Концепция не сдается

Концепция не сдается

131

Сейчас, однако, очевидно другое. Рентгеноструктурная кристаллография, ядерный магнитный резонанс, криоэлектронная микроскопия, пептидные и фаговые библиотеки — с появлением каждого из этих экспериментальных методов открывались совершенно новые горизонты исследований. Эксперименты в молекулярной биофизике стали более сложными и тонкими, способными установить мельчайшие детали строения молекул, вплоть до точного измерения расстояний между тысячами атомов. Гипотезы же и модели, генерируемые теорией, остались по большей части грубыми, скорее качественными, чем количественными. Но зато теория по-прежнему обладает важным преимуществом — ее грубые и неточные предсказания иногда оказываются верными.

Таким образом, «теоретики с топором» вновь продемонстрировали жизнеспособность своих грубых моделей: от предсказаний активных аналогов пептидов удалось перейти к предсказаниям, относящимся к рецепторам. Под эти победные фанфары хорошо бы и завершить повествование о текущих достижениях науки драг-дизайна; но результаты самых последних лет вновь поколебали уже вроде бы устоявшиеся представления о молекулярных механизмах взаимодействий лигандов — особенно пептидных — и рецепторов.

Пептидные биорегуляторы: энкефалин, ангиотензин, соматостатин, нейротензин — связываются почти исключительно с рецепторами, сопряженными с G-белками. За последние полвека были синтезированы сотни, если не тысячи аналогов этих пептидов, активных и неактивных.

132

Глава 6. Половинки пары

Для десятков из них конформационные расчеты предложили вероятные пространственные структуры и предсказали их биологически активные конформации — те, по которым рецептор узнает свой специфический пептидный лиганд. Внутримолекулярная циклизация закрепила эти конформации, и во многих случаях циклические аналоги оказались способными взаимодействовать с рецепторами. Затем появилась возможность работать с рецепторами на молекулярном уровне — определять их трехмерное строение. Следующим естественным этапом должно было бы стать экспериментальное изучение комплексов «пептидный лиганд-рецептор» — но здесь процесс застопорился.

Прежде всего кристаллизовать рецептор в комплексе с природным пептидом оказалось чрезвычайно сложно. До сих пор удавались лишь единичные попытки: была определена, например, структура комплекса нейротензина (или его активного шестичленного фрагмента) вместе с его рецептором. Две группы исследователей, независимо получивших этот результат, пришли к разноречивым выводам относительно строения трансмембранного сегмента рецептора. По одним данным, спирали в пучке располагались в соответствии с «активной» моделью β2AR со сдвигом внутренних концов спиралей ТМ6 и ТМ5, а по другим — были ближе к «неактивной» модели. И положение молекулы нейротензина в комплексах было различным: пептидная цепочка лиганда в одном случае располагалась параллельно плоскости мембраны с внешней стороны рецептора, а в другом — внедрялась в «щель» между спиралями перпендикулярно плоскости мембраны. В обоих случаях, однако, пептид обладал вытянутой конформацией, а не компактной, как предполагалось проведенными ранее конформационными расчетами.

Концепция не сдается

133

Вычислительные методы тоже внесли вклад в изучение комплексов пептидов и рецепторов. Еще в 2001 году мы, в частности, провели докинг биологически активной конформации ангиотензина и трехмерной модели рецептора ангиотензина. Оказалось, что концевой четырехчленный фрагмент ангиотензина в этой конформации может внедриться в «щель» между спиралями, перпендикулярную плоскости мембраны. Очень похожая ситуация обнаружилась в расчетах наших коллег из Кливленда, опубликованных в 2019 году. Правда, ориентации молекулы ангиотензина в этих двух работах отличались. И обе они отличались от положения ангиотензина в комплексе с рецептором, установленного, наконец, средствами рентгеноструктурного анализа в июле 2018 года. Во всех случаях, однако, конформация ангиотензина была вытянутой.

Но ведь предсказанная расчетом биологически активная конформация ангиотензина была не вытянутой, а компактной. Она позволила предсказать активные циклические аналоги ангиотензина, которые никак не смогли бы взаимодействовать с рецептором таким же образом, как природный линейный пептид, — влезть в тесную «щель» можно, только разорвав цикл. При этом циклоаналоги связываются с рецептором не менее прочно, чем сам ангиотензин…

Это же соображение справедливо и для других пептидных биорегуляторов — их биологически активные конформации, предлагаемые расчетом, тоже не вытянутые, а компактные, квазициклические. Они тоже не поместятся в «щели» между спиралями трансмембранных сегментов. Каков же тогда механизм образования комплексов пептидов и рецепторов и какова роль биологически активных конформаций пептидов в этом процессе?

Короткий ответ на этот вопрос: пока не знаем. Молекулярная биофизика еще не накопила достаточного

134

Глава 6. Половинки пары

количества данных, как экспериментальных, так и расчетных, чтобы решить эту проблему однозначно. Но порассуждать о вариантах ее решения можно уже сейчас — не забывая, однако, что здесь мы вступаем на зыбкую почву спекуляций. Впрочем, в науке они называются более благозвучным словом — гипотезы.

Можно, например, предположить, что сама концепция биологически активных конформаций, выдвинутая на основе конформационных расчетов пептидов, попросту неверна — мало ли ошибочных догадок высказывали теоретики. Возможно, приближаясь к рецептору, гибкая цепочка пептида (или ее концевой фрагмент) распрямляется и уже в таком виде образует комплекс с трансмембранным сегментом. А активные циклические аналоги, в которых биологически активная конформация зафиксирована, подвергаются атакам ферментов, разрывающих цикл на подходе к рецептору.

Сразу же, однако, возникают возражения. Во-первых, эти гипотетические ферменты пока не обнаружены. А вовторых, тогда не понятно, как объяснить результаты прямого эксперимента, в котором внутримолекулярная циклизация — помните? — заставила пептид переключиться на взаимодействие с опиоидными рецепторами, но не с рецепторами холецистокинина. И как быть с множеством косвенных экспериментов — биологических испытаний аналогов пептидов, — подтверждающих существование биологической активности именно у определенной конформации молекулы?

И еще: если спиральные трансмембранные сегменты (их пространственная организация примерно одинакова в разных рецепторах) отбирают вытянутые конформации гибких пептидов (тоже примерно одинаковые), а не их уникальные более сложные биологически активные

Концепция не сдается

135

структуры, в чем тогда молекулярные основы специфичности взаимодействия пептидов и рецепторов? Как пептид энкефалин узнает, например, что предназначенный ему партнер — рецептор опиоидов, а не холецистокинина?

Одним словом, отказываться от идеи биологически активной конформации рановато. Особенно тем, кто, как автор этой книги, был среди первых, ее предложивших и обосновавших. Но зарекаться тем не менее не стоит: в науке любое утверждение не вечно. Судьба всех гипотез одинакова: зародившись как интуитивные соображения, они обрастают подтверждающими их фактами и превращаются в теории, пригодность которых проверяется достоверностью их предсказаний. Но рано или поздно появляются факты, необъяснимые в рамках данной теории; тогда приходит время ее отбросить и предложить новую, иногда совершенно противоположную предыдущей. Для логики развития науки это естественный процесс; однако для психологии и эмоций его непосредственных участников он бывает очень болезненным.

В середине двадцатых годов прошлого века выдающийся русский химик Николай Дмитриевич Зелинский выделил из белков так называемые дикетопиперазины, соединения, по химическому составу эквивалентные аминокислотам; он предположил, что пептиды состоят из последовательностей дикетопиперазинов. И хотя задолго до этого Эмиль Фишер установил, что пептиды построены из аминокислот, еще в шестидесятых годах на химическом факультете Московского государственного университета искали доводы в пользу дикетопиперазиновой теории, от которой давно следовало отказаться. Но вненаучные соображения — уязвленное самолюбие, желание отстоять

136

Глава 6. Половинки пары

приоритет отечественных исследователей, почтение к авторитету основоположника — не позволяли признать ошибку. Наверное, какую-то роль играло и желание оставаться верными однажды усвоенной догме, созвучное идеологическим стандартам ушедшей эпохи. Да и сейчас вряд ли кому-нибудь захочется прослыть беспринципным, меняющим свое мнение с каждым новым фактом, пусть даже и твердо установленным — а ведь именно так и развивается наука.

Что же касается обсуждаемых противоречий, с которыми столкнулась гипотеза о роли биологически активной конформации пептидов, то их, как мне кажется, можно устранить. В рецепторах, сопряженных с G-белками, есть не только трансмембранные сегменты, но и петли, соединяющие спирали с внешней стороны мембраны. В отличие от схожих между собой пучков спиралей, пространственные структуры этих петель различны в разных рецепторах. Так свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа — но есть один нюанс. Петли — цепочки величиной от пяти-шести до двадцати-тридцати аминокислот — представляют собой, по существу, те же гибкие пептиды, пусть и с закрепленными с двух сторон концами. Эти пептиды обладают целым спектром возможных конформаций, переходящих друг в друга. Кристаллизация «вымораживает» какую-то одну из этих конформаций, и то не всегда — зачастую четкую картину отражений рентгеновских лучей от петель так и не удается получить. Поэтому нельзя утверждать, что именно эта единственная «замороженная» конформация петель и есть самая характерная для данного рецептора — есть и другие. Но обнаружить их экспериментально так же трудно, как и отдельные — не усредненные — структуры гибкого пептида в растворе.

Концепция не сдается

137

Зато можно выявить возможные структуры этих петель расчетными методами — так же, как это делалось ранее с другими пептидами, концы которых не были закреплены. И здесь обнаружилось любопытное обстоятельство: активация рецепторов действительно может зависеть от конформаций их внешних петель. А это дает основания предположить, что биологически активная уникальная конформация пептида на первом этапе узнается не трансмембранным сегментом рецептора, а его внешними петлями, структуры которых также уникальны для каждого рецептора. И не пептид «подстраивается» под структуру рецептора, а гибкие петли подстраиваются под пептид, чем и объясняется специфичность взаимодействия. Это объясняет также особые трудности получения рентгеноструктурных данных о комплексах природных пептидов и их рецепторов: вполне возможно, что кристаллизуется не та единственная конформация петель, в которой они взаимодействуют с пептидом, а одна из других, тоже допустимых.

Самые свежие результаты рентгеноструктурного и криомикроскопического анализа не то чтобы подтверждают такое предположение, но и не противоречат ему. За последние два года описаны пространственные структуры комплексов семиспиральных рецепторов с эндотелином-1 (двадцать одна аминокислота в цепочке) и глюкагоном (двадцать девять аминокислот). Оба пептида представлены в комплексах не в вытянутых конформациях: концы эндотелина сближены, а глюкагон свернут в конформацию альфаспирали. И оба взаимодействуют не столько со «щелью» между спиралями, сколько с длинными внешними петлями и начальными фрагментами рецепторов; у рецептора глюкагона, например, начальный участок, выдающийся из толщи мембраны, состоит из более чем ста аминокислот.

138

Глава 6. Половинки пары

Не стоит, однако, опережать события. Структурная биология рецепторов развивается быстро, и изложенный сценарий молекулярного механизма взаимодействия с пептидными лигандами может быть подтвержден или опровергнут очень скоро. И очередная волна конструирования лекарств будет использовать сведения об их взаимодействии с семиспиральными рецепторами, недоступные в наши дни. И не только лекарств.

Рассказ Роальда Даля о свойствах запахов, упомянутый ранее, остался не слишком известным. Зато роман немецкого прозаика и драматурга Патрика Зюскинда «Парфюмер. История одного убийцы», впервые опубликованный в середине восьмидесятых годов, был переведен на сорок семь языков и издан общим тиражом более двенадцати миллионов экземпляров. Фильм по роману, снятый в 2006 году, заработал около ста тридцати пяти миллионов долларов при бюджете в шестьдесят миллионов. В 2008 году состоялась постановка российской рок-оперы «Парфюмер» по мотивам романа, а в 2018 году на телеэкранах появился сериал «Парфюм», отдаленно с ним связанный. Повесть об убийце восемнадцатого века, который овладел искусством создания запахов и научился с их помощью манипулировать людьми, продолжает поражать воображение читателей и зрителей всего мира. Особенно впечатляет эпизод, в котором горожане на площади, яростно требующие казни преступника, в один миг превращаются в его обожателей под действием источаемого им нового аромата. При этом они испытывают мистическое чувство сошедшей на них благодати.

Писатель, разумеется, волен придумывать все, что угодно, но в этом эпизоде его фантазия не противоречит

Концепция не сдается

139

известным фактам нейробиологии запаха. По современным представлениям, молекулы ароматических веществ взаимодействуют с рецепторами так называемых обонятельных нейронов, связанных с головным мозгом, который и определяет ощущения, испытываемые при этом организмом, будь то дискомфорт из-за запаха сероводорода, сексуальное возбуждение, вызываемое женскими духами, или — почему бы и нет — благодать. Тем более если запах новый и не ассоциируется с какими-то прошлыми воспоминаниями. Порог чувствительности к пахучим веществам у человека очень низок — в случае, например, ванилина он соответствует концентрации в две десятимиллионные миллиграмма на кубический метр. Чтобы запах ванилина почувствовали все люди, заполняющие площадь, потребовалось бы только около одной десятитысячной грамма — а ведь искусный парфюмер мог отыскать еще более эффективное ароматическое соединение. И поскольку никаким другим способом, кроме обоняния, определить его присутствие в воздухе было бы невозможно, мистическое настроение толпы, не понимающей, что с ней происходит, не так уж удивительно.

Удивительно другое: как обонятельным рецепторам — а они принадлежат все к тому же семейству семиспиральных мембранных рецепторов — удается обнаружить ароматические вещества в столь низких концентрациях. Если пересчитать справочные данные по тому же ванилину в единицы концентрации, принятые в фармакологии, окажется, что они на несколько порядков ниже концентраций, характерных, например, для пептидных биорегуляторов. И тем не менее даже эти сверхмалые концентрации лиганда позволяют обеспечить образование его комплекса со своими специфическими рецепторами. А их в носу человека около пяти миллионов; у собаки, впрочем, их более двухсот

140

Глава 6. Половинки пары

миллионов. Даже нетренированная собака может учуять резкий запах на расстоянии двух-трех километров от его источника. Сотни собаковладельцев подтвердят, что их питомцы начинают ждать у квартирных дверей и повизгивать, когда хозяева еще только подходят к подъезду. Собаки же, специально тренированные, способны выполнять такие задания, что их успехи иногда становятся легендарными.

История российской криминалистики помнит, например, полицейского добермана по кличке Треф. Вместе со своим хозяином, московским околоточным надзирателем Владимиром Дмитриевым, он раскрыл более тысячи преступлений за время службы с 1909 по начало двадцатых годов. Треф отыскивал украденные вещи, разоблачал убийц, приводил полицейских к месту захоронения убитых, находил спрятанное оружие и взрывчатку. Он сделался настолько известным, что вошел в художественную литературу как прототип собаки Тузбубен из романа Михаила Булгакова «Мастер и Маргарита»:

«…через короткое время в здании Варьете появилось следствие в сопровождении остроухой, мускулистой, цвета папиросного пепла собаки с чрезвычайно умными глазами. Среди служащих Варьете тотчас разнеслось шушуканье о том, что пес — не кто другой, как знаменитый Тузбубен. И точно, это был он. Поведение его изумило всех. Лишь только Тузбубен вбежал в кабинет финдиректора, он зарычал, оскалив чудовищные желтоватые клыки, затем лег на брюхо и с каким-то выражением тоски и в то же время ярости в глазах пополз к разбитому окну. Преодолев свой страх, он вдруг вскочил на подоконник и, задрав острую морду вверх, дико и злобно завыл».

Но если чувствительность семиспиральных рецепторов настолько велика, что с их помощью можно унюхать даже

Концепция не сдается

141

нечистую силу, отчего бы не использовать это их качество для истолкования других непонятных явлений? Например, лозоходства, поиска подземных источников воды с помощью рамки, которая изменяет положение в руках экспериментатора, когда он приближается к такому источнику. Здесь теоретически возможно такое объяснение: обонятельные рецепторы улавливают мельчайшие изменения концентрации воды (или сопутствующих ей веществ) в воздухе, что вызывает бессознательную реакцию лозоходца на уровне непроизвольной моторики мышц его рук, из-за чего рамка и начинает поворачиваться.

Однако это уже не гипотезы и даже не спекуляции, а скорее фантазии на темы о дальнейших возможных направлениях науки о структурных свойствах рецепторов, сопряженных с G-белками. Можно назвать их мечтами, игрой воображения, как будто не слишком уместной в естественных науках, называемых также точными. Хотя кто-то из великих ученых — не то Карл Гаусс, не то Давид Гильберт — заметил об одном из своих бывших учеников: «Он стал поэтом — для математики у него не хватило воображения». Будем считать это оправданием.