Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Воздадим должное Штаудингеру – он первым выделил полимеры в особый, самостоятельный класс веществ и указал методы их изучения.

Нобелевские премии по химии все чаще присуждают биохимикам – и это уже почти традиция. Это стало особенно заметным в последнее время: в ХХI в. биохимики получали такие премии 12 раз. Кроме того, часть премий присуждалась в номинации «Физиология и медицина» – что является смежной областью. Следовательно, работы по биохимии получили серьезное признание.

Естественно, химики с интересом и вниманием следят за достижениями своих ближайших коллег – биохимиков, ведь в основе биохимических превращений лежат обычные химические реакции. Но при этом, в отличие от обычной химии, реакции протекают не в колбе, а внутри биологических объектов. Одна из самых важных тем биохимических исследований – синтез белковых молекул, составляющих основу живого организма.

В этом разделе мы поговорим об одной из самых важных частей любой клетки – рибосоме. Именно в ней осуществляется биосинтез белка – процесс, в котором с помощью генетической информации ДНК синтезируются строительные блоки живого организма.

За исследования структуры и функции рибосомы в 2009 г. Нобелевскую премию по химии присудили троим ученым: Аде Йонат из Института им. Вейцмана в Израиле, Венкатраману Рамакришнану из лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета в Великобритании и Томасу Стейцу из Йельского университета в США.

Рибосомы как особые образования, содержащиеся в клетке живого организма, были обнаружены и описаны в середине 1950-х гг. За исследование рибосом, особенностей их строения и роли в организме в 1974 г. Джордж Паладе, Альберт Клод и Кристиан Де Дюв получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Итак, рибосома оказалась весьма благодатным объектом для дальнейшего детального изучения.

Рибосома представляет собой крупное формирование размером 10–20 нанометров и состоит из двух бугристых фрагментов – большого и малого (биохимики называют их большой и малой субъединицами). Эти фрагменты состоят из белков и специальных РНК, которые так и называются рибосомными. Некоторое время ученые довольствовались изображением рибосомы, полученным с помощью электронной микроскопии, а в научных журналах появлялись изображения, подобные показанным на рис. 2.1. Это модели рибосом, изготовленные по результатам электронной спектроскопии.

Тем не менее для понимания того, как работает рибосома, необходимо было установить ее строение с точностью до одного атома. Именно эта работа составила первую часть исследований очередных нобелевских лауреатов, причем первопроходцем была Ада Йонат. Она решила использовать самый надежный метод для выяснения строения молекул – рентгеноструктурный анализ. При этом необходимо было иметь хотя бы один кристалл вещества, который не должен содержать дефектов. Поначалу казалось, что практически невозможно закристаллизовать столь сложный комплекс очень крупных молекул. Подсказку, по словам Йонат, ей дали белые медведи. Во время зимней спячки им не требуется синтезировать новые белки. Следовательно, производители белков – рибосомы – должны каким-то образом на время запаковываться, иначе говоря, образовывать кристаллическую структуру. Таким образом, возникло предположение, что закристаллизовать рибосому все же возможно. Отдавая дань уважения своим вдохновителям, А. Йонат на одном из первых слайдов нобелевской лекции показала снимки белых медведей с подзаголовком «Советы белых медведей».

Стоит заметить, что Йонат допустила небольшую ошибку: ведь белые медведи не впадают в зимнюю спячку, и все упомянутые ранее рассуждения справедливы по отношению к бурым медведям. Сама идея оказалась правильной, тем не менее для исследований она выбрала не медведей, а гораздо более удобные и доступные объекты – бактерии, обитающие в горячих источниках, а также присутствующие в водах Мертвого моря. Она рассуждала следующим образом: организмы, живущие в экстремальных условиях, должны иметь более стабильные "устройства" для синтеза белка, и, следовательно, из таких белков легче получить кристаллы. Для облегчения кристаллизации и стабилизации полученных кристаллов Йонат использовала низкие температуры (жидкий азот). Однако получить хороший кристалл и зафиксировать его рентгенограмму только половина работы. А вторая часть, не менее трудоемкая, – расшифровать полученные при рентгеноструктурном анализе результаты, то есть получить трехмерную картину взаимного расположения в пространстве атомов, составляющих биологические молекулы. Первые удачные результаты Йонат получила в начале 1990-х гг.: она опубликовала структуру одного из двух фрагментов рибосомы – то, что называют большим фрагментом (субъединицей). Усовершенствовав методику выращивания кристаллов и метод расшифровки рентгенограмм, второй лауреат Нобелевской премии – Т. Стейц – в 2000 г. представил более точную структуру большого фрагмента, а третий лауреат – В. Рамакришнан – в том же году опубликовал структуру малого фрагмента рибосомы. Внешний вид рибосомы в схематическом и детальном виде показан на рис. 2.2, светлые участки – нуклеиновые кислоты, темные – белковые молекулы. В современных биохимических работах цепи белковых молекул и нуклеиновых кислот изображают упрощенно в виде лент и спиралей, поскольку более привычный для химиков рисунок с шариками (атомами) и палочками (химическими связями) – чрезвычайно громоздкий и трудный для восприятия. Оказалось, что большой и малый фрагменты не соединены прочными ковалентными связями: они могут расходиться и в нужный момент вновь соединяться.

Внешний вид полученных структур показывает, сколь сложная, практически ювелирная работа была проделана при расшифровке строения рибосомы. Полученные сведения дали исследователям возможность понять и описать процесс синтеза белков, экспериментально зафиксировав разные стадии при сборке белковых молекул.

Количество существующих белков измеряется десятками тысяч, все они имеют различную структуру и играют разнообразные роли. Прежде всего белки отличаются порядком чередования аминокислот, из которых они собраны. Для каждого индивидуального белка строго соблюдается набор аминокислот и их порядок. Несмотря на большое разнообразие существующих белков, способ их сборки в рибосоме практически одинаков – его можно сравнить с процессом экранизации литературного произведения.

В основе, разумеется, лежит само произведение – например, роман, где описаны все происходящие события. Сценарист выбирает из романа те части сюжета, которые собирается экранизировать, а затем режиссер снимает отдельные сцены в соответствии с утвержденным сценарием. На завершающем этапе происходит монтаж, то есть склеивание отснятых фрагментов в единый фильм.