Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Усай считается одним из крупнейших физиологов первой половины нынешнего столетия. Его большой научный авторитет принес ему в 1947 г. звание лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине, которого он удостоен за открытие роли гормона, выделяемого частью гипофиза, в-метаболизме сахара. Награду с ним разделили супруги Карл Фердинанд и Герти Кори, получившие Нобелевскую премию за открытия в области каталитического превращения гликогена.

Задняя часть гипофиза также синтезирует гормоны. Один из них, окситоцин, стимулирует сокращения матки и другие процессы, связанные с беременностью. Другой гормон, вазопрессин, повышает кровяное давление и регулирует деятельность почек. Еще в 1933 г. эти гормоны были выделены, и началось их исследование. Оказалось, что они состоят из сравнительно небольших молекул, что вселило надежду на возможность определения их строения имеющимися в то время средствами. Этой проблемой занялся профессор Винсент Дю Виньо, биохимик из университета Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (шт. Миссури).

Определение структуры гормонов шло поэтапно, путем постепенного отщепления аминокислот, входящих в цепи этих полипептидов. Это был новый подход для химии, но Дю Виньо справился со своей задачей блестяще. Он создал методы постепенного отщепления аминокислот — одна за другой, — таким образом установив их последовательность, откуда логически вытекала структура гормонов. Пять аминокислот образовывали кольцо, замкнутое прочно связанными атомами серы цистеиновых молекул. К этому кольцу, как хвост, были присоединены еще три аминокислоты, в целом полипептидная цепь имела форму цифры 9.

Следуя традициям, американский биохимик занялся синтезом гормона окситоцина, намереваясь таким путем доказать, что предложенная им структура верна. Вновь шаг за шагом проводились эксперименты до тех пор, пока не удалось нанизать все восемь аминокислот. Испытания на подопытных животных показали, что полученное вещество идентично природному.

Первый успешный синтез полипептидного гормона ознаменовал большой успех новой науки — молекулярной биологии. Это был предвестник будущих достижений. Винсент Дю Виньо, пионер этих исследований, был удостоен в 1955 г. Нобелевской премии по химии, она была присуждена ему за исследования важных для биохимии веществ, в частности серосодержащих аминокислот, а также за первый синтез гормонов задней доли гипофиза — окситоцина и вазопрессина.

В то время как Дю Виньо проводил свои знаменитые исследования гормонов, в Кембридже один молодой исследователь поставил перед собой задачу, которая выглядела безнадежной. 25-летний Фредерик Сенгер решил определить структуру инсулина. Свои опыты он начал в 1943 г. в период, мало подходящий для научных исследований. Сенгеру приходилось делать открытия на каждом шагу, создавая новые методы для определения структуры белковых молекул.

Первым его достижением была разработка способа метить последнюю аминокислоту на том ее конце цепи, где есть аминогруппа; это делалось специальным веществом-красителем. Так было установлено, что инсулин, состоящий из 51 аминокислоты, имеет две гюлипептидные цепи, одна из которых содержит 31, а другая — 20 аминокислот. Это открытие значительно облегчило работу по исследованию структуры инсулина. Далее Сенгер продолжил изучение этих двух цепей, применяя для их частичного разделения слабые кислоты и ферменты. Полученные фрагменты, содержащие по нескольку аминокислот, распределялись методом хроматографии или электрофореза, после чего определялась последовательность аминокислотных остатков в каждом из них. Разгадка этого молекулярного ребуса отняла у английского ученого 13 лет, но в конечном счете он достиг успеха, В 1956 г. Сенгер уже мог сообщить своим коллегам полную последовательность аминокислот в двух цепях молекулы инсулина. В двух местах эти цепи соединялись так называемыми дисульфидными мостиками (два атома серы в соответствующих аминокислотах, прочно связанные между собой), а в одном месте дисульфидный мостик образовывал петлю. Этих данных было достаточно, чтобы определить пространственную структуру инсулина.

В 1958 г. Нобелевский комитет по химии принял решение наградить 40-летнего Сенгера, тем самым поощряя его на дальнейшие успехи в науке. Премия была присуждена за исследования структуры белков, в частности инсулина. В данном случае указание Альфреда Нобеля — давать премии перспективным молодым ученым — было выполнено в полной мере. После этого Сенгер занялся нуклеиновыми кислотами и в 1980 г. получил вторую Нобелевскую премию по химии — за исследования структуры нуклеиновых кислот. Этот второй успех также явился результатом разработки методов определения последовательности мономеров в молекулах биополимеров — решения задачи, которой Сенгер посвятил всю свою деятельность ученого.

В основании мозга, над гипофизом, имеется некое образование, называемое гипоталамусом, который играет исключительно важную роль в регуляции функций организма. Это мост между нервной и гормональной системами. Еще в середине 50-х годов исследования Г. Хар-риса, М. Саффраиа и С. Мак-Кана показали, что гипоталамус регулирует функцию гипофиза, выделяя в кровь специальные вещества. Эти так называемые рилизинг-факторы стимулируют или ингибируют секрецию гипофизных гормонов, которые в свою очередь управляют корой надпочечников, половыми железами и щитовидной железой. Гормоны гипоталамуса выделяются в ничтожных количествах, и для их получения в чистом виде и исследования потребовалось 15 лет. В основном эта работа была выполнена Роже Гийменом в университете Бэйлора в Хьюстоне (шт. Техас) и Эндрю Виктором Шалли в Лаборатории эндокринологии в Нью-Орлеане (шт. Луизиана).

После длительных исследований выяснилось, что в гипоталамусе синтезируются вещества, состоящие из нескольких аминокислот. Исследование этих олигопептидов в конце 60-х — начале 70-х годов уже не было проблемой для биохимии, и вскоре их структуру удалось определить. Более того, были получены искусственные вещества, в. десятки раз биологически более активные, а также вещества, которые ингибировали деятельность гормонов гипоталамуса. Это открывало путь для вмешательства в тончайший механизм регуляции функций организма.

В 1960 г. Саломон Берсон и его ученица Розалин Сасмен Ялоу заложили основы радиоиммунологических методов изучения белковых гормонов. Сочетание иммунных реакций с методом меченых атомов позволило чрезвычайно повысить чувствительность химического анализа и изучать гормоны гипоталамуса, несмотря на то что их концентрация в сыворотке крови в десять миллионов раз меньше, чем концентрация других белковых веществ. Берсон умер в 1970 г., но его ассистентка продолжала исследования.

Успехи, достигнутые в изучении гормонов, особенно рилизинг-факторов, были поистине впечатляющи, и в 1977 г. Нобелевский комитет принял решение о присуждении Р. Гиймену, Э. Шалли и Р. Ялоу Нобелевской премии по физиологии и медицине.

Еще в XIX в. физиологи исследовали различные гормоны и в конце концов выяснили в общих чертах механизм гормональной регуляции. Этот механизм включает в себя эндокринные железы, которые связаны с нервной системой и тканями. Было очевидным, что гормон должен каким-то образом вызвать определенные реакции в клетке и, изменяя их физиологию, достигать нужного эффекта. Однако оставалось неясным, как это происходит. В 1957 г. американский биохимик Эрл Уилбур Сазерленд открыл вещество, которое усиливало воздействие адреналина на ход реакции распада гликогена в экстракте печеночной ткани. Это неизвестное вещество сохраняло свою активность даже после нагревания раствора до температуры кипения, когда происходила денатурация белков. Очевидно, это было некое низкомолекулярное и термостойкое соединение. Примерно в то же время было открыто производное аденозинтрифосфата (АТФ) — циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). В нем фосфорная группа участвует в образовании кольца, придающего молекуле характерные свойства.

Открытие химиков побудило профессора Сазерленда предпринять вместе со своими сотрудниками обширные эксперименты в Вашингтонском университете. Его группа установила, что образование цАМФ — обязательный этап регуляции ряда процессов в клетке. Оказалось, что именно это вещество служит посредником между средой организма и внутренностью клетки, приводя к преобразованию гормонального сигнала в конкретную ферментативную реакцию. В клеточной мембране Сазерленд обнаружил специфические ферменты из группы так называемых аденилатциклаз. Каждая из них присуща соответствующему гормону. Молекула гормона стимулирует деятельность фермента, который в свою очередь превращает АТФ и цАМФ. Последнее движется внутри клетки, оказывая самое разнообразное воздействие на. ее деятельность, например регулирует мышечное сокращение, синтез ДНК, клеточную секрецию и т. д. Из этого широкого спектра функций реализуется, в сущности, только часть, причем эта специфичность определяется аденилатциклазами, каждая из которых реагирует на определенный гормон. Оказывает влияние и специализация самой клетки. Так, мышечное волокно сокращается, клетка железы осуществляет секрецию и т. д.