2004. aasta KEEMIA- NING FÜSIOLOOGIA- JA MEDITSIINIPREEMIA on heaks näiteks keemia ja eluteaduste sünergismist, mis annab uusi ootamatuid ja olulisi vilju maailmast ning selle elusa osa funktsioneerimisest arusaamiseks.

NOBELI KEEMIAPREEMIA määrati Iisraeli teadlastele Aaron J. Ciechanover’ile ja Avram Hershko’le ning ameeriklasele Irwin Rose’ile rakusisese valkude lagundamise väljaselgitamise eest.

Proteiinid – rakkude põhiliste eluprotsesside regulaatorid

Proteiine ehk lihtvalke ja nende omadusi on palju uuritud. Seetõttu teatakse hästi, millised ensüümid mida katalüüsivad ja reguleerivad ning millal nad sünteesitakse. Suhteliselt vähem on andmeid sünteesitud ensüümide edasise käekäigu kohta – kuhu nad kaovad, kui nad oma ülesande täitnud. Tegelikult on valkude degradatsioon rakkudes keeruliselt ja täpselt juhitud väga erilaadne protsess, mille käigus paljudest valkudest valitakse välja ja hävitatakse vaid üksikud. Valkude spetsiifilise lagundamise küsimus ei ole hoopiski vähetähtis probleem, vaid see on seotud paljude füsioloogiliste, aga ka patoloogiliste protsessidega rakus.

Rakusiseste valkude omaduste halvenemine mõjutab paljusid rakkude põhiprotsesse

Värsked laureaadid Ciechanover ja Hershko on näidanud, et rakusiseste valkude omaduste halvenemises ehk degradatsioonis osaleb vahendajana väike temperatuurikindel valk ubikvitiin. Selle valgu vahendatud muundumiste ahel mängib tähtsat rolli rakkude arengus. Ubikvitiinil on omadus spetsiifiliselt seostuda degradeeritavate valkudega, muutes need substraatideks proteaasidele, mis katalüüsivad nende järgnevat kiiret lagunemist. Ubikvitiin seostub spetsiifiliselt selliste valkudega, mis on ebanormaalsed või vigased. Spetsiifiline ja programmeeritud valitud valkude lagundamine võiks olla üks võimalusi vähiga võitlemisel ja avab tee uute vähivastaste vahendite väljatöötamisel.

Keemikud koos molekulaarbioloogidega

Kui kaks laureaati – Ciechanover ja Hershko – on oma hariduselt arstid-onkoloogid, siis kolmas laureaat, Irwin Rose, on biokeemik. Tema panus seisneb ensüümide (valkude) muundumiste mehhanismi väljaselgitamises, selle fundamentaalse kemismi loomises – kuidas toimub prootonülekanne ensüümide korduvkasutuse protsessis. Kõnealune Nobeli preemia saanud töö on hea näide teoreetiliste ja eksperimentaalsete uurimiste edukast ühendamisest.

NOBELI MEDITSIINI- JA FÜSIOLOOGIAPREEMIA määrati ameeriklastele, Seattle’i Fred Hutchinsoni Vähiuuringute Keskuse teadlasele Linda B. Buckile ja Columbia ülikooli professorile Richard Axelile haistmismeele molekulaarse mehhanismi avastamise ja uurimise eest.

Haistmine – tähtis sensoorne süsteem

Milline ta siis on, see haistmismeeleelund, nn olfaktoorne süsteem? Lõhnataju on keemilise aistingu süsteem, mis annab õhus lenduvate keemiliste ühendite, lõhnade kaudu organismile teavet keskkonna – näiteks teiste elusolendite, enese, partneri, toidu, ohtude jm kohta. Lõhnad võivad mõjutada elusorganismi käitumist väga olulisel määral. Näiteks kiskja, tundes saaklooma lõhna, käitub vastavalt saadud informatsioonile. Lõhnadel on suur roll liikide sotsiaalsel suhtlemisel – liigikaaslase äratundmisel, paarilise leidmisel, territooriumi märgistamisel, ohu eest hoiatamisel, aga ka vaenlaste peletamisel jne. Seetõttu võib haistmist pidada üpris tähtsaks sensoorseks süsteemiks. Inimesel, erinevalt paljudest loomadest, pole lõhnataju kõige olulisem meel. Loomadel, kelle igapäevane toimetulek sõltub lõhnade tajumisest, väljendub see ka lõhnade äratundmiseks kasutatava ajupinna suuruses. Nii on 70 kilogrammi kaaluval inimesel ainult ligikaudu 10 cm2 seotud lõhnade tajumisega, samal ajal kui näiteks 3-kilogrammisel kassil on see 20 cm2. Üldiselt on haistmine evolutsiooniliselt üks vanemaid sensoorseid süsteeme. Nii on putukatel, kes on inimestest geneetiliselt väga kauged (meid lahutab 600 miljonit aastat), lõhnatajumise süsteem põhimõtteliselt sama hea nagu inimesel.

Haistmine kui keeruline keemiline-biokeemiline meel

Alles alates 1990. aastatest on hakatud täpsemalt aru saama, kuidas haistmismeel töötab ja kuidas aju töötleb lõhnade kohta saadud informatsiooni. Äsjaste laureaatide tööde panus sellesse on suur. Nimelt asuvad nina epiteelkoe närvirakkude ehk neuronite (neid on inimesel 50 miljonit) lõpmetes retseptorid – valgu molekulid, mis reageerivad lõhnaainetele, tekitades elektrilise signaali. Iga neuroni pinnal on vaid üks kindel lõhnaretseptor, mis reageerib ainult teatud lõhnaainetele. Neuronid saadavad signaali edasi nn haistmissibulasse, kust see suunatakse muudesse aju osadesse. Nende signaalide põhjal genereeritakse käitumuslikud vastused lõhnale, näiteks ebameeldiva lõhna peale kirtsutakse ju nina. Inimese mitmesuguseid lõhnaretseptoreid kodeerivad 347 geeni. Võrdluseks olgu toodud, et nägemist reguleerivad ainult 3 ja maitsmist 30 geeni.

Kuidas lõhnadel vahet tehakse

Neuroni poolt haistmissibulasse saadetud signaali toimel aktiveeritakse ainult teatud osa neuronitest, nii et moodustub nn ruumiline kaart. Moodustunud ruumiline kaart on iga erineva lõhnamolekuli või molekulide segu korral isesugune. Tekkivate ruumiliste kaartide erinevused ongi lõhnataju võtmeks – nende kaudu ongi lõhnad eristatavad. Ruumilised kaardid indutseerivad omakorda ka teiste sensoorsete süsteemide, nagu kuulmis-, kompamis- ja nägemistaju poolt vastavate kaartide tekke. Uued kaardid kirjeldavad, erinevalt haistmismeele kaardist, mis määrab ainult lõhna, teisi lõhnasignaali omadusi, näiteks asukohta ruumis, selle iseloomu jm. Lõhnaretseptorid reageerivad erakordse täpsusega lõhnamolekuli väiksematelegi struktuurimuutustele. Näiteks lõhnab d-karvoon meie tajus köömne, aga l-karvoon piparmündi järele, kuigi ehituslikult on nad täpselt ühesuguse struktuuriga teineteise peegelpildid. Just neuronite kõrge spetsiifilisus tagab lõhnade eristamise suhtelise efektiivsuse.

NII KEEMIA- KUI MEDITSIINIPREEMIA ARSTIDELE

Rakusisesed valkude muundumisreaktsioonid keemiapreemia puhul ning lõhnatajumismeelega seonduv tunduvad olevat täiesti erinevad teemad, ometi on kõnealused uuringud mõneti väga sarnased. Tööde sarnasus seisneb selles, et molekulaarbioloogia tasandil leitakse organismi funktsioneerimise mehhanisme ja seoseid teiste füsioloogiliste protsessidega. Nii põimuvad keemiapreemia saanud uuringus bioloogia ja meditsiin, meditsiinipreemiaga hinnatud tööd sisaldavad aga palju keemiat. Traditsiooniliselt mõtleme sageli nii, et keemia on ilmtingimata molekulide muundamine kolvis või reaktoris. Kuidagi aga ei taha seostuda rakkude elutsükkel ja selle füsioloogiline tulem meie teadvuses otseselt keemiaga. Need mõisted kipuvad tavakujutluses rohkem bioloogia (meditsiini) valdkonda. Viimasel ajal saabki täheldada keemia piiride olulist avardumist. See tuleneb asjaolust, et laialt uuritakse meditsiiniliste, nii füsioloogiliste kui ka psüühiliste protsesside keemiapõhiseid mehhanisme. Sellises uurimises saadab edu vaid teadlasi, kellel on väljapaistev keemiaalane kompetents. Pole ime, et enamik suursaavutusi tehakse maades, kus arsti või molekulaarbioloogi kohustusliku hariduse juurde kuulub põhjalik keemiaharidus. Nii ei üllata meid enam arstide ja bioloogide suur osakaal Nobeli keemiapreemia saajate hulgas, ning samuti asjaolu, et keemiapreemiaga pärjatud tööd esmapilgul väga arstilikud või bioloogilised paistavad. Sellest tõdemusest lähtudes on ka Tallinna Tehnikaülikoolis molekulaarbioloogide, geeniinseneride ja biotehnoloogide koolitamisel suur rõhk pandud alusteadmiste, eriti keemia õpetamisele, ning ikka selleks, et tulevaste Nobeli preemia laureaatide seas ka eestlasi kohtaks.

MARGUS LOPP on Tallinna Tehnikaülikooli orgaanilise keemia professor.

ALLAN NIIDU on Tallinna Tehnikaülikooli doktorant.

LOE VEEL

http: //www.technion.ac.il/~rapinst/ciechanover.html

http://www.technion.ac.il/~rapinst/hershko.html

Hershko A, Ciechanover A. The ubiquitin system. Ann. Rev. Biochemsitry, p. 425-479 (1998).

L. Buck; R. Axel, Cell 65, 175 (1991).

K. Eggan et al., Nature 428, 44 (2004).

Z. Zou et al., Nature 414, 173 (2004).

G. Barnea et al., Science 304, 1468 (2004).

http://nobelprize.org/medicine/laureates/2004/index.html

http://c250.columbia.edu/c250_events/symposia/brain_mind/brain_mind_vid_archive.html