Биологически активные

Для возникновения эндокринологии как самостоятельной отрасли биологической науки достаточно было установить сам факт существования механизма регуляции жизненных процессов описанного выше типа: вещество, выделяемое органом А, попадая с кровью в орган Б, вызывает некую реакцию. Поле деятельности новой научной дисциплины оказалось обширнейшим: с одной стороны, один за другим открывались новые гормоны, с другой – исследователи настойчиво пытались понять, каким же образом реализуется такой вот механизм «дистанционного» (как сказали бы, возможно, сейчас) управления?

Почему это самое вещество из органа А действует именно на орган Б, спокойно минуя органы В, Г, Д и все прочие, попадающиеся ему на пути следования с кровотоком? И почему, попадая в орган Б, оно вызывает именно такую реакцию, а не какую-нибудь другую?

Рецепторы

Принципиальный ответ на оба поставленных выше вопроса был, впрочем, получен довольно скоро. В органах, управляемых данным гормоном, есть определенные центры взаимодействия, с которыми гормон может образовывать комплекс. Образование же такого комплекса инициирует развитие требуемой реакции через цепочку промежуточных звеньев – различных внутриклеточных реакций. В клетках других органов такие центры связывания и сопряженные с ними механизмы запуска ответной реакции отсутствуют, потому-то и действуют гормоны весьма избирательно на один орган (или, во всяком случае, на ограниченное их количество). Такие органы принято называть органами-мишенями, а центры взаимодействия, через которые гормон вызывает реакцию, – рецепторами этого гормона.

Как говорилось, термин «рецептор» использовал еще Эрлих, правда, в несколько более широкой трактовке. В настоящее время так называют в принципе лишь те центры связывания биологически активных соединений, которые являются элементами системы химической регуляции в организме. Впрочем, никакой точной формулировки, определяющей этот термин сегодня, нет, хотя попытки ее создания предпринимались не раз. Приведем результаты двух из них: они принадлежат виднейшим современным специалистам в области теории рецепторов и тем не менее удачными быть признаны не могут.

Д.Р. Вод: «Многие химические агенты обладают следующими четырьмя признаками: 1) они действуют в низких (микромолярных) концентрациях; 2) их активность в сильной мере зависит от изменений в химической структуре; 3) их активность может подавляться селективными антагонистами; 4) активность антагонистов также сильно зависит от изменений в химической структуре. Все эти признаки указывают на то, что в ткани имеет место специфическая реакция между данным агентом и специализированным центром связывания (рецептором)».

В этом определении использован не встречавшийся у нас ранее термин «антагонист». Здесь имеется в виду так называемый конкурентный антагонист – вещество, способное образовывать с рецептором прочный комплекс, однако не вызывающее в результате ожидаемой реакции. Занимая же рецептор, оно не допускает связывания с ним настоящего биорегулятора, тем самым блокируя или ослабляя реакцию органа-мишени на него. Отметим, что обычно антагонисты получаются незначительной модификацией молекулы природного биорегулятора: часто достаточно удаления одной-единственной функциональной группы; это, кстати, хороший пример, иллюстрирующий смысл пункта 2 в приведенной цитате.

Очевидно, что воспользоваться определением, данным Водом, на практике довольно непросто.

Условие 1 – действие в низких концентрациях – является необходимым, но недостаточным; в конце концов, тот же цианистый калий действует в микромолярных концентрациях. Далее, если мы хотим определить, являются ли центры связывания некоторого вещества рецепторами или нет, нам нужно получить каким-то образом соединение-антагонист, что зачастую весьма и весьма сложно. А главное, в принципе процесс связывания любого вещества любыми центрами взаимодействия можно подавить добавлением другого вещества, также способного связываться этими центрами. Если биологический эффект в обоих случаях будет выражен в разной степени – условие 3 можно считать выполненным.

Обратимся теперь к другому определению, принадлежащему П. Куатреказасу, им перечисляются пять основных признаков рецепторов:

«Первый: взаимодействие биорегулятора с рецептором должно отвечать требованиям определенной пространственной и структурной специфичности. Второй: количество связывающих мест должно быть ограниченным, и, следовательно, связывающие места должны быть насыщаемыми. Третий: связывание биорегулятора должно иметь тканевую специфичность, соответствующую его биологической специфичности. Четвертый: связывающие места должны обладать высоким сродством к гормону, а их концентрация должна соответствовать физиологической концентрации гормона. Пятый: связывание биорегулятора с рецептором должно быть обратимым».

Четвертый признак равнозначен первому условию Вода: агенты должны действовать в низких концентрациях. Что касается признаков второго и пятого, то они как будто очевидны; ясно, что количество мест связывания чего угодно чем угодно в организме будет ограничено, а любое связывание в принципе обратимо.

Первое требование сформулировано несколько расплывчато; по-видимому, имеется в виду взаимное пространственное соответствие центра связывания и связываемой молекулы. Можно, однако, предположить, что этот фактор играет важную роль и в более простых процессах адсорбции.

Как видно, нелегкое это дело – дать четкое определение понятия «рецептор». К чести исследователей, работающих над раскрытием механизмов действия биологически активных соединений, это нисколько не помешало изучению организации рецепторных систем многих конкретных биорегуляторов и созданию целого автономного раздела эндокринологии, молекулярной фармакологии и смежных дисциплин – теории рецепторов. Одна из книг, посвященных изложению основ этой теории, начинается так:

«Нередко на прилавках книжных магазинов или библиотечных полках встречаются издания типа «Частотный англо-русский словарь по ядерной физике», «Частотный словарь современного белорусского языка», «Частотный словарь Адама Мицкевича» и т.п.

Нам ничего не известно о существовании «Частотного словаря терминов из области биофизики, биохимии, физиологии и фармакологии». Впрочем, может быть, он и существует – в виде, например, приложения к диссертации, защищенной где-нибудь в Ванкувере или Каракасе, так что воспользоваться им в данный момент может не каждый. Однако, даже не заглядывая в такой словарь, берем на себя смелость утверждать: термин «рецептор» наверняка фигурирует в нем среди наиболее часто употребляемых».

И все это, повторяю, без наличия точного определения самого термина «рецептор». Автор рассмотренной выше попытки дать такое определение. Вод, и сам видел несовершенство своих формулировок; отчаявшись, он завершил свои рассуждения на эту тему словами: «Каждый автор имеет свое собственное определение понятия «рецептор». Я определяю его как содержащуюся в ткани структуру, которая ведет себя как R в рассматриваемых здесь схемах. Это аналогично определению температуры как того, что ведет себя как T в распределении Максвелла – Больцмана».

Далее следует несколько десятков страниц текста, насыщенных уравнениями (теория рецепторов – наука умеренно точная), в которых и в самом деле постоянно встречается буква R.

Существует, впрочем, и ещё один подход к определению понятия «рецептор». Его идея также принадлежит нескольким крупным авторитетам в области молекулярной фармакологии и заключается в следующем: если исследователь, обсуждая результаты своего эксперимента, утверждает, что изучаемый агент связывается в клетке, просто с «чем-то», масштабы его незнания ясны сразу; если же речь идет о взаимодействии с рецептором, создается иллюзия глубокого понимания молекулярной картины процесса. Таким образом, можно рассматривать термин «рецептор» и как средство улучшения самочувствия определенной группы профессионалов.

Схватка с призраком

Механизмы реализации первого этапа действия биорегулятора на клетки-мишени – образование комплекса его молекулы с соответствующим рецептором – в основных чертах почти одинаковы почти у всех биорегуляторов («Раввин Исайя так мудр, так мудр, – читаем у И. Уткина. – Почти наизусть знает почти весь Талмуд»).

Напротив, второй этап – «пострецепторные» события, то есть развитие реакции клетки на образование комплекса, – может осуществляться многими путями, хотя и здесь у самых разнообразных групп биологически активных соединений можно часто заметить далеко идущие элементы сходства организации внутриклеточных процессов.

Рассмотрим вначале более детально первый этап.

Итак, одним из условий прочного связывания молекулы биорегулятора рецептором является взаимное соответствие их пространственной структуры. Рецептор в той части, которая непосредственно взаимодействует с молекулой биорегулятора, должен представлять собой как бы слепок с этой молекулы – полностью аналогично упоминавшемуся соответственно типа «рука –перчатка» или «ключ – замок», в случае фермента и субстрата.

Разумеется, для полного понимания молекулярных механизмов действия гормонов и других соединений, выполняющих регуляторные функции в организме, важно было бы знать детали такого соответствия; в конце концов, молекула ведь может быть повернута относительно рецептора различными способами, интересно бы выяснить, на какую глубину она «входит» в толщу рецептора и т.д.

Такого рода информацию удалось получить экспериментальным путем, с помощью методов рентгеноструктурного анализа для весьма сходного акта: взаимодействия некоторых ферментов с соединениями – субстратами. Точнее, не с «нормальными», «хорошими» субстратами, с которыми ферментам приходится иметь дело в организме, такие комплексы существуют очень недолго; немедленно после их образования, как уже писалось, происходит реакция, изменяющая структуру молекулы субстрата, комплекс же фермента с модифицированной молекулой весьма непрочен и быстро распадается.

Иначе обстоит дело в случае упоминавшихся уже ингибиторов ферментов – соединений, близких «хорошим» субстратам по строению и образующих с молекулой фермента прочный комплекс. Только вот на месте атакуемой ферментом связи или функциональной группы оказывается нечто чужеродное, совершенно не поддающееся атаке и не вовлекаемое в реакцию. Молекула фермента оказывается блокированной на значительное время.

Таким образом, по механизму действия ингибиторы полностью аналогичны только что рассмотренным конкурентным антагонистам. Комплексы ингибиторов с ферментом можно получить в кристаллическом виде – а этого только и ждут кристаллографы-рентгеноструктурщики.

Методы рентгеноструктурного анализа позволяют воссоздать пространственную структуру молекулы белка (в обсуждаемом случае – вместе с молекулой связывающегося с ней ингибитора) с точностью до положения отдельных атомов. Благодаря этому стали ясны многие конкретные подробности актов ферментативного катализа. Однако ферменты (и их комплексы с ингибиторами) сравнительно легко выделить в достаточных количествах, а затем получить в кристаллическом виде («закристаллизовать», говорят профессионалы).

Совершенно иным образом обстоит дело с рецепторами – даже наиболее хорошо изученными. Чаще всего, по-видимому, рецептор – это не одна молекула, а сложное образование, состоящее из нескольких молекул, встроенных в мембрану. Преимущественно это белковые молекулы, но не только. Чаще предполагается, что с молекулой биорегулятора непосредственно взаимодействует именно белковый компонент. В настоящее время выделены рецепторные белки ряда биорегуляторов, однако достаточно подробный рентгеноструктурный анализ комплекса гормона с его специфическим рецептором – все еще дело будущего.

И все же, если нельзя получить сведения о пространственной организации связывающего центра рецептора прямыми экспериментальными методами, не следует ли поискать каких-либо косвенных подходов?

Возможны такие подходы, часто очень интересные. Суть их заключается в том, чтобы, варьируя различные элементы структуры молекулы биорегулятора, испытывать биологическую активность (точнее, способность взаимодействовать со специфическими рецепторами) вновь полученных соединений. Исследователь приобретает возможность как бы ощупывать поверхность рецептора. Так же, по-видимому, действует и взломщик, пытающийся сообразить, какую же конфигурацию должен иметь ключ, открывающий интересующий его замок: испытывает разные «пробные» ключи и отмечает, какой именно выступ мешает ключу провернуться.

В принципе, подобного рода идеологию поиска аналогов биологически активных соединений некоего класса можно проследить еще в работах П. Эрлиха и Э. Фишера, но как реализовать такие подходы на практике?

«...Любое эффективное антибактериальное действие должно включать взаимодействие антибиотика с макромолекулой, будь то белок, нуклеиновая кислота или липид... Это достаточно важный вопрос, поскольку потенциальное летальное действие заключается во взаимодействии двух молекул, одна из которых часто на один или два порядка больше по молекулярному весу, чем другая. Более того, поскольку молекулярная архитектура большей части белков исследована довольно мало, а еще меньше изучена структура нуклеиновых кислот и липидов, один компонент реакционной смеси всегда охарактеризован недостаточно; особенно это касается конкретных химических группировок, взаимодействующих с антибиотиками. Такую ситуацию можно сравнить со схваткой с призраком!»

Это цитата из книги, написанной несколькими крупнейшими английскими фармакологами и вышедшей в 1972 году. Пятнадцать лет, при нынешних темпах развития биологических наук, – срок очень немалый, однако приведенное суждение почти не утратило актуальности. Почти – потому, что некоторые, пусть не очень радикальные сдвиги к лучшему за этот период все же произошли.

Возвратимся к задаче «ощупывания» рецептора аналогами молекулы биорегулятора с различными модификациями пространственной структуры.

Если введение в определенном положении громоздкого заместителя не лишает тем не менее полученный аналог биологической активности, значит, «прилипание» к рецептору происходит не этой стороной. Активность утрачена – по-видимому, введенный заместитель упирается во что-то на – поверхности рецептора, и т.д.

Для того чтобы на основании таких экспериментов можно было судить о поверхности рецептора, нужно знать пространственное строение молекулы природного биорегулятора и испытываемых «пробных» синтетических аналогов. Все дело, однако, в том, что молекулы почти всех природных биорегуляторов – гибкие, обладающие значительной внутримолекулярной подвижностью. Как известно, многие органические молекулы могут изменять пространственную структуру в результате вращения одной своей части относительно другой вокруг одинарных связей. Правда, из-за отталкивания отдельных атомов друг от друга такое вращение несвободно, и если молекула не слишком велика, она может принимать обычно лишь действительно небольшое количество пространственных структур (называемых ротамерами или конформерами). Существуют расчетные методы, позволяющие осуществить нахождение таких структур (в том случае, если молекула не очень велика: состоит из нескольких десятков, от силы сотни атомов).

В основе расчетов лежит нахождение таких структур, которым соответствуют минимумы энергии внутримолекулярных взаимодействий. Задача заключается в отыскании конформаций, которым соответствуют минимумы суммарной энергии взаимодействия всех пар атомов.

Не будем вдаваться в подробности способов ее решения; можно лишь отметить, что такие расчеты чрезвычайно громоздки и требуют подчас нешуточных затрат времени ЭВМ. На протяжении многих лет мне приходилось заниматься подобного рода задачами; всякий раз, когда наступал срок нести в бухгалтерию очередной счет за машинное время, я с тоской ожидал момента, когда главбух, глянув на графу «сумма к оплате», переведет взгляд на меня. Иногда в этом взгляде была тихая, светлая скорбь, временами–оторопь с оттенком возмущения.

Я полагаю, что подобное происходит с моими коллегами – специалистами по теоретическому конформационному анализу биологических молекул во всем мире. Дело здесь вовсе не в их испорченности или скверном характере представителей финансовых служб, а в самом характере решаемых задач. Подобному расчету доступны лишь не очень большие молекулы, содержащие от силы сотни атомов. Так вот, граница этой доступности определяется именно затратами машинного времени. При этом зачастую увеличение размеров молекулы (то есть числа образующих ее атомов) всего на десять процентов требует десятикратного увеличения затрат времени ЭВМ на ее решение. Так что ни рост быстродействия вычислительных машин на три-четыре порядка, ни подешевение машинного времени радикально ничего не меняют: аппетиты исследователей всегда и повсюду ограничиваются так называемым «разумным пределом затрат». К сожалению, не существует способов точного вычисления этого предела, откуда и берутся упомянутые разногласия в его оценке между исследователями и финансовыми работниками.

Пусть, впрочем, все вычислительные, технические и финансовые трудности преодолены и мы располагаем сведениями о наборах стабильных конформаций интересующих нас соединений. Что же дальше?

Если поверхность рецептора представляет собой слепок с молекулы биорегулятора, а эта молекула может существовать в виде нескольких пространственных форм, возникает вопрос: а какая же из этих форм необходима для связывания с рецептором? Или, иначе, слепок с которой формы представляет собой рецептор?

Конформацию, которую молекула биорегулятора приобретает в составе комплекса с рецептором, называют продуктивной, или, на мой взгляд, довольно неудачно, биологически активной конформацией. Каким же образом выявить такую конформацию, не имея в своем распоряжении прямых экспериментальных методов?

Общая схема этой процедуры такова. Синтезируется серия аналогов исследуемого биорегулятора, каждый из которых получается незначительной модификацией его структуры, ограничивающей, однако, конформационные возможности молекулы. Иными словами, молекула такого аналога оказывается неспособной принимать ряд конформаций, характерных для природного соединения. Какие именно конформаций исключаются, можно установить с помощью такого же расчета или даже «на глаз», исходя из сравнительно простых стереохимических закономерностей.

Если полученный аналог оказался активным, значит, исключенные в результате модификации структуры не являются продуктивными. Активность утрачена – следовательно, продуктивную конформацию следует искать среди «запрещенных». Располагая сведениями, относящимися к нескольким подобным аналогам, можно «отсеять» с помощью таких рассуждений ту конформацию, которая характерна для молекулы в составе комплекса с рецептором.

Чрезмерная нагрузка на кончик пера

Уже давно, со времени знаменитых открытий У. Леверье, считается в науке особым шиком предсказать некое явление с помощью одних только расчетов и рассуждений. Правда, рекомендуется при этом проявлять умеренность и очень четко видеть границу, за ко горой корректный расчет и строгая дедукция перерождаются в безудержный полет фантазии. Очень многие положения теории рецепторов основаны на гипотезах, в высшей степени правдоподобных, логичных, но не поддающихся прямой экспериментальной проверке.

Польский философ и публицист Бронислав Лаговский напечатал в 1975 году статью о духовной жизни в Китае, о системе ценностей рядового китайца. И ничего бы в этом не было удивительного, если бы не то обстоятельство, что автор никогда в Китае не бывал, языка не знал, сведения, распространенные средствами массовой информации, считал совершенно недостоверными, а о сочинениях специалистов-синологов презрительно отозвался, что они хорошо описывают положение дел сто лет назад, но не заслуживают доверия ни в одном слове, когда речь заходит о сегодняшнем дне.

Обо всем этом прямо объявлялось во введении, и, казалось бы, всякий здравомыслящий человек должен был бы после этого отложить сочинение доктора Лаговского в сторону. Возможно, кое-кто из читателей так и поступил; однако те, что дочитали его до конца, не без удивления обнаружили, что картина китайской жизни того периода, воссозданная автором на основании весьма немногих (по его мнению, надежных) фактов, представляется в высшей степени убедительной. Воистину, с помощью одних только рассуждений можно проникнуть за любой «информационный занавес» очень глубоко, даже в столь сложном вопросе, как тот, за изучение которого взялся Б. Лаговский.

Ну а что уж говорить о вещах намного проще – рецепторах, биорегуляторах?

Молекула биорегулятора связывается с рецептором за счет невалентных взаимодействий – электростатических, гидрофобных и т.п., о них уже шла речь выше. Благодаря точному взаимному соответствию формы, «правильной» ориентации заряженных групп, полярных и неполярных частей молекулы комплекс биорегулятора со специфическим рецептором оказывается довольно прочным, но все же несравнимым по стабильности со структурой, которая возникла бы при их соединении валентной связью. Энергия образования даже наиболее прочных из известных гормон-рецепторных комплексов составляет несколько более одной десятой энергии образования, скажем, валентной связи –O–H. Образовавшиеся комплексы под действием тепловых толчков через некоторое время распадаются; среднее время их существования для разных биорегуляторов составляет от нескольких сотых секунды до секунды.

Речь идет, таким образом, о динамическом процессе. Скорость образования комплексов, как и при любой реакции второго порядка, пропорциональна произведению концентрации свободных рецепторов и биорегулятора, скорость распада – пропорциональна количеству комплексов. По мере образования новых комплексов (а следовательно, и увеличению скорости их распада) количество свободных рецепторов убывает: скорость образования комплексов снижается. При достижении некоторой величины количество существующих комплексов остается неизменным – наступает динамическое равновесие, то есть скорости их образования и распада уравниваются.

Многим читателям, возможно, знакома игра, популярная еще до появления всяких кубиков Рубика и змеек. В плоской коробочке с прозрачной крышкой находятся разноцветные шарики; в дне коробочки есть лунки. Задача заключается в размещении шариков в лунках в определенном порядке. Если принять, что дно – это поверхность мембраны клетки-мишени, то лунки – рецепторы, а шарики – молекулы гормона. Мы воспользуемся этим устройством для моделирования процесса образования гормон-рецепторных комплексов.

Вначале шарики брошены как попало, часть из них закатилась в лунки, остальные – нет (по условиям нашего мысленного эксперимента шариков намного больше, чем лунок – в отличие от реальной игры, где число тех и других равное). Начнем теперь слегка встряхивать коробочку. Этим мы, ясное дело, моделируем тепловые эффекты; шарики придут в движение. Те из них, которые находятся вне лунок, в результате случайных перемещений рано или поздно закатятся в свободную лунку (размеры лунок таковы, что туда помещается только один шарик), так что в конце концов все лунки могут оказаться занятыми. Правда, произойдет это, только если толчки, вызываемые потряхиванием, слишком слабы для того, чтобы выкатить из лунки уже находящийся там шарик. Если же встряхивать посильнее, некоторые шарики начнут выскакивать из лунок; правда, освободившиеся лунки тут же займут другие шарики, но тем временем выкатятся шарики из других лунок, так что какая-то их часть будет постоянно свободна. Очевидно, эта доля будет тем меньше, чем глубже лунки (большая энергия связывания молекулы гормона с рецептором), чем больше шариков находится в коробке (выше концентрация гормона) ну и, конечно, чем слабее мы встряхиваем коробку (ниже температура).

Для определения эффективности связывания рецептором молекулы гормона наряду с энергией взаимодействия можно воспользоваться константой диссоциации комплекса – это взаимосвязанные величины. Говоря о «концентрации» шариков в коробке, мы имеем в виду поверхностную концентрацию: их количество, приходящееся на единицу площади дна коробки. Нам совершенно безразлично, будет ли это квадратный дециметр, сантиметр, дюйм и т.п.; выберем в качестве такой единицы величину площади дна коробки, приходящуюся на один имеющийся в нем шарик – S, так чтобы концентрация шариков равнялась 1/S. Тогда упомянутая константа диссоциации будет равна отношению свободных и занятых лунок. Эта константа сама имеет размерность концентрации и должна, очевидно, также выражаться в выдуманных нами единицах штук /S. Энергия образования комплекса пропорциональна логарифму константы диссоциации, причем коэффициент пропорциональности отрицательный: чем больше энергия, тем меньше константа диссоциации. Такой характер связи этих двух величин определяют законы статистической физики, от более подробных пояснений я предпочту воздержаться.

На языке физической химии

«Химик работает плохими методами с хорошими веществами, физик – хорошими методами с плохими веществами, физический химик – плохими методами с плохими веществами». Это изречение, известное всем читателям сборника «Физики шутят», никакого, естественно, отношения не имеет к исследованиям, в которых методы физической химии – теоретические и экспериментальные – использовались для изучения взаимодействия биорегуляторов с их рецепторами.

Для экспериментального изучения процесса связывания биорегулятора с рецепторами обычно применяют изотопную технику. Сперва нужно получить радиоактивный, «меченый» препарат биорегулятора. Если речь идет о соединении сложной структуры, например, белке, прибегают к обработке выделенного из природных материалов препарата радиоактивным реагентом, взаимодействующим с определенными его функциональными группами. Например, гидроксильные группы остатков тирозина в пептидах и белках легко модифицировать с помощью некоторых соединений йода. Очевидно, это будет не просто йод, а его радиоактивный изотоп ¹²⁵I. Этот метод сравнительно прост, но не лишен недостатков. Та же гидроксильная группа тирозина может выполнять определенную роль в активации рецептора, да и введение громоздкого атома йода изменяет пространственное соответствие рецептору. Гораздо надежнее попытаться «встроить» радиоактивный изотоп непосредственно в молекулу биорегулятора вместо обычного стабильного. Наиболее удобен для этой цели тритий уж атомы-то водорода входят в состав молекул решительно всех известных биорегуляторов.

Словом, так или иначе радиоактивный аналог можно получить, в конце концов, это лишь вопрос техники.

Теперь необходимо приготовить препарат ткани органа-мишени, содержащей соответствующие рецепторы. Это может быть кора надпочечников, печень, гипоталамус и т.п. В простейшем случае используют просто тонкие срезы тканей, но чаще ткань очень тонко измельчают, а полученные частички разделяют по величине с помощью особых приемов центрифугирования на несколько фракций. Частички эти называют микросомами, что часто ведет к путанице, поскольку так же называется и определенный вид субклеточных образований (органелл). Наш брат естественник любит иногда прервать дискуссию репликой: «Позвольте, мы же спорим о словах», и звучит это неизменно чуть-чуть презрительно, не без основания, может быть. Но, с другой стороны, и терминологическая распущенность должна иметь границы.

В некоторых фракциях и сосредоточены рецепторсодержащие структуры. Как узнать, в которых именно? Совершенно очевидно – это как раз те фракции, которые более всего связывают меченый препарат!

Как определить количество связанного препарата? Казалось бы, очень просто: помещаем микросомы в раствор меченого биорегулятора, выдерживаем там какое-то время, отделяем, например, центрифугированием и определяем их радиоактивность.

На самом деле приходится прибегать к более сложной процедуре. Часть препарата под действием ферментов, присутствующих в микросомах, разрушится, а образовавшиеся радиоактивные осколки могут сорбироваться на микросомах; некоторое количество меченого биорегулятора диффундирует в глубь частиц и т.п. Чтобы учесть только обратимое связывание поверхностными центрами, микросомы, выдерживаемые в растворе радиоактивного вещества («проинкубированные», если пользоваться профессиональным жаргоном), отделяют и помещают в более концентрированный раствор нерадиоактивного препарата. По прошествии некоторого времени меченый биорегулятор, сорбированный на поверхности микросом, «вытесняется», заменяется нерадиоактивным и, поскольку концентрация последнего намного больше, практически весь переходит в раствор. Опять микросомы отделяют и по радиоактивности раствора определяют количество обратимо связавшегося препарата.

Вообще говоря, для такого рода исследований используются не только природные биорегуляторы, но и их синтетические аналоги. Соединения, способные в той или иной мере к образованию комплексов с рецепторами, называют еще – независимо от их «активности» – лигандами данного рецептора.

Процесс образования комплексов «лиганд-рецептор» в рассмотренном, простейшем случае можно описать математически. Количество вновь образующихся в единицу времени комплексов, как уже говорилось, пропорционально концентрации лиганда (обозначим ее C) и количеству свободных, незанятых рецепторов. Если общее количество рецепторов – Q, количество образовавшихся комплексов – z, то незанятых рецепторов окажется (Q – z). Будем полагать (как оно чаще всего и есть), что концентрация лиганда в рассматриваемой системе намного больше, чем концентрация рецепторов, так что ее изменение в результате образования комплексов пренебрежимо мало. Тогда скорость образования новых комплексов составит k(Q – z)C. Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции образования комплексов; легко убедиться, что численно он равен скорости этой реакции в системе, где концентрации лиганда и свободных рецепторов равны единице. Эта величина имеет размерность с^–1 моль^–1.

Процесс же распада комплексов описывается еще проще. Предполагается, что вероятность распада в течение некоторого времени – скажем, секунды – одинакова для всех комплексов и равна k': тогда количество комплексов, распавшихся в течение секунды, есть произведение этой величины на общее их количество в данный момент времени – z.

Пусть в раствор лиганда концентрации С вносится не содержащий связанного лиганда препарат микросом. Вначале, когда количество комплексов еще весьма мало и процесс их образования протекает намного интенсивнее, чем процесс распада, количество комплексов растет почти пропорционально времени; затем скорость роста все более замедляется, начинает сказываться процесс распада; наконец, по прошествии достаточно длительного времени, устанавливается равновесие – скорости образования и распада комплексов уравновешиваются, то есть выполняется условие k(Q – z)C = k'z. Если это уравнение разрешить относительно z, получим так называемую изотерму Лэнгмюра, z = QC/(k'/k + C), соотношение, определяющее зависимость количества связанного лиганда от его концентрации в растворе при равновесии. Отношение k'/k, фигурирующее в скобках, есть не что иное, как уже известная нам константа диссоциации (K). С помощью уравнения Лэнгмюра можно дать еще одно наглядное определение содержательного смысла этой величины.

Константа диссоциации, как упоминалось, имеет размерность концентрации; предположим, что примененная концентрация лиганда имеет ту же величину, что и константа диссоциации. В этом случае, сокращая, имеем z = 1/2, то есть константа диссоциации равна такой концентрации лиганда, при которой достигается насыщение половины рецепторов.

Кооперативность

Все рассмотренные представления относятся к случаю, когда константа диссоциации комплекса К, определяющая сродство лиганда к рецептору, постоянна. По счастью, такая ситуация характерна для большинства исследованных биорегуляторов. По счастью, поскольку это облегчает изучение молекулярных механизмов их действия, и без того достаточно сложно организованных; поскольку все же с уверенностью утверждать факт постоянства К можно лишь в большинстве, но не во всех случаях, не мешает рассмотреть и эти исключения, тем более что в специальной литературе им уделено очень много места.

Наиболее тщательно изученные модели базируются на предположении, что сродство молекулы биорегулятора к рецептору может изменяться в зависимости от того, какое количество таких молекул уже связано клеткой. Пусть, скажем, каждый рецептор может связывать не одну, а несколько молекул лиганда; в этом случае говорят о многовалентном рецепторе. Можно себе представить, что после присоединения первой молекулы и возникновения комплекса структуры А, посадка на рецептор следующей молекулы будет затруднена или, наоборот, облегчена, так что реакции R + A ↔ RA и RA + A ↔ RA₂ будут протекать в неодинаковых условиях и константы диссоциации соответствующих комплексов окажутся различными. В принципе возможны самые разнообразные комбинации знака эффектов, вызванных присоединением очередной молекулы лиганда: скажем, связывание второй молекулы лиганда происходит легче, чем первой, третьей – трудней, четвертой – опять легче и т.д. Однако наиболее исследованными и единственными обнаруженными в природе оказались ситуации, когда присоединение каждой последующей молекулы облегчается вследствие посадки предыдущей (явление положительной кооперативности) или, наоборот, затрудняется (отрицательная кооперативность).

Положительная кооперативность была обнаружена и основательно исследована еще 60...70 лет назад, правда, не в связи с процессами взаимодействия молекул биорегуляторов с их специфическими рецепторами, а на примере связывания кислорода молекулой гемоглобина. Эта молекула состоит из четырех субъединиц: двух α- и двух β-цепей. Каждая из субъединиц может связывать одну молекулу кислорода. Так вот, оказалось, что сродство к кислороду каждого центра связывания (гема) тем выше, чем больше других центров связывания уже занято кислородными молекулами. В работах американского исследователя Д. Эдера, давшего математическое описание связывания кислорода гемоглобином, были заложены основы общей теории кооперативных сорбентов; явления, подобные рассмотренным, характерны для многих процессов, протекающих в биологических и небиологических системах.

На одной из конференций по теории рецепторов был приведен образный пример, иллюстрирующий понятия положительной и отрицательной кооперативности.

Представим себе небольшое кафе. Раннее утро, еще сонные, спешащие на работу посетители наскоро завтракают. Понаблюдаем за тем, как они рассаживаются: каждый норовит обособиться, сесть за свободный столик, если таковых нет, подсесть туда, где находится только один посетитель и т.д. То есть налицо типичная отрицательная кооперативность: вероятность того, что вновь прибывший гость займет место за данным столиком тем меньше, чем больше людей там уже сидит.

Вечером кафе заполняют в основном завсегдатаи; здесь все обстоит наоборот: каждый появившийся в кафе посетитель старается подсесть к знакомой компании, некоторые даже подтаскивают дополнительные стулья (впрочем, это уже усложнение принятой нами модели, изменение валентности рецептора, так что предположим лучше, что строгий хозяин запрещает перестановку стульев). Здесь наблюдается положительная кооперативность: вероятность выбора новоприбывшими места за данным столиком выше, если за ним уже кто-то сидит.

Всякому, кто более или менее систематически следит за литературой о механизмах действия биологически активных соединений, термин «кооперативность» изрядно примелькался. Очень охотно обращаются авторы многих сочинений этого жанра к гипотезам о наличии в исследованных ими рецепторных системах положительной или отрицательной кооперативности. Почти всегда это именно гипотеза, случаи, когда представляются вполне надежные доказательства существования кооперативных эффектов, сравнительно редки. И тем не менее слово «кооперативность» бестрепетной рукой выносится в заголовок: «Положительная кооперативность... рецепторов ацетилхолина... миокарда крысы», «Доказательство отрицательной кооперативности системы рецепторов...», скажем, кортикотропина, и не крысы уже, а гималайской коровы или багрового хомячка с острова Св. Гервазия.

В поисках объектов, на которых удобнее всего изучать организацию той или иной системы рецепторов, исследователи, кажется, добрались во все решительно уголки света. Здесь и какие-то экзотические угри, и электрический орган южноамериканской рыбы торпедо, и нильская щука, и морские змеи из Южно-Китайского моря. В большинстве работ, разумеется, используются традиционные лабораторные животные: мыши, крысы, кролики, морские свинки. Впрочем, последние тоже имеют экзотическое происхождение. Родом они из Перу, их английское название – guinea pig – нередко и переводится неопытными переводчиками научных текстов буквально: «гвинейская свинья». Откуда взялось русское название этого симпатичного, но совершенно сухопутного зверька? Полагают, что вследствие искажения первоначально существовавшего «заморская свинка».

Впрочем на экзотических ли, тривиальных ли объектах бывают обнаружены признаки кооперативности связывания рецепторами биорегуляторов, такие сообщения всегда настораживают скептически настроенных специалистов. И тому есть свои причины.

Существует несколько характерных признаков кооперативности. Можно, например, препарат рецепторов, насыщенный радиоактивным лигандом, перенести в среду, его не содержащую, и измерять скорость диссоциации «меченых» комплексов. При этом часть препарата помещается в раствор, содержащий высокую концентрацию немеченного лиганда, часть – в раствор без лиганда. Если в первом случае скорость распада комплексов с участием радиоактивного лиганда выше, это может свидетельствовать о наличии отрицательной кооперативности: нерадиоактивный лиганд, связываясь со свободными, незанятыми радиоактивными рецепторами, «ослабляет» меченые комплексы. И, наоборот, если в присутствии нерадиоактивного лиганда скорость диссоциации снижается, можно думать, что это проявление положительной кооперативности.

Можно рассчитать константы скорости связывания лиганда препаратом рецепторов при высоких и низких концентрациях; если они окажутся различными, это также можно рассматривать как признак кооперативности – положительной или отрицательной, в зависимости от того, в каком именно случае эта величина окажется больше.

Но, пожалуй, самый популярный среди исследователей способ выявления кооперативности – это анализ характера отличий концентрационной зависимости количества связавшегося лиганда от уравнения Лэнгмюра.

Каким образом это сделать? Наиболее наглядной демонстрацией кооперативности было бы установление характера зависимости константы диссоциации от концентрации лиганда: растет с концентрацией отрицательная кооперативность, падает положительная. Согласно уравнению И. Лэнгмюра K = (Q – z)C/z; рассчитав ее для каждой точки экспериментальной кривой, получим искомую ее зависимость.

Однако исторически сложилась несколько иная практика.

Установив экспериментальным путем концентрационную зависимость z(c), исследователь хочет на ее основании оценить величины К и Q, характерные для изучавшейся системы. Вообще-то математическая теория обработки результатов эксперимента рекомендует для этой цели вполне определенную вычислительную процедуру, но она довольно громоздка и в докомпьютерный период применялась исследователями неохотно. Вместо этого для анализа экспериментальных данных стали использовать так называемые линеаризованные формы уравнения Лэнгмюра. Начало этому приему было положено самим Лэнгмюром в 1918 году; всего же было предложено несколько способов представления лэнгмюровской зависимости в линейной форме.

Например, перепишем ее следующим образом: z/C = (Q – z)/K. Результаты эксперимента можно представить графически, откладывая по оси ординат отношение z/C, по оси абсцисс – z. Получим так называемый график Скэтчарда. И если исследуемая зависимость действительно подчиняется уравнению Лэнгмюра, нанесенные по результатам эксперимента точки должны укладываться на прямую, причем ее наклон окажется равным 1/К, а точка ее пресечения с осью ординат – Q/K. Искомые параметры можно, таким образом, получить довольно просто, с помощью линейки и несложных арифметических действий.

График Г. Скэтчарда – не единственный способ линеаризации; всего их предложено четыре, некоторые – независимо различными авторами, и существует даже ряд научных публикаций по истории различных методов линеаризации уравнения Лэнгмюра.

Эти приемы используются не только для анализа изотерм адсорбции; точно ту же форму, что и уравнение Лэнгмюра, имеет основное уравнение ферментативной кинетики–уравнение Михаэлиса–Ментен. Именно в ферментативной кинетике применение линеаризованных форм получило чрезвычайно широкое распространение.

Помимо первоначального назначения – получения оценок констант Q, K, линеаризованные графики оказались полезными и в еще одном отношении. С их помощью можно продемонстрировать различного рода отклонения найденных на опыте зависимостей от формы, определяемой уравнением Лэнгмюра. Против такой практики постоянно протестовали и продолжают протестовать специалисты от математических методов обработки экспериментальных данных – пока лишь с весьма умеренным успехом.

В частности (ради этого, собственно, и состоялся весь разговор о линеаризация), на скэтчардовских графиках очень наглядно проявляются признаки кооперативности Если для изучаемого процесса характерна отрицательная кооперативность, экспериментальные точки на скэтчардовском графике образуют вместо прямой вогнутую кривую, при наличии же положительной кооперативности – выпуклую. Нелинейность скэтчардовских графиков – один из наиболее часто используемых доводов в пользу гипотез о кооперативности рецепторных систем.

С другой стороны, почти все такие признаки могут быть обусловлены не кооперативностью того или иного типа, а причинами совершенно иными; например, вогнутые графики Скэтчарда получаются и в том случае, если препарат содержит несколько типов центров связывания с различными константами диссоциации, а именно это чаще всего и наблюдается на практике.

Так же неоднозначно могут быть истолкованы и другие критерии кооперативности. И поэтому кажется удивительным обилие публикаций, авторы которых на основании результатов одного-двух простейших экспериментов спешат сообщить об открытии кооперативности связывания рецепторами такого-то и такого биорегулятора. Беда, по-видимому, в том, что само это явление как-то по-особенному волнует воображение. Перед мысленным взором исследователя возникают таинственные механизмы взаимодействия соседних рецепторов, конформационные перестройки и локальные фазовые переходы в мембране и бог знает еще какие удивительные эффекты.

К сожалению, наблюдать их непосредственно очень трудно, порой и вовсе невозможно, но тем больше соблазна о них пофантазировать (и, соответственно, меньше риск немедленного опровержения). Такая тенденция была названа в одном специальном сочинении «фармакологически-романтической», а суть ее определена следующим образом: «Например, измерена концентрационная зависимость связывания лиганда препаратом клеток-мишеней – и безапелляционный вывод: для этого процесса характерен эффект отрицательной кооперативности. Одна молекула эффектора, связываясь с рецептором, вызывает изменение конформации не только его самого, но и соседних рецепторов, что указывает на наличие дальнодействующих факторов, обусловливающих перестройку мембранных структур. Кстати, зная поверхностную плотность рецепторов на мембране, легко вычислить радиус этого дальнодействия.

Можно было бы задать вопрос автору такого вот утверждения (чего, к сожалению, почти никогда не делается): откуда такое точное видение молекулярной картины случившегося? Как же, последует незамедлительный ответ, здесь же имеет место типичный признак отрицательной кооперативности – коэффициент Хилла (параметр, характеризующий уклонение концентрационной кривой от лэнгмюровской формы. – С.Г.) меньше единицы. И уж совершенно бесполезно советовать поискать причины в чем-нибудь другом: может быть, например, препарат содержит несколько типов центров связывания? Бесполезно потому, что предлагаемые вами объяснения – это нечто будничное, обыденное, а кооперативность и особенно конформационные перестройки – волнующий намек на тайные свойства биологических мембран, живой клетки. В этом, по-видимому, одна из особенностей «фармакологического романтизма», выбирая между гипотезой тривиально простой и волнующе-сложной, романтик, безусловно, выберет вторую вопреки всякой научной логике!»

В этой связи вспоминается поучительная история. В 1973 году появилась статья группы американских авторов под заглавием: «Взаимодействие инсулина с рецепторами: экспериментальное доказательство отрицательной кооперативности». Исследовалось связывание радиоактивного инсулина препаратом рецепторов, диссоциация «меченых» комплексов в присутствии и в отсутствии нерадиоактивного гормона и т.п., на основании анализа результатов этих экспериментов был сделан вывод: есть отрицательная кооперативность! Поскольку признаков такой кооперативности было несколько, работа была воспринята специалистами с большим доверием, чем заявления типичных «фармакологических романтиков», вполне серьезные исследователи стали задумываться над молекулярными механизмами, лежащими в основе этого явления, и его физиологическим смыслом.

Увы, нашлись и приземленные скептики, напрочь, как видно, лишенные игры фантазии сухари – уже упоминавшийся П. Куатреказас и М. Холленберг. Они повторили те же опыты, только использовали вместо препарата инсулиновых рецепторов неорганические сорбенты – тальк, стекло, кремнезем. И оказалось, что для процессов взаимодействия меченого инсулина с этими материалами характерны в точности те же признаки отрицательной кооперативности!

Предложили они и свое объяснение этому обстоятельству. Неважно, каким материалом связывается инсулин, важно, что при высоких его концентрациях образуются в растворе попарные агрегаты его молекул – димеры, уже гораздо менее склонные к адсорбции на чем бы то ни было: специфических ли рецепторах или бездушном асбесте.

Самое забавное, впрочем, – публикация Куатреказаса и Холленберга не произвела решительно никакого впечатления на сторонников гипотезы «отрицательной кооперативности» рецепторов инсулина. Хотя и опубликована была в том же международном журнале «Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях».

Один немолодой уже, многоопытный геолог сказал мне как-то доверительно, что их, вечных скитальцев, геологов-профессионалов, ничто так не раздражает, как слово «р-р-романтика» (так он его и произнес). Не исключено, что и трезво мыслящих фармакологов – тоже.

Реакция клетки-мишени

Но вот наконец молекула биорегулятора нашла свой специфический рецептор, образовался комплекс. Следствием этого оказывается некоторая реакция клетки; если это мышечная клетка, сокращение или, наоборот, расслабление, если это клетка железы внутренней секреции – выделение другого биорегулятора, если нервная, возможны самые разнообразные последствия.

Возьмем простейшую экспериментальную процедуру – измерение сокращения мышцы под действием некоторого агента, вызывающего такую реакцию. Их в организме много, пусть это будет для определенности ацетилхолин. Процедура действительно немудреная: расположенный в кювете с раствором испытуемого соединения кусочек кишки крысы крепится к рычажку, либо непосредственно соединенному с плечом самописца, либо в более современном исполнении – опирающемуся на пьезоэлемент. Для начала даем совсем небольшую концентрацию ацетилхолина, препарат слегка сокращается. Увеличиваем концентрацию, сокращение увеличивается, затем вводим в кювету еще большую концентрацию, еще большую, еще большую...

Популярная также и у нас детская писательница Астрид Лингрен, донимаемая печально известной шведской налоговой системой, язвительно заметила как-то, что скоро налоги, взимаемые со шведов, будут превышать сто процентов их заработка. Один мой знакомый, бывший неоднократно в Швеции, вполне серьезно убеждал меня, что в некоторых случаях такое, в принципе, возможно. В описываемом же эксперименте мышца, очевидно, не может сокращаться беспредельно; не говоря уже о том, что тест-объект – фрагмент кишки никогда не будет иметь отрицательную длину, он даже не сможет сократиться, скажем, впятеро, как бы мы ни увеличивали концентрацию ацетилхолина.

В первом приближении предполагается, что реакция органа-мишени или ткани-мишени пропорциональна количеству молекул биорегулятора, связавшихся с рецепторами. Для малых концентраций это справедливо всегда, но по мере роста количества комплексов эта закономерность нарушится.

Среди возможных причин рассмотрим два, в известном смысле крайних, случая. Первый: молекулами биорегулятора занята лишь часть рецепторов, однако и этого достаточно, чтобы вызвать максимальный ответ (ведь никакая реакция органа-мишени не может развиваться беспредельно). В этом случае говорят о наличии рецепторного резерва – это те «избыточные» рецепторы, взаимодействие которых с биорегулятором уже не влияет на реакцию, она достигла максимального значения.

Второй случай: реакция и в самом деле пропорциональна количеству занятых рецепторов; их число настолько мало, что даже полное насыщение не изменяет самого характера зависимости. Иными словами, возможности клетки, или органа-мишени, далеко еще не исчерпаны, когда «задействованы» уже все рецепторы, занятые молекулами биорегулятора.

Второй случай встречается довольно редко; в первом же приходится задаваться вопросом о форме функции, определяющей зависимость реакции от числа занятых рецепторов. Это может быть кривая, выходящая на насыщение (сколько ни добавляйте новых комплексов, усиления реакции нет), сигмоидная зависимость (по мере роста количества комплексов реакция развивается сначала медленно, затем скачкообразно возрастает), либо, наконец, наиболее распространенная переходная кривая – рост – насыщение – падение; очень высокие концентрации биорегулятора, вызывают депрессию органа-мишени.

Представляет, однако, интерес не столько форма зависимости реакции от количества образовавшихся комплексов, сколько необычайная прямо-таки чувствительность клетки-мишени.

Несколько цифр

Не раз уже упоминалось, что гормоны и многие другие им подобные биорегуляторы действуют на клетки-мишени в очень низких концентрациях – 10^–7, 10^–9, даже 10^–11 моля на литр. Надо признать, что все эти десятки с большими положительными или отрицательными степенями на страницах научно-популярной литературы срабатывают неважно; может быть, уж лучше бы написать десятичную дробь с одиннадцатью знаками после запятой. Еще лучше, конечно, попытаться осмыслить масштабы их «малости» (или «огромности») в каких-то содержательных понятиях.

Именно это мы попытаемся сейчас сделать на конкретном примере. Есть в животном организме пептидный биорегулятор ангиотеизин – фрагмент белка, состоящий из восьми аминокислотных остатков: Asp – Arg – Val – Туг – Val – His – Pro – Phe (аспарагиновая кислота – аргинин – валин – тирозин – валин – гистидин – пролин – фенилаланин).

Его функции довольно разнообразны; одна из них – это стимуляция клеток клубочковой зоны коры надпочечников, которые под его действием начинают выделять стероидный гормон альдостерон. Категорически уклонимся от рассмотрения вопроса о том, что происходит в результате и вообще зачем это нужно организму; по поводу так называемой ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, звеньями которой являются оба биорегулятора, написаны тома, пересказывать содержание которых непросто, а главное – совершенно ни к чему в свете стоящей перед нами задачи.

Для экспериментальной оценки активности препаратов ангиотензина обычно приготавливают суспензию клеток-мишеней, добавляют в нее испытуемый препарат и следят за выделением клетками в окружающую среду альдостерона. Клетки начинают секретировать альдостерон уже в присутствии 10^–10...10^–9 моля ангиотензина.

До какой степени это низкая концентрация? В одном кубическом сантиметре раствора концентрации 1 моль на литр содержится 6·10²⁰ молекул. Таким образом, в кубическом сантиметре испытанного нами раствора находится 6·10¹⁰ молекул. 60 миллиардов, не так уж как будто и мало. Правда, и клетки-мишени невелики, их линейные размеры – около микрометра, то есть 10^–4 сантиметра; соответственно объем одной клетки – порядка 10^–12 кубического сантиметра.

Предположим, что клетки занимают один процент инкубационной среды по объему, то есть в 1 кубическом сантиметре их окажется 10¹⁰ штук. Тем самым на каждую клетку приходится шесть молекул ангиотензина.

Приведенный расчет небезупречен; надо, скажем, считаться с тем, что в суспензии окажутся не отдельные клетки, а агрегаты клеток, что доля собственно секретирующих клеток составит не один процент объема среды, а меньше (или больше – несущественно). Во-первых, более сложные и более точные расчеты, выполненные для ряда гормонов, показали, что для развития специфической реакции клетки-мишени часто достаточно, чтобы с ее рецепторами связалось всего несколько молекул биорегулятора (по некоторым расчетам – вообще одна), во-вторых – если секреция альдостерона «защищается» не шестью, а шестьюдесятью или даже шестьюстами молекулами ангиотензина – это тоже достойно удивления, если сравнить размеры клетки и молекулы.

Опять же, в интуитивном нашем представлении и та и другая очень малы, так что не мешает сопоставить еще несколько цифр. Молекулы биорегуляторов имеют размер от нескольких десятых нанометра (скажем, адреналин) до нескольких нанометров (белковые гормоны). Размеры большинства животных клеток – порядка микрометра или нескольких микрометров. Различие в линейных размерах тем самым – 10³...10⁴. Иными словами, молекулы многих биорегуляторов рядом со своими клетками-мишенями должны выглядеть так же, как сами клетки рядом, например, с ириской или как зернышко пшена рядом с БелАЗом. Впрочем, для различных молекул и различных клеток эти оценки могут изменяться примерно на порядок в ту или иную сторону, так что это окажется зернышко уже не пшена, а гречки или мака – суть вывода не меняется: молекулы все же очень малы по сравнению с клетками, и кажется удивительным, что «посадка» нескольких ничтожных частичек на поверхность такой махины вызывает развитие в ней каких-то бурных процессов.

Ясно, что внутри клетки должны существовать какие-то системы, многократно усиливающие эффект взаимодействия молекулы гормона с расположенным на ее поверхности рецептором.

Один из самых универсальных механизмов подобного усиления открыт Э. Сэзерлендом в 1960 году. Сэзерленд исследовал действие упоминавшегося уже гормона адреналина на клетки печени, в которых он вызывает расщепление гликогена (крахмалоподобного запасного вещества) с образованием глюкозо-1-фосфата. Эта реакция катализируется ферментом гликоген-фосфорилазой, активность которой в клетках печени резко возрастает под действием адреналина. Почему?

Сам адреналин внутрь клетки не проникает, он лишь связывается с рецепторами на ее поверхности. Рецептор же адреналина образует комплекс с молекулой фермента аденилатциклазы, причем этот комплекс проходит через мембрану насквозь, так что с внутренней стороны мембраны в цитоплазму выступает активный центр фермента. Организация комплекса такова, что при связывании рецептором молекулы адреналина активизируется аденилатциклаза; детали механизма активации пока неизвестны. Субстратом аденилатциклазы является АТФ (аденозин-3-фосфат). АТФ – важнейший участник процессов превращения энергии в клетке. К молекуле аденозина (об этом соединении уже была речь выше, при обсуждении структуры нуклеиновых кислот) присоединена цепочка из трех остатков фосфорной кислоты. Аденилатциклаза отщепляет от АТФ два фосфатных остатка, а третий соединяет с остатком рибозы второй валентной связью, так что образуется цикл:

Это соединение называется циклическим аденозинмонофосфатом, или цикло-АМФ.

Цикло-АМФ выполняет функцию внутриклеточного биорегулятора (как оказалось впоследствии, не только в рассматриваемой реакции клеток печени на адреналин, но и во многих других реакциях, индуцированных гормонами). Внутриклеточным рецептором цикло-АМФ является неактивная форма фермента протеинкиназы. Происходит это следующим образом. Неактивная форма протеинкиназы – это комплекс, образованный четырьмя белковыми молекулами двух типов. Одна пара представляет собой собственно ферменты, другая – регуляторные субъединицы. Собственно, их регуляторная функция заключается в том, что, образуя с ферментными субъединицами описываемый комплекс, они лишают их каталитической активности.

Именно на поверхности регуляторных субъединиц находятся участки связывания цикло-АМФ, по два на каждой: посадка на них четырех молекул цикло-АМФ приводит к тому, что комплекс становится непрочным – от него отделяются обе ферментативные субъединицы. И в этом случае неизвестны тонкие молекулярные подробности механизмов, лежащих в основе этого эффекта, но существуют весьма надежные экспериментальные доказательства того, что в принципе все происходит именно таким образом.

Каталитически активные молекулы протеинкиназы, образовавшиеся благодаря действию цикло-АМФ, в свою очередь, активизируют фермент под названием киназа фосфорилазы. На поверхности его молекулы имеется два остатка серина; при участии протеинкиназы гидроксильные группы этих остатков фосфорилируются, необходимый для этого остаток фосфорной кислоты отщепляется от молекулы АТФ. Фосфорилированная молекула обретает ферментативную активность.

Совершенно аналогичным образом – фосфорилированием двух гидроксильных групп остатков серина – киназа фосфорилазы активирует упомянутую гликоген-фосфорилазу, которая наконец принимается за дело, начинает расщеплять гликоген.

Не слишком ли много здесь промежуточных звеньев? Рационализаторский зуд, не чуждый, по-видимому, никому из нас, подсказывает немного более простое решение: пусть с рецептором адреналина будет связана не аденилатциклаза, а сразу гликоген-фосфорилаза, которая и активизировалась бы при посадке на рецептор молекулы гормона.

Надо сказать, что подобный ход рационализаторской мысли очень распространен. Знакомясь первый раз с каким-то устройством или механизмом, мы обычно обнаруживаем в нем множество совершенно бесполезных узлов или бессмысленно усложненных элементов. Наиболее решительные принимаются тут же устранять эти очевидные просчеты конструкторов. Рассказывал мне один пожилой инженер-дорожник, как в довоенное еще время впервые появились у них грейдеры. Это были прицепные машины; толщина запорного болта в прицепном устройстве была выбрана таким образом, что при возникновении усилий, угрожающих деформациями рамы грейдера (например, если на пути встретился большой валун), болт срезался. В предвидении таких случаев завод-изготовитель прилагал к каждой машине ящик запасных болтов.

Работники же, обслуживающие этот грейдер, видели причину частых остановок просто в несовершенстве конструкции прицепного устройства; кляня на чем свет стоит бестолковых инженеров, они изготовили собственное – солидное и надежное. Через несколько дней грейдер был сдан в металлолом.

Хотя мы и говорим все чаще о клеточной инженерии, но исправлять по-своему структуру процессов, протекающих в клетке, по-настоящему еще все же не умеем. В каком-то отношении это и неплохо, ибо чаще всего нас постигла бы судьба горе-рационализаторов прицепного устройства грейдера.

Вот и высказанное выше предложение – пусть адренорецептор активирует непосредственно гликоген-фосфорилазу, а все промежуточные звенья – выкинуть. Не так все, оказывается, просто. Рецепторов адреналина на одной клетке не так уж много. Точные цифры неизвестны, но, скорее всего – сотни (от силы – тысячи, но вряд ли). Сотня молекул фермента, да еще связанного с мембраной (то есть громадные молекулы гликогена должны сами диффундировать к ним), не обеспечит должной скорости расщепления. Как же сделать, чтобы одна молекула адреналина, связавшаяся с рецептором, активировала не одну, а гораздо большее количество молекул фермента-исполнителя?

Оказывается, в точности так, как это сделано в клетке печени. Активация одной молекулы аденилатциклазы приводит к появлению за время существования комплекса, скажем, тысячи молекул цикло-АМФ (здесь цифры уж совершенно условные, хотя и близкие реальным по порядку величины). В результате активизируются, допустим, сотни молекул протеинкиназы. Каждая из них активирует за рассматриваемый промежуток времени опять же сотни молекул киназы фосфорилазы, каждая из которых, в свою очередь, активирует сотни молекул гликоген-фосфорилазы.

Перемножим трижды эти сотни, получим уже миллионы. Подобным образом организованные системы называют каскадом усиления. В рассматриваемом случае действия адреналина на клетки печени коэффициент усиления составляет 25 миллионов, то есть образование одного комплекса молекулы адреналина с рецептором приводит к образованию 25 миллионов молекул глюкозо-1-фосфата. Под действием других ферментов это соединение превращается в глюкозо-6-фосфат, а затем в глюкозу и выбрасывается в кровь, что и является конечной целью этого регуляторного процесса.

Нет, определенно не так просто усовершенствовать что-нибудь в живой клетке.