Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
Открытие Сазерленда перекинуло мост между физиологией и цитологией. Возникло новое направление в исследовании конкретных механизмов регуляции — от уровня организма до клеточного и молекулярного уровней. Оказалось, что полученные данные имеют большое значение для медицины, так как позволяют выявить взаимосвязь ряда заболеваний с нарушениями в ферментативном комплексе, который осуществляет синтез и разложение цАМФ.
Эрл Сазерленд, положивший начало этому новому направлению в науке, был удостоен в 1971 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине за исследования механизма действия гормонов.
Большие успехи в молекулярной биологии не должны создавать впечатление, что с гормонами теперь полная ясность. Известны вещества, функции которых до конца не выяснены, и, кроме того, еще далеко не все гормоны открыты. В этом отношении особенно показателен пример с простагландинами.
В 1936 г. известный шведский ученый Ульф фон Эйлер обнаружил в семенной жидкости человека новый тип биомолекул. Считая, что они выделяются предстательной железой, он назвал их простагландинами. В дальнейшем выяснилось, что их источником являются семенные каналы, но название уже утвердилось. Этими соединениями заинтересовался молодой шведский биохимик Суне Бергстрём. Он приступил к исследованиям и в 50-е годы в числе других ученых определил структуру простагландинов. Оказалось, что это производные арахидоновой кислоты, которая является одним из незаменимых веществ в пище. Используя метод меченых атомов, в начале 60-х годов Бергстрём вместе со своим молодым сотрудником Бенгтом Самуэльссоном путем синтезирования простагландинов получили окончательные доказательства.
Удачно используя хроматографию, Бергстрём выделил различные простагландины. В дальнейшем Самуэльссон, продолжив работу, показал механизм их действия. Простагландины были открыты во всех тканях и клетках животных организмов, в связи с чем в обиход вошел термин «тканевые гормоны». Характер их действия оказался довольно-таки разнообразным. Простагландины вызывают сокращение гладкой мускулатуры и участвуют в регулировании кровяного давления, в работе дыхательной системы, некоторых желез внутренней секреции, в свертывании крови, а также влияют на процесс беременности. Последнее обстоятельство создало возможность для использования простагландинов в качестве противозачаточного средства, их детальные исследования значительно расширили возможности клиницистов в борьбе с различными заболеваниями.
Среди ученых, занимавшихся исследованием простагландинов, был и английский биохимик Джон Вейн. Он пришел к их изучению в поисках механизма лечебного действия аспирина и других подобных веществ. Ацетилсалициловая кислота, известная под торговым названием «аспирин», производится как лекарство с 1876 г. и лишь спустя 95 лет Джон Вейн выяснил механизм действия этого универсального лекарства. Оказалось, что аспирин блокирует синтез ряда вредно действующих на организм простагландинов, чем и объясняется его антивоспалительное действие. В связи с большой распространенностью простагландинов в организме человека аспирин оказался универсальным средством, способствующим улучшению физиологического состояния организма.
Проводившиеся в течение почти 50 лет исследования простагландинов привлекли наконец внимание экспертов из Каролинского института, которые присудили в 1982 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине своим коллегам по институту С. Бергстрёму и Б. Самуэльссону. Награду с ними разделил Дж. Вейн из Британского медицинского фонда Веллкам. В последнее десятилетие на основе тканевых гормонов были созданы медикаменты для облегчения родов и лечения тромбозов, артритов, гипертонии, язвы и многих других болезней. С простагландинами специалисты связывают надежды на дальнейшие успехи медицины.
Клеточная машина
К 50-м годам было установлено, что живая клетка представляет собой совершенную «машину» с исключительно сложной структурой, в которой одновременно происходят тысячи реакций разложения и синтеза, разрушения и созидания, благодаря чему поддерживается структура живой материи. Особый вклад в изучение клетки внесли Джордж Эмиль Паладе из Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке, Кристиан Рене Де Дюв из того же института и Альбер Клод из Брюссельского университета. Общим в их работе является то, что все они отдавали предпочтение методу дифференциального центрифугирования.
Ультрацентрифугу изобрел Теодор Сведберг для проведения исследований в коллоидной химии. Клеточные гомогенаты, с которыми работают биохимики, также относятся к коллоидным растворам, и многие биологи сразу же стали использовать метод центрифугирования. Однако длительное время не удавалось получить удовлетворительных результатов. Метод дифференциального центрифугирования был создай трудом большого числа ученых, среди которых ведущую роль играл Альбер Клод.
Суть метода проста. Клеточный гомогенат, представляющий собой смесь различных компонентов клетки, подвергается последовательному центрифугированию с увеличением числа оборотов. Таким образом создается искусственная гравитация, под действием которой из коллоидного раствора последовательно осаждаются все более легкие частицы. Ускорение, характеризующее вес частицы, измеряется в единицах «сведберг» и обозначается буквой S. Вначале осаждаются неразрушенные клетки. Жидкость переливается в другой сосуд, и центрифугирование продолжается таким же методом. Далее происходит последовательное выпадение в осадок крупных клеточных фрагментов, ядер, митохондрий, лизосом и рибосом. На каждом этапе А. Клод идентифицировал осаждаемые объекты, наблюдая их под микроскопом. Его исследования подтвердили, что с митохондриями связаны процессы окисления. Проведя биохимические эксперименты, он открыл в составе митохондрий некоторые из дыхательных ферментов.
Дальнейшее развитие метода дифференциального центрифугирования связано с именем Кристиана Де Дюва. Кульминацией его работы явилось открытие в 1963 г. лизосом. Это открытие в известной мере произошло случайно. Де Дюв и его сотрудники исследовали субклеточные фракции клеток печени крысы. Неожиданно в гомогенате было обнаружено резкое усиление ферментативной активности. Исследование этого феномена показало, что клетки имеют особые частицы, в которых содержатся ферменты, способные разлагать различные вещества. Разрыв лизосомы на части приводит к лизису (разрушению клеточных структур или самой клетки) — так в живых системах разрушается старое, чтобы дать место новому. Оказалось, что лизосомы есть практически во всех клетках и что они принимают самое деятельное участие в физиологических и патологических, процессах, происходящих в клетке. Возник самостоятельный раздел клеточной патологии, который занимается изучением дефектов в структуре и функции лизосом.
Выделение фракций, состоящих из все более мелких частиц, потребовало использования электронного микроскопа. С помощью этого прибора больших успехов добился Джордж Паладе. Он подробно изучил митохондрии и рибосомы, описал ультраструктуру митохондрий, в частности гребешки на внутренней мембране, названные его именем. Многие годы рибосомы, подробно исследованные им, назывались также «гранулами Паладе». Используя ультрацентрифугу, он выделял субклеточные частицы, после чего искал их в структуре самой клетки, чтобы увидеть эти частицы в первоначальном виде и установить их взаимодействие с другими клеточными органеллами,
Альбер Клод сделал свои крупные открытия еще в 40-е годы. Наиболее активный период в деятельности Паладе и Де Дюва приходится на 50-е. годы. В 1974 г. — с заметным опозданием — трое названные ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. Такая высокая оценка их труда Нобелевским комитетом при Каролинском институте была продиктована большой важностью исследований клетки, заменивших ныне классический биохимический эксперимент с гомогенными растворами. Эти исследования — свидетельство постепенного объединения биохимии с цитологией на уровне молекулярной биологии, когда химический состав и биологическая структура изучаются в комплексе. Именно в таком направлении видится, будущее развитие науки о жизни.
В истории физиологии отчетливо прослеживается постепенный переход от исследований животных как целого к исследованиям тканей и экстрактов из них. С одной стороны, это позволило детально изучить процессы обмена веществ, а с другой — привело к потере связи между структурой и функцией. Лишь в 50—60-е годы, с развитием современных методов исследования, физиологию клетки начали связывать с функциями субклеточных структур. Особенно большие успехи были достигнуты в изучении синтеза белковых веществ, осуществляемого в рибосомах по команде ДНК с помощью различных видов РНК. Теперь предстоит установить, где именно в клетке возникают и другие химические вещества. В настоящее время более значительных успехов удалось добиться в изучении их синтеза.
