Hadiah Nobel dalam Kimia - 2012 • Vera Bashmakova, Alexey Paevsky • Berita Sains mengenai "Unsur" • Hadiah Nobel, Crystallography, Kimia, Biologi Molekul

Hadiah Nobel dalam Kimia – 2012

Pemenang Hadiah Nobel dalam bidang kimia pada tahun 2012, Robert Lefkowitz (Robert Joseph Lefkowitz) dan Brian Kobilka (Brian Kobilka). Gambar dari laman web dukecheck.com dan www.zimbio.com

Pada hari Rabu, 10 Oktober, Jawatankuasa Nobel mengumumkan Hadiah Nobel dalam Kimia. Mereka adalah orang-orang Amerika Robert Lefkowitz (Robert Joseph Lefkowitz) dan Brian Kobilka (Brian Kobilka) – untuk kerja-kerja kajian reseptor digabungkan dengan G-protein (atau hemi-spiral reseptors). Ia mungkin kelihatan sebagai orang yang tidak tahu bahawa hadiah diberikan untuk beberapa penyelidikan yang sangat sempit, tetapi terima kasih kepada molekul unik ini, tujuh koil protein menembusi membran sel, kita dapat merasakan, merespon rangsangan luar dan banyak lagi.

Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 2012 telah dianugerahkan untuk kali ke-104. Tidak ada pemenang dalam pencalonan ini pada tahun 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940-1942. Lefkowitz dan Kobilka menjadi pencari Nobel ke-161 dan 162 dalam pencalonan ini. Frederick Sanger adalah satu-satunya orang dalam sejarah yang telah memenangi hadiah kimia dua kali (1958 dan 1980).

Daripada 104 hadiah dalam bidang kimia, 63 telah dimenangi oleh seorang pemenang, 23 dibahagikan antara dua orang pemenang, 18 – antara tiga.

Umur rata-rata pemenang dalam bidang kimia adalah berusia 57 tahun, yang termuda adalah Frederick Joliot, yang menerima anugerah pada umur 35 tahun (1935), yang tertua adalah John Fenn: pada masa keputusan itu, jawatankuasa Nobel berusia 85 tahun (2002 anugerah).Terdapat empat wanita di kalangan pemenang, dua daripada mereka ibu dan anak perempuan. Ini adalah Maria Sklodowska-Curie (Hadiah Kimia 1911 dan 1903 Hadiah Fizik) dan Irene Joliot-Curie (1935 Hadiah), pasangan pemenang termuda dalam bidang kimia. Dua lagi adalah Dorothy Crowfoot-Hodgkin (1964) dan Ada Jonath (2009).

Selain Frederick Senger dan Marie Curie yang telah disebutkan, di kalangan Nobel dalam Kimia, terdapat satu lagi "pemenang dua kali" – Linus Pauling, sebagai tambahan kepada Hadiah Kimia pada tahun 1954 dan juga Hadiah Nobel Keamanan pada tahun 1962.

Pilihan tahun ini mengesahkan dua trend yang berkaitan dengan Hadiah Nobel dalam Kimia. Pertama, seperti biasa, mereka yang pakar dan pembuat buku memanggil calon yang paling mungkin untuk hadiah itu tidak menerimanya. ("Nobel Kimia" dibersihkan oleh Louis Bruce – untuk titik-titik kuantum, Akira Fujishime – untuk mengetahui sifat-sifat baru titanium dioksida, Masatake Haruta dan Graham Hutschings – untuk sifat katalitik nanopartikel emas.) Ia akan menjadi kejayaan yang sama untuk memberikan hadiah dalam bidang fisiologi dan perubatan. Ini terbukti dengan pengkhususan kedua-dua pemenang: Robert Lefkowitz mempunyai diploma kardiologi, dan Brian Kobilka adalah lulusan Sekolah Yale Perubatan.Di samping itu, bagi penemuan dan kajian protein G sendiri, Hadiah Nobel dianugerahkan hanya dalam fisiologi atau perubatan (ia diterima pada tahun 1994 oleh Alfred Gilman dan Martin Rodbell).

Robert Lefkowitz (Robert Lefkowitz) Lahir pada tahun 1943 di New York dalam keluarga imigran Yahudi dari Poland. Pada tahun 1962, beliau menerima ijazah sarjana seni dari Columbia College di Columbia University di New York, dan pada tahun 1966 menerima ijazah perubatan dari Kolej Terapi dan Pembedahan Am di universiti yang sama. Dari tahun 1968 hingga 1970, beliau bekerja di Institut Kesihatan Nasional, kemudian datang ke Massachusetts General Hospital di Boston (MGH). C 1973 – di Duke University, selari pada tahun 1973-1976, beliau memegang jawatan penyelidik di Persatuan Jantung Amerika (American Heart Association), dari tahun 1976 – seorang penyelidik di Institut Perubatan Howard Hughes. Makmal Lefkowitz semasa (Lefkowitz Lab) "berasaskan" di Duke University. Pada tahun 2007 beliau dianugerahkan Pingat Kebangsaan Sains (Pingat Kebangsaan), yang dianugerahkan oleh Presiden Amerika Syarikat. Pada tahun yang sama beliau dianugerahi "Asian Nobel" – anugerah Show (Shaw Prize).

Brian Kobilka Dilahirkan pada tahun 1955 di negeri Minnesota menjadi sebuah keluarga dengan akar Jerman-Poland. Beliau menerima ijazah sarjana muda dalam bidang biologi dan kimia dari University of Minnesota, kemudian ijazah perubatan (MD) dari Yale University School of Medicine.Beliau menamatkan latihan di University of Washington dan pergi bekerja sebagai postdoc dengan Lefkowitz. Dari tahun 1987 hingga 2003, beliau adalah seorang penyelidik di Institut Perubatan Howard Hughes. Lab Kobilka semasa berada di Stanford University. Pada tahun 2007 majalah itu Sains Dia menelefon penyelidikannya ke dalam struktur Argentina yang merupakan satu daripada kejayaan tahun ini.

Penyelidikan Lefkowitz bermula pada tahun 1968, ketika dia datang ke posisi seorang penyelidik dalam sistem Institut Kesihatan Nasional (NIH). Kerja-kerja beliau berkaitan dengan kajian reseptor untuk hormon adrenokortikotropik (ACTH).

Penasihat saintifik Lefkowitz akan menggunakan ligan yang dilabel secara radioaktif (molekul yang reseptor akan bertindak balas) dalam eksperimen: molekul bercahaya, "melekat" pada reseptor, sepatutnya menunjukkan kedudukannya.

Ia adalah rancangan yang indah; tetapi Lefkowitz gagal menyedarinya. Sekarang kita faham betapa sukarnya: terdapat beberapa reseptor, dan mereka tidak digali ke dalam membran, tetapi terapung di sepanjang itu. Dua tahun kemudian, eksperimen tanpa hasil dengan hormon adrenokortikotropik dan penerima reseptor Lefkowitz bagaimanapun berjaya mencapai kejayaan, walaupun tidak banyak yang dia harapkan: ia mengembangkan satu teknik untuk pengiraan yang sangat tepat terhadap kepekatan hormon asal dalam plasma menggunakan hormon radio.(Lefkowitz RJ, Roth J, Pastan I, 1970. Radioreceptor menguji hormon adrenokortikotropik: pendekatan baru kepada hormon polipeptida dalam plasma).

Selepas itu, Lefkowitz telah dijemput untuk bekerja di Duke University. Dia menjaringkan satu pasukan dan menukar perhatiannya dari ACTH ke adrenalin dan reseptornya. Dalam bidang ini, dia membuat penemuan utamanya.

Harus diingat bahawa pada masa itu banyak sudah diketahui tentang reseptor. Sebagai contoh, pada tahun 1960-an, didapati bahawa tindakan adrenalin pada sel dikawal oleh jenis protein khas – protein G (mereka dinamakan demikian kerana mereka mampu menghidrolisis guanosine triphosphate – GTP).

Dengan kata lain, reseptor itu dalam beberapa cara mengikat kepada adrenalin itu dalam beberapa cara menjejaskan protein G, yang dalam beberapa cara menyebabkan beberapa jenis cascade tindak balas dalam sel. Soalan utama di sini ialah – dalam apa cara Semua ini berlaku, dan tidak ada jawapan kepada soalan ini. Dalam dunia saintifik, pelbagai teori telah digunakan untuk menjelaskan kerja reseptor, sehingga kepada yang paling liar: sebagai contoh, tiada reseptor dan adrenalin itu entah bagaimana berjaya menembusi di dalam sel dan mengubah metabolismenya.

Jadi Lefkowitz dan pasukannya mula menjelajah reseptor adrenal. Dalam perkhidmatan mereka mempunyai yang baruKaedah yang dibangunkan oleh Lefkowitz untuk menghitung kepekatan hormon secara tepat, dan dalam bidang penyelidikan ini, pengetahuan kepekatan yang tepat adalah separuh pertempuran. Selama bertahun-tahun, saintis telah menurunkan adrenalin atau analognya pada sel atau ekstrak sel; rasio kepekatan pelbagai bahan telah diukur dengan sungguh-sungguh; pengiraan termodinamik dikira; menyelidik interaksi protein. (Pada masa ini, terdapat dua jenis reseptor adrenalin, α dan β, dan lebih daripada itu, setiap jenis ini terdiri daripada beberapa subtipe; pasukan Lefkowitz bekerja terutamanya dengan β-adrenoreceptors). Dan sekarang, selepas satu dekad percubaan monoton, pada tahun 1980, para penyelidik akhirnya berjaya mengembangkan teori fungsi reseptor G-protein yang digabungkan dengan semua data yang diperoleh. Teori ini (dalam erti kata moden) adalah seperti berikut.

Adrenoreceptor mengapung dalam membran sel. Di bahagian dalam membran, protein G yang terdiri daripada tiga subunit – α, β dan γ – dan dikaitkan dengan molekul guanosine diphosphate (GDP) dilekatkan lemah (atau tidak dilampirkan sama sekali).Selagi molekul adrenalin tidak duduk di reseptor di luar, ia mesti benar-benar aman dan tidak berbahaya.

Tetapi adalah bernilai reseptor untuk bertemu dengan adrenalin, kerana ia bermula dengan penyelarasan konformasi yang rumit, menyebabkan pematuhan pertama protein G-kuat, dan kemudian pengaktifan dan pemisahannya. Pengaktifan protein G adalah di dalamnya, dari kejutan sedemikian, molekul guanosin diphosphat (GDP) digantikan oleh molekul ghososin trifosfat (GTP) dan ia berpecah menjadi dua bahagian – α-subunit yang disambungkan kepada GTP mengapung dalam satu arah dan β dipaut bersama dan γ – yang lain. Kita boleh mengatakan bahawa, setelah dihubungkan dengan ligan, molekul reseptor pada mulanya menarik protein G untuk dirinya sendiri, dan kemudian membawanya ke jauh sehingga protein ini jatuh ke kepingan.

Kedua-dua bahagian protein yang dihasilkan, setelah ditemui dengan molekul tertentu (banyak spesies molekul tersebut, dan mereka dipanggil mediator sekunder), menyebabkan pengaktifan mereka (atau, sebaliknya, penonaktifan, bergantung pada jenis pengantara), yang seterusnya membawa kepada satu atau lain reaksi yang mengubah metabolisme dan nasib sel secara amnya. Sub-subunit memainkan sebahagian besarnya dalam permainan ini, tetapi untuk dimer βγ aktiviti tertentu juga ditunjukkan.Oleh itu, lampiran satu molekul kecil kepada satu reseptor kecil boleh menyebabkan penyusunan semula sel gergasi.

Lebih-lebih lagi, perhatikan bagaimana fleksibel sistem ini: bergantung kepada pengantara sekunder yang berada di bawah tangan panas (atau apa itu?) Daripada bahagian protein yang bersamaan, cascades dalam sel boleh sama sekali berbeza.

Ya, tetapi apa yang berlaku di sebelah subunit G-protein? Mereka secara beransur-ansur "hidup semula." Subunit α lambat laun menghidrolisis GTP kepada KDNK; ia "mematikan" aktivitinya, dan dia "meletakkan" dengan βγ-dimer dan menyatukan semula dengannya. Selepas itu, seluruh G-protein yang berkaitan dengan GDP beralih ke beberapa penerima, yang mana ia mengalami pertalian yang mencukupi, dan bersambung dengannya. Sebagai peraturan, reseptor ini sudah diaktifkan oleh ligan (G-protein mempunyai pertalian tertinggi untuknya), dan keseluruhan cerita mengulangi lagi.

Ia adalah teori besar. Walaupun dia menjelaskan hanya kerja reseptor adrenalin, ia banyak. Tetapi ia hanya separuh daripada penemuan Nobel semasa. Bahagian kedua masih di hadapan.

Rajah. 1. Skim teori kompleks trigeminal. Imej dari www.nobelprize.org

Sekitar masa Lefkowitz mengemukakan teori ini (ia dikenali sebagai "teori kompleks trigeminal"), seorang postdoc muda bernama Brian Kobilka datang ke makmalnya. Lefkowitz hanya menetapkan tugasnya untuk mencari gen pengekodkan adrenoreceptor untuk mendapatkan protein ini dalam kuantiti yang banyak, untuk mengetahui bagaimana ia perlu dalam strukturnya dan memahami bagaimana ia mengikat kepada ligan, dengan itu menendang protein G dan pada umumnya – mengapa terapung di dalam membran.

Tugas ini bukan hanya bercita-cita tinggi – pada masa itu adalah mustahil untuk menyelesaikannya. Menemukan gen tunggal dalam keseluruhan genom yang besar adalah lebih sukar daripada mencari jarum dalam jerami. Jika tugas ini tidak diambil oleh Brian Kobilka, tetapi oleh orang lain, maka mungkin tidak akan diselesaikan.

Tetapi Kobilka dibezakan oleh keganasan yang luar biasa, kesabaran dan kebijaksanaan – pembaca masih mempunyai peluang untuk mengesahkan ini. Beliau (bersama-sama dengan pekerja lain dari makmal Lefkowitz) belajar untuk mengasingkan reseptor ini dalam kuantiti yang banyak, menguraikan urutan asid aminonya di bahagian-bahagian, dan berdasarkan urutan ini, mengumpulkan seluruh gen menjadi kepingan dan dapat mengklonkannya.Sekarang para saintis mempunyai urutan nukleotida daripada β-adrenoreceptor gen, dan selain itu, mereka boleh mendapatkan protein ini dalam kuantiti tanpa had dengan pengklonan.

Dan ternyata bahawa protein ini mempunyai tujuh domain transmembran.

Tujuh Domain! Tujuh! – sama seperti yang sama sekali berbeza, sama sekali berbeza dengan β-adrenoreceptor sama sekali tidak, bertindak balas kepada cahaya reseptor rhodopsin. Ini boleh bermakna perkara yang hebat. Ini bermakna bahawa mekanisme operasi dua reseptor ini adalah sama dan diterangkan dengan model kompleks trigeminal.

Rajah. 2 Imej β-adrenoreceptor pada waktu mengikat kepada ligan dan protein G. Dari www.nobelprize.org

Adalah sukar untuk menerangkan apa kejayaan ini untuk sains. Ia dengan cepat menjadi jelas bahawa bukan sahaja β-adrenoreceptor dan rhodopsin, tetapi juga bkira-kirakebanyakan reseptor lain yang diketahui pada masa itu. (Sekarang, kira-kira seribu penerima reseptor itu diketahui, mereka memeterai komunikasi di antara sel-sel, juga terima kasih kepada mereka yang kita lihat, dengar, bau, rasa dan rasa.) Fleksibilitas sel yang luar biasa dalam reaksi mereka terhadap perubahan persekitaran segera menjadi jelas: reseptor yang sama ditambah dengan ligan yang sama,boleh menyebabkan tindak balas yang sama sekali berbeza dalam sel bergantung kepada subunit G-protein tertentu yang melayang di sitoplasma (terdapat banyak variasi subunit ini), apa yang ditetapkan mediator sekunder di sana, dan sebagainya. Prospek segera untuk pendedahan kepada reseptor ini untuk tujuan penyelidikan dan medis telah dibuka segera (cukup untuk mengatakan bahwa hampir setengah dari obat-obatan yang dihasilkan saat ini mempengaruhi reseptor ini dalam satu cara atau yang lain). Dan sekaligus saya mahu mengkaji lagi reseptor ini.

Dan di sini Brian Kobilka kembali berjaya. Dia meninggalkan makmal Lefkowitz dan pergi bekerja di Stanford University. Dan di sana, selama lebih dari dua puluh tahun, dia cuba mendapatkan crystallogram β-adrenoreceptor pada saat ia mengikat pada ligan. Untuk semua tetapi Kobilka, tugas ini tidak dapat diselesaikan. Hakikatnya adalah bahawa teknologi untuk mendapatkan crystallogram dihasilkan dengan baik hanya untuk protein larut air. Β-adrenoreceptor adalah larut lemak – ia mesti terapung dalam membran fosfolipid. Kobilka menggunakan teknik yang sangat menakjubkan dan akhirnya mencapai matlamatnya tahun lalu: imej seorang β-adrenoreceptor yang bekerja telah diperolehi.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: