Основа живої матерії — білки, що виконують найважливіші функції в організмі, що постійно відтворюються в його надрах. Ці білки мають безперешкодно перевозити від клітини до клітини, або всередині клітини, до її різних відділів — органел. Яким же чином новостворені білки транспортуються через мембрану, навколишнє органели, і яким чином вони відшукують своє правильне розташування?
Відповіді на ці питання знайшли своє відображення у роботі Нобелівського лауреата 1999 року в області фізіології і медицини, доктора Гюнтера Блобеля, спеціаліста з клітинної та молекулярної біології з Рокфеллерівського Університету в Нью-Йорку.
Ще на початку 70-х років Р. Блобел виявив, що знову синтезовані білки, несуть в собі інформацію, яка є необхідною для направлення їх у бік мембрани ендоплазматичного ретикулуму (однієї з органел клітини) і крізь неї. Протягом наступних двадцяти років Р. Блобель докладно вивчав молекулярні механізми, що лежать в основі цих процесів. Він показав, що подібні «ознаки адреси», або «поштові індекси», застосовні до білків інших внутрішньоклітинних органел.
Принципи, виявлені і описані Гюнтером Блобелем, як виявилося, були універсальними. Аналогічним чином відбувається траспортировка новостворених білків і дріжджових, і рослинних, і тваринних клітинах. Безліч людських спадкових хвороб викликано порушеннями в цих кодах і транспортних механізмах. Дослідження Р. Блобеля також вніс вклад в розвиток більш ефективного використання клітин як «фабрики білка» для виробництва необхідних ліків.
Кілька важливих функцій
Доросла людина складається приблизно з 100,000 мільярдів клітин. Клітина містить багато різних відділів, органел, кожен з яких оточена мембраною. Органели відрізняються за своїми функціями, щоб виконувати різні завдання. Ядро клітини, наприклад, містить генетичний матеріал (ДНК) і, таким чином, управляє всіма функціями клітини. Мітохондрії — «електростанції», що виробляють енергію, необхідну клітці, а ендоплазматичний ретикулум, разом з рибосомами, відповідають за синтез білків. Кожна клітина містить приблизно один мільярд молекул білка. Різні білки виконують багато важливих функцій. Деякі є будівельним матеріалом для клітини, інші функціонують як ферменти, каталізатори тисяч спрямованих хімічних реакцій. Білки в межах клітини постійно деградують і повторно синтезуються. Число амінокислот — «цеглинок», з яких будуються всі білки — може в межах одного білка становити від 50 до кількох тисяч, формуючись у довгі спіралі.
Як білки перетинають бар’єри?
Протягом тривалого часу було загадкою, яким чином «великий» білок може проникати через міцно «запечатану», що містить ліпід, мембрану, навколишнє органел. Кілька десятиліть тому було незрозуміло, як «свежесинтезированный» білок знаходить правильну дорогу до свого місця в клітці.
Гюнтер Блобель взявся за вирішення обох цих загадок.
В кінці 60-х років він приєднався до колег з відомої лабораторії біології клітини Джорджа Палада в Інституті Рокфеллера в Нью-Йорку. Тут, протягом двох десятиліть, науковці вивчали структуру клітини та принципи транспортування знову синтезованих білків з клітки. Ця робота принесла Джорджу Паладу Нобелівську премію з фізіології і медицині в 1974 (яку він розділив з бельгійськими вченими Альбертом Клодом і Християном Дувэ).
Теорія коду
Дослідження Гюнтера Блобеля було побудовано в традиціях лабораторії Джорджа Палада. Зокрема, Блобел вивчав, як новосинтезированный білок, призначений для транспортування з клітки, надсилається до спеціалізованої міжклітинної мембранної системи, эндоплазматическому ретикулуму. У 1971 р. він сформулював першу версію «сигнальної теорії». Він стверджував, що білки, що виводяться з клітини містять вбудований код, який направляє їх до… і через мембрани.
Основаясь на витончених біохімічних експериментах, Р. Блобел в 1975 описав різні стадії цих процесів. Код складається з пептиду, тобто послідовності амінокислот в специфічному порядку, які є невід’ємною частиною білка. Білок перетинає мембрану ендоплазматичного ретикулума через канал.
Білки, які повинні експортуватися з клітки,
синтезуються рибосомами, пов’язаними з эндоплазматическим ретикулумом. Генетична інформація ДНК передається через передатну РНК (тРНК). Ця інформація визначає яким чином амінокислоти вибудовуються в білках. Спочатку кодовий пептид формується як частина білка з допомогою «будівельних» білків, кодовий пептид направляє рибосому до каналу в ендоплазматичний ретикулум. Зростаюча ланцюг білків долає цей канал, кодовий пептид розколюється, і готовий білок вбудовується в просвіт ендоплазматичного ретикулума. Білок згодом виводиться з клітини.
Протягом наступних двадцяти років, Блобель і його колеги крок за кроком уточнювали молекулярні деталі цих процесів. В кінцевому результаті було доведено, що «гіпотеза коду була, і правильна, і універсальна, оскільки процеси, що відбуваються при транспортуванні знову синтезованих білків однакові і в дріжджових, і рослинних, і тваринних клітинах.
«Ознаки адреси» для ідентифікації органели
У співпраці з іншими групами дослідників Гюнтер Блобел показав, що подібні вбудовані коди націлюють транспортування білків також і до інших внутрішньоклітинних органел. Ці результати дозволили Гюнтеру Блобелу сформулювати в 1980 основні принципи индентефикации і націлювання білків на специфічні відділи клітини. Кожен білок несе у своїй структурі інформацію, необхідну, щоб визначити його місце в структурі клітини. Унікальні амінокислотні послідовності (топогенные коди визначають, чи пройде білок через мембрану до специфічної органелле, буде вбудований в мембрану, чи буде експортовано з клітки.
Коди, які направляють білки до різних частин клітини, тепер ідентифіковані, доводячи, що принципи, сформульовані Блобелем, правильні. Ці коди можна порівняти з ознаками адрес або «поштовими індексами», які гарантують, що багаж мандрівника досягне правильного призначення, або лист знайде свій правильний адресат. Ці послідовності, фактично, утворюють ланцюг різних амінокислот, які представляють або коротший «хвіст» на одному з кінців білка, або фрагмент, розташований усередині ланцюга молекули білка.
Приклади спрямованої транспортування,
керованої топогенными кодами. Хлоропласт — органелла, яка присутня лише у клітинах рослини, і не міститься в тваринних клітинах. Органели володіють специфічними функціями, вони оточені мембранами. Знову синтезуються білки забезпечуються спеціальними ознаками адреси» — послідовностями кодів, або топогенными кодами, які направляють білки до місць їх розміщення в клітці і дозволяють їм перетинати мембрани органел. Сам код складається з ланцюга амінокислот (невід’ємної частини білка). Частіше ці ланцюжки розташовуються на одному з кінців ланцюга молекули білка.
Значення відкриття Блобеля
Відкриття Гюнтера Блобеля мало величезний вплив на сучасні дослідження біології клітини. Коли клітина ділиться, проводиться велика кількість білків і формуються нові органели. Щоб клітина функціонувала правильно, білки повинні бути направлені за правильним адресами формується всередині клітини. Дослідження Блобеля істотно розширили розуміння молекулярних механізмів, що керують цими процесами. Крім того, знання топогенных кодів прояснило розуміння багатьох, з медичної точки зору, важливих механізмів. Наприклад, що імунна система використовує топогенные коди при виробництві антитіл.
Дослідження Блобеля допомогли пояснити молекулярні механізми лежать в основі деяких генетичних хвороб: Якщо код сортування в білку змінений, то білок може бути неправильно розміщений у клітці. В якості прикладу можна взяти передається у спадок первинну гипероксалурию (незвично велику кількість солей щавлевої кислоти в сечі), яка викликає появу ниркових каменів у ранньому віці. При деяких формах сімейної хвороби відзначається дуже високий рівень холестерину в крові, обумовлений порушенням транспортних кодів. Інші спадкові хвороби, наприклад, кістозний фіброз, викликані тим, що білки не досягають потрібного їм положення в клітині.
Можливі застосування
У найближчому майбутньому повний людський геном буде описаний. Зокрема, вже можна визначити структуру і топогенные коди білків. Це знання підвищить розуміння процесів, що призводять до хвороб і може використовуватися для розробки нових методик лікування. Вже сьогодні виробляються ліки у вигляді білків: інсулін,
гормони росту, еритропоетин і інтерферон. Зазвичай для виробництва препарату використовуються бактерії, але щоб мати більш повними функціональними можливостями, деякі людські білки повинні синтезуватися в більш складних клітинах, начебто клітин дріжджів. За допомогою генної інженерії гени необхідних білків забезпечують кодовими послідовностями транспортної інформації. Клітини зі зміненими генами тоді можуть ефективно використовуватися як «фабрики білка».
Розширення знань щодо процесів адресації білків у різні ділянки клітини створює можливість для синтезу нових ліків, які будуть націлені на специфічні органели для виправлення певного дефекту. Здатність клітин до перепрограмуванню певним способом буде також важлива для майбутньої клітинної і генної та терапії.
Рішення лауреата
На прес-конференції в Нью-Йорку доктор Блобель заявив, що він дуже схвильований подією і взагалі спочатку сприйняв за жарт послання зі Стокгольма, повідомляє йому про нагороду. Що стосується грошової премії, то Р. Блобель заявив що, як засновник Фонду Друзів Дрездена, збирає кошти для допомоги у відновленні цього міста, він застосує свою премію в розмірі $ 960,000 для відновлення знаменитого собору в Дрездені, який був зруйнований під час американських бомбардувань у Другій Світовій війні, і частково — для відновлення Дрезденської синагоги.
Гюнтер Блобель народився в 1936 році, у Сілезії в місті Вальтерсдорф (нині Польща). Після Другої Світової війни переїхала 80 Фрейбург, в Саксонії, яка перебувала тоді в Східній Німеччині. Оскільки його сім’я не виявляла необхідної лояльності комуністичним властям НДР, у Гюнтера Блобеля виникли великі труднощі з отриманням освіти в колишній Східній Німеччині. Він поїхав до Західної Німеччини, незабаром сім’я пішла за ним.
Після отримання ним звання лікаря за фахом гінекологія, він переїхав до Сполучених Штатів, де зайнявся вивченням хімії.
За матеріалами Університету Каролінська, Швеція, та повідомленнями деталі. агентств АВС, CNN
