"Кентавр Вальтера"

Известный польский поэт и сатирик А. Слонимский вспоминает в своих мемуарах случай, произошедший в Лондоне в конце сороковых годов на выставке работ П. Пикассо. А. Слонимский привел на эту выставку молодого работника аппарата советника по культуре посольства ПНР в Англии. Тот долго бродил по залам, явно чувствуя себя неуютно среди сугубо формалистических полотен, испещренных непонятными фигурами и линиями, но вдруг остановился перед одной картиной, и лицо его просияло. "Смотрите, - обратился он к своему спутнику, - ведь это кентавр! Ну прямо как живой!" А. Слонимский пишет далее: "Я хотел спросить у него, где он видел живого кентавра, но передумал".

Мораль этой истории, разумеется, многозначна, и мы подчеркнем, может быть, не ту ее сторону, которую мемуарист счел бы главной. В данный момент для нас важна лишь такая деталь: рожденная фантазией древних греков фигура кентавра - существа с торсом мужчины и туловищем лошади - так часто встречается в классических образцах литературы и искусства, что уже давно стала знакомой и привычной миллионам людей. Это дает право и нам использовать образ кентавра для иллюстрации еще одного ключевого эпизода из истории развития пептидного драг-дизайна. Казалось бы, между персонажами из античной мифологии и пептидными молекулами мало общего - и тем не менее, как можно будет убедиться,

Такое сопоставление оказывается правомерным.

Главным героем данного эпизода является молекула окситоцина. Этот гормон, синтезирующийся в организме в гипофизе - придатке головного мозга, уже упоминался на страницах нашей книги и как первый биологически активный пептид, полученный химическим синтезом "в пробирке", и как лекарственное средство, усиливающее при необходимости родовые схватки, стимулирующее молокоотделение и тому подобную деятельность организма. Окситоцин, его аналоги и сходные с ним пептиды исследуются уже на протяжении трех десятилетий - очень большой срок по меркам современной науки, - и препараты на основе окситоцина широко применяются ныне в медицине и ветеринарии. Естественно, что этот "старейший" пептидный биорегулятор за прошедшие годы неоднократно становился "пробным камнем" для всевозможных гипотез и теорий, которыми всегда был богат драг-дизайн пептидов. И когда в умы исследователей пептидов проникла и утвердилась мысль о связи между конформацией пептидного биорегулятора и его биологической функцией, окситоцин оказался среди первых объектов, подвергнутых всестороннему изучению в этом направлении. А одним из ведущих специалистов по пространственной структуре окситоцина стал известный американский ученый Р. Вальтер.

Здесь пора сказать, что окситоцин является нонапептидом (то есть цепочкой из девяти аминокислот), причем нонапептидом своеобразным: первое и шестое положение цепи занимают остатки цистина С, боковые цепи которых обладают атомами серы, способными образовывать прочную валентную связь. В результате окситоцин оказывается циклической молекулой с последовательностью , причем циклическая часть состоит из первых шести аминокислот, к которым "подвешен хвост" еще из трех аминокислотных остатков. Заканчивается остов молекулы окситоцина не обычной карбоксильной группой (СООН), а амидной (NH₂).

Р. Вальтер в содружестве с другими исследователями применил к молекуле окситоцина все известные в шестидесятых годах методы обнаружения деталей пространственной структуры пептидов в растворе: главным образом спектроскопию кругового дихроизма и ядерный магнитный резонанс. Исследованию подверглись также аналоги окситоцина, как биологически активные, так и неактивные. Более того, в ряде случаев для уточнения иногда противоречивых данных физико-химического эксперимента синтезировались совершенно новые, ранее неизвестные аналоги молекулы. Был выполнен поистине огромный объем работы: достаточно сказать, что "полное собрание сочинений" Р. Вальтера, затрагивающих вопросы изучения конформации окситоцина, насчитывает несколько десятков полновесных научных статей в наиболее серьезных международных изданиях.

Итогом этих работ явилась хорошо известная в пептидном мире модель пространственной структуры окситоцина, называемая в научном просторечии "моделью Вальтера". Согласно этой модели устойчивая конформация окситоцина в растворе представляет собой нечто вроде комбинации двух слегка искаженных прямоугольников. Первый из них образован циклической частью молекулы, и "сторонами" его можно считать следующие "отрезки": трипептид C₁YI, "перпендикулярный" ему дипептид IQ, "параллельный" трипептид QNC₆ и замыкающую четырехугольник валентную связь между остатками C₁ и С₆.

Второй прямоугольник начинается продолжением последней "стороны" первого в направлении остатка Р и после изгиба остова вокруг остатка L завершается "стороной", параллельной начальной и состоящей из остова остатка G(NH₂). Очень приблизительно получающуюся модель конформации можно изобразить следующей схемой:

Такая модель пространственной структуры окситоцина была впервые предложена Р. Вальтером и Д. Юрри в 1971 году. Тогда же было высказано несколько соображений о том, какие именно внутримолекулярные взаимодействия обеспечивают устойчивость молекулы в указанной конформации и, в частности, отвечают за сближение первого остатка в пептидной цепи молекулы с последним.

Кроме того, в том же году, проанализировав различия между спектроскопическими данными для активных и неактивных аналогов окситоцина, Р. Вальтер пришел к выводу, что "биологически активная конформация" окcитоцина (тогда-то и появился впервые этот термин) отличается от "основной" пространственной структуры весьма незначительно: самым большим изменением будет поворот боковой цепи остатка Y в направлении "противоположного" ему по схеме остатка N.

"Модель Вальтера" (включая и предложенную биологически активную конформацию) довольно быстро утвердилась в научной литературе как единственно возможная пространственная структура молекулы окситоцина и в течение нескольких лет оставалась незыблемой: все исследования по драг-дизайну аналогов окситоцина так или иначе учитывали ее существование и ограничения, накладываемые ею на "конструкции" новых аналогов. Время прямой экспериментальной проверки этой модели настало в 1977 году, когда практически одновременно появились две работы, в которых были обнародованы результаты синтеза бициклических аналогов окситоцина, то есть таких, где содержится не один внутримолекулярный цикл, а два.

Слово "бицикл", помимо буквального перевода "двойной цикл", используется в русском языке еще и как устаревший синоним слова "велосипед". Поэтому, конечно же, немедленно возникает соблазн сравнить конструкторов "молекулярных бициклов" с изобретателями велосипедов; но, увы, это словосочетание уже устойчиво связано с чудаковатыми субъектами, упорно не обращающими внимания на течение научного прогресса и заново открывающими давно известные истины.

Изобретатели молекулярных пептидных бициклов являются, вне всякого сомнения, полными антиподами описанных личностей: они прекрасно осведомлены о новейших достижениях в своей области и стараются по возможности не повторять уже сделанные работы. Но одна черта, общая с вошедшими в поговорку "изобретателями велосипедов", им все-таки необходима: имеется в виду немалое терпение и упорство в достижении поставленной цели.

Мы уже говорили как-то о проблемах и трудностях химического синтеза пептидных молекул: они достаточно велики уже при синтезе линейных пептидов, но при синтезе циклов технические трудности возрастают чуть ли не на порядок. Что же касается синтеза бициклов, то даже просто для того, чтобы взяться за эту работу, нужно обладать смелостью, уверенностью в своих силах и исключительно высокой квалификацией: без этого попытка синтеза будет заранее обречена на провал.

Прекрасно понимая, какие проблемы стоят на пути, две группы химиков независимо начали тем не менее синтез окситоциновых "бициклов", поскольку видели в этом возможность зафиксировать конформацию молекулы, соответствующую "модели Вальтера". Одна группа работала в Праге, в Институте органической химии и биохимии Академии наук ЧССР, под руководством М. Заорала, другая, во главе которой стоял О. Кауров, - в Ленинградском университете.

Чехословацкие ученые решили закрепить "конформацию Вальтера", соединив валентной связью начало и конец остова молекулы, то есть синтезировать аналог вида:

Группа О. Каурова попыталась имитировать в своем аналоге не просто "конформацию Вальтера", а ее "биологически активный" вариант, приблизив боковую цепь остатка Y к остатку N за счет валентной сшивки между боковыми цепями этих остатков:

О. Кауров доложил об итогах проведенной работы в сентябре 1977 года на IV Всесоюзном симпозиуме по химии пептидов и белков в Минске (кстати, там присутствовали и химики из ЧССР). Статья М. Заорала и В. Крхняка вышла в свет в том же году в декабрьском номере "Собрания чехословацких химических сообщений". На симпозиуме ленинградские ученые сообщили, что новый бициклический аналог не является ни агонистом, ни антагонистом окситоцина, то есть как будто вообще не взаимодействует со специфическими окситоциновыми рецепторами. В статье чехословацких авторов об испытании биологической активности своего "бицикла" не было ни слова; некоторое время спустя по рассказам М. Заорала стало известно, что биологическое тестирование дало такой же результат, как и в Ленинграде, - отрицательный.

Итак, в обоих случаях надежды исследователей не оправдались: бициклические аналоги окситоцина оказались неэффективными при взаимодействии с рецепторами. Неудача?

Вовсе нет, недаром в научном фольклоре издавна бытует выражение: "Отрицательный результат - тоже peзультат". Наиболее очевидным итогом работ О. Каурова М. Заорала, хоть и негативным, явилось сомнение в доселе непогрешимой "модели Вальтера"; даже только тень сомнения, потому что неэффективность "бициклов" могла быть объяснена еще многими причинами, помимо непригодности конформации, постулированной Р. Вальтером, к комплексообразованию с рецепторами. Но ведь и тень сомнения влечет за собой новые соображения и размышления и в конечном счете способствует продвижению вперед, дальнейшему развитию представлений о пространственной структуре окситоцина.

Однако в работах "изобретателей бициклов" был и позитивный элемент: нельзя забывать, что О. Кауров сознательно рассчитывал на то, чтобы зафиксировать предполагаемую биологически активную конформацию молекулы чисто химическим путем - созданием дополнительного внутримолекулярного цикла, - и его бициклоокситоцин стал первым аналогом пептидного биорегулятора, сконструированным специально для этой цели. Вслед за О. Кауровым и даже одновременно с ним по тому же пути пошли многие пептидные драг-дизайнеры, но по крайней мере приоритет в извещении о результатах направленного синтеза аналогов такого рода (пускай и отрицательных результатах) по праву остался за советской школой пептидной химии.

'Изобретателей бициклов'

Что же касается пространственной структуры окситоцина, то двумя годами позже группа исследователей из СССР опубликовала данные конформационных расчетов молекулы окситоцина, из которых следовало, что стабильные конформации молекулы довольно четко разделяются на две практически равноправные группы. Одна из них характеризуется "прямоугольным" строением циклической части, так же как и в "модели Вальтера", но без требуемого "моделью Вальтера" сближения концов молекулы, а вторая, наоборот, сближением концов, но зато резким искажением "четырехугольной" структуры циклической части. В связи с этим возникло обоснованное подозрение, что "модель Вальтера" является типичным "кентавром" - в ней совмещены "усредненные" структурные особенности, относящиеся к двум совершенно различным типам конформаций окситоцина.

Подобное усреднение вообще характерно для моделей пространственных молекулярных структур, построенных только по данным физико-химического эксперимента, без учета результатов теоретического конформационного анализа (впрочем, в год появления "модели Вальтера" конформационные расчеты пептидных молекул были еще в эмбриональном состоянии).

Разумеется, результаты расчетов сами по себе нуждаются в экспериментальном подтверждении, но, если они верны, неудача с синтезом эффективных "бициклов" сразу же находит объяснение: с помощью "бициклов" пытаясь зафиксировать нечто на самом деле несуществующее -- молекулярную химеру, "кентавра Вальтера".

Таким образом увидеть "кентавра, как живого", иногда можно и на молекулярном уровне, однако и здесь он существует только в воображении если не художника, то ученого.