться люди, которые берут пример с "танцующего ядра"», — объяснила Анджела Шарич, ведущий автор работы из Университетского колледжа Лондона. Ее коллега, Томас Майклс, добавил: «Как это обычно случается, если группа танцоров недостаточно велика, ее могут попросту проигнорировать; однако, если она больше какого-то количества людей, танец привлекает все больше и больше участников и в конечном счете занимает все пространство в комнате. Минимальное количество танцующих, необходимое для преобразования застолья в вечеринку в термодинамике является так называемым критическим зародышем».
В ходе исследования ученые уделили особое внимание образованию белковых волокон во время нуклеации. Многие нитевидные структуры белков, таких как актин и тубулин, являются ключевым фактором для роста, структурного формирования, движения и деления клеток и, соответственно, неотъемлемой частью живых систем. Тем не менее белковые волокна также могут провоцировать те или иные заболевания. Более пятидесяти распространенных болезней, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и диабет второго типа, связаны с образованием и отложением в человеческих органах (например, в головном мозге) белковых волокон-амилоидов.
Как растут фибриллы
С помощью компьютерного моделирования и теоретических выкладок авторы исследовали зарождение белковых волокон. Они хотели установить, какие физические принципы лежат в основе данного процесса. В результате оказалось, что непростое образование фибрилл фактически регулируется довольно простым физическим механизмом. Неорганизованные скопления белков, так называемые олигомеры, образуются на начальном этапе. Как объяснила Шарич, эти структуры еще не похожи на белковые нити, и, прежде чем они вырастут в зрелые фрагменты, с ними происходят некоторые структурные преобразования.
Ученые обнаружили, что среди множества этапов формирования фибрилл изменение формы внутри олигомеров относится к лимитирующей стадии. Таким образом, чтобы понять, как зарождаются фибриллы, нужно выяснить, как происходят конформационные изменения в пептидах внутри олигомеров. Эти изменения приводят к образованию конфигураций бета-листа (одной из форм регулярной вторичной структуры белков). Ранее же определяющим фактором считался размер критического зародыша.
«Это знание может помочь в разработке рациональных методов лечения, направленных на подавление патогенного поколения олигомеров», — прокомментировала Шарич. Исследование поможет изучить ранние стадии возникновения заболеваний, связанных с агрегацией белков, поскольку олигомеры все чаще считают основной причиной клеточной токсичности. Кроме того, благодаря уникальным физико-химическим свойствам, белковые волокна находят широкое применение в создании биоматериалов для нанотехнологий.