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.

Выбранный для экранизации роман можно сравнить с широко известной молекулой ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), в которой хранится вся исходная информация, то есть "инструкция" по сборке всех белков, нужных данному организму. Написание сценария – это, по существу, работа другой молекулы, так называемой матричной РНК (рибонуклеиновая кислота), которая "считывает" необходимую информацию с отдельных участков ДНК. Если точнее, матричная РНК собирается на основе ДНК, делая "слепок" с определенного ее участка (рис. 2.3). Происходит точное копирование последовательностей полярных групп по принципу "ключ – замок", что условно обозначено в виде впадин и выступов различной формы.

Прежде чем начинать работать, матричная РНК, содержащая скопированную информацию, направляется в малый фрагмент рибосомы и там закрепляется. Затем к процессу подключается другая РНК, называемая транспортной, и «привозит на себе» нужную аминокислоту. Молекула транспортной РНК, нагруженная определенной аминокислотой, располагается около определенного участка матричной РНК – причем в том месте, на которое РНК указывает с помощью тех же самых строго расположенных полярных групп, скопированных с ДНК. Эти группы подходят друг к другу, как ключ к замку (рис. 2.4). В тот же момент к малому фрагменту рибосомы присоединяется большой фрагмент – в итоге лабораторное помещение готово к работе. Все последующие процессы протекают на стыке двух фрагментов рибосомы. Назовем этот этап киносъемкой. К реагирующему центру приближается другая транспортная РНК со своей аминокислотой; две аминокислоты реагируют между собой, образуя фрагмент будущего белка. Образование связи между аминокислотами обозначено на рис. 2.4 в виде утолщенной горизонтальной черты. Можно сравнить этот процесс со съемкой определенного фрагмента из грядущего фильма. Затем рибосома продвигает матричную РНК, как транспортерную ленту, на один шаг, чтобы третья транспортная РНК с новой аминокислотой могла подойти к следующему участку. Прибывшая аминокислота реагирует с уже имеющимся фрагментом будущего белка, удлиняя его цепь на одно звено. В определенном месте на матричной РНК находятся специальные полярные группы, к которым не может «пристроиться» ни одна транспортная РНК. Эти группы указывают на то, что удлинение цепи необходимо завершать. После того как белковая цепь достигнет нужной длины, она отсоединяется от «монтажного устройства», рибосома возвращается в исходное состояние и вновь оказывается готовой к получению очередного белка. На выходе получается полимерная молекула белка – образно говоря, «кинолента». Рибосому, работающую как лентопротяжный механизм, можно назвать кинематографическим термином «монтажная». Одна и та же рибосома может синтезировать самые разные белки, необходимы лишь соответствующая матрица, то есть матричная РНК, и строительный материал – аминокислоты, подвозимые специальным транспортом – транспортными РНК. Работает рибосома очень быстро, собирая за одну секунду участок цепи из 10–15 аминокислот, причем исключительно аккуратно, не допуская ошибок при сборке молекулы из сотен звеньев. Полный синтез белковой молекулы проходит приблизительно в течение одной-полутора минут. В процессе жизнедеятельности организма белки постоянно расходуются и потому регулярно воспроизводятся рибосомой по описанной схеме.

Выяснение принципа работы рибосом ознаменовало важный этап в развитии науки, поскольку синтез белка – это основной процесс жизнедеятельности. Однако значимость работы, отмеченной Нобелевской премией, этим не исчерпывается. Результаты исследования имеют конкретное прикладное значение при борьбе с болезнетворными бактериями. Авторам удалось создать трехмерные модели, которые показывают, как различные антибиотики взаимодействуют с рибосомами некоторых бактерий. Выяснилось, что лекарственные препараты – антибиотики – блокируют некоторые рабочие узлы в рибосомах бактерий. Очень важным оказалось следующее обстоятельство: рибосомы высших организмов – например, человека – намного сложнее, чем те, что у бактерий. Благодаря этому лекарство может повреждать рибосомы болезнетворной бактерии, не причиняя вреда рибосомам человека. Большая группа антибиотиков действует именно на бактерий – например, тетрациклин препятствует взаимодействию транспортной РНК с рибосомой, а эритромицин блокирует взаимодействие двух оказавшихся рядом аминокислот. Если какой-то узел в машине по производству белка сломан, то гибнет и сам организм, то есть бактерия.

К сожалению, до сих пор использование антибиотиков не обеспечивало стопроцентного успеха, поскольку бактерии постоянно видоизменяются, образуя новые формы – штаммы, устойчивые к антибиотикам. Теперь, когда принципы работы рибосом понятны, поиск новых антибиотиков и изучение механизма их действия поднимают современную фармакологию на новый уровень. Есть все основания полагать, что открытия нобелевских лауреатов помогут найти неизвестные ранее эффективные антибиотики.

Результаты научной работы по расшифровке структуры рибосомы и исследованию механизма ее работы, безусловно, заслуживают Нобелевской премии – и большинство ученых с этим согласны. Тем не менее многие считают спорным выбор Нобелевским комитетом именно этих трех лауреатов. Такое всегда происходит при обсуждении результатов работы комитета. Прежде всего Нобелевская премия за один конкретный год не может быть присуждена более чем трем ученым – таково положение о премиях. В результате почти всегда остаются обойденными те, чей вклад в открытие, отмеченное премией, тоже заслуживает признания. Подобное произошло и в этот раз. Точную молекулярную структуру рибосомы и описание принципов ее работы почти одновременно с обладателями премии опубликовал Гарри Ноллер из Калифорнийского университета в Санта-Крус, США. Эта работа была выполнена при участии Марата и Гульнары Юсуповых, ранее работавших в Институте белка в г. Пущино и впоследствии продолживших исследования в лаборатории Ноллера. Результаты работы Нобелевского комитета никогда не пересматриваются и не отменяются, и в результате возникает ощущение некоторой несправедливости. К чести некоторых нобелевских лауреатов, следует сказать, что известны случаи, когда премированный лауреат отдавал часть своей премии незаслуженно обойденному ученому.

Во-первых, отметим, что все три лауреата не сотрудничали, у них не было совместных публикаций – тем не менее они внимательно следили за работами друг друга. Можно сказать, что их работа напоминала дружескую конкуренцию.

Ада Йонат стала четвертой женщиной – лауреатом Нобелевской премии по химии. Она родилась 22 июня 1939 г. в Иерусалиме, в бедной семье евреев-иммигрантов, выходцев из польского города Лодзь. Ее отец был раввином – он умер, когда Аде было 11 лет, а ее младшей сестре Нурит – 2 года. Мать, всю жизнь остававшаяся домохозяйкой, делала все возможное, чтобы помочь дочерям получить образование. Обе сестры отлично учились в школе, но девочкам приходилось подрабатывать частными уроками и мытьем полов у соседей. Научную карьеру выбрала только Ада. После прохождения обязательной армейской службы она поступила в Еврейский университет в Иерусалиме. Училась с охотой, по выходным и в каникулы подрабатывала прядильщицей на ткацкой фабрике, чертежницей в автобусном кооперативе, помощницей повара в рабочей столовой. По окончании университета в 1962 г. она получила степень бакалавра по химии, а два года спустя – степень магистра по биохимии, после чего начала научно-исследовательскую работу в Институте им. Вейцмана в г. Реховоте, Израиль. В 1969 г. Ада защитила диссертацию по специальности «Рентгеновская кристаллография», после чего два года проработала в США. По возвращении на родину в 1970 г. Йонат продолжила научную деятельность в Институте им. Вейцмана. С 1986 по 2004 г. она возглавляла научные исследования в области молекулярной биологии в Институте общества Макса Планка в Гамбурге. В настоящее время работает в Институте им. Вейцмана, в котором, по мнению авторитетного американского научного журнала The Scientist, созданы лучшие условия для работы ученых.

Со слов А. Йонат, после получения ею Нобелевской премии в Израиле появилось новое выражение, обозначающее людей с вьющимися волосами: родилось словосочетание Rosh Male Ribosomin, в переводе звучащее как «голова, полная рибосом», что вполне понятно, если взглянуть на фотопортрет Ады Йонат.

Томас Стейц родился в 1940 г. в США, Милуоки, штат Висконсин. Он получил степень бакалавра по химии в колледже Лоренса в Аплтоне, затем учился в Гарварде. Решение заняться молекулярной биологией возникло у Стейца, когда он в 1963 г. в Гарварде прослушал лекцию Макса Перуца, нобелевского лауреата по химии 1962 г., получившего премию за исследования структуры глобулярных белков. По признанию Т. Стейца, Макс Перуц с тех пор стал его кумиром – так один нобелевский лауреат определил научный путь другого будущего лауреата. В 1966 г. Стейц защитил диссертацию по специальности «Молекулярная биология». С 1970 г. начал вести научные исследования в Йельском университете, где проработал до конца жизни в должности профессора молекулярной биофизики и биохимии. Периодически для проведения исследований он выезжает в другие научно-исследовательские учреждения: Калифорнийский технологический институт, Гарвардский университет, а также в Гёттингенский университет в Германии. Деятельность Стейца наиболее точно отражает прикладную значимость премированной работы: он был директором экспертного совета компании, разрабатывающей новые антибиотики, которые действуют на устойчивые штаммы бактерий. Ряд препаратов уже доведен до клинических испытаний, и есть надежда, что человечество сумеет достойно продолжить битву с болезнетворными бактериями.

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?