Венки Рамакришнан – самый молодой из тройки лауреатов. Он родился в 1952 г. в городке Чидамбарам на юге Индии в семье из касты брахманов. Его детство прошло в другом индийском городе – Барода (современное название – Вадодара), где он впоследствии учился в университете. В 1971 г. он получил степень бакалавра по физике, после чего уехал в США, где в 1976 г. в Университете Огайо был удостоен ученой степени по физике. Со слов Рамакришнана, тема его диссертации по физике казалась ему малоинтересной. Однажды, просматривая выпуски Scientific American – американского научно-популярного журнала, он обнаружил, что в биохимии сделано много удивительных открытий. Это далеко не единственный пример, когда знакомство с научно-популярной литературой помогает молодому человеку найти свой путь в науке. В результате он решил оставить физику и заняться биологией. В 1999 г. он переехал в Англию, где возглавил исследовательскую группу в лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Это выдающееся научное учреждение, работающее под эгидой Британского совета по медицинским исследованиям, которое уже дало миру 13 нобелевских лауреатов, и Венки Рамакришнан стал четырнадцатым.
Обычно нобелевский лауреат завершает свою речь благодарностями в адрес коллег, часто с демонстрацией коллективной фотографии, но В. Рамакришнан изящным образом нарушил эту традицию. В самом начале своего торжественного доклада, на котором обязательно присутствуют члены королевской семьи и представители Шведской академии, в качестве первого слайда он представил фотопортреты 27 своих молодых коллег, принимавших непосредственное участие в исследовании. А что может лучше проиллюстрировать большую научную работу?
Чистильщик в живой клетке
В любом производстве существуют отходы, и потому нужны специальные службы, которые собирают и уничтожают мусор. В последнее время это особенно актуально в связи с разросшимися свалками в городах и с острой проблемой переработки мусора. Каждый живой организм также представляет собой сложный производственный комплекс, и в процессе его деятельности постепенно аккумулируются ненужные соединения. Отходы образуются не только в результате пищеварения – внутри живой клетки тоже накапливаются вещества, представляющие собой ненужный балласт, от которого необходимо избавляться. Этот процесс заинтересовал трех ученых: химика из США Ирвина Роуза и израильских химиков Аврама Гершко и Аарона Чехановера.
Вторая половина ХХ столетия отмечена многими значительными достижениями в науке, среди которых особое место занимает изучение роли нуклеиновых кислот в живом организме (кто не слышал о знаменитой ДНК?).
Механизм синтеза белков в живом организме с участием нуклеиновых кислот за многие десятилетия исследован весьма детально: он представляет собой сложный и в то же время необычайно впечатляющий процесс. Синтез белка протекает внутри своеобразного биокомплекса – белкового образования, называемого рибосомой. По существу, это небольшая фабрика для сборки белковых молекул из аминокислот по строго определенной схеме, что напоминает работу пишущей машинки, печатающей нужные буквы в установленном порядке (см. предыдущий раздел "Кинофабрика белка").
Всеобщий интерес ученых к процессам сборки белковых молекул оттеснил на задний план изучение того, как происходит их демонтаж. Исследовано было лишь разрушение внеклеточных белков – например, поступающих в организм с пищей. При этом было установлено, что белки, усваиваемые в пищеварительном тракте вместе с другими продуктами питания, поставляют энергию, необходимую для существования организма. Что же касается белков, возникающих и работающих внутри живой клетки, то механизм их уничтожения был мало кому интересен.
Тем не менее в живом организме хорошо отлажены процессы расщепления белков на малые фрагменты, из которых организм затем вновь собирает в рибосоме другие нужные ему белки. Срок жизни белков в организме определяется их ролью: например, белки, входящие в состав хрусталика глаза, сохраняются неизменными в течение десятилетий, а другие нужны организму в течение нескольких минут только для запуска определенного процесса – после чего они должны быть разрушены, иначе их действие окажется губительным. Время жизни более 20 % белков, присутствующих в организме, – от нескольких часов до нескольких дней.
Трое упомянутых ученых, несмотря на всеобщий интерес к синтезу белков, пошли "в обратную сторону", то есть заинтересовались разрушением белков. Исследования помогли понять, каким же образом протекает этот важный для организма процесс.
К моменту, когда триада ученых приступила к исследованиям, о процессах разрушения белков внутри клетки было известно немного. Если фабрика по производству белков – рибосома, то фабрику, разрушающую белки, называют протеосомой. Она так же, как и рибосома, представляет собой специальное белковое образование – биологический комплекс в виде емкости цилиндрической формы, собранной из кольцевых молекулярных образований. В нем расположен канал, на внутренней поверхности которого находятся активные центры, расщепляющие белки (рис. 2.5). Снаружи канал закрыт торцевыми подвижными крышками. Все это напоминает некий мусоросжигательный контейнер.
В каждой клетке находится большое количество протеасом, и все они предназначены природой для расщепления белка. Долгое время ученые полагали, что белковой молекуле довольно просто попасть в этот «утилизирующий контейнер», но если бы все было так, то любой, в том числе и нужный белок, попавший во «чрево» протеасомы, уничтожался бы. Было неясно, почему туда попадет не любой, а строго определенный белок – именно тот, который следует утилизировать. Очевидно, какое-то «устройство» проводит сортировку, отбирая только то, что подлежит ликвидации.
Ранее было сказано, что процессы расщепления белков в пищеварительном тракте (вместе с остальными продуктами) протекают с выделением энергии. Начав изучать процессы разрушения внутриклеточных белков, А. Чехановер, А. Гершко и И. Роуз обратили внимание на одно необычное обстоятельство: расщепление белков в клетке протекает не с выделением, а с поглощением энергии. На это указывал следующий обнаруженный факт: расщепление клеточных белков происходило только в присутствии аденозинтрифосфата (сокращенно АТФ – вещество, представляющее собой универсальный источник энергии для всех биохимических процессов), а в отсутствии АТФ расщепления не случалось. Результаты столь простых по замыслу и по исполнению экспериментов вначале не заинтересовали никого из коллег-биохимиков, но именно эти опыты привели к последующим масштабным исследованиям. Обратив внимание на такое явление, ученые провели более детальное его изучение и установили, что разрушение протекает в присутствии еще одного белка, притом обладающего высокой активностью. Оказалось, что белок известен давно – он был открыт в 1970-х гг. американским биохимиком Г. Голдстейном и получил название убиквитин (лат. ubique – «вездесущий»), поскольку его находили во многих тканях и органах.
К началу описываемой работы убиквитин был хорошо изучен: он представляет собой белок, собранный из 76 аминокислотных остатков, а его молекулярная масса сравнительно невелика – немногим более 8000. Он весьма стабилен, и участие в различных биохимических процессах не приводит к изменению его структуры. На рис. 2.6 его строение показано в виде трехмерной модели, а также приведена упрощенная структура. Молекула содержит одно спиральное образование (альфа-спираль) и четыре плоские ленты (бета-структуры). Поясним, что это две наиболее распространенные формы белков – спираль и плоская лента.
Несмотря на то что убиквитин находили во многих клетках живых организмов и строение его было установлено, его роль в биохимических процессах была не ясна.
Авторы работы высказали мысль, что решающая стадия в процессе утилизации белков – это присоединение убиквитина к тому белку, который необходимо уничтожить. Последующие исследования это подтвердили, было установлено также, что вход в протеасому (фабрику уничтожения) обычно закрыт. Попасть в нее может только тот белок, который отмечен специальной меткой, и тогда вход в протеасому открывается. Роль "черной" метки играет убиквитин. Процесс прикрепления убиквитина к молекуле белка, подлежащего уничтожению, авторы назвали "поцелуем смерти", изобразив в виде ярлычка с черепом. Столь мрачное название невольно хочется смягчить, добавив к нему три слова: "поцелуй смерти во имя жизни", поскольку очистка от мусора – залог дальнейшего развития.
Входя в протеасому, полимерная цепь уничтожаемого белка разворачивается и "протягивается" через центральный канал цилиндра, при этом она распадается на мелкие звенья (иногда вплоть до отдельных аминокислот), которые выводятся из противоположного отверстия протеасомы (рис. 2.7. Перейдя по ссылке: https://yadi.sk/i/iqnvFDINvG-4_Q, читатель сможет посмотреть ролик, в котором показан этот процесс.). Сам убиквитин внутрь протеасомы не заходит, а после уничтожения отмеченной молекулы освобождается и «помечает» другую молекулу.
Этот необычный процесс выглядит еще зрелищнее, если мы примем во внимание, что в некоторых случаях к уничтожаемому белку присоединяется не одиночная молекула убиквитина, а сразу несколько молекул, которые связаны между собой в необычную цепочку.
Перед тем как присоединиться к белку, который следует разрушить, убиквитин активируется с помощью специального фермента (биологического катализатора) – именно на этой стадии требуется затрата дополнительной энергии, которую поставляет упомянутый ранее АТФ. Так было найдено объяснение факту, с которого, собственно говоря, и началось изучение всего этого механизма.
Результаты проведенных исследований позволили понять некоторые неразгаданные ранее особенности развития живых организмов. Например, растения в цветке содержат как отцовские клетки (пыльцу), так и материнские (расположенные в пестике цветка). Поскольку они находятся рядом, то, казалось бы, самоопыление неизбежно, что должно приводить к генетическому вырождению и вымиранию вида. Оказалось, что убиквитин помечает белки собственной пыльцы, что приводит к их уничтожению, а пыльца, попавшая в цветок в результате перекрестного опыления, убиквитином не затрагивается.