Нобелова награда за химия 2009

Нобеловата награда за научни постижения в областта на химията тази година бе присъдена на Ада Йонат, Томас Щайц и Венкатраман Рамакришнан, за изясняване на атомната стурктура на рибозомите.

Рибозомите са универсални клетъчни структури (органели), които се срещат във всички живи организми, от вирусите и бактериите до бозайниците, и в частност при човека. Тяхната основна функция е превеждането на наследствeната информация от езика на нуклеиновите киселини, на езика на белтъците. Този процес е наречен транслация.

Всички жизнени процеси в организма се основават на работата на белтъците - хемоглобинът свързва кислорода в белите дробове и го доставя до всички клетки в тялото, храносмилателните ензими разграждат храната и осигуряват нейното лесно и ефективно усвояване от организма, антителата ни предпазват от различни микроорганизми, а кератинът осигурява здравината на косите и ноктите ни. Синтезата на хилядите видове белтъци в рибозомите е един изключително важен процес, който гарантира правилната работа на отделните клетки и организма като цяло. Изясняването на атомната структура на рибозомите, в които се извършва процеса на транслация, ни помага да разберем как наследствената информация, закодирана в нуклеиновите киселини, се използва за създаването на една функционираща клетка.

Езикът на гените и белтъците

Белтъците са биополимери, представляващи дълги вериги от навързани една за друга аминокиселини. Съществуват 20 основни аминокиселини, които изграждат белтъчните молекули във всички живи същества. Химичният състав на отделните аминокиселини и тяхната последователност в белтъчната верига определят структурата и функцията на целия полимер. Инструкциите за синтез на белтъка, изпълнявани от рибозомите, са закодирани в структурата на нуклеиновите киселини, най-често т.нар. дезоксирибонуклеинови киселини или ДНК.

ДНК също е биополимер, изграден от сходни по състав и стурктура мономери, наречени нуклеотиди. Основните нуклеотиди са 5 вида, означавани за краткост с единични букви А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин), Ц (цитозин) и У (урацил). В изграждането на ДНК участват А, Т, Г и Ц. Последователността на свързването им в ДНК веригата определя наследствените характеристика на организма. Всяка молекула ДНК е изградена от две успуредни вериги, усукани под формата на двойна спирала. Паралелните вериги на спиралата се свързват помежду си по правилото на комплементарността - нуклеотида Т от едната верига винаги се свързва с А от другата, а Г винаги се свързва с Ц. Така, ако едната верига съдържа последователността АТГЦ, на другата тя е ТАЦГ.

Как се осъществява превода на информацията от четирибуквения език на ДНК, на 20 буквения език на белтъците? Разчитането на наследствената информация стана възможно след изясняването на структурата на нуклеиновите киселини от Уотсън, Крик и Уилкинс (Нобелова награда за физиология и медицина за 1962 г.) и "разбиването" на генетичния код от Холи, Корана и Ниренбърг (Нобелова награда за медицина и физиология през 1968 г). Учените установяват, че комбинации от три нуклеотида на ДНК език, означават точно определена аминокиселина на белтъчен език. Така например, ААГ е знак за аминокиселината лизин, а ТТС за фенилаланин. Тъй като възможните трибуквени комбинации (кодони) от четирите нуклеотида са 64, за всяка аминокиселина може да има повече от един трибуквен знак (кодон) на езика на ДНК (освен ААГ, на лизин съответства и ААА), като в същото време остават кодони за препинателни знаци - начало и край на белтъчната верига. Съвкупността от нуклеотидите в ДНК, които определят състава на една белтъчна верига се означава като ген.

ДНК представлява твърдото копие с информацията за изграждане на организма. Преди да бъдат изпълнени, отделните "инструкции", закодирани в гените, се копират върху молекули рибонуклеинови киселини, т. нар. РНК. РНК молекулите също са изградени от комбинации от четири нуклеотида - това са А, Г, Ц и У (тук, за разлика от ДНК липсва нуклеотида Т, който е заменен с У). Синтезирането им върху матрицата на ДНК става при спазване на правилото на комплементарността - нуклеотида Г от ДНК се преписва като Ц в РНК, Ц като Г, А като У, а У като А. Така от ДНК кодонът ААГ за аминокиселината лизин се преписва като УУЦ върху РНК.

В клетките се срещат няколко вида РНК молекули. "Рецептите" за състава и строежа на белтъчните молекули се копират от ДНК върху молекули информационна РНК (иРНК). Подреждането на аминокиселините в белтъчната верига на база на тази информация се извършва благодарение на молекулите на транспортната РНК (тРНК). Всяка тРНК молекула свързва точно определена аминокиселина. Благодарение на наличието на анти-кодон в състава си, отделните тРНК-и се свързват с иРНК в точно определен ред, внасяйки в нарастващата верига на белтъка точната аминокиселина. Например тРНК за лизин има антикодон ААГ, който се свързва с УУЦ от иРНК. Този сложен процес на разчитане на инструкциите и синтез на белтъчната верига, наречен още транслация (от анг. превод), се извършва в рибозомите.

Фабрики за белтъци

Рибозомите представляват фабриките за белтъци. Те са изградени от нуклеинови киселини, т. нар. рибозомни РНК (рРНК) и белтъчни молекули. Всяка рибозома се състои от две части, наречени още субединици. При човека, малката субединица на рибозомата е изградена от една молекула рРНК и 23 белтъка, а голямата - от 3 рРНК и 46 белтъчни молекули.

Ролята на рРНК и белтъците в състава на рибозомите е да свързват и стабилизират иРНК, носеща инструкциите за синтез, да разчитат сигналите за начало и край на "рецептата", да насочват тРНК и да помагат за свързването им на правилното място върху иРНК, да катализират навързването на аминокиселините и нарастването на белтъчната молекула. Координирането на всички тези дейности води до правилното синтезиране на белтъчни молекули, необходими за нормалното протичане на жизнените процеси в клетките на живите организми. Установено е, че рибозомите правят изключително малко "грешки в превода" - едва 1 на всеки 100 000 аминокиселини бива включена погрешно.

Нобеловите лауреати

Нобеловата награда за химия тази година бе присъдена на трима учени, Ада Йонат от Израел, Томас Щайц (САЩ) и Венкатраман Рамакришнан (Великобритания), за изясняване на атомната структура на сложните комплекси от РНК и белтъци, наречени рибозоми.

В продължение на повече от 20 години, Йонат разработва и усъвършенства метода за пречистване и кристализация на рибозомите. Създаването на перфектните кристали прави възможно използването на рентгено-структурен анализ за изясняване точната подредба на всички молекули и атоми в структурата на рибозомите. При рентгено-структурния анализ, се прави снимка на кристалите от изследваното вещество с помощта на рентгенови лъчи. Полученият рентгенографски образ представлява сложна плетеница от точки, всяка от които отразява точното разположение на атоми в молекулите на изследваното вещество, в случая клетъчните органели рибозоми.

Анализът на резултатите от рентгенографските изследвания на Йонат е изключително труден - той изисква идентифицирането на хилядите атоми, изграждащи молекулите РНК и белтък в състава на рибозомите, и изясняване на разположението им в три-измерното пространство. Създаването на математическите методи за извършването на този сложен анализ е заслуга на Рамакришнан и Щайц.

През 2000 година, благодарение на съвместните усилия, Щайц публикува точната "атомна карта" на голямата субединица на бактерията Haloarcula marismortui, а успуредно с него Йонат и Рамакришнан представят структурата на малката рибозомна субединица на микроорганизма Thermus thermophilus. Изясняването на атомната структура на рибозомите позволява на учените да разберат не само точната роля на всяка от молекулите, влизащи в състава им, била тя рРНК или белтък, но и механизма на процеса на транслация.

На езика на практиците

Работата на тазгодишните нобелови лауреати има не само научно значение. Важната роля на рибозомите за синтеза на белтъци ги прави удобна цел за лечение на различни болести. Така например, някои антибиотици избирателно блокират рибозомите в клетките на бактериите, без да засягат човешките рибозоми. Откритието на Йонат, Щайц и Рамакришнан, даде възможност за изясняване на механизма, по който действат различните антибиотици - някои от тях блокират тунела, в който се разполага нарастващата белтъчна молекула, други объркват превода на информацията като се намесват в свързването на иРНК и тРНК. Създаването на атомна карта на рибозомите дава надежда, за разработването на нови, още по-ефективни антибиотици, с по-малко странични ефекти. Предвид нарастващият проблем с резистентността на бактериите към старите антибиотци, възможността за "проектиране" на нови, по-ефективни анти-бактериални прерати е от ключово значение за медицината.