Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

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.