co nowego w biologii?
Nagroda Nobla
za destrukcj´
Nagrod´ Nobla w dziedzinie chemii w 2004 roku otrzyma"o trzech
uczonych: Izraelczycy Aaron Ciechanover i Avram Hershko oraz Amerykanin
Irwin Rose. Szwedzka Królewska Akademia Nauk uzasadni"a przyznanie tej
nagrody za  odkrycie zaleŻnej od ubikwityny degradacji bia"ek .
Te dwa przyk"ady pokazują, Że komórki muszą
KRZYSZTOF STAROÄ„

posiadaç system rozpoznajÄ…cy i niszczÄ…cy nie-
potrzebne i niebezpieczne bia"ka. Taki system
egradacja bia"ek przez wiele lat nie
zosta" odkryty przez Ciechanovera, Hershko
znajdowa"a miejsca wĘród g"ównych
i Rose a. Sk"ada si´ on z trzech elementów:
Dtematów badał
naukowców zajmu-
proteasomów, które niszczą bia"ka; ubikwity-
jÄ…cych si´ tymi zwiÄ…zkami. Ich uwaga kon-
ny, która zaznacza te przeznaczone do degra-
centrowa"a si´ raczej na syntezie bia"ek,
dacji i uk"adu bia"ek, który kontroluje oraz
przede wszystkim na mechanizmach odpo-
rozpoznaje bia"ka wymagajÄ…ce zniszczenia.
wiedzialnych za selektywnÄ… ekspresj´ genów.
Jednak oba procesy: synteza i degradacja
Proteasomy są duŻymi strukturami, roz-
bia"ek stanowiÄ… w istocie dwa elementy tego
mieszczonymi w cytosolu i jądrze komórko-
samego problemu  koniecznoĘci zapewnie-
wym. KaŻdy proteasom jest zbudowany z po-
nia obecnoĘci w komórce tylko tych bia"ek,
"ączonych ze sobą dwóch bary"kowatych
które sÄ… konieczne, i tylko w takich st´Å»e-
tworów i sk"ada si´ sumarycznie z kilkudzie-
niach, jakie sÄ… wymagane w danym momen-
si´ciu bia"ek. Wn´trze proteasomu tworzy
cie. Pozosta"e bia"ka sÄ… niepotrzebne, a cza-
centralny kana", otoczony przez enzymy pro-
sem niebezpieczne.
teolityczne. ¸aÅ‚
cuch polipeptydowy przezna-
Przyk"adem niepotrzebnego bia"ka jest
czony do degradacji zostaje wprowadzony do
cyklina B, niezb´dna do przejĘcia komórki
wn´trza kana"u, gdzie enzymy proteolityczne
przez mitoz´, ale ca"kowicie nieprzydatna po
tną go na krótkie, kilkuaminokwasowe frag-
zakoł
czeniu pracy. Dlatego jest waŻne, aby
menty. Bia"ka proteasomu, otaczajÄ…ce oba
cyklina znalaz"a si´ w komórce przed rozpo-
wejĘcia do kana"u i tworzące z obu stron tzw.
cz´ciem mitozy, jednak trzeba jÄ… takÅ»e szyb-
czapeczki, rozpoznają bia"ka komórkowe,
ko usunÄ…ç zaraz po zakoÅ‚
czeniu tego proce-
które majÄ… zostaç zniszczone. Sprawne dzia-
su. Dla komórki niebezpieczne są ęle
"anie tego systemu destrukcji ma dla komór-
sfa"dowane bia"ka. Nie jest to tylko problem
ki kluczowe znaczenie. Âwiadczy o tym fakt,
zaĘmiecania komórki; ęle sfa"dowane bia"ka
Å»e ogromna wi´kszoĘç mutacji inaktywujÄ…-
agregujÄ… i mogÄ… doprowadziç do jej Ęmierci.
cych bia"ka tworzÄ…ce proteasom jest letalna.
6 6 biologia w szkole
co nowego w biologii?
Ubikwityna jest molekularnym znakiem, dzia"a"a wewnątrz komórki, w krótkim czasie
niosÄ…cym informacj´ o koniecznoĘci znisz- zniszczy"aby wszystkie znajdujÄ…ce si´ w niej
czenia bia"ka, do którego zosta"a do"ączona. bia"ka. Istotą systemu opartego na ubikwity-
Do"Ä…czenie ubikwityny nazywane jest czasem nie jest staranne wybieranie bia"ek przezna-
obrazowo  poca"unkiem Ęmierci . Ubikwity- czonych do zniszczenia i naznaczanie ich
na jest niewielkim bia"kiem, zbudowanym w taki sposób, aby mog"y byç rozpoznane
z 76 aminokwasów. Po"ączenie ubikwityny wĘród wielu innych.
z zaznaczanym bia"kiem jest bardzo nietypo- Do zniszczenia naznaczane sÄ… przede
we. Nie wiÄ…Å»e si´ ona bowiem, jak moÅ»na by- wszystkim dwie grupy bia"ek. Pierwsza, to
"oby przypuszczaç, ani do wolnej grupy kar- bia"ka krótko Å»yjÄ…ce, takie jak wspomniana
boksylowej, ani do wolnej grupy aminowej na poczÄ…tku cyklina. System rozpoznaje je
g"ównego "ał
cucha polipeptydowego. Ubi- dzi´ki tzw. kasetom destrukcyjnym, czyli
kwityna jest przy"ączana swoim koł
cem kar- krótkim, kilkuaminokwasowym sekwencjom
boksylowym do grupy aminowej wyst´pujÄ…- obecnym w ich "aÅ‚
cuchach polipeptydowych.
cej w ugrupowaniu bocznym lizyny, tworzÄ…c JednÄ… z takich sekwencji jest PEST, czyli 
w tym miejscu rozga"´zienie "aÅ‚
- w jednoliterowym zapisie aminokwasów 
cucha polipeptydowego. sekwencja prolina-kwas gluta-
Do"Ä…czenie jednej czÄ…steczki minowy-seryna-treonina.
ubikwityny do czÄ…steczki innego DrugÄ… grupÄ… sÄ… bia"ka wa-
bia"ka nie oznacza jeszcze, Że czą- dliwie sfa"dowane. W bia"kach,
steczka ta zostanie rozpoznana które fa"dujÄ… prawid"owo, wi´k-
przez proteasom i zniszczona. szoĘç aminokwasów hydrofobo-
Jedna czÄ…steczka ubikwityny do- wych znajduje si´ wewnÄ…trz czÄ…-
"Ä…czana jest cz´sto tylko dlatego, steczki, natomiast w bia"kach
by zmieniç w"aĘciwoĘci modyfi- sfa"dowanych wadliwie wiele
kowanego bia"ka. Tak dzieje si´ reszt hydrofobowych ulega eks-
np. w wypadku jednego z histonów, H2A, któ- pozycji na powierzchni bia"ka.
ry po do"Ä…czeniu ubikwityny wcale nie ulega Dzi´ki temu zostajÄ… rozpoznane i naznaczo-
zniszczeniu. Naznaczenie do degradacji wy- ne ubikwitynÄ….
maga do"Ä…czenia kilku czÄ…steczek ubikwityny.
Dopiero tak zmieniona czÄ…steczka bia"ka jest W swoistym rozpoznaniu niepotrzebnych
rozpoznawana przez czapeczk´ proteasomu, lub niebezpiecznych bia"ek bierze udzia" ko-
kierowana do jego wn´trza i trawiona. Sama mórkowy system kontroli jakoĘci bia"ek. Je-
ubikwityna nie jest degradowana, lecz podle- go istotnymi elementami sÄ… trzy enzymy ka-
ga recyklingowi. Przeprowadzone w ostatnich talizujÄ…ce do"Ä…czenie czÄ…steczki ubikwityny
kilku latach badania wykaza"y, Że w czapeczce do bia"ka przeznaczonego do zniszczenia.
proteasomu znajduje si´ metaloproteaza, któ- Jest to doĘç z"oÅ»ony proces, wykorzystujÄ…cy
ra odcina ubikwityn´ od bia"ka i pozwala na energi´ pochodzÄ…cÄ… z rozk"adu czÄ…steczki
jej ponowne wykorzystanie. ATP. Choç do"Ä…czenie czÄ…steczki ubikwityny
fizycznie wymaga tylko jednej czÄ…steczki
Degradacja bia"ek zaleŻna od ubikwityny ATP, zuŻywane są jej oba wiązania wysoko-
jest swoista. Wszystkie organizmy dysponu- energetyczne, co prowadzi do powstania
ją sposobami szybkiej degradacji bia"ek, któ- AMP. Zaktywowana w ten sposób ubikwity-
re są o wiele prostsze niŻ system ubikwityna- na zostaje przejĘciowo po"ączona z jednym
-proteasomy. NaleŻą do nich enzymy enzymem, potem przeniesiona na drugi en-
proteolityczne wydzielane do Ęwiat"a jelita, zym, wreszcie  przy udziale trzeciego enzy-
np. trypsyna, które trawią bia"ka zawarte mu  na docelowe bia"ko. Badając ten proces
w pokarmie. Jednak taka degradacja bia"ek na poczÄ…tku lat osiemdziesiÄ…tych Ciechano-
jest ca"kowicie nieswoista. Gdyby trypsyna ver, Hershko i Rose nazwali roboczo trzy
1/2005 7
7
Sprawne
dzia"anie systemu
destrukcji ma dla
komórki kluczowe
znaczenie.
co nowego w biologii?
wykryte aktywnoĘci enzymatyczne katalizują- wi"o kolejny prze"om. Struktura tego bia"ka
ce do"Ä…czenie ubikwityny: E1, E2 i E3. Te ro- jest silnie konserwatywna u wszystkich orga-
bocze oznaczenia sÄ… do dziĘ dnia wykorzysty- nizmów. Z tego wzgl´du w momencie identy-
wane jako nazwy w wi´kszoĘci podr´czników. fikacji ubikwityny trójka uczonych by"a juÅ»
System selekcji bia"ek do degradacji jest pewna, Że bada uniwersalny proces o duŻym
skuteczny i szybki. Bardzo dobrze ilustruje to znaczeniu dla funkcjonowania komórek.
przeprowadzone prawie çwierç wieku temu Dalsze badania w pe"ni to potwierdzi"y.
doĘwiadczenie z nieprawid"ową hemoglobi-
ną. Prawid"owa hemoglobina jest bardzo sta- Znaczenie odkrycia noblistów jest ogrom-
bilnym bia"kiem, przeŻywającym tyle, co ne. Dotyczy to przede wszystkim logiki zja-
czerwone krwinki, czyli oko"o 110 dni. JeĘli wisk zachodzących w komórce. Zafascyno-
jednak do hemoglobiny wprowadzi si´ muta- wani precyzjÄ… procesów molekularnych
cj´ uniemoÅ»liwiajÄ…cÄ… jej wytworzenie prawi- rzadko zadajemy sobie pytanie, czy opisane
d"owej struktury przestrzennej, jej czas Å»ycia w podr´cznikach standardy sÄ… w rzeczywisto-
skraca si´ do kilkunastu minut! Ęci dotrzymywane w komórce. W niektórych
wypadkach, np. podczas replikacji, wiernoĘç
Mechanizm degradacji bia"ek poznawano kopiowania informacji jest istotnie imponu-
stopniowo. Jak czasem bywa w nauce, począt- jąca. Jednak w innych, a dotyczy to takŻe fa"-
kowe badania zosta"y skierowane w zupe"nie dowania bia"ek, jest zupe"nie inaczej.
niew"aĘciwym kierunku. Ich punktem wyjĘcia Jak szacuje si´ obecnie, aÅ» oko"o 30% "aÅ‚
-
by"a obserwacja, Że degradacja niektórych cuchów polipeptydowych schodzących z rybo-
bia"ek wymaga dostarczenia energii z rozk"a- somu fa"duje nieprawid"owo. Prowadzi to do
du ATP. W pierwszym etapie badał
Ciecha- powstania bia"ek, które nie mogÄ… pe"niç swoich
nover, Hershko i Rose przypuszczali, Że mają funkcji lub teŻ pe"nią je wadliwie. Zadaniem
do czynienia z nowym enzymem proteolitycz- nie do przecenienia dla systemu odkrytego
nym, zaleŻnym od ATP. By"o to niezwyk"e, przez zesz"orocznych noblistów jest eliminacja
gdyÅ» wszystkie znane do tej pory enzymy roz- tych nieprawid"owo sfa"dowanych bia"ek, aby
k"ada"y bia"ka bez udzia"u energii z ATP. nie mog"y zak"ócaç funkcjonowania komórki.
Prze"om nastÄ…pi" w momencie, gdy okaza- Nieprawid"owe fa"dowanie nie jest jedy-
"o si´, Å»e ATP nie jest potrzebne do niszczenia nym Ä™ród"em wadliwych bia"ek w komórce.
bia"ek, lecz do kowalencyjnego do"Ä…czania do ZwiÄ…zki te cz´sto nie majÄ… odpowiedniej ilo-
nich jakiegoĘ innego bia"ka, które rozpoznano Ęci kofaktorów, które stanowią ich sk"adniki,
póęniej jako ubikwityn´. Wyniki te wskazywa- lub teÅ»  w wypadku bia"ek zbudowanych
"y, Że przedmiotem badania nie jest nowy en- z kilku podjednostek  odpowiedniej propor-
zym proteolityczny o niezwyk"ych w"aĘciwo- cji podjednostek, zapewniającej powstanie
Ęciach, lecz zupe"nie nieznany do tej pory prawid"owego bia"ka. Innym problem są
mechanizm naznaczania bia"ek do degradacji. uszkodzenia prawid"owo sfa"dowanych i z"o-
Rozpoznanie ubikwityny wĘród bia"ek Żonych bia"ek komórkowych przez czynniki
biorących udzia" w badanym procesie stano- Ęrodowiskowe.
Takich groęnych dla bia"ek czynników jest wiele:
stosunkowo wysoka temperatura panujÄ…-
IstotÄ… systemu opartego
ca w komórce (np. 37°C);
na ubikwitynie jest staranne liczne reaktywne zwiÄ…zki drobnoczÄ…stecz-
kowe (utleniacze, cukry, czynniki deami-
wybieranie bia"ek przeznaczonych
nujÄ…ce);
do zniszczenia i naznaczanie ich
enzymy wprowadzajÄ…ce modyfikacje (np.
w taki sposób, aby mog"y byç
proteazy komórkowe);
rozpoznane wĘród wielu innych.
stosunkowo wysoka si"a jonowa, u"atwiajÄ…-
ca rozdysocjowanie podjednostek w bia"-
8 8 biologia w szkole
co nowego w biologii?
kach zbudowanych z wielu "ał
cuchów po-
lipeptydowych;
Oko"o 30% "ał
cuchów
kw. t"uszczowe dzia"ajÄ…ce jak detergenty;
polipeptydowych schodzÄ…cych
inne ęle sfa"dowane bia"ka, które prowa-
dzÄ… do powstawania nieswoistych agrega- z rybosomu fa"duje nieprawid"owo.
tów.
Prowadzi to do powstania bia"ek,
Wszystkie defekty, b´dÄ…ce skutkiem dzia-
które nie mogÄ… pe"niç swoich
"ania tych czynników, muszÄ… zostaç wyelimi-
funkcji lub teÅ» pe"niÄ… je wadliwie.
nowane z komórki przez system ubikwityna-
-proteasomy.
Wiele chorób jest skutkiem nieprawid"owego natomiast, Że bia"ko to fa"duje w sposób nie-
funkcjonowania systemu degradacji bia"ek. prawid"owy. Rygorystyczny system kontroli
Jednym z bia"ek, którego poziom jest pre- fa"dowania rozpoznaje to bia"ko jako wadli-
cyzyjnie regulowany przez system ubikwity- we, naznacza je ubikwitynÄ… i kieruje w ten
na-proteosomy, jest bia"ko p53. Nazywane sposób do degradacji w proteasomach. Bez-
jest ono czasem  straŻnikiem genomu . Gdy poĘrednią przyczyną mukowiscydozy jest
wzrasta liczba uszkodzeł
DNA, poziom p53 brak bia"ka CFTR.
podnosi si´ i powoduje zatrzymanie cyklu Nowotwory powodowane przez infekcj´
komórkowego, aby systemy naprawcze mia"y wirusem brodawczaka oraz mukowiscydoza
czas usunÄ…ç uszkodzenia, lub teÅ», jeĘli uszko- wynikajÄ… ze szkodliwej dla komórki, niepo-
dzeł
jest zbyt duÅ»o, kieruje komórk´ na dro- trzebnej degradacji bia"ek p53 lub CFTR. In-
g´ apoptozy. Jest to jedno z waÅ»niejszych ne choroby majÄ… swojÄ… przyczyn´ w dok"ad-
bia"ek naszych komórek. Mutacje w p53, po- nie przeciwstawnym procesie: w braku
wodujące brak poprawnie funkcjonującego skutecznej degradacji ęle sfa"dowanych bia-
bia"ka, spotyka si´ w oko"o po"owie wszyst- "ek. Takie bia"ka agregujÄ… ze sobÄ…, tworzÄ…c
kich nowotworów. z"ogi niszczące komórki. Agregacja bia"ek
Wirus brodawczaka (papilloma), którym w komórkach uk"adu nerwowego prowadzi
infekcja jest powiÄ…zana z wyst´powaniem m. in. do choroby Creutzfeldta-Jacoba i cho-
u cz"owieka niektórych nowotworów, uru- roby Alzheimera.
chamia w zaraŻonej komórce niefizjologicz-
ny mechanizm do"Ä…czania ubikwityny do Odkrycia Ciechanovera, Hershko i Rose a
p53, dzi´ki czemu bia"ko to jest degradowa- otwierajÄ… nowe moÅ»liwoĘci poszukiwania le-
ne w proteasomach. Przy obniŻonym pozio- ków "agodzących skutki kaŻdej z opisanych
mie p53 uszkodzenia DNA nie są naprawia- chorób, a ukierunkowanych na obniŻenie lub
ne, a komórki z powaÅ»nymi defektami zwi´kszenie skutecznoĘci dzia"ania systemu
w genomie nie sÄ… kierowane na drog´ apop- degradacji bia"ek. Jest to bardzo dobry przy-
tozy. W rezultacie gromadzÄ… si´ mutacje, k"ad na to, Å»e badania podstawowe, których
które ostatecznie prowadzą do przekszta"ce- pierwotnym celem nie by"a Żadna aplikacja,
nia zainfekowanych komórek w komórki no- zwykle procentują w dziedzinie praktycznych
wotworowe. zastosował
.
Mukowiscydoza jest powaŻną chorobą,
której objawem jest zaleganie Ęluzu w p"u-
prof. dr hab. KRZYSZTOF STAROÄ„
cach, a przyczynÄ… wadliwe funkcjonowanie
kana"ów chlorkowych w b"onie komórkowej. kieruje Zak"adem Biologii Molekularnej
na Wydziale Biologii Uniwersytetu
Na poziomie molekularnym mukowiscydoz´
Warszawskiego. Jest autorem podr´czników
powoduje mutacja w bia"ku CFTR, tworzÄ…-
szkolnych i akademickich oraz ksiąŻek
cym kana"y chlorkowe. Jednak mutacja nie
popularnonaukowych
zak"óca funkcji tego bia"ka, powoduje
1/2005 9
9