Содержание статьи
    Также по теме

    УБИКВИТИН

    УБИКВИТИН (от лат. ubique – вездесущий) – белок, присутствующий в клетках живого организма, открыт в 1970-х американским биохимиком Г.Голдстейном. Молекулы этого белка собраны из 76 аминокислотных остатков, его молекулярная масса сравнительно невелика, немногим более 8 тыс., он стабилен и участие в различных биохимических процессах не приводит к изменению его структуры. На рис.1 показано его строение в виде шаро-стержневой модели (А), а также его третичная структура (см. БЕЛКИ), т.е. упаковка отдельных участков цепи (Б). Он содержит одно спиральное образование (альфа-спираль) и четыре плоских ленты (бета-структуры).

          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 убиквитина

    Несмотря 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. 3

    Перед 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.