premiul nobel pentru Chimie 2012La nivelul ochilor, nasurilor şi cavităţilor noastre bucale avem senzori pentru lumină, mirosuri şi arome. În interiorul organismului celulele au senzori similari pentru hormoni şi semnalizatori ca adrenalina, serotonina, histamina şi dopamina.

 

 

 

Pe măsură ce viaţa a evoluat, celulele au utilizat în mod repetat acelaşi mecanism de bază pentru a-şi citi mediul: receptorii de proteină G. Dar aceşti receptori au fost multă vreme un mister pentru cercetători.

Ai rămas la lucru până mult prea târziu.  Luna luminează cerul în timp ce tu te îndrepţi spre casă dinspre staţia izolată de autobuz. Dintr-o dată auzi paşi în spatele tău. Se apropie rapid. "Nimic care să te îngrijoreze", încerci tu să îţi spui, "doar un alt angajat sărac forţat prea mult la locul de muncă". Dar un sentiment înfiorător începe să te cuprindă. Cineva într-adevăr te urmăreşte...

Te îndrepţi cu repeziciune spre casa ta. În timp ce deschizi uşa principală întreg corpul îţi tremură, inima îţi bate cu putere şi suspini adânc încercând să îţi recapeţi respiraţia.

În momentul în care ochiul tău a înregistrat silueta care se apropie, întregul tău corp a încremenit. Semnale nervoase provenite de la nivelul creierului au trimis corpului un prim avertisment. Glanda pituitară a eliberat hormoni în circulație care stimulează glandele suprarenale. Aceasta a început să pompeze cortizol, adrenalină şi noradrenalină care au emis un nou semnal de alarmă: este timpul să o iei la fugă! Celulele adipoase, celulele musculare, ficatul, inima, plămânii şi vasele de sânge au reacţionat imediat. Sângele a fost inundat de zahăr şi grăsime, bronhiile s-au dilatat şi frecvenţa cardiacă a început să crească, toate pentru ca muşchii dumneavoastră să poată să obţină mai multă energie şi mai mult oxigen. Scopul este să vă facă să alergaţi cât de repede puteţi pentru a vă salva viaţa.



E timpul să o luaţi la  fugă! Nervii semnalizează şi hormonii de la nivel cerebral alertează organismul. Glandele suprarenale eliberează  hormoni de stres în sânge. Celulele din întreg organismul sesizează că ceva se întâmplă prin intermediul receptorilor lor.

 


Organismul uman este un sistem extraordinar de bine reglat de interacţiuni care au loc între miliarde de celule. Cele mai multe dintre ele au dezvoltat roluri distincte. Unele înmagazinează grăsimi. Altele înregistrează amprentele vizuale, produc hormoni sau fortifică ţesutul muscular. Este esenţial ca celulele noastre să lucreze la unison, să simtă şi să comunice cu mediul în care se află şi să perceapă ce se întâmplă în jurul lor pentru ca organismul nostru să poată funcţiona corespunzător. Pentru ca acest lucru să fie posibil celulele au nevoie de senzori.

Senzorii de la suprafaţa celulelor se numesc receptori. Premiul Nobel pentru Chimie 2012 a fost decernat americanilor Robert Lefkowitz şi Brian Kobilka, pentru descoperiri privind modul de funcţionare al unei importante familii de astfel de receptori şi anume receptorii cuplaţi cu proteina G (RCPG). În cadrul acestei familii întâlnim  receptori pentru adrenalină (de asemenea cunoscută sub numele de epinefrină), dopamină, serotonină, lumină, gust şi miros. Cele mai multe procese fiziologice depind pe RCPG.  Circa jumătate din medicamente acţionează prin intermediul acestor receptori, printre care beta-blocantele, antihistaminicele şi diferite tipuri de medicamente utilizate pentru afecţiuni psihiatrice.

Cunoştințele despre RCPG reprezintă astfel cel mai mare beneficiu pentru omenire. Cu toate acestea, aceşti receptori au scăpat iscusinţei oamenilor de ştiinţă multă vreme.

Receptorul, o enigmă greu de rezolvat

La sfârşitul secolului al IX-lea când oamenii de ştiinţă au început să experimenteze efectele adrenalinei asupra organismului, au descoperit că aceasta determină creşterea frecvenţei cardiace şi a tensiunii arteriale şi duce la dilatarea pupilelor. Pentru că ei au suspectat că adrenalina a acţionat prin intermediul nervilor din organism, au paralizat sistemul nervos al animalelor de laborator. Cu toate acestea, efectul adrenalinei a continuat să persiste. Concluzia lor a fost că celulele trebuie să aibă un fel de receptor care le permite să detecteze substanţele chimice: hormonii,  substanțele toxice şi medicamentele  în mediul lor.

Dar atunci când cercetătorii au încercat să găsească aceşti receptori, au ajuns în punctul în care nu au mai înregistrat nici un progres. Ei au vrut să înţeleagă cum arată receptorii şi modul în care aceştia transmit semnale  la celulă. Adrenalina a fost administrată la exteriorul celulei, iar acest lucru a dus la modificări ale  metabolismului său că aceştia le-au putut  măsura în interiorul celulei. Fiecare celula are un perete: o membrană de molecule lipidice care o separă de mediul său. Cum a fost transmis semnalul prin perete? Cum ar putea interiorul celulei să ştie ce se întâmplă la exterior?

Receptorii au rămas neidentificaţi timp de zeci de ani. În ciuda acestui fapt, oamenii de ştiinţă au reuşit să dezvolte medicamente care acţionează în mod special prin intermediul unuia dintre aceşti receptori. În anii 1940, savantul american Raymond Ahlquist a examinat modul în care diferite organe  reacţionează la diverse substanţe simpticomimetice (adrenalin-like). Lucrarea lui a condus la concluzia că trebuie să existe două tipuri diferite de receptori pentru adrenalină: un tip de receptori care determină  în primul rând contracţia celulelor musculare netede de la nivelul vaselor de sânge şi un alt tip de receptori  care stimulează în primul rând inima. El a numit aceşti receptori alfa şi beta. La scurt timp după aceasta, oamenii de ştiinţă au creat primul medicament beta blocant, o clasă de medicamente care reprezintă în prezent una dintre cele mai frecvent utilizate medicamentele pentru afecţiuni cardiace.

Astfel de medicamente au produs fără îndoială efecte la nivelul celulelor, dar care este mecanismul prin care au reuşit să realizeze acest lucru rămâne un mister. Ştim actualmente de ce receptorii au fost atât de greu de descoperit: sunt relativ puţini la număr şi de cele mai multe ori sunt  încapsulaţi în peretele celular. După câteva decade chiar şi Ahlquist a început să se piardă  în teoriile sale legate de cele tipuri distincte de receptori. El scrie: "Pentru mine ei reprezintă un concept abstract conceput să explice răspunsurile observate ale ţesuturilor produse de către structuri  chimice variate".

La sfârşitul anilor 1960 Robert Lefkowitz, unul dintre laureaţii Premiului Nobel din acel an, a intrat în istorie prin elucidarea misterului acestor receptori.

Identificarea receptorilor

Tânărul student de elită şi-a pus în gând să devină cardiolog. Cu toate acestea, el a absolvit cu rezultate foarte bune şi îşi satisface serviciul militar la US Public Health Service la o instituţie federală de cercetare, Institutul Naţional pentru Sănătate. Iată-l pus faţă în faţă cu o mare provocare: să găsească receptorii.

Supraveghetorul lui Lefkowitz are deja un plan. El propune ataşarea iodului radioactiv la un hormon. Apoi pe măsură ce hormonul se leagă la suprafaţa unei celule, radiaţiile provenite de la iod ar trebui să facă posibilă urmărirea receptorului. În plus, cu scopul de a consolida cazul său, Lefkowitz ar trebui să arate că atunci când hormonul se cuplează în afara celulei declanşează de fapt un proces despre care se ştie că are loc în interiorul celulei. Dacă el ar putea reuşi acest lucru, nimeni nu s-ar putea îndoi de faptul că el a descoperit de fapt un receptor biologic care funcţionează.

Lefkowitz începe să lucreze cu un hormon adrenocorticotrop care stimulează producţia de adrenalină la nivelul glandei suprarenale. Dar nimic nu pare să funcţioneze. Un an trece fără ca el să înregistreze un progres şi Lefkowitz care nu era foarte dornic de la bun început să facă cercetare începe să dispere. El îşi continuă cercetările, dar visează să devină medic.

Pe măsură ce proiectul intră în al doilea an, Lefkowitz începe în sfârşit să înregistreze un progres. În 1970 el publică articole în două jurnale prestigioase, "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) şi "Science" în care subliniază faptul că a descoperit un receptor activ. Realizarea îl face să aprecieze emoţia de a lucra în cercetare şi în cele din urmă este recrutat de către Duke University din North Carolina. Nu că ar fi foarte bucuros să se mute acolo, dar primeşte o ofertă pe care nu o poate refuza.

Având la dispoziţie laboratoare nou-nouţe, Lefkowitz îşi formează propria  sa echipă de cercetare. Deşi se pare că el nu va deveni cardiolog, încă îşi mai doreşte să lucreze cu boli cardiace. Prin urmare el începe să îşi concentreze atenţia pe receptori pentru adrenalină şi noradrenalină, aşa numiţii receptori adrenergici. Utilizând substanţe radioactive etichetate, inclusiv beta-blocante, grupul său de cercetători examinează modul în care aceşti receptori funcţionează. Şi după ce şi-au perfecţionat instrumentele, reuşesc cu mare abilitate să extragă o serie de receptori proveniţi din ţesut biologic.

Între timp cunoştinţele legate de ceea ce se întâmpla în interiorul celulelor continuau să se înmulţească. Cercetătorii au descoperit că ceea ce ei numesc proteine G (Premiul Nobel pentru Medicină 1994) sunt activate de un semnal provenit de la un receptor. Proteina G la rândul său declanşează un lanţ de reacţii care modifică metabolismul celular. Până la începutul anilor 1980, oamenii de ştiință încep să înţeleagă procesul prin care semnalele sunt transmise de la exteriorul celulei spre interior său (figura 2).

Gena - o cheie spre noi perspective

În 1980 Lefkowitz decide că grupul său de cercetători ar trebui să încerce să găsească gena care codează beta receptorul. Această decizie se va dovedi crucială pentru Premiul Nobel din acest an. O genă este similară cu o amprentă. Conţine un cod care este citit de către celulă când aceasta se uneşte cu aminoacidul pentru a crea o proteină, de exemplu un receptor. Ideea era că dacă grupul de cercetători ar putea să izoleze gena şi să citească amprenta pentru beta receptor, ar putea obţine indicii  legate de modul în care acţionează receptorul.

Aproximativ în acelaşi timp Lefkowitz angajează un medic tânăr, Brian Kobika. Acesta a fost fascinat de  receptorul beta adrenergic ca urmare a experienţei pe care a acumulat-o în cadrul Departamentului de Terapie Intensivă al spitalului. O injecţie cu epinefrină ar putea să facă diferenţa între viaţă şi moarte. Acest hormon permeabilizează un sistem respirator inflamat şi creşte frecvenţa cardiacă. Kobika îşi dorea să studieze puterea epinefrinei până în cele mai mici detalii moleculare şi astfel a fost abordată situaţia Lefkowitz şi echipa sa de cercetători.


Atunci când un hormon, moleculă olfactivă  sau moleculă gustativă se cuplează cu un receptor de pe suprafaţa celulară, se declanşează un lanţ de reacţii în interiorul celulei.

Kobilka începe vânătoarea în căutarea genei. Cu toate acestea pe parcursul anului 1980 încercarea de a găsi o genă anume în genomul enorm al organismului seamănă un pic cu încercarea de a găsi un ac în carul cu fân. Proiectul tehnic provocator avansează lent. Cu toate acestea, Kobilka are o idee ingenioasă care face posibilă izolarea genei. Anticipând mult, cercetătorii încep să analizeze codul său genetic. Acesta relevă faptul că receptorul este format din şapte corzi spiralate lungi şi grase (hidrofobe) aşa numite helice (figura 3). Acest lucru indică oamenilor de ştiinţă că receptorul probabil  se deplasează înainte şi înapoi prin peretele celular de şapte ori.

De şapte ori. Acesta este acelaşi număr de şiruri de caractere şi aceeaşi formă de spirală cu cea a unui receptor care a fost descoperit şi în altă zonă a organismului: receptorul light de rodopsină de la nivelul retinei ochiului. Astfel s-a născut o idee: ar putea aceşti receptori să aibă ceva în comun, chiar dacă au funcţii complet diferite?

Robert Lefkowitz a descris mai târziu acest lucru “ca şi un adevărat moment eureka“. El a aflat despre 30 de alţi receptori care acţionează prin intermediul proteinelor G. Concluzia: trebuie să existe o familie completă de receptori care arată şi funcţionează în aceeaşi manieră!

Din momentul acestei descoperiri puzzle-ul a fost constituit bucăţică cu bucăţică şi cercetătorii au detailat în prezent cunoştinţele despre GPCR, cum acţionează aceştia şi cum sunt reglaţi la nivel molecular. Lefkowitz şi Kobilka s-au aflat la conducerea acestei călătorii ştiinţifice şi anul trecut în 2011. Kobilka şi echipa sa de cercetători au relatat faptul că au realizat o descoperire care le-a încununat activitatea.

Imagistica efectelor adrenalinei

După ce a izolat cu succes gena, Brian Kobika s-a transferat la Stanford University School of  Medicine în California. Acolo a stabilit că urma  să creeze o imagine a receptorului, o ţintă de neatins în opinia majorităţii cercetătorilor şi pentru Kobika ar deveni o lungă călătorie.

Emiterea unor ipoteze legate de o proteină este un proces care implică mai multe etape complicate. Proteinele sunt prea mici pentru a putea fi distinse la un microscop obişnuit. De aceea oamenii de ştiinţă folosesc o metoda numită cristalografie cu raze X. Ei încep cu producerea unui cristal în care proteinele sunt bine ambalate într-un model simetric la fel cum moleculele de apă sunt ambalate într-un cristal de gheaţă sau cum moleculele de carbon sunt ambalate într-un diamant. Cercetătorii expun apoi cristalul proteic razelor X. Când razele intră în contact cu proteinele, acestea se  împrăştie. Din modelul acestei difracţii, oamenii de ştiinţă pot preciza cum arată proteinele la nivel atomic.

Prima imagine a unei structuri aparținând unei proteine cristaloide a fost realizată în 1950. De atunci oamenii de ştiinţă au expus mii de proteine razelor  X şi au descris proteine. Cu toate acestea, majoritatea acestor proteine au fost solubile în apă, ceea ce facilitează procesul de cristalizare. Un număr chiar mai mic de cercetători au reuşit să obţină imagini ale proteinelor situate în membrana lipidică a celulei. În apă, astfel de proteine se dizolvă la fel de prost ca şi uleiul şi au tendinţa de a forma depuneri de grăsime. În plus, GPCRs sunt prin natura lor foarte mobile (ele transmit semnale prin intermediul deplasării), dar în interiorul unui cristal ele trebuie să rămână aproapenemişcate. Este o provocare considerabilă să le determini să se cristalizeze.

Kobilka a necesitat peste două decenii să găsească o soluţie pentru toate aceste probleme. Dar datorită faptului că era hotărât, creativităţii şi performanţei, Kobilka şi grupul său de cercetători şi-au atins în cele din urmă ţelul suprem în anul 2011: au obţinut o imagine a receptorului exact în momentul în care acesta transferă semnalul provenit de la hormonul aflat la exteriorul celulei la proteina G aflată în interiorul celulei (figura de mai jos).


Ilustraţie a structurii cristaline Kobilka a unui receptor β-adrenergic activ (reprezentat cu albastru). Un hormon (reprezentat cu portocaliu) se ataşează la exterior şi o proteină (reprezentată cu roşu) se cuplează la interior.

Imaginea, care a fost publicată  în revista "Nature", dezvăluie noi detalii despre GPCRs, de exemplu, detalii legate de felul în care arată receptorul activat atunci când eliberează un loc unde se ataşează proteina G (figura 4). Astfel de cunoştinţe vor fi foarte utile în viitor pentru crearea de noi medicamente.


β-receptorul adrenergic îşi modifică forma atunci când este activat. Pe măsură ce  hormonul  (reprezentat cu portocaliu) se ataşează la exterior, interiorul se deschide ca un buchet de flori. În imaginile din partea de jos, receptorul este activat, astfel încât partea dinspre interior este vizibilă. Atomii sunt reprezentaţi sub formă de bile. Porţiunile solubile în apă sunt redate cu albastru deschis. Părţile lipidice (hidrofobe) sunt reprezentate cu albastru închis. Atunci când se leagă hormonul (imaginea din dreapta), se deschide un canal hidrofob unde se ataşează o subunitate α a proteinei G.


Viaţa are nevoie de flexibilitate

Prin realizarea unei hărţi a  genomului uman au fost dezvăluite în  jur de o mie de gene care codează GPCR. În jur de jumătate dintre acei  receptori primesc mirosuri şi fac parte din sistemul olfactor. O treime dintre ei sunt  receptori pentru hormoni şi substanţe semnalizatoare cum sunt dopamina, serotonina, prostaglandina, glucagonul şi histamina. Unii receptori captează lumina care ajunge la ochi, în timp ce alţii sunt localizaţi la nivelul limbii şi sunt responsabili pentru simţul gustativ. Peste o sută de receptori încă reprezintă o provocare pentru oamenii de ştiinţă dat fiind faptul că rolul acestora rămâne să fie dezvăluit.

În afară de descoperirea faptului că receptorii prezintă mari variaţii cercetătorii, avându-i în frunte pe Lefkowitz şi Kobilka au descoperit că aceştia sunt multifuncţionali. Un singur receptor poate recunoaşte mai mulţi hormoni diferiţi aflaţi la exteriorul celulei. Mai mult, la interior aceştia nu interacţionează doar cu proteinele G, ci şi cu proteine numite arestine. Faptul că au înţeles că aceşti receptori nu sunt întotdeauna cuplaţi cu proteinele G i-a determinat pe oamenii de ştiinţă să înceapă să facă referire la aceştia ca şi receptori 7 transmembranari (7TM) datorită celor 7 şiruri în formă de spirală care se încolăcesc până la peretele celular.

 




Traducere realizată de de Ecaterina Pavel după ChemistryNobelPrize2012.