Судьбы "линейных" теорий

Итак, общее направление, в котором следует двигаться при осознанном конструировании пептидных аналогов, вроде бы проясняется: нужно стараться сохранить присущую природным пептидам сигнатуру, определяющую их взаимодействие с рецепторами. Остается загадкой, правда, как ухитриться это сделать: как придать конкретное химическое содержание несколько отвлеченному понятию "сигнатура". В конце предыдущего раздела, впрочем, промелькнула совершенно конкретная и приветствуемая любым химиком мысль, что, какой бы ни была сигнатура пептид-рецепторного взаимодействия, ее не испортишь, заменив любой аминокислотный остаток в цепи на другой, способный выполнить те же функции при взаимодействии с рецептором. А для этой цели, естественно, больше всего подходят аминокислоты, сходные между собой по каким-то параметрам.

Здесь уместно отметить, что идея о сходстве заменяемых аминокислот как основе рационального поиска эффективных аналогов пептидов появилась задолго до возникновения представления о сигнатурах и продолжает оставаться актуальной и сегодня. При этом критериями сходства пары аминокислот обычно служили величины, характеризующие их индивидуальные физические и химические свойства: объем молекулы аминокислоты, степень ее полярности, численное значение электрического заряда и тому подобное. Была предложена не одна теория, пытающаяся провести четкую корреляционную зависимость между величиной активности аналога и изменением каких-либо его параметров - тех же объема, полярности или заряда - в результате замены одной аминокислоты на другую. На базе этих теорий делались предсказания потенциально активных аналогов, которые иногда оправдывались, но гораздо чаще оказывались несостоятельными.

И в наши дни в научной литературе нет-нет и встретишь подобные теоретические модели связи между аминокислотной последовательностью пептида и его активностью, но все реже и реже. Причина снижения интереса к теориям такого рода проста: все больше исследователей, особенно среди химиков, начинают осознавать, пусть даже и пользуясь иной терминологией, что если биологическое действие любого пептидного биорегулятора определяется его сигнатурой, следовательно, оно зависит не только от пептида, но и от рецептора.

Значит, общие закономерности проявления функциональной активности невозможно тщательно изучить, основываясь только на сведениях о молекуле пептида. Поэтому совершенно необходимо в каждом отдельном случае создавать детальную модель взаимодействия конкретного пептида с конкретным рецептором и развивать дизайн новых пептидных аналогов в соответствии с последовательными этапами уточнения такой модели.

В глазах специалиста завершающая сентенция предыдущего абзаца предстает мрачной и малоперспективной, что, вообще говоря, не слишком хорошо для литературного жанра, в котором наука должна бы быть изображена со своей парадной и ухоженной стороны, а все глухие закоулки и пыльные тупики ее величественного здания лучше не вытаскивать на свет божий.

Действительно, общий вывод как-то не вдохновляет: вместо четких и, главное, универсальных выводов, объясняющих во всех деталях причины биологического действия пептидов вообще, нужно, оказывается, долго и нудно исследовать данный акт взаимодействия пептида и рецептора, да еще и в тех условиях, когда отсутствуют сведения о строении рецептора.

Между тем психология человека (в том числе и научного работника) такова, что хочется установить некие закономерности, пригодные на все случаи жизни и, по возможности, не нуждающиеся в дальнейших уточнениях. И нельзя сказать, чтобы подобные закономерности вовсе отсутствовали в рассматриваемой нами области исследований структурно-функциональной организации молекул пептидных биорегуляторов: уже сам по себе принцип "не структура, а сигнатура" есть положение вполне универсальное, и если предположить вдобавок, в чем именно выражается тот или иной тип сигнатуры при данном пептид-рецепторном взаимодействии, можно надеяться на получение полезных практических результатов.

Так, например, когда Г. Чипенс с сотрудниками добавили к общей сигнатурной концепции некоторые предположения о деталях молекулярного акта взаимодействия ангиотензина с рецепторами, им удалось "сконструировать" аналоги с активностью выше, чем у природного пептида (эта работа в 1974 году была отмечена Всесоюзной премией Ленинского комсомола, которой были удостоены А. Павар и П. Романовский). А в качестве дальнейшего шага Г. Чипенс попытался все-таки, несмотря ни на что, установить универсальную закономерность распределения сигнатур различных типов по аминокислотной последовательности молекул пептидных биорегуляторов.

Попытка эта основывалась на следующих экспериментальных фактах: во-первых, было подмечено, что в последовательностях многих пептидов, состоящих из не слишком большого числа аминокислот, очень часто встречаются сочетания типов RP (или RV) или обратное - PR (VR); гораздо чаще, чем если бы такие аминокислоты оказались рядом чисто случайно. Учитывая, что в определенном отношении аминокислоты Р и V можно считать эквифункциональными, был сделан вывод, что в биологически активных пептидах существует "общий фрагмент" - малый участок пептидной цепи, ядром которого является сочетание RP (RV) или обратное ему.

Во-вторых, "общий фрагмент" располагался в последовательностях многих пептидов непосредственно рядом с активным центром".

В-третьих, цепочка аминокислот "общий фрагмент" плюс "активный центр" (или наоборот), как правило, обладала активностью, близкой по величине к активности полной пептидной молекулы, но, как только "общий фрагмент" отделяли от цепочки, оставляя "активный центр" в одиночестве, уровень биологического эффекта резко снижался, хотя и не исчезал вовсе. В-четвертых, "общий фрагмент" сам по себе вызывал биологические реакции, характерные для пептидных биорегуляторов чуть ли не всех возможных типов - правда, в таких экспериментах применялись дозы "общего фрагмента", в десятки тысяч раз превышавшие величины, к которым привыкли биологи, тестирующие активность этих же регуляторов.

И наконец, в-пятых, совместное применение пептидов "общих фрагментов" (причем последних - в микродозах) несколько усиливало специфическую активность самых разных пептидных веществ.

В результате обобщения этого экспериментального материала была выдвинута гипотеза, согласно которой "общий фрагмент" объявлялся носителем сигнатуры активации рецепторов всех типов, а "активный центр" - носителем сигнатуры узнавания и комплексообразования пептида с данным типом рецепторов. Применяя использованную авторами предложенной гипотезы терминологию, можно сказать, что "общий фрагмент" представляет собой смысловую ("сигнальную") часть пептидного сообщения, а "активный центр" - адресную часть, по которой рецептор узнает, что сообщение направлено ему. (Разумеется, такое описание передает только характеристику гипотезы в целом: детали, и иногда довольно существенные, остались "за кадром".)

Несколько успешных предсказаний активности пептидных аналогов ангиотензина, брадикинина и еще нескольких биорегуляторов позволили перейти от гипотезы о роли "общего фрагмента" к более или менее законченной теории структурно-функциональной организации пептидов, но эта законченность оказалась, как и следовало ожидать, недолговечной - новые экспериментальные данные настойчиво требовали обратить на них внимание, и первоначальный вариант теории обрушился под их напором.

Предположение о "сигнальной" роли "общего фрагмента" было поколеблено уже тогда, когда выяснилось, что аминокислотные замены, затрагивающие "общий фрагмент", зачастую сказываются не на возможном уровне активации рецепторов, а на снижении способности пептида к комплексообразованию.

Наблюдался и другой эффект, противоречащий этому предположению: в молекуле ангиотензина, например (напомним: DRVYIHPF), ядром "общего фрагмента" служит сочетание RV; тем не менее аналог GGVYIHPF обладает полной активностью природного пептида, хотя "общий фрагмент" подвергся существенному изменению.

Эффекты...

Более того, мы уже знаем, что замена аминокислоты F в ангиотензине невозможна без практически полной утраты аналогом возможности активировать рецепторы, но при сохранении свойства комплексообразования; а между тем аминокислота F не входит в состав "общего фрагмента" и находится на противоположном конце пептидной цепи молекул.

Все перечисленные факты стали известны к середине 70-х годов; все они относятся к свойствам аналогов ангиотензина, то есть как раз к тому семейству пептидов, изучение которого (наряду с другими) послужило основой для создания теории об универсальном "общем фрагменте". Если теперь учесть то обстоятельство, что в ряде биологически активных пептидов - например, в том же энкефалине - "общего фрагмента" вообще нет, приходится признать, что уже через несколько лет после создания следовало считаться с грядущей неизбежностью развития и основательной перестройкой изложенной теории, включая отказ от ее универсальности и пересмотр взглядов на роль "общего фрагмента" в проявлении биологической активности аналогов природных биорегуляторов.

Такая перестройка действительно произошла, и теория об "универсальном общем фрагменте" изменилась к настоящему времени буквально неузнаваемо, хотя и сейчас есть люди, призывающие к сохранению ее в прежнем видe и находящие, по-видимому, удовольствие в положении писанного С. Маршаком пассажира, который сидит в отцепленном вагоне, уверенный, что поезд мчится вперед. Но хотелось бы привлечь внимание читателей не к этим стойким борцам за уже проигранное дело, а к тому обстоятельству, что неплохо задуманная, основанная на твердо установленных экспериментальных фактах и подкрепленная совершенно справедливыми идейными положениями теория структурно-функциональной организации молекул биологически активных пептидов оказалась, говоря прямо, не вполне правомерной. И этот исход связан вовсе не с особенностями теории общего фрагмента", а является, надо полагать, неизбежным уделом любой гипотезы, которая попытается (или пыталась, или будет пытаться) связать закономерности проявления биологического эффекта пептидов только с расстановкой аминокислот различного типа вдоль пептидной цепи. Примеров, помимо "общего фрагмента", можно было бы привести множество - хотя бы из-за того, что, к сожалению, такие гипотезы продолжают появляться и через год-другой исчезать, сгорая, словно бабочки на огне критических замечаний. Однако преследует их не всемогущий рок, а упорное нежелание замечать одно чрезвычайно важное обстоятельство. Для его пояснения вновь обратимся к процессу передачи биологической информации с помощью пептидных биорегуляторов.

Да, биологическая информация, о которой идет речь, возникает в организме в виде линейной записи - "строчки" последовательности нуклеотидов. Да, последовательность нуклеотидов "переписывается" затем в аминокислотную (тоже линейную) последовательность пептида, и вся передаваемая информация при этом сохраняется полностью опять-таки в виде линейной записи: поэтому мы и смогли использовать в нашем изложении "грамматическую" аналогию между пептидом как цепочкой аминокислот и словом как цепочкой букв. Однако уже следующий этап передачи информации - от пептида к рецептору - не только не представляет собой очередное переписывание одной линейной записи в другую, но даже и "чтение" рецептором "текста" пептида будет сугубо "нелинейным".

Дело в том, что молекула пептида - реальная молекула, а не запись на листе бумаги ее химической структуры в виде DRVYIHPF или структурной формулы - является объектом объемным, трехмерным, обладающим определенной формой в пространстве, и эта форма играет определяющую роль при "считывании" рецептором информации, содержащейся в пептиде. Естественно, здесь сопоставления со словесными текстами уже неуместны: от того, записано слово, скажем, прямой или волнистол строкой, его содержательный смысл не изменяется.

(Впрочем, в конце 60-х годов тогда еще не лауреат Государственной премии поэт А. Вознесенский ратовал за изопы - стихотворения, слова и даже отдельные буквы которых располагались на бумаге особым образом, создавая изображение, иллюстрирующее содержание стихов. Однако этот способ поэтического самовыражения не привился - то ли из-за дороговизны изготовления необходимых типографских клише, то ли из-за закоренелого консерватизма читателей, упорно не желавших отыскивать осмысленную цепочку слов в продуманном хаосе изопов, поэт - надо полагать, с болью в сердце - послушно вернулся к более традиционным формам стихотворной записи, в чем и весьма преуспел впоследствии.)

Одним словом, линейность аминокислотной последовательности пептида отнюдь не линейна с точки зрения записи информации, необходимой для образования прочного пептид-рецепторного комплекса и, следовательно, возникновения биологического эффекта. И поэтому любые попытки, устанавливающие зависимость менаду аминокислотной последовательностью и активностью на основе предположения о линейном распределении информации вдоль пептидной цепи, заведомо обречены на то, то не все экспериментальные данные удастся разумно истолковать с их помощью, как было показано выше на примере одной из таких попыток. Таким образом, для целей драг-дизайна прямолинейность пептидной цепочки оказалась вовсе не простой, а очень даже сложной, поскольку рациональный подход к этой проблеме означает переход с "линейного" на "трехмерный" уровень молекулярного конструирования.