Twoja wyszukiwarka

MAGDALENA FIKUS
MOLEKULARNE ADRESY
Wiedza i Życie nr 3/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/2000

Jak to się dzieje, że miliony różnych białek, uczestniczących w procesach komórkowych, trafiają we właściwym czasie tam, gdzie są niezbędne? Odpowiedź na to pytanie warta jest Nagrody Nobla.

Gdy w latach sześćdziesiątych analizowano strukturę komórki za pomocą mikroskopu elektronowego, stwierdzono, że nowo powstające białka przemieszczają się do różnych przedziałów komórkowych. Nie wiedziano jednak, jaki jest mechanizm tego zjawiska. Jednym z badaczy, który odpowiedział na to pytanie, jest Günter Blobel, ubiegłoroczny laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny.

W każdej naszej komórce jednocześnie istnieje i działa około miliarda różnych cząsteczek białek. Pełnią one wszystkie zadania umożliwiające życie i rozmnażanie . Tysiące różnorodnych procesów chemicznych przebiegających jednocześnie powodowałyby z pewnością ogromny chaos. Jednak organizmy bardziej złożone niż bakterie wytworzyły w komórkach przedziały porządkujące przebieg reakcji. Przestrzenie te, ograniczone błonami, zajmują prawie połowę wnętrza komórki. Nazwano je organellami.

Ich powstanie zrodziło jednak nowy problem: jak dostarczyć białka syntetyzowane w rybosomach obrębie cytoplazmy, do odpowiedniego przedziału komórki. Białko powinno np. trafić do jądra, jeżeli jego funkcja wiąże się z utrzymaniem w dobrej kondycji materiału genetycznego, zaś do mitochondrium, jeśli uczestniczy w gromadzeniu i wytwarzaniu energii. Jeżeli ma odbierać fizyczne i chemiczne bodźce z otoczenia musi dotrzeć do błony cytoplazmatycznej otaczającej komórkę, a do siateczki śródplazmatycznej jeśli uczestniczy w syntezie innych białek. Może być również wyeksportowane z komórki (jak np. białkowe hormony do krwiobiegu). W każdym z przypadków białko musi przedostać się przez błonę cytoplazmatyczną. Błony, zbudowane w głównej mierze z tłuszczów, są dla białek nieprzepuszczalne. Jak więc białka przekraczają te liczne bariery?

Günter Blobel, próbując na nie odpowiedzieć, postawił niezwykle odważną na owe czasy hipotezę, że w strukturze samego białka zawarta jest informacja o miejscu jego przeznaczenia. Różne białka, składające się z kilkudziesięciu do kilku tysięcy aminokwasów, kierowane są do odpowiednich miejsc dzięki temu, że mają w swojej strukturze odcinek 20-60 aminokwasów, nazwany peptydem sygnałowym. Odcinek ten, gdy spełni swoją funkcję "adresową", jest zazwyczaj z białka usuwany.

Miliony białek uczestniczą w procesach metabolicznych, przebiegających jednocześnie w różnych przedziałach komórki (a - jądro, b - siateczka śródplazmatyczna, c - chloroplast, d - peroksyzom, e - mitochondrium, f - aparat Golgiego). Dzięki istnieniu w strukturze białek krótkich "sygnałów adresowych" trafiają one we właściwe miejsca i mogą przechodzić przez błony komórkowe

Przechodząc przez błony innych niż jądro organelli, a także wychodząc z komórki, białko korzysta ze specjalnych kanałów, do których doprowadzane jest przez swoiste białowe "lokomotywy"; dotarcie do kanału jest jednocześnie sygnałem do jego otwarcia. Aby przecisnąć się przez wąski kanał o średnicy około 2 nm, białko musi utracić jakąkolwiek strukturę przestrzenną. Przy asyście tzw. białek opiekuńczych dochodzi do przesunięcia rozwiniętej, liniowej cząsteczki przez kanał. Następnie łańcuch aminokwasów ponowne fałduje się, tworząc funkcjonalną strukturę. Po przejściu białka przez błonę kanał się zamyka, a odpowiedni enzym odcina peptyd sygnałowy. Ten sam kanał może także służyć jako miejsce zakotwiczenia w błonie białek stanowiących jej integralne składniki. Kanały tego typu odkryto w siateczce śródplazmatycznej, w błonach mitochondriów i chloroplastów, wreszcie w błonach otaczających komórki bakterii.

Przez dwadzieścia lat Blobel i współpracownicy badali ten proces szczegółowo, dzięki czemu okazało się, że jest on wspólny dla wszystkich żywych komórek, od bakterii do roślin, zwierząt i ludzi. Musiał zatem zostać "wynaleziony" przez ewolucję bardzo wcześnie.

W 1980 roku Blobel ogłosił jeszcze bardziej uogólnioną hipotezę: wszystkie "adresy" do wszystkich przedziałów komórkowych są zapisane przez odpowiednią kolejność aminokwasów danego białka: w jego końcówkach, a czasem nawet wewnątrz cząsteczki. Przyszły noblista rozpoczął wówczas intensywne doświadczenia dotyczące szczegółów transportu białek, których "adresem docelowym" jest jądro komórki. Tymczasem w innych laboratoriach stopniowo potwierdzano jego hipotezę w odniesieniu do innych przedziałów komórkowych.

Odkrycia Blobla mają ogromne znaczenie praktyczne dla medycyny. Pozwoliły poznać mechanizmy wielu chorób i zaburzeń związanych z niewłaściwą lokalizacją białek w komórce: dotyczy to np. mukowiscydozy (zaleganie śluzu w układzie oddechowym, spowodowane nieprawidłową budową białka uczestniczącego w transporcie jonów chlorkowych przez błony), rodzinnej hipercholesterolemii (znacznie podwyższony poziom cholesterolu, miażdżyca wywołana brakiem lub niewłaściwą lokalizacją błonowego receptora cholesterolu), hiperoksalurii (wczesne tworzenie kamieni nerkowych).

Białka tego typu powstają w rybosomach związanych z siateczką śródplazmatyczną (tzw. szorstka siateczka śródplazmatyczna). Nowo powstające białko wyposażone jest w sekwencję sygnałową, która kieruje rybosom do kanału w błonie siateczki śródplazmatycznej. Ta sama sekwencja umożliwia białku przejście przez kanał, po czym jest odcinana przez specjalny enzym

W przyszłości wiedza o mechanizmach wewnątrzkomórkowego transportu białek będzie mogła być wykorzystana do kierowania leczniczych białek do wybranych przedziałów komórek pacjenta. Z prac Blobla skorzystali już teraz biotechnolodzy, wytwarzający na skalę przemysłową rozmaite białka w bakteriach i drożdżach. Można dodać do nich peptydy sygnałowe, zmuszając w ten sposób komórkę do wysłania wytwarzanego białka poza jej obręb. Ten sposób podwyższa jego trwałość, a także znacznie ułatwia proces oczyszczania.

Nagrodę (w zeszłym roku było to 960 tys. dolarów) Blobel przeznaczył na odbudowę barokowego kościoła Frauenkirche w Dreźnie, zniszczonego w wyniku amerykańskich nalotów oraz drezdeńskiej synagogi spalonej przez nazistów.

Mam nadzieję - powiedział Günter Blobel w jednym z pierwszych wywiadów po otrzymaniu nagrody - że Nobel nie wpłynie na moje możliwości dalszej pracy. Odkrywanie mechanizmów transportu białek w komórce jest zadaniem niezwykle ekscytującym. Może uda mi się jakoś obronić moją pracę i moją prywatność.

Günter Blobel urodził się 21 maja 1936 roku w Waltersdorf na Śląsku (dziś są to Niegosławice koło Zielonej Góry). Po ukończeniu Eberhard-Karls Universität w Tybindze wyjechał do USA, gdzie na University of Wisconsin-Madison obronił doktorat z onkologii. W 1967 roku rozpoczął pracę w laboratorium George'a Palada (również przyszłego noblisty) na Rockefeller University w Nowym Jorku. Swoją dalszą karierę trwale związał z tą właśnie uczelnią. Dziś piastuje tam tytuł profesora. W 1999 roku otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie, że białka niosą wewnętrzne sygnały, które decydują o ich transporcie i lokalizacji.

Rola białek w organizmie

Białka odpowiadają za wszystkie cechy komórek i całych organizmów, pełniąc rolę:

  • enzymów przyspieszają przebieg wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w komórce,
  • materiałów strukturotwórczych utrzymują określone kształty komórek,
  • materiałów motorycznych decydują o ruchach komórek i tkanek,
  • materiałów zapasowych uczestniczą w przechowywaniu innych cząsteczek lub jonów,
  • cząsteczek sygnałowych, np. powiadamiają o stężeniu różnych substancji w organizmie,
  • cząsteczek, które oddziałując z DNA, regulują aktywność genów,
  • molekularnych "czujników" (receptorów), odbierających sygnały zewnętrzne i przekazujących je do wnętrza komórki, co wywołuje właściwą odpowiedź.