Биологически активные

Галактионов Станислав Геннадиевич

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 отношениюсвободных 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 kназывается 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 <-> RA ₂будут 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 - и двух -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.