Рис. 1. А – строение убиквитина в виде шаро-стержневой модели (серым цветом выделены атомы С, красным цветом – О, синим цветом – N), атомы водорода не показаны.
Рис. 1. Б – третичная структура убиквитинаНесмотря на то, что убиквитин находили во многих клетках живых организмов, и строение его было установлено, роль его в биохимических процессах была не ясна. Широко известным этот белок стал благодаря совместной работе биохимиков И.Роуза (США), А.Хершко (Израиль) и А.Кичановера (Израиль) (Нобелевская премия по химии, 2004)
Механизм синтеза белков в живом организме с участием нуклеиновых кислот за многие десятилетия детально исследован, он протекает внутри своеобразного биокомплекса – белкового образования, называемого рибосомой. По существу, это небольшая фабрика для сборки белковых молекул из аминокислот по строго определенной.
Интерес к процессам сборки белковых молекул оттеснил на задний план выяснение того, как происходит их демонтаж. Изучено было лишь разрушение так называемых внеклеточных белков, например, поступающих в организм с пищей, при этом было установлено, что белки, усваиваемые в пищеварительном тракте (совместно с другими продуктами питания) поставляют энергию, необходимую для существования организма. Что же касается белков, возникающих и работающих внутри живой клетки, то механизм их уничтожения был мало интересен.
Тем не менее, в живом организме есть хорошо отлаженные процессы расщепления белков на малые фрагменты, из которых организм затем вновь собирает в рибосоме другие нужные ему белки. Срок жизни белков в организме определяется их ролью, например, белки, входящие в состав хрусталика глаза, сохраняются неизменными в течение десятилетий, другие нужны организму в течение нескольких минут, чтобы запустить нужный процесс, после чего они должны быть разрушены, иначе их действие окажется губительным. Время жизни свыше 20% белков в организме – от нескольких часов до нескольких дней.
Когда начались исследования (около 30 лет назад), о процессах разрушения белков внутри клетки было известно немного. Если фабрика по производству белков – это рибосома, то фабрику, разрушающую белки, называют протеасомой, (так же, как и рибосома, она представляет собой специальное белковое образование – биологический комплекс в виде емкости цилиндрической формы, собранной из колец). Внутри расположен канал, на поверхности которого находятся активные центры, расщепляющие белки (рис. 2). Снаружи этот канал закрыт торцевыми подвижными крышками.
Рис. 2. ПРОТЕАСОМА. А – схематическое изображение, сферы условно обозначают молекулы белков, составляющих протеасому. Б – внутреннее строение протеасомы, желтыми точками показаны активные центры, расщепляющие белки.В каждой клетке находится несколько тысяч протеасом, и все они предназначены для расщепления белка.
Долгое время считалось, что попасть белковой молекуле в этот «утилизирующий контейнер» довольно просто, но тогда любой белок, в том числе и нужный, попавший во «чрево» протеасомы, уничтожался бы. Тем не менее, было неясно, почему туда попадает не любой, а строго определенный белок, именно тот, который следует утилизировать.
Процессы расщепления белков в пищеварительном тракте (вместе с остальными продуктами) протекают с выделением энергии. Начав изучать процессы разрушения внутриклеточных белков, Кичановер, Хершко и Роуз обратили внимание на то, что при расщеплении белков в клетке энергия не выделяется, а поглощается. Об этом свидетельствовало то, что демонтаж клеточных белков протекал только в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ, вещество, представляющее собой универсальный источник энергии для всех биохимических процессов), а в отсутствии АТФ расщепления не было. Результаты этих экспериментов сначала не привлекли внимания, но именно эти опыты привели к последующим широкомасштабным исследованиям. Было проведено детальное изучение этого явления и установлено, что белки в клетке разрушаются в присутствии еще одного белка, обладающего высокой активностью. Оказалось, что это уже известный белок убиквитин, который был изучен, но роль его в биохимических процессах была неясна.
Было установлено, что решающая стадия в процессе утилизации белков – присоединение убиквитина к тому белку, который нужно уничтожить. Кроме того, обнаружилось, что вход в протеасому обычно закрыт, и попасть в нее может только белок, отмеченный специальной меткой, в этом случае вход в протеасому открывается. Роль такой «черной» метки играет убиквитин. Этот процесс прикрепления убиквитина к молекуле белка, подлежащего ликвидации, авторы назвали «поцелуем смерти».
Входя в протеасому, полимерная цепь уничтожаемого белка разворачивается и «протягивается» через центральный канал цилиндра, при этом она гидролизуется и распадается на мелкие звенья (иногда вплоть до отдельных аминокислот), которые выводятся из противоположного отверстия протеасомы. Сам убиквитин внутрь протеасомы не заходит, а после уничтожения отмеченной молекулы освобождается и начинает метить другую молекулу.
Этот процесс выглядит еще эффектнее, если учесть, что в некоторых случаях к уничтожаемому белку присоединяется не одиночная молекула убиквитина, а сразу несколько молекул, связанные между собой, как бусины на нитке (рис. 3).
Рис. 3Перед присоединением к белку, который следует устранить, убиквитин активируется с помощью специального фермента (биологического катализатора), именно на этой стадии требуется затрата дополнительной энергии, ее поставляет АТФ. Таким образом, получил объяснение тот факт, с которого и началось изучение всего этого механизма.
Результаты проведенных исследований позволили понять некоторые неразгаданные ранее особенности развития живых организмов. Например, растения в цветке содержат как отцовские клетки (пыльца), так и материнские (расположены в пестике цветка). Поскольку они рядом, то, казалось бы, самоопыление неизбежно, а это должно приводить к генетическому вырождению и вымиранию вида. Оказалось, что убиквитин помечает белки собственной пыльцы, что приводит к их уничтожению, а пыльца, попавшая в цветок в результате перекрестного опыления, убиквитином не затрагивается.
В процессе деления клетки ее ДНК удваиваются, все это время специальный белок наподобие шнура удерживает рядом друг с другом удваивающуюся пару. После удвоения молекулы ДНК должны разойтись, следовательно, белок, удерживающий их вместе, должен быть уничтожен, иначе процесс дальнейшего развития остановится. В этот момент включается убиквитин, ответственный за удаление ненужных белков.
Схема некоторых биохимических процессов напоминает работу устройств с взаимотормозящими противовесами. В иммунных клетках организма есть белок, включающий действие иммунной системы, уничтожающей проникший в клетку вирус. В нормальном состоянии действие этого белка заторможено другим белком – ингибитором (замедлитель). Если в клетку попадает вирус, то активизируется убиквитин, который начинает метить белок-ингибитор, уничтожение ингибитора ведет к тому, что вступает в действие заторможенный ранее белок, запускающий иммунную систему, в результате вирус уничтожается.
Разработанный убиквитиновый механизм открывает новые перспективы в борьбе с различными заболеваниями. Образование злокачественных образований или ослабление иммунной системы клетки связаны с нарушением убиквитиновой защиты клетки от нежелательных белков. Процессы ненормального или неправильного расщепления белков приводят ко многим заболеваниям (например, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, некоторые онкологические заболевания) и связаны с процессами старения организма. Изученный механизм убиквитиновой защиты открывает возможность поиска различных воздействий на этот механизм, чтобы запускать его в нужную сторону. Например, затормозить действие убиквитина можно, снизив концентрацию АТФ, поставляющего энергию, необходимую для протекания процесса. По существу, это использование того эффекта, с открытия которого начались исследования. Возможны и другие способы воздействия на процесс. Сейчас ведутся интенсивные разработки различных лекарственных препаратов, основанные на понимании механизма убиквитиновой защиты. В 2004 в США было начато производство первого такого препарата – антиракового средства Velcade. Другое реализованное применение – создан надежный тест на бесплодие мужчин, использующий анализ на присутствие убиквитина.
Михаил Левицкий
Ferber, S. and Ciechanover, A. Role of Arginine-tRNA in Protein Degradation by the Ubiquitin Pathway. Nature 1987
Ganoth D., Bornstein G., Ko T.K., Larsen B., Tyers M., Pagano M. and Hershko A. Nature Cell Biol, 2001
