Нобелевская премия 2003 года по химии присуждена за исследования, имеющие непосредственное отношение к биологии, а именно к жизнеобеспечению живой клетки - элементарной ячейки биологических организмов. Открытия двух американских ученых - Питера Эгра и Родерика Мак-Киннона - позволили досконально разобраться в том, каким образом протекает водно-солевой обмен клетки с окружающей средой.
Каждая живая клетка окружена мембраной, состоящей из двойного слоя липидных (жировых) молекул с вкраплениями белков. Примечательное свойство такой мембраны - избирательная проницаемость: эффективно защищая клетку от агрессивной внешней среды, она пропускает внутрь все, что необходимо для жизнедеятельности, в том числе и воду. Ученые еще в середине XIX века высказывали предположения о том, что в клеточной оболочке существуют поры для просачивания воды, однако длительное время преобладало мнение, что вода просто диффундирует через клеточную мембрану.
В конце 1950-х годов было установлено, что в мембранах эритроцитов есть специальные каналы, через которые вода проходит, а ионы - нет. При этом клеточный "водопровод" обладает потрясающей пропускной способностью: до миллиарда молекул воды в секунду. Логично было предположить, что, как и в случае других веществ, например сахаров и аминокислот, транспорт воды через мембрану происходит с помощью белка. Но какой именно белок выполняет данную функцию? Этот вопрос довольно долго оставался без ответа.
Открытие аквапорина - белка, образующего водную пору, - произошло благодаря счастливой случайности. В 1987 году Питер Эгр, изучая белки-антигены эритроцитов, обнаружил мембранный белок с неизвестной функцией. Оказалось, что такой же белок в изобилии присутству ет в почечных канальцах - тканях, которые способны прокачивать огромные количества воды. Это и навело ученого на мысль, что найденный белок имеет отношение к транспорту воды через клеточную мембрану. П. Эгр и его коллеги смогли установить аминокислотную последовательность белка и затем клонировали участок ДНК, кодирующий синтез аквапорина. Ученые провели несколько экспериментов, неоспоримо доказывающих ключевую роль этого белка в транспорте воды. Например, если "заставить" клетку производить аквапорин в больших количествах, она начинает интенсивно всасывать воду, набухает и буквально разрывается от избыточного внутреннего давления.
Пространственная структура аквапорина напоминает цилиндрический канал, по которому движутся молекулы воды. Через него проходит только вода, но не ионы. Аминокислоты в белке расположены таким образом, что полярность создаваемого ими электростатического поля "переключается" в центре молекулы на обратную. Поэтому молекулы воды, дойдя до середины канала, переворачиваются так, что их дипольные моменты в верхней и нижней части канала направлены в противоположные стороны. Такое переориентирование предотвращает просачивание через канал ионов. Аквапорин не пропускает даже ионы гидроксония H3O+ (то есть гидратированны е протоны), от концентрации которых зависит кислотность среды.
Открытый П. Эгром белок - первый, но не единственный из семейства аквапоринов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. Благодаря аквапоринам клетки не только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные функции, как всасывание воды в почках животных и корешках растений.
Создав белковые поры, пропускающие сквозь клеточную мембрану чистую воду, природа позаботилась и о том, чтобы обеспечить каналы для переноса компонентов растворенных в воде солей, прежде всего ионов натрия и калия. Транспорт этих заряженных частиц позволяет клетке генерировать и передавать электрические сигналы.
Еще в 1890 году Вильгельм Оствальд, нобелевский лауреат 1909 года, показал, что электричес кие токи в живых тканях могут быть вызваны ионами, которые перемещаются через клеточную мембрану. Основные принципы работы ионных каналов и роль ионов в работе нервной системы установлены в 1950-1960-е годы. В 1963 году за открытия в этой области британским исследователям Алану Ходжкину и Эндрю Хаксли присудили Нобелевскую премию, но молекулярные механизмы ионного транспорта оставались неясными до последнего времени.
Ученых особенно интересовало устройство канала, который пропускал ионы калия, однако почему-то не давал пройти чуть меньшим по размеру ионам натрия. Высказывалось предположение, что белок, образующий канал, содержит фильтр из нескольких атомов кислорода, которые имитируют оболочку из молекул воды, окружающую ион калия в нормальном состоянии. Чтобы внести в этот вопрос окончательную ясность, требовались данные рентгеноструктурного анализа, но получить их оказалось не просто - для этого требовалось выраcтить из белка кристалл. Первым, кто сумел достичь результата, стал Родерик Мак-Киннон. В 1998 году он представил трехмерную структуру калиевого ионного канала бактериальной мембраны. Это позволило изучить работу ионного фильтра во всех деталях. Оказалось, что расстояния между атомами кислорода и ионом калия внутри канала в точности соответствуют расстояниям между калием и кислородом воды в растворе. Именно поэтому калий беспрепятственно проходит через канал, а натрий остается в водном растворе.
Изучение мембранных каналов, как водных, так и ионных, имеет не только теоретическое значение. Открытия нобелевских лауреатов 2003 года способствуют пониманию причин заболеваний почек, сердца, мышечной и нервной систем.
