Самая интересная конформация

И действительно, как там поживает драг-дизайн? Не забыли ли мы, что исследования пространственных структур пептидных биорегуляторов есть не самоцель, а всего лишь средство для подбора ключа к замку-рецептору? Нет, не забыли и в доказательство этого повторим вкратце основные предпосылки прежних рассуждений, так, чтобы пептидный биорегулятор "запустил" биохимический процесс, который приведет в конце концов к желаемому биологическому эффекту, нужно прежде всего образовать достаточно прочный комплекс пептида со сводам специфическим рецептором. А это возможно лишь при условии чётко выраженной взаимной пространственной комплементарности соприкасающихся участков пептида и рецептора, которые должны быть подогнаны друг к другу ж такой же точностью, с какой ключ подгоняется к дверному замку. Но поскольку об устройстве замка-рецептора на сегодняшний день почти ничего не известно, задача подгонки ключа-пептида к рецептору неизбежно сопряжена с как можно более тщательным изучением пространственной структуры пептида, ибо именно от нее и будет зависеть специфичность и эффективность действия молекулы пептидного биорегулятора.

Что ж, исследования пространственной структуры пептидных биорегуляторов проводятся в настоящее время, как мы видели, довольно широко и вполне успешно. Однако основные результаты этих исследований могут на первый взгляд плохо укладываться в стройную схему, изложенную абзацем выше: оказывается, пептидный биорегулятор, как правило, может принимать несколько практически равноправных пространственных форм-конформаций. Иными словами, ключ к рецептору, который мы ищем, внезапно превращается в целый набор ключей, причем заранее неизвестно, какие именно из них подходят к замку-рецептору, ясно лишь, что не все ключи из набора в этом смысле взаимозаменяемы.

Надо сказать, что наиболее дальновидные из пептидных драг-дизайнеров еще лет пятнадцать тому назад задумывались над тем, как совместить, например, строгую специфичность данного пептидного биорегулятора с возможным наличием целого набора его пространственных структур (хотя в те времена само существование подобных наборов структур рассматривалось в качестве довольно сомнительной гипотезы). Итоги этих размышлений были наиболее полно сформулированы, пожалуй, в концепции "биологически активной конформации" - термин, предложенный американским ученым Р. Вальтером 1972 году.

В соответствии с такой концепцией необходимым условием для проявления пептидом биологической активности объявлялось существование среди его допустимых пространственных структур биологически активной конформации - той самой, которая проявляет комплементарность к взаимодействующему с пептидом участку рецептора. То есть если какой-нибудь пептид или его аналог является биологически активным, значит, в наборе отвечающих ему ключей-конформаций обязательно есть хоть одна пространственная форма, подходящая к "замочной скважине" на поверхности рецептора.

Эта концепция продолжает оставаться вполне актуальной и в наши дни, несмотря на некоторые уточнения и дополнения. Прежде всего критике подвергся сам термин "биологически активная конформация": ведь конформацией, необходимой для комплексообразования с рецептором, обладает, как легко понять, и молекула конкурентного антагониста, "занимающая место" пептидного биорегулятора, но не производящая никакого биологического эффекта. Так что более уместным было бы словосочетание типа "конформация комплексообразования", но выражение Р. Вальтера уже укоренилось в научной литературе, хотя смысл его несколько изменился в согласии с изложенным замечанием.

Далее пришлось учесть, что формой, комплементарной поверхности рецептора, может оказаться конформация не всей пептидной молекулы, а только определенного ее участка, и тогда именно конформацию этого участка надо считать "биологически активной" (в терминах "теории сигнатур" это означало бы, что как раз этот участок является носителем сигнатуры, ответственной за образование комплекса с рецептором).

И самое главное, концепция биологически активной конформации стала основой для дальнейшего развития исследований конформационно-функциональных отношений пептидных биорегуляторов. Более того, можно утверждать, что сегодня изучение конформационно-функциональных отношений конкретного пептида состоит в первую очередь из выяснения, какова же его биологически активная конформация.

Выяснение этого вопроса на практике немного напоминает логические задачи-головоломки, публикуемые в журналах наподобие "Науки и жизни", "Семьи и школы" или "Кванта" на страницах "Для самых маленьких". Сюжет задачи, имеющей сходство с обсуждаемой нами проблемой, мог бы выглядеть примерно так: четыре мальчика - Вася, Федя, Саша и Коля - нашли на чердаке, старого дома, где они все жили, запертую дверь, заваленную всяким хламом. Мальчикам очень хотелось узнать,, что же за дверью, и каждый из них раздобыл комплект из десяти ключей разных типов и попробовал отпереть старинный замок. Васе, Феде и Коле это удалось, а Саше - нет, ни один из его ключей не подошел к двери. Спрашивается, какой ключ открывал дверь, если в комплектах Васи и Феди совпадали ключи под номерами 2, 5, 6 и 9, у Васи и Коли - под номерами 5, 7 и 9, а у Саши и Васи - под номерами 5, 6 и 7. Несложные рассуждения показывают, что искомый ключ имеет номер 9: у всех мальчиков, которые открыли дверь, в наборах ключей общими были ключи 5 и 9, но ключ 5 был также и у неудачника Саши.

Процедура нахождения биологически активных конформаций пептидов (разработанная, кстати говоря, в наиболее полном и пригодном для использования виде советскими исследователями) и в самом деле может вызвать ассоциацию с логическими упражнениями для младшеклассников. Предположим, что природный пептид, обозначаемый буквой П, обладает известным нам набором конформаций, состоящим из десяти структур. Пусть, далее, три его аналога - А, Б и В, - отличающиеся от П только наборами конформаций, обладают разными свойствами по отношению к рецепторам, специфическим к П: А и В образуют с ними прочный комплекс, а Б - нет.

Определив наборы стабильных пространственных структур молекул А, Б и В, мы можем отметить, например, что по пространственной организации (то есть по взаимному расположению одинаковых функциональных групп) у молекул П и А сходны конформаций 2, 5, 6 и 9, у молекул II и В - 5, 7 и 9, а у молекул Б и П - 5, 6 и 9. Совершенно аналогичным образом, как и в предыдущей задаче, можно установить, что биологически активной будет конформация типа 9, общая по пространственной организации для природного пептида и его аналогов, охотно "вступающих в контакт" со специфическим рецептором и вместе с тем отсутствующая в наборе пространственных структур аналога, утратившего способность к комплексообразованию с тем же рецептором. Как видите, сама по себе процедура сравнения наборов конформаций действительно чрезвычайно проста, гораздо труднее правильно подобрать для нее исходные данные.

О трудностях определения наборов стабильных конформаций пептидов речь уже шла; здесь подчеркнем только, что для нахождения биологически активной конформации используется информация именно о наборах пространственных структур молекулы, а не об одной "усредненной" конформации. Это означает, между прочим, что при поиске биологически активной конформации наиболее важны не экспериментальные, а теоретические методы исследования пространственной структуры пептидов; к тому же биологически активная конформация окончательно формируется непосредственно на поверхности рецептора и, вообще говоря, может слегка отличаться от конформации пептида в растворе. Но экспериментальное изучение конформации пептида в комплексе со специфическим рецептором пока, к сожалению, остается желанной, но недостижимой целью современной биофизики: в этом направлении сделаны лишь самые первые робкие шаги.

Весьма желательно также, чтобы гипотетические аналоги А, Б и В действительно отличались от природного пептида П и друг от друга только наборами стабильных конформации, но не наличием или отсутствием функциональных групп, которые независимо от конформации пептида могут повлиять на комплексообразование. (Прочность комплекса пептид - рецептор в основном зависит от конформационных особенностей пептида, но не исключительно от них.) Практически это достигается, например, за счет замен "левого" аминокислотного остатка на "правый", но с сохранением химического типа боковой цепи.

Немаловажно и то, чтобы для всех аналогов уровень комплексообразования измерялся на одних и тех же рецепторах: иногда бывает, что у пептида есть не один тип специфических рецепторов и каждому из этих типов могут в принципе соответствовать разные биологически активные конформации пептида.

Одним словом, определение возможных биологически активных конформации пептидных биорегуляторов вовсе не такой гладкий, стройный и чуть ли не примитивный процесс, как могло показаться благодаря истории о четырех юных взломщиках, призванной хоть в какой-то мере нарушить устоявшееся мнение о сухости и занудливости не только научных проблем, но и самих научных работников. Тем не менее описанный выше процесс выявления биологически активных конформаций пептидов пусть не всегда, но хотя бы иногда приводит к желаемым результатам и тем самым оказывается вполне работоспособным.

Что же до занудливости научных работников, то краткая справка об истории разработки упомянутого варианта поиска биологически активной конформаций способна только еще ярче проиллюстрировать это милое свойство характера. Первые известные автору публикации, содержащие основные идеи изложенной процедуры, появились в 1972-1973 годах практически одновременно в СССР и США. В дальнейшем эти идеи совершенствовались, усложнялись за счет дополнительных оговорок, видоизменялись в связи с развитием теоретического конформационного анализа пептидов, и так на протяжении десятилетия; в 1983 году на русском языке вышла в свет обобщающая монография, в которой обсуждаемая проблема занимала центральное место. И несмотря на это, как памятник упорству научной мысли, в 1985 году на том же языке была опубликована большая статья, где те же идеи изобретаются целиком заново, причем на уровне, еще не достигшем, увы, уровня понимания 1972 года...

Итак, драг-дизайнеры пептидов получили в свое распоряжение метод, позволяющий более или менее детально описать биологически активную конформацию, ту самую, которая определяет собой комплементарность взаимодействия пептид - рецептор и несет "сигнатуру комплексообразования". Этот метод нельзя назвать ни чисто теоретическим, ни чисто экспериментальным; такими же несостоятельными окажутся определения вроде "физико-математический" или "химико-биологический".

Без сомнения, очень важную роль здесь играют расчеты, но все же нельзя сказать, что биологически активная конформация пептида предсказывается "на кончике пера", как в свое время планета Нептун французским математиком и астрономом У. Леверье: ведь еще до нахождения этой конформаций необходимо иметь сведения об исходе экспериментов по биологическому тестированию хотя бы нескольких аналогов молекулы, которые, между прочим, вначале нужно еще синтезировать. Таким образом, наиболее характерной чертой предложенной процедуры установления биологически активной конформации является согласованность действий всех ее участников: и химиков, и математиков, и физиков, и биологов. Иначе дело не пойдет; и это еще один пример комплексного подхода к проблеме, который вообще отличает современную науку. А драг-дизайн - в особенности, о чем читатель был, кстати говоря, предупрежден еще в первых главах.

Это обстоятельство, как, впрочем, и всякое дополнительное согласование, в принципе может несколько затруднить процесс поиска биологически активной конформации, но не остановить его, и результат в конечном итоге будет все-таки получен. А что же дальше? А дальше наиболее естественным способом использования полученных данных будет, по-видимому, синтез новых пептидных аналогов, в которых найденная биологически активная конформация была бы "закреплена", стала бы более устойчивой, чем другие конформации молекулы.

Легко понять, что эффективность комплексообразования со специфическими рецепторами у таких аналогов (их называют конформационно-ограниченными) должна быть повышена; мало того, "закрепление" разных типов теоретически возможных биологически активных конформации - если допустимы несколько видов специфических рецепторов - приведет" к так называемой селективности действия, то есть к выполнению аналогом лишь какой-то одной функции из нескольких, выполняемых природным пептидом. (Хотя для пептидов, как мы знаем, и без того характерен весьма узкий спектр биологических эффектов.) Для потенциального лекарственного препарата это весьма полезное свойство, поскольку то, что биохимики называют селективностью действия, на медицинский язык переводится как "отсутствие побочных эффектов".

На этом месте нашего рассказа о теоретических основах пептидного драг-дизайна можно было бы и поставить точку, поскольку на сегодняшний день более изощренной процедуры подбора ключей-пептидов к замкам-рецепторам, чем описанная, не существует и все примеры успешного направленного поиска аналогов пептидных биорегуляторов, приводимые в следующей главе, будут подтверждать сказанное.