Испуг под микроскопом
Вы когда-нибудь задумывались, что заставляет наш организм понимать: пора бояться? Ночь. Вы слышите подозрительные звуки у себя в квартире. На кухне упала коробка. Сердце начинает биться быстрее, дыхание учащается, обостряется внимание – организм готов встретить опасность. Вот только откуда сердце, легкие и нервная система узнали, что в вашей кухне упала коробка? На этот вопрос найден ответ.
Адреналин как двигатель прогресса
10 декабря 2012 года по решению Шведской королевской академии наук Нобелевской премии по химии удостоились два американских исследователя – Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка. Своим открытием лауреаты приблизили нас еще на один шаг к пониманию собственного тела.
Диплом и чек на крупную сумму ученые получили за исследования рецепторов, отвечающих за реакцию организма на страх и стресс. Для того, чтобы не отстать от прогресса, предлагаем разобраться, в чем состоит суть открытия и как оно, скорее всего, изменит наш мир.
Человеческое тело состоит из миллиардов клеток, которые постоянно «общаются» между собой и с окружающей средой. «Чувствовать» внешний мир клетке помогают рецепторы – именно они сообщают ей об изменениях и необходимости адаптироваться к новым условиям. Все рецепторы имеют свое строение, по-своему передают сигнал клетке и потому, для удобства, разделяются по классам. Один из них – рецепторы, связанные с G-белком: серпентины или, как их еще называют, семиспиральные рецепторы.
Более тысячи серпентинов отвечают за зрение, обоняние, вкус, сердечный ритм, артериальное давление, переносимость боли, метаболизм глюкозы и другие физиологические процессы. На примере адренорецептора, регулирующего адреналин, Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка выяснили, как именно устроен процесс их работы.
Процесс действия адреналина на тело
Почему адреналин?
Во время Вьетнамской войны в Национальном институте здоровья молодому Роберту Лефковицу, мечтающему о кардиологии, поручили найти и выделить рецепторы, реагирующие на адреналин – стимулятор сердечных сокращений. Благодаря адреналину в момент встречи с опасностью наш организм получает установку «борись или беги», значительно увеличивая диапазон человеческих возможностей. Изменения в организме настолько разительны, что их невозможно проигнорировать. Но какие именно не связанные с внешней средой клетки получают информацию об опасности, чтобы потом отреагировать нужным образом?
До открытия Лефковица и Кобилки ученые довольствовались лишь предположениями, что клетки обладают некими восприимчивыми к гормонам адреналина частями. У Лефковица изучение β-адренорецептора затянулось на десять лет, в течение которых он исследовал процесс передачи сигнала от гормона к клетке. В итоге ученый получил полное представление о процессе и собрал данные об изменении метаболизма клетки под воздействием адреналина. За время исследования лауреат успел поработать в массачусетской больнице общего типа, получил должность адъюнт-профессора медицины и старшего преподавателя биохимии в Больнице университета Дьюка, а также звания профессора медицины и биохимии, после чего работал исследователем в Американской ассоциации сердца и позже стал сотрудником Медицинского института Говарда Хьюза.
Процесс передачи сигнала снаружи клетки вовнутрь.
«Когда мы начинали, про рецепторы вообще не было ничего известно… А сейчас, наверное, кто-то может сказать, что самые главные достижения я уже сделал, но, я считаю, это еще не решено. Я вполне активно работаю»
Роберт Лефковиц, 2009 год
Новую жизнь в исследование рецепторов вдохнул кристаллограф Брайан Кобилка, устроившийся работать под руководством Лефковица в университет Дьюка. Механизм работы адреналина заинтересовал ученого после работы в реанимации, где некоторых пациентов, благодаря инъекции гормона, удавалось буквально вернуть к жизни.
Совместными усилиями Лефковиц и Кобилка выявили ген, который кодирует адренорецептор, после чего они получили ключ к механизму работы самого рецептора. Исследователям удалось установить, что адренорецептор имеет семь белковых спиралей, которые пронизывают клеточную мембрану. Столько же спиралей имеет расположенный в клетках глаз родопсин, благодаря которому мы реагируем на свет. Позже ученые поняли, что подобным семиспиральным строением обладает большинство известных клеточных рецепторов, и все они связаны с G-белками, а значит и работают по тому механизму, который описала лаборатория Лефковица. С помощью этого биохимического процесса наши клетки взаимодействуют между собой, а мы обладаем всеми пятью видами чувств.
После Нобеля
Грандиозное фундаментальное открытие ученых увенчалось не менее значимым открытием Кобилки в 2011 году. После выделения гена Кобилка перебрался в Стенфордский университет на медицинский факультет, где он работает по сей день, чтобы определить структуру рецептора. Для многих эта цель казалась недостижимой, но ученому всё же удалось «сфотографировать» адренорецептор в момент взаимодействия с гормоном и отправки сигнала в клетку. Кобилка зафиксировал рецептор в его активном состоянии, что в дальнейшем поможет получить структуру рецепторов в активной форме.
β-Адренергический рецептор при активации изменяет форму
«Я считаю, что выбор Нобелевского комитета более чем правильный. Это два гениальных биохимика, которые длительное время работают в области молекулярной эндокринологии, изучая тонкие молекулярные механизмы рецепции гормонов и передачи гормонального сигнала в клетку.
Стоит особо подчеркнуть, что они получили Нобелевскую премию по химии, хотя это работа выполнялась на стыке наук – биохимии, молекулярной биологии, биофизики, фармакологии, и она не в меньшей степени могла бы стать Нобелевской премией по биологии и медицине»
Доктор биологических наук зав. лаборатории молекулярной эндокринологии Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН А.О. Шпаков
Разумеется, открытие ученых оказало определенное влияние на фармацевтическую промышленность: сегодня около 60% всех известных лекарств действуют на организм человека через рецепторы, сопряженные с G-белками. Исследование учёных раскрыло главные принципы работы этих рецепторов, открыв путь к усовершенствованию лекарств. Предполагается, что в будущем лекарства станут более эффективными и будут подбираться согласно генетической информации конкретного человека, исключая побочные эффекты. Ко всему прочему, изучение работы семиспиральных рецепторов крайне важно для понимания процессов, приводящих к развитию раковых опухолей.