Молекулы-сигналы
В каждой клетке нашего тела каждую долю секунды совершаются тысячи различных биохимических реакций – основа жизнедеятельности организма. Это целая симфония высокоорганизованных и точных реакций, строго согласованных по месту и времени с другими процессами в клетках и организме в целом. Для регулирования метаболизма (обмена веществ) в ходе эволюции образовались такие системы, как генетическая, эндокринная, иммунная, нервная и другие. Все эти системы функционируют с помощью различных переносчиков информации – молекул веществ, которые возникают в ходе метаболизма и выполняют функции сигналов. Эти молекулы и есть собственно биологические регуляторы: их присоединение к рецепторам клеточной оболочки (мембраны) служит сигналом к началу или остановке биохимических реакций.
Среди биорегуляторов особое место занимают пептидные и белковые гормоны, которые образуются в железах внутренней секреции (гипофизе, поджелудочной железе, тимусе и др.). Гармоны регулируют все виды обмена веществ, рост и дифференциацию тканей и органов, половое созревание и размножение, работу центральной нервной системы и память, иммунные реакции и множество других физиологических процессов.
Кроме гормонов эндокринного происхождения, не менее важную роль в организме играют так называемые тканевые гормоны, или кинины. Они формируются в тех точках (тканях) организма, где их влияние в данный момент необходимо, они и действуют обычно вблизи места своего образования. К ним относятся, например, ангиотензин и брадикинин. Первый из них повышает кровяное давление и участвует в регуляции водно-солевого обмена, а второй – брадикинин – понижает давление крови, влияет на проницаемость капилляров, вызывает болевые реакции.
Пептидный биорегулятор – это мощный рычаг управления внутриклеточными процессами. Исследование механизмов их действия имеет значение не только теоретическое, но и практическое. Уже сегодня пептидно-белковые биорегуляторы широко используются в медицине. Например, инсулин – для лечения сахарной болезни (диабета), кортикотропин – для предотвращения различных воспалительных процессов, окситоцин – для стимуляции родовой деятельности и т. д. Гормоны применяются также для лечения сельскохозяйственных животных, для стимуляции их роста и продуктивности. Природные биорегуляторы действуют в весьма низких концентрациях (их дозы измеряются сотыми и тысячными долями миллиграмма) и практически безвредны для организма, ибо продукты их распада – это те же аминокислоты, которые образуются при расщеплении пищевых белков.. Так что нужда в них велика, и было бы совсем неплохо наладить массовый выпуск пептидных препаратов.
Однако все познается в сравнении. Так, в организме пептиды недолговечны, их действие измеряется лишь десятками секунд. Такая кратковременность действия необходима для обеспечения гибкости регулирования на молекулярном уровне. Но если применять пептиды как препараты в медицине или животноводстве, она превращается в серьезный недостаток, ибо пройдется делать инъекции слишком часто. Значит, при создании препаратов-аналогов природных пептидов надо устранить этот недостаток – продлить действие гормона. Так определилась задача. Однако прежде предстояло провести фундаментальные исследования – изучить механизмы действия пептидов.
В конце 60-х годов лаборатория химии пептидов, организованная в латвийском Институте органического синтеза, начала поиск закономерностей действия пептидных биорегуляторов. Поскольку регулирование в живом организме зависит от связи, а связь – это передача какого-то количества информации, латвийские ученые решили провести анализ структур и функций пептидных биорегуляторов с точки зрения теории информации и кибернетики.
Код сигнатур
Пептидные гормоны, как и белки, построены из двадцати природных аминокислот, соединенных в цепочку. Каждый гормон отличается от другого числом и последовательностью аминокислот так же, как слова нашего языка отличаются числом и последовательностью букв. Двадцать природных аминокислот – это своеобразный алфавит природы. Но в отличие от слов информация в молекулах гормонов закодирована не только порядковым (линейным) расположением аминокислот, но и той формой, которую занимает в пространстве пептидная цепь. Эта цепь может быть изогнута или свернута самым различным способом, образуя определенную структуру. И этой структурой определяются биологические функции пептидов.
Молекула пептидного гормона может образовывать в пространстве различные геометрические формы. Например, молекула брадикинина, которая состоит из 9 аминокислот, может образовывать миллиард различных пространственных структур (конформаций). На рисунке показаны две структуры из миллиарда возможных: слева – вытянутая цепь, справа – квазициклическая структура. Многообразие структур определяет многообразие функций, которые могут выполнять молекулы гормона.
Если структура изменилась, стала другой, то изменилась и закодированная в ней информация. Значит, изменится и функция пептида, то есть он возбудит не ту, а иную биохимическую реакцию, однако чаще всего он полностью теряет активность. Ведь пептиды как биорегуляторы в большинстве случаев действуют на определенные, рецепторные участки клеточной мембраны, на локализованные в них ферментные системы. Клеточные мембраны являются как бы панелью управления внутриклеточными биохимическими процессами, рецепторы – отдельными ее ячейками, а пептидные биорегуляторы – своеобразными рычагами (рубильниками), воздействующими на эти ячейки. Контакт гормона с рецептором – это первичный сигнал к началу реакции, но не прямой, ибо в этом случае биорегулятор включает соответствующую мембранную систему, а уж она дает вторичный внутриктютючный сигнал, который и возбуждает определенную биохимическую реакцию (результатом которой станет какое-то физиологическое действие – переваривание пищи, обмен веществ, учащение пульса и т. п.).
Таким способом информация, заключенная в пространственно-временной структуре молекулы пептида, управляет молекулярными процессами. Но каждая молекула биорегулятора для точной и специфической передачи информации должна взаимодействовать лишь с одним или несколькими определенными рецепторами. Поэтому в каждой пептидной молекуле должен быть какой-то код, необходимый для узнавания «своего» рецептора.
Где и как в молекулах пептидов закодирован адрес рецепторов? И, с другой стороны, каким образом клеточный рецептор узнает «свою» молекулу пептидного биорегулятора? Поиск ответа на эти вопросы привел ученых к важному заключению: клеточные рецепторы узнают молекулы не по их химической структуре как таковой, а по определенному набору свойств (или признаков), присущих этим структурам. ) Это можно сравнить с тем, как мы узнаем своих знакомых: по профилю лица, по голосу, по звуку шагов и многим другим признакам. Но нам для узнавания требуются не все, а лишь немногие характерные признаки – какие именно, это определяется конкретной ситуацией.
То же самое наблюдается и в мире молекул. Чтобы клеточный рецептор узнал свою молекулу, ему не нужно «предъявлять» все структурные элементы биорегулятора, достаточно лишь некоторых, совокупность которых ученые Института органического синтеза назвали сигнатурой. Дальнейшие исследования показали, что эти сигнатуры могут быть общими для различных по структуре природных соединений (или их синтетических аналогов).
С другой стороны, известно, что один и тот же гормон действует на различные органы, вызывая различные ответные реакции, то есть обладает определенным спектром биологического действия. Известно также, что химические модификации аминокислот пептидной цепи, не влияя на одну функцию гормона, могут сильно изменить другую. Биологический спектр действия гормона и возможность его изменения говорят о том, что в одном соединении может быть несколько сигнатур.
В природе мы часто сталкиваемся с явлением биохимической универсальности. Эта универсальность строения и свойств клеток и биохимических систем (в том числе и живых организмов), принципов их действия и управления, кодирования информации и т. п. Исходя из этого, ученые предположили, что должны существовать какие-то общие принципы в кодировании и декодировании информации, записанной природой в пептидных гормонах и кининах. И если такие принципы существуют, то они должны каким-то образом отразиться в структурах этих соединений.
Чтобы разобраться в этом, латвийские химики применили так называемый матричный анализ – метод, который широко используют лингвисты и криптографы для выяснения особенностей различных языков и расшифровки кодированных сообщений. Для каждого языка характерны наиболее часто встречающиеся звуки или их сочетания. Выявить их можно, если построить квадратную матрицу, то есть очертить на бумаге в клетку квадрат со стороной по числу букв алфавита и написать буквы вдоль двух его перпендикулярных сторон. Затем, анализируя какой-то достаточно большой отрывок текста, в соответствующих клетках точкой отмечать пары рядом расположенных букв. Получится в итоге, что некоторые клетки почти заполнены точками, в других точек мало, третьи остались пустыми.
Матричный анализ частоты встречаемости сочетаний аминокислот в молекулах гормонов и кининов дал сходную картину: в отдельных пептидных биорегуляторах особенно часто встречаются некоторые аминокислоты, которые выполняют одинаковые функции. В структурах гормонов эти аминокислоты расположены рядом и образуют целый фрагмент, общий для различных пептидных биорегуляторов. Эксперименты показали, что удаление или обратное присоединение общих фрагментов в пептидных молекулах вызывает очень резкое, на 3 – 4 порядка, изменение их биологической активности, от чего зависит, включится или нет в клетке вторичный сигнал и соответствующая ему реакция. К тому же общие фрагменты всегда расположены рядом со специфически активными участками молекул. Так была выявлена структурная организация молекул гормонов, играющая определенную функциональную роль.
На этой основе ученые разработали теоретическую модель структурной и функциональной организации некоторых групп гормонов и кининов. Согласно этой модели, молекулу пептида можно условно разделить на две части – адресную или различающую, позволяющую узнавать «свой» рецептор, и общий фрагмент, который участвует в активизации клеточных рецепторов.
Биологи, иммунологи и фармакологи института экспериментально проверили эту модель. То есть, взяв ее за основу, синтезировали около 70 искусственных гормонов и исследовали их биологическую активность. Во всех случаях результаты подтвердили правильность теоретической модели и, в частности, роль общего фрагмента как усилителя активности.
Незамкнутое кольцо
Последующие исследования прояснили эту роль общего фрагмента. Дело в том, что пространственная структура пептидов не столь явно определенна, как у белков. Благодаря особенностям строения пептидной цепи молекула, состоящая, например, из 8 аминокислот, может образовать около 100 миллионов различных пространственных форм. Но только некоторые из них биологически активны, то есть могут взаимодействовать с клеточными рецепторами. Какие?
Анализируя пространственные структуры низкомолекулярных пептидных биорегуляторов, ученые рассчитывали их с помощью ЭВМ. И эти расчеты показали, что целый ряд низкомолекулярных линейных пептидных гормонов фактически имеет не линейное, а квазициклическое строение, то есть форму незамкнутого кольца (слово «кольцо» использовано здесь для наглядности, на самом деле пептидная цепь может принять форму сколь угодно сложной незамкнутой кривой). Стабилизирует же такую структуру взаимодействие ионов одной из аминокислот общего фрагмента, несущего положительный заряд, и аминокислот цепи, где есть отрицательно заряженные группировки (впервые эта идея была выдвинута академиком Ю.А. Овчинниковым и его сотрудниками).
Тем самым было раскрыто участие общих фрагментов в формировании и закреплении пространственной структуры пептидной молекулы, определяющей специфическую биологическую активность гормона. Ведь если удалить общий фрагмент, то различающий участок молекулы теряет свою характерную пространственную структуру, а вместе с ней – и возможность контакта со «своим» клеточным рецептором.
Квазициклы придают молекулам низкомолекулярных биорегуляторов относительно жесткую специфическую форму, однако ионная связь, стабилизирующая ее, слаба и недолговечна. Поэтому, когда на очередном этапе работы начали синтезировать аналоги природных гормонов, то слабая ионная связь в квазициклах была заменена на прочную химическую ковалентную, образующую настоящие циклические структуры. Тем самым был получен принципиально новый тип аналогов природных пептидов.
Модельными соединениями для них поначалу стали тканевые гормоны типа брадикинина. Эти соединения вызывают множество биологических эффектов: действуют на кровеносные сосуды, сердце, почки, центральную нервную систему, другие органы. К сожалению, именно из-за широты и кратковременности действия брадикинин, высокоэффективное природное средство снижения кровяного давления, на то время не нашел практического применения в медицине. Но уже первые результаты биологических испытаний циклических аналогов, проведенные на животных, показали, что они на несколько порядков превосходят природный прототип по длительности действия. Тот же брадикинин вместо прежних десятков секунд действует несколько часов. Кроме того, в отличие от природных, аналоги не действуют, например, на различные участки кишечника, матки и т.д. То есть их действие стало не только более долгим, но и более избирательным.
В Институте органического синтеза были получены циклические аналоги и других групп пептидных биорегуляторов. Среди них вещества, стимулирующие иммунную систему, вызывающие биосинтез стероидных гормонов в надпочечниках, действующие на центральную нервную систему и др.
В итоге все эти исследования позволили установить универсальную закономерность структурной и функциональной организации пептидных гормонов и кининов, и на ее основе разработать технологию производства высокоактивных циклических пептидных препаратов для медицины и народного хозяйства.