Циклы линейных молекул

Как бы ни были красочны описанные выше примеры успехов и неудач пептидных драг-дизайнеров, это все же только отдельные эпизоды их бурной деятельности. Зато история, которую мы начинаем рассказывать в этом разделе, знаменует собой нечто большее: рождение целого направления в изучении конформационно-функциональных отношений пептидов, что бывает не так уж часто.

Впервые это направление заявило о себе в 1975 году на IV Американском пептидном симпозиуме, где советский ученый В. Иванов доложил о проведенных в нашей стране исследованиях пространственной структуры уже знакомого нам пептидного биорегулятора брадикинина - линейного соединения с аминокислотной последовательностью RPPGFSPFR.

Случилось так, что конформации брадикинина исследовались независимо экспериментальными и теоретическими методами в двух научных учреждениях. В Москве В. Иванов с сотрудниками под общим руководством Ю. Овчинникова проделал целый ряд экспериментальных измерений различных конформационных характеристик молекулы брадикинина в разных растворителях и пришел к выводу, что молекула не может быть полностью вытянутой, а должна иметь более или менее компактную пространственную форму.

В то же время в Минске группа биофизиков, возглавляемая С. Галактионовым, осуществила конформационный расчет брадикинина и установила, что энергетически предпочтительные конформации молекулы относятся к числу квазициклических ("квази" означает "как будто"): в центре последовательности, у остатка G, должен быть резкий излом остова, из-за чего ближе всего друг к другу подходят боковая цепь первого в цепи остатка R (заряженная положительно) и карбоксильная группа (заряженная отрицательно), замыкающая остов молекулы.

Результаты этих расчетов хорошо согласовывались с экспериментальными данными Ю. Овчинникова и В. Иванова, и поэтому квазициклическая модель пространственной структуры брадикинина получила право на существование. И не только модель структуры данной молекулы, как таковая: авторы доклада на IV Американском пептидном симпозиуме хорошо понимали необычность своего предложения, и текст доклада в Трудах симпозиума был завершен фразой: "Более того, открыт новый принцип пространственной организации линейных пептидов, согласно которому молекулы образуют циклы благодаря ионному взаимодействию ионогенных групп, расположенных на противоположных концах молекулы".

Вообще-то дело было не только в том, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу (именно этот элементарный факт отражает мудреное выражение "ионное взаимодействие ионогенных групп"): такое притяжение лишь закрепляет "ионной связью" и без того сближенные части молекулы. Но как раз гипотетическое наличие "ионной связи" между концами молекулы и подверглось наиболее ожесточенным нападкам противников новой идеи квазициклизации, многие из которых попросту не могли себе представить, как это линейная пептидная цепочка вдруг примет циклическую форму.

Сразу нашлось и резонное возражение: в водном растворe, этой естественной "среде обитания" пептидных биорегуляторов, заряженные группы окружены плотной оболочкой из молекул воды, и поэтому их взаимодействие резко ослаблено; следовательно, молекулярные квазициклы в воде должны разваливаться. Появились и новые экспериментальные работы по конформациям брадикинина, вроде бы противоречащие выводам доклада В. Иванова, - короче, как всегда, новая идея вызвала весьма разноречивые отклики.

Нужен был решающий эксперимент, призванный либо окончательно подтвердить, либо окончательно опровергнуть модель квазициклического строения брадикинина. И здесь центр тяжести событий вновь переместился в Ригу, в лабораторию Г. Чипенса.

Предложение рижан было простым и, пожалуй, даже очевидным: заменить "ионную связь" на обыкновенную валентную и проверить, будет ли получившийся циклический аналог обладать биологической активностью брадикинина. Но давайте не будем забывать, что все это происходило еще до появления известий о "бициклах" О. Каурова и Д. Вебера, до получения хоть каких-то сведений - экспериментальных либо расчетных - о биологически активных конформациях брадикинина, в те времена, когда, как упоминалось выше, идея о квазицикле брадикинина была столько же привлекательной, сколько сомнительной. А ведь на синтез циклоаналога брадикинина должно было уйти немало времени и сил очень квалифицированных химиков - иначе результат, какой бы он ни был, был бы недостижимым. И все же Г. Чипенс пошел на риск вытащить лотерейный билет "без выигрыша" и поручил новый необычный синтез одному из наиболее талантливых своих сотрудников.

Этим сотрудником был Ф. Мутулис, впоследствии лауреат Государственной премии СССР: он продумал и осуществил синтез циклоаналога , в котором остаток S был заменен на G (в линейном аналоге брадикинина такая замена не влияет на активность), а первый из остатков аргинина R - на остаток лизина К, боковая цепь которого была модифицирована и прочно соединена валентной связью с концевым карбоксилом остова.

Циклоаналог был испытан и проявил следующие биологические свойства: при введении в кровь крысам он действовал, как и природный брадикинин, - снижал давление крови, но не на протяжении нескольких секунд, а в течение более чем трех часов; зато никакого влияния на изолированный орган (кишка крысы), реагирующий на брадикинин, не было.

Достигнутый успех окрылил рижских химиков: еще бы, в результате удалось не просто подтвердить квазициклическую модель строения брадикинина, но и синтезировать аналог, обладающий длительным и к тому же высокоизбирательным биологическим эффектом. Кроме того, такой аналог имел шанс стать первым в ряду совершенно нового класса соединений, которые могли оказаться весьма перспективными с практической точки зрения - циклических аналогов линейных пептидов.

Забегая вперед, скажем, что шанс осуществился: синтез циклоаналогов линейных пептидных молекул сейчас является чуть ли не генеральным направлением развития мирового пептидного драг-дизайна, и в этом немалая доля заслуги ученых из Института органического синтеза Академии наук Латвийской ССР. Они получили уже несколько десятков эффективных циклоаналогов различных типов пептидных биорегуляторов, так что перечислить все их попросту невозможно: мы расскажем лишь о нескольких работах, которые автор этой книги (хоть, может быть, и только он) считает принципиально важными для формирования самой идеи о циклах линейных пептидов.

Нельзя, например, не упомянуть еще раз имени Ф. Мутулиса, который провел, подобно Д. Веберу (но ранее его!), исследование зависимости биологических свойств циклоаналога брадикинина от размеров цикла, добавляя в последовательность различные функциональные группы. Оказалось, что слишком "жесткое" сжатие брадикинина в кольцо, впрочем, как и слишком "свободное" взаимное расположение концов молекулы, одинаково плохо сказывается на активности: лучше всего проявила себя "золотая умеренность", олицетворенная в самом первом из синтезированных циклоаналогов. К тому же выяснилось, что разные аналоги обладают разной степенью избирательности, селективности биологических эффектов, присущих природному брадикинину, может быть, в силу закрепления различающихся биологически активных конформаций. (Это предположение было впоследствии подтверждено расчетом).

Героем довольно интересной истории стала молекула иммунорегулятора тафтсина - TKPR. Как уже упоминалось, расчет советских исследователей показал, что все устойчивые конформации (в том числе, по-видимому, и биологически активная) организованы сходным образом: боковая цепь остатка К приближена к концевому карбоксилу остова. Однако группа польских ученых во главе с профессором И. Семионом из Вроцлава подвергла эту модель резкой критике и на основании некоторых данных физико-химических измерений предложила новый вариант биологически активной конформации тафтсина: квазицикл со сближением противоположных концевых групп остова.

Драг-дизайн

Стороны обменялись репликами в виде заметок в научных журналах и начали искать подспорье своим идеям: модель польских коллег вроде бы объясняла проявление тафтсиноподобных эффектов у нескольких ими же синтезированных линейных аналогов молекулы, а модель советских авторов как будто лучше согласовывалась с данными экспериментов, проведенных в ЧССР под руководством известного пептидного химика К. Благи. И неизвестно, как долго продолжался бы подобный обмен любезностями (кавычки здесь можно опустить: И. Семион и его советские оппоненты оставались все это время в прекрасных личных отношениях), если бы не Н. Веретенникова, которая разрубила гордиев узел, синтезировав два циклоаналога тафтсина: и , соответствующие двум конкурирующим моделям биологически активной конформации. После того как оказалось, что иммуностимулирующий эффект характерен лишь для одного из них - первого, дальнейшие дискуссии были уже излишними.

Кроме того, продолжающиеся успехи в синтезе циклоаналогов отдельных линейных пептидов способствовали перестройке "линейной" теории "общего фрагмента" в "трехмерную". Хорошей иллюстрацией такой эволюции может послужить почти двадцатилетняя эпопея исследований в ряду аналогов хорошо нам знакомого ангиотензина (DRVYIHPF), проводимых в лаборатории Г. Чипенса. Вначале предполагалось, что "общий фрагмент" (имеющий здесь вид RV) отвечает только за неспецифическую активацию рецепторов и его модификации могут увеличить активность биорегулятора. Действительно, П. Романовский и А. Павар синтезировали аналоги с некоторыми модификациями "общего фрагмента", которые оказались активнее самого ангиотензина (не исключено, однако, что главную роль здесь сыграло повышение устойчивости аналогов к воздействию ферментов-пептидаз особого рода).

Затем во внимание было принято то обстоятельство, что остаток F, находящийся в другом конце молекулы, также влияет на уровень активации рецепторов. Независимо проведенный теоретический конформационный анализ дал основание считать, что эти противоположные части молекулы сближены между собой, причем образующийся квазицикл "закрепляется" взаимодействием аминокислоты R "общего фрагмента" и карбоксильной группы последней аминокислоты F. Следовательно, "общий фрагмент" влияет и на конформации молекулы. На этот раз, однако, простая замена "ионной связи" между боковой цепью остатка R и концевым карбоксилом валентной связью успеха не принесла: получившиеся циклоаналоги никакой активностью не обладали.

Между тем Ю. Анцанс предпринял синтез серии аналогов ангиотензина с модификациями внешне несущественными, но по сути резко меняющими конформацию каждого из остатков, затронутых модификацией. В результате получилось несколько аналогов с резко различными способностями к комплексообразованию с рецепторами, но с одинаковым уровнем активации рецепторов. Когда были осуществлены конформационные расчеты каждого аналога, позволившие найти наборы их устойчивых конформации, оказалось возможным построить модель биологически активной конформации ангиотензина, причем также квазициклическую.

Варьируя, размеры предполагаемого цикла, Ю. Анцанс получил в конце концов активные циклоаналоги ангиотензина, но с весьма странной активностью: вместо того, чтобы способствовать повышению кровяного давления, новые аналоги его понижали! Разобраться полностью, в чем тут дело, не удается до сих пор, так что в смысле модного в последнее время в художественной литературе "открытого конца", оставляющего поле для догадок и раздумий читателей, здесь все в порядке: в момент, когда автор пишет эти строки, ему известно, по крайней мере, три-четыре взаимоисключающих объяснения приведенного парадоксального результата, и предсказать, какое из них выживет, задача заведомо безнадежная.

Увы, этот самый "открытый конец" - едва ли не единственный элемент художественности в изложении, которое почти несомненно сейчас начинает казаться читателю чуть более скучным, чем хотелось бы. Конечно, куда более привлекательным был бы рассказ о человеческих судьбах, характерах, спорах и компромиссах и о многом другом, что сопровождало внедрение в сознание исследователей хотя бы той же идеи о циклических аналогах линейных пептидов. Кстати, казалось бы, автор как непосредственный участник описываемых научных событий действительно мог бы кое-что порассказать, но он не станет этого делать, поскольку не в состоянии сохранить в этих вопросах беспристрастность: лучше не будем слишком далеко отходить от избранной нами линии комментирования чисто научных проблем, тем более что до конца книги остался единственный раздел.