Что общего между шницелем, кишечной палочкой, яблоками, динозаврами, шерстью и кактусами? На первый взгляд, эти вещи ничего не связывает, но на самом деле они имеют очень много общего.
Художественное представление работы рибосомы. "Бусы" — полипептидная цепь, нить с зазубринами — РНК. Изображение с сайта unm.edu
В состав каждого из названных предметов входят белки. Эти молекулы являются универсальными строительными материалами живой природы. Кроме того, белки отвечают за функционал клеток, выполняя все внутриклеточные процессы. Без белков не могут существовать ни животные, ни растения, ни грибы, ни бактерии — никто.
Долгое время людям было неизвестно, что представляют собой белки и откуда они берутся. Однако в XX веке, когда исследователи постепенно обучались "разбирать" живые системы и изучать их отдельные компоненты, природа белков начала постепенно проясняться. Обобщение этих знаний было дано в 1970 году Фрэнсисом Криком, одним из авторов открытия структуры ДНК, и получило название центральной догмы молекулярной биологии. В своем простейшем виде догма звучит так: генетическая информация переходит из ДНК в РНК и затем в белок.
Эта короткая формулировка является блестящим примером анализа и обобщения относительно небольшого количества экспериментальных данных. Впоследствии выводы Крика полностью подтвердились (хотя у прямой ДНК-РНК-белок появились петли и ответвления). Поясним, что имеется в виду под словами "передача генетической информации".
Детальный проект любого живого существа записан в его геноме в молекулах ДНК. Данные в ДНК закодированы при помощи четырех "букв", которые называют нуклеотидами. Реализация этих зашифрованных инструкций осуществляется не напрямую, а через посредников. Особые белки точно переписывают те или иные фрагменты ДНК в другую молекулу — РНК. И уже РНК узнается специальными машинами, которые на ее основе собирают белки. Эти молекулярные машины получили название рибосом, и трое исследователей, установивших детали их структуры и функций, были удостоены Нобелевской премии по химии 2009 года.
Погоня за малым
На большом увеличении видно, что рибосомы часто как бы нанизаны на длинную нить. Такие структуры назвали полисомами. Именно так — с участием множества рибосом — обычно и происходит синтез молекул белка с матрицы РНК. Фото с сайта mit.edu
Рибосомы были впервые описаны в 1950-х годах биологами, изучавшими строение клетки. На цитологических препаратах рибосомы выглядят как небольшие плотные гранулы, рассеянные по всей цитоплазме (внутренняя часть клетки за исключением ядра). Одной из отличительных особенностей рибосом было их количество — в бактериальных клетках эти структуры могут составлять до 30 процентов сухой массы цитоплазмы. Такое обилие свидетельствовало, что рибосомы выполняют в клетке некую очень важную функцию.
Довольно быстро было высказано предположение, что рибосомы как-то связаны с синтезом белка. Однако понять, как именно маленькие шарики собирают полипептидные цепи, исследователи не могли — им не хватало данных об устройстве этих структур. К началу 1980-х годов биологам было известно, что рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой, — и функции двух субъединиц различны. Кроме того, ученые выяснили, что рибосомы отличаются у прокариот (безъядерные организмы, к которым относятся, например, бактерии) и эукариот (организмы, в клетках которых есть ядро). Детальные характеристики структуры рибосом при помощи микроскопа, даже электронного, определить было невозможно. А без этих деталей специалисты не могли выяснить особенности синтеза белка.
Микроскопия явлеятся не единственным методом, который позволяет определять тонкие особенности биологических систем. Установить, как устроена та или иная молекула или ее часть, можно с помощью метода рентгеновской кристаллографии. Кристаллографы изучают характер дифракции рентгеновского излучения на образце, и по полученной картине восстанавливают его структуру. Основной трудностью при использовании этого метода является необходимость получить изучаемые молекулы в кристаллической форме.
Детализация структуры рибосомы на разрешении 9 ангстрем (слева вверху), 5 ангстрем (справа вверху) и 2,4 ангстрем (внизу). Изображение с сайта Нобелевской премии.
Выращивание кристаллов многие называют искусством, особенно когда речь идет о несимметричных структурах, какими являются рибосомы. Многие специалисты вообще сомневались, что субъединицы рибосом можно закристаллизовать. Тем не менее, в 1980 году израильтянка Ада Йонат (Ada E. Yonath) получила кристаллы большой субъединицы рибосомы бактерии Geobacillus (G.) stearothermophilus. Позже ей и нескольким другим коллективам удалось определить строение этой субъединицы с разрешением от 6 до 10 ангстрем.
Такое разрешение не позволяет восстановить атомную структуру во всех подробностях. Йонат и ее коллеги продолжили работу по улучшению технологий кристаллографического исследования рибосом, и в конце концов им удалось создать высококачественные кристаллы. Во многом благодаря работам Йонат второму лауреату Нобелевской премии по химии 2009 года, американцу Томасу Стейцу (Thomas A. Steitz) удалось получить структуры большой субъединицы с разрешением до 2,4 ангстрема. Параллельно со Стейцем кристаллографией рибосомных субъединиц занимался британец Венкатраман Рамакришнан (Venkatraman Ramakrishnan). Он сосредоточился на малой субъединице и разрешил ее структуру до 4,5 ангстрем. В 2000-х годах устройство малой субъединицы на атомном уровне было выяснено и в лаборатории Йонат. Позже были получены структуры целой рибосомы также с хорошим разрешением.
Сразу все
Знание деталей строения рибосомы позволило исследователям узнать множество особенностей ее работы и деталей синтеза белков из аминокислот. Эти знания являются фундаментальными для всей молекулярной биологии. В числе прочего было установлено, что рибосома является рибозимом — то есть, ее каталитическая активность при синтезе полипептидных цепей определяется не белком, а молекулой РНК.
Кроме того, знание особенностей структуры и функционирования рибосом позволило специалистам разработать новые типы антибиотиков. Синтез белков является ключевым процессом, необходимым для поддержания жизнедеятельности клетки. Если его каким-либо образом выключить — клетка погибнет. Как уже упоминалось выше, строение рибосом про- и эукариот различается, а значит, ученые могут создавать лекарства, прекращающие белковый синтез только в клетках бактерий. В настоящее время 50 процентов всех антибиотиков действуют именно на бактериальные рибосомы. Одним из специалистов, немало сделавших для разработки таких антибиотиков, является Ада Йонат.
Лауреаты самой престижной научной премии по химии 2009 года не совершили выдающегося научного прорыва. Они просто методично приближали реализацию задачи, которая казалась невозможной. Благодаря их работам другие исследовательские коллективы смогли получить множество ценных данных. Так что эти люди вполне заслужили свою награду.
PS
У многих читателей может возникнуть вопрос, какое отношение работы Йонат, Рамакришнана и Стейца имеют к химии. Автор берет на себя смелость предположить, что в будущем такие вопросы будут возникать все чаще. В последние годы различные научные дисциплины стремительно движутся друг к другу навстречу, а в некоторых областях и вовсе сливаются. И кроме того, исследование рибосом давно "просилось" на Нобелевскую премию, а номинация "физиология и медицина" в этом году была занята теломерами.
Ирина Якутенко
