Nagroda Nobla w dziedzinie chemii - 2012 • Vera Bashmakova, Alexey Paevsky • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, Krystalografia, Chemia, Biologia molekularna

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii – 2012 r

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 2012 roku, Robert Lefkowitz (Robert Joseph Lefkowitz) i Brian Kobilka (Brian Kobilka). Zdjęcia ze stron dukecheck.com i www.zimbio.com

W środę, 10 października, Komitet Noblowski ogłosił Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Byli to Amerykanie Robert Lefkowitz (Robert Joseph Lefkowitz) i Brian Kobilka (Brian Kobilka) – za pracę nad badaniem receptorów sprzężonych z białkiem G (lub receptorami hemi-spiralnymi). Wydaje się, że niewtajemniczona osoba przyznała nagrodę za bardzo wąski obszar badań, ale dzięki tym unikalnym cząsteczkom, siedem cewek białkowych penetrujących błonę komórkową, możemy czuć, reagować na bodźce zewnętrzne i wiele więcej.

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2012 roku przyznawana jest po raz 104. W tej nominacji nie było laureatów w 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940-1942. Lefkowitz i Kobilka zostali 161. i 162. laureatami Nobla w tej nominacji. Frederick Sanger jest jedyną osobą w historii, która dwukrotnie wygrała nagrodę chemiczną (1958 i 1980).

Spośród 104 nagród w dziedzinie chemii, 63 wygrał jeden laureat, 23 zostały podzielone między dwóch laureatów, 18 – między trzema.

Średni wiek laureatów chemii to 57 lat, najmłodszym był Frederick Joliot, który otrzymał nagrodę w wieku 35 lat (1935), najstarszy to John Fenn: w momencie podjęcia decyzji komitet Nobla miał 85 lat (nagroda 2002).Wśród laureatów są cztery kobiety, dwie z nich matka i córka. Są to Maria Skłodowska-Curie (Nagroda Chemii z 1911 r., Nagroda Fizyki z 1903 r.) I Irene Joliot-Curie (Nagroda 1935 r.), Małżonek najmłodszego zwycięzcy chemii. Pozostałe dwie to Dorothy Crowfoot-Hodgkin (1964) i Ada Jonath (2009).

Oprócz wspomnianych już Frederick Senger i Marie Curie, wśród Nobelates in Chemistry, jest inny "dwukrotny zwycięzca" – Linus Pauling, oprócz nagrody Chemistry for 1954, a także Pokojowej Nagrody Nobla w 1962 roku.

Tegoroczny wybór potwierdził dwa trendy związane z Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Po pierwsze, jak zwykle, ci, których eksperci i bukmacherzy nazywali najbardziej prawdopodobnymi kandydatami do nagrody, nie otrzymali go. ("Chemical Nobel" został oczyszczony do Louisa Bruce'a – do kropek kwantowych, Akira Fujishime – za odkrycie nowych właściwości ditlenku tytanu, Masatake Haruta i Grahama Hutschinga – dla właściwości katalitycznych nanocząsteczek złota.) Byłby to ten sam sukces, który dałby nagrodę w dziedzinie fizjologii i medycyny. Potwierdza to specjalizacja obu zwycięzców: Robert Lefkowitz ma dyplom kardiologii, a Brian Kobilka jest absolwentem Yale School of Medicine.Ponadto, w celu odkrycia i zbadania samych białek G, Nagroda Nobla została przyznana właśnie w fizjologii lub medycynie (została otrzymana w 1994 r. Przez Alfreda Gilmana i Martina Rodbella).

Robert Lefkowitz (Robert Lefkowitz) Urodził się w 1943 r. W Nowym Jorku w rodzinie żydowskich imigrantów z Polski. W 1962 r. Uzyskał tytuł licencjata z Columbia College na Columbia University w Nowym Jorku, aw 1966 r. Uzyskał stopień naukowy (MD) w College of General Therapy and Surgery na tym samym uniwersytecie. W latach 1968-1970 pracował w National Institutes of Health, a następnie w Massachusetts General Hospital w Bostonie (MGH). C 1973 – na Duke University, równolegle w latach 1973-1976, piastował stanowisko badacza w American Heart Association (American Heart Association), od 1976 r. – pracownik naukowy Howard Hughes Medical Institute. Obecne laboratorium Lefkowitza (Lefkowitz Lab) jest "oparte" na Duke University. W 2007 roku został odznaczony Medalem Narodowym Nauki (National Medal of Science) przyznanym dekretem Prezydenta Stanów Zjednoczonych. W tym samym roku otrzymał nagrodę "Asian Nobel" – The Show (Shaw Prize).

Brian Kobilka Urodzony w 1955 r. W stanie Minnesota w rodzinie o korzeniach niemiecko-polskich. Otrzymał tytuł licencjata z biologii i chemii na University of Minnesota, a następnie stopień naukowy (MD) z Yale University School of Medicine.Ukończył staż na Uniwersytecie w Waszyngtonie i podjął pracę jako stażysta z Lefkowitz. W latach 1987-2003 był badaczem w Howard Hughes Medical Institute. Obecne Kobilka Lab znajduje się na Uniwersytecie Stanforda. W 2007 roku czasopismo Nauka Nazwał swoje badania nad strukturą Argentyńczyków jednym z przełomów roku.

Badania Lefkowitza rozpoczęto w 1968 r., Kiedy to uzyskał on stanowisko badacza w systemie National Institutes of Health (NIH). Jego praca była związana z badaniem receptora dla hormonu adrenokortykotropowego (ACTH).

Doradca naukowy Lefkowitz zamierzał użyć eksperymentalnie wyznakowanych radioaktywnie ligandów (cząsteczek, na które reaguje receptor): świecąca cząsteczka, "przyklejona" do receptora, powinna wskazać swoją pozycję.

To był piękny plan; ale Lefkowitz nie zdał sobie z tego sprawy. Teraz rozumiemy, jak to jest trudne: jest kilka receptorów i nie są one wkopane w membranę, ale pływają tam iz powrotem. Dwa lata później, bezowocne eksperymenty z hormonem adrenokortykotropowym i jego receptorem Lefkowitz udało się jednak osiągnąć sukces, choć nie do końca tych, na które liczył: opracował technikę bardzo dokładnego obliczania stężenia oryginalnego hormonu w osoczu za pomocą hormonu radioaktywnego.(Lefkowitz RJ, Roth J, Pastan I, 1970. Test radioreceptorowy dla hormonu adrenokortykotropowego: nowe podejście do hormonów polipeptydowych w osoczu).

Następnie Lefkowitz został zaproszony do pracy na Duke University. Zdobył zespół i przeniósł uwagę z ACTH na adrenalinę i jej receptory. W tej dziedzinie dokonał swoich głównych odkryć.

Należy zauważyć, że do tego czasu już sporo wiadomo o receptorach. Na przykład w latach sześćdziesiątych odkryto, że w działaniu adrenaliny na komórki pośredniczy specjalny rodzaj białka – białek G (są one tak nazwane, ponieważ są w stanie zhydrolizować trifosforan guanozyny – GTP).

Innymi słowy, receptor w jakiś sposób wiąże się z adrenaliną w jakiś sposób wpływa na białko G, które w jakiś sposób powoduje jakąś kaskadę reakcji w komórce. Kluczowe pytanie to: w jaki sposób Wszystko to dzieje się i nie było odpowiedzi na to pytanie. W świecie naukowym stosowano szeroką gamę teorii, aby wyjaśnić pracę receptorów, aż do najdzikszych: na przykład, że nie ma receptora i że sama adrenalina w jakiś sposób udaje się przeniknąć do wnętrza komórki i zmienić jej metabolizm.

Więc Lefkowitz i jego zespół zaczęli badać receptory nadnerczy. W służbie mieli nowyMetoda opracowana przez Lefkowitza do dokładnego obliczenia stężenia hormonu iw tej dziedzinie badań znajomość dokładnej koncentracji to połowa sukcesu. Przez wiele lat naukowcy zrzucali adrenalinę lub jej analogi na komórki lub wyciągi z komórek; stosunki stężeń różnych substancji zostały starannie zmierzone; obliczone stałe termodynamiczne; badali interakcje białek. (W tym czasie wykazano, że istnieją dwa typy receptorów adrenalinowych, α i β, i co więcej, każdy z tych typów składa się z kilku podtypów, zespół Lefkowitza pracował głównie z β-adrenoreceptorami). A teraz, po dekadzie monotonnych eksperymentów, w 1980 r. Naukowcy w końcu zdołali opracować teorię funkcjonowania receptorów sprzężonych z białkiem G, zgodną z wszystkimi uzyskanymi danymi. Ta teoria (we współczesnym znaczeniu) jest następująca.

Adrenoreceptor unosi się w błonie komórkowej. Po wewnętrznej stronie błony białko G składające się z trzech podjednostek – α, β i γ – i połączone z cząsteczką difosforanu guanozyny (GDP) jest słabo związane (lub w ogóle nie przyłączone).Dopóki cząsteczka adrenaliny nie znajduje się na zewnątrz receptora, zachowuje się całkowicie spokojnie i nieszkodliwie.

Warto jednak, aby receptor spotkał się z adrenaliną, ponieważ zaczyna się od złożonego dopasowania konformacyjnego, powodując początkowo silne przyleganie białka G, a następnie jego aktywację i rozdzielenie. Aktywacja białka G polega na tym, że z tego szoku cząsteczka difosforanu guanozyny (GDP) zostaje zastąpiona przez cząsteczkę trifosforanu guanozyny (GTP) i dzieli się na dwie części – podjednostka α związana z GTP płynie w jednym kierunku i β połączone ze sobą i γ – do innego. Można powiedzieć, że po połączeniu z ligandem cząsteczka receptora początkowo przyciąga do siebie białko G, a następnie kopie je w daleka, aby białko rozpadło się na kawałki.

Dwie otrzymane części białka, po zetknięciu się z pewnymi cząsteczkami (wiele gatunków takich cząsteczek i nazywa się je wtórnymi mediatorami), powodują ich aktywację (lub, przeciwnie, dezaktywację, zależą od typu mediatora), co z kolei prowadzi do jednej lub drugiej kaskady reakcje, które ogólnie zmieniają metabolizm i los komórek. Podjednostka α odgrywa głównie w tych grach, ale dla dimeru βγ pokazano również pewną aktywność.Tak więc przyłączenie jednej małej cząsteczki do jednego małego receptora może spowodować przegrupowanie olbrzymiej komórki.

I zauważyć, jak ten system jest elastyczny: w zależności od rodzaju drugiego posłańca spadnie pod gorącym strony odpowiednia część kaskady białek w komórce może być zupełnie inna (czy co to?).

Tak, ale co dalej z podjednostkami białka G? Stopniowo "ożywają". Podjednostka α prędzej czy później hydrolizuje GTP do GDP; "wyłącza" jej aktywność, a ona "stawia" się z βγ-dimerem i łączy się z nim. Potem całe, nieaktywne, związane z GDP białko G przepływa do pewnego receptora, do którego ma wystarczające powinowactwo i łączy się z nim. Z reguły ten receptor jest już aktywowany przez ligand (białko G ma najwyższe powinowactwo), a cała historia znów się powtarza.

To była wspaniała teoria. Chociaż tłumaczyła tylko pracę receptora adrenaliny, to było dużo. Ale to tylko połowa obecnego odkrycia Nobla. Druga połowa była jeszcze przed nami.

Ryc. 1. Schemat teorii kompleksu trójdzielnego. Obraz z www.nobelprize.org

Mniej więcej w czasach, gdy Lefkowitz wysunął tę teorię (nazywano ją "teorią kompleksów trójdzielnych"), młody doktor Brian Kobilka przybył do swojego laboratorium. Lefkowitz właśnie postawił przed swoimi pracownikami ambitne zadanie znalezienia genu kodującego adrenoreceptor w celu uzyskania tego białka w dużych ilościach, aby dowiedzieć się, jak powinien on być w swojej strukturze i zrozumieć, jak wiąże się z ligandem, kopiąc tym samym białko G i ogólnie – dlaczego pływa w membranie.

To zadanie było nie tylko ambitne – w tamtym czasie było praktycznie niemożliwe do rozwiązania. Znalezienie jednego genu w całym ogromnym genomie było trudniejsze niż znalezienie igły w stogu siana. Gdyby tego zadania nie zabrał Brian Kobilka, ale ktoś inny, prawdopodobnie nie zostałby rozwiązany.

Ale Kobilka wyróżniała się niezwykłym uporem, cierpliwością i pomysłowością – czytelnik wciąż będzie mógł to zweryfikować. On (wraz z innymi pracownikami z laboratorium Lefkowitza) nauczył się izolować ten receptor w dużych ilościach, odszyfrować jego sekwencję aminokwasów w częściach, i na podstawie tej sekwencji, złożył cały gen na kawałki i był w stanie go sklonować.Teraz naukowcy mieli sekwencję nukleotydową genu β-adrenoreceptora, a poza tym mogliby otrzymać to białko w nieograniczonych ilościach przez klonowanie.

Okazało się, że to białko ma siedem domen transbłonowych.

Siedem domen! Siedem! – dokładnie tak, jak było w zupełnie innym, absolutnie odmiennym od β-adrenoreceptora w żaden sposób, reagując na światło receptora rodopsyny. To może oznaczać coś niesamowitego. Może to oznaczać, że mechanizm działania tych dwóch receptorów jest taki sam i jest opisany przez model kompleksu trójdzielnego.

Ryc. 2 Obraz β-adrenoreceptora w momencie wiązania liganda i białka G. Z www.nobelprize.org

Trudno nawet opisać, co ten przełom miał dla nauki. Szybko stało się jasne, że nie tylko β-adrenoreceptor i rodopsyna, ale także bokołowiększość innych znanych receptorów w tym czasie. (Obecnie znanych jest około tysiąca takich receptorów, pośredniczą w komunikacji między komórkami, a także dzięki nim widzimy, słyszymy, wąchamy, czujemy i smakujemy). Natychmiast niezwykła elastyczność komórek w ich reakcjach na zmiany środowiskowe stała się jasna: sprzężony z tym samym ligandem,może powodować całkowicie różne reakcje w komórce, w zależności od tego, które podjednostki białka G są unoszące się w cytoplazmie (istnieje wiele odmian tych podjednostek), jaki zestaw drugich mediatorów istnieje, i tak dalej. Natychmiast rozpoczęto natychmiastowe narażenie na działanie tych receptorów do celów badawczych i medycznych (wystarczy powiedzieć, że prawie połowa obecnie wytwarzanych leków wpływa na te receptory w ten czy inny sposób). I od razu chciałem dalej badać te receptory.

I tutaj ponownie Brian Kobilka odniósł wielki sukces. Opuścił laboratorium Lefkowitza i poszedł do pracy na Uniwersytecie Stanforda. I tam, przez ponad dwadzieścia lat, próbował uzyskać krystalogram p-adrenoreceptora w momencie, gdy wiązał się z ligandem. Dla wszystkich oprócz Kobilki zadanie to byłoby nierozwiązywalne. Faktem jest, że technologia otrzymywania krystalogramów jest dobrze rozwinięta tylko w przypadku białek rozpuszczalnych w wodzie. Β-adrenoreceptor jest rozpuszczalny w tłuszczach – musi unosić się w membranie fosfolipidowej. Kobilka zastosował absolutnie oszałamiające techniki i ostatecznie osiągnął swój cel w ubiegłym roku: uzyskano obraz działającego β-adrenoreceptora.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: