Коди біологічної регуляції
Молекули-сигнали
У кожній клітині нашого тіла кожну частку секунди відбуваються тисячі різних біохімічних реакцій - основа життєдіяльності організму. Це ціла симфонія високоорганізованих і точних реакцій, суворо узгоджених по місцю і часу з іншими процесами в клітинах і організмі в цілому. Для регулювання метаболізму (обміну речовин) в ході еволюції утворилися такі системи, як генетична, ендокринна, імунна, нервова та інші. Всі ці системи функціонують за допомогою різних переносників інформації - молекул речовин, які виникають в ході метаболізму і виконують функції сигналів. Ці молекули і є власне біологічні регулятори: їх приєднання до рецепторів клітинної оболонки (мембрани) служить сигналом до початку або зупинки біохімічних реакцій.
Молекула пептидного гормону може утворити в просторі різні геометричні форми. Так, молекула брадикинина, що складається з дев'яти амінокислот, може утворити мільярд різних просторових структур (конформаций). Дві з них, розраховані і намальовані ЕОМ, показані на схемі: ліва - витягнута ланцюг, права - квазіцікліческая структура. Різниця форм зумовлює і відмінність функції, які виконуються молекулами гормону.
Серед биорегуляторов особливе місце займають пептидні і білкові гормони, які утворюються в залозах внутрішньої секреції (гіпофізі, підшлунковій залозі, тимусі і ін.). Гормони регулюють всі види обміну речовин, зростання і диференціацію тканин і органів, статеве дозрівання і розмноження, роботу центральної нервової системи і пам'ять, імунні реакції і безліч інших фізіологічних процесів.
Крім гормонів ендокринного походження, не менш важливу роль в організмі відіграють так звані тканинні гормони, або кініни. Вони формуються в тих точках (тканинах) організму, де їх вплив в даний момент необхідно, вони і Діють зазвичай поблизу місця своєї освіти. До них відносяться, наприклад, ангіотензин і брадикінін. Перший з них підвищує кров'яний тиск і бере участь в регуляції водно-сольового обміну, а другий - брадикинин - знижує тиск крові, впливає на проникність капілярів, викликає больові реакції.
Пептидний біорегулятор - це потужний важіль управління внутрішньоклітинними процесами. Дослідження механізмів їх дії має значення не тільки теоретичне, а й практичне. Уже сьогодні пептидно-білкові біорегулятори широко використовуються в медицині. Наприклад, інсулін для лікування цукрового хвороби (діабету), кортикотропін - для запобігання різних запальних процесів, окситоцин - для стимуляції родової діяльності і т. Д. Гормони застосовуються також для лікування сільськогосподарських тварин, для стимуляції їх росту та продуктивності. Природні біорегулятори діють в дуже низьких концентраціях (їх дози вимірюються сотими і тисячними частками міліграма) і практично нешкідливі для організму, бо продукти їх розпаду - це ті ж амінокислоти, які утворюються при розщепленні харчових білків. Так що потреба в них велика, і було б зовсім непогано налагодити масовий випуск пептидних препаратів.
Взаємодія молекули гормону (Г) і рецептора клітинної мембрани (Р) можливо - в тому випадку, якщо їх структури відповідають один одному як ключ замку. Вступивши в контакт, вони утворюють комплекс ГР. Це служить первинним сигналом до початку внутрішньоклітинних реакцій, наприклад, активує фермент аденілатциклазу, яка, в свою чергу, запускає реакцію пшвращенія АТФ (аденозинтрифосфат - основний носій енергії в організмі) в циклічний аденозинмонофосфат (АМФ), а він уже активізує (вторинний сигнал) безпосередньо внутрішньоклітинні ферментні системи. В результаті порушується певна фізіологічна дія - біосинтез білків, скорочення м'язів, секреція інсуліну і т. П.
Однак все пізнається в порівнянні. Так, в організмі пептиди недовговічні, їх дія вимірюється лише десятками секунд. Така короткочасність дії необхідна для забезпечення гнучкості регулювання на молекулярному рівні. Але якщо застосовувати пептиди як препарати в медицині або тваринництві, вона перетворюється в серйозний недолік, бо доведеться робити ін'єкції занадто часто. Значить, при створенні препаратів-аналогів природних пептидів треба усунути цей недолік - продовжити дію гормону. Так визначилася завдання. Однак перш належало провести фундаментальні дослідження - вивчити механізми дії пептидів. Оскільки регулювання в живому організмі залежить від зв'язку, а зв'язок - це передача якоїсь кількості інформації, латвійські вчені вирішили провести аналіз структур і функцій пептидних біорегуляторів з точки зору теорії інформації і кібернетики.
код сигнатур
Пептидні гормони, як і білки, побудовані з двадцяти природних амінокислот, з'єднаних в ланцюжок. Кожен гормон відрізняється від іншого числом і послідовністю амінокислот так само, як слова нашої мови відрізняються числом і послідовністю букв. Двадцять природних амінокислот - це своєрідний алфавіт природи. Але на відміну від слів інформація в молекулах гормонів закодована не тільки порядковим (лінійним) розташуванням амінокислот, а й тією формою, яку займає в просторі пептидная ланцюг. Цей ланцюг може бути вигнута або згорнута самим різним способом, утворюючи певну структуру. І цією структурою визначаються біологічні функції пептидів. Якщо структура змінилася, стала іншою, то змінилася і закодована в ній інформація. Значить, зміниться і функція пептиду, тобто він порушить не ту, а іншу біохімічну реакцію, однак найчастіше він повністю втрачає активність.
Латвійські вчені встановили універсальні закономірності організації структур пептидних гормонів - биорегуляторов. Молекула пептиду розділяється на дві частини: одна -разлічающая, або "адресна", частина, яка забезпечує впізнавання "свого" рецептора в клітинній мембрані; до складу цієї частини входить активний центр, який визначає специфічну для даного гормону біологічну активність. Інша частина молекули пептиду - загальний фрагмент, однаковий для різних гормонів. У багатьох випадках це сигнальна частина молекули - "підсилювач" активності рецепторів клітинної мембрани, з якими молекула гормону вступає в контакт.
Адже пептиди як біорегулятори в більшості випадків діють на певні, рецепторні ділянки клітинної мембрани, на локалізовані в них ферментні системи. Клітинні мембрани є як би панеллю керування внутрішньоклітинними біохімічними процесами, рецептори - окремими її осередками, а пептидні біорегулятори - своєрідними важелями (рубильниками), які впливають на ці осередки. Контакт гормону з рецептором - це первинний сигнал до початку реакції, але не прямий, бо в цьому випадку біорегулятор включає відповідну мембранну систему, а вже вона дає вторинний внутрішньоклітинний сигнал, який і збуджує певну біохімічну реакцію (результатом якої стане якесь фізіологічне дію - перетравлення їжі, обмін вег речовин, почастішання пульсу і т. п.).
Квазіцікліческіе структури гормонів бра-дікініна, ангіотензину та імуностимулятора тафтеіна. Пунктиром обведені "адресні" частини молекул, що забезпечують взаємодію гормону з рецептором клітини. Знаками + і - відзначені місця, де іони стабілізують квазіцікліческую структуру молекули. Синтезуючи аналоги природних гормонів, вчені замінили слабку іонну зв'язок міцної ковалентного і отримали справжні циклічні сполуки, що діють так само, як і природні, але більш ефективно.
Таким способом інформація, укладена в просторово-тимчасовій структурі молекули пептиду, управляє молекулярними процесами. Але кожна молекула биорегулятора для точної і специфічної передачі інформації повинна взаємодіяти лише з одним або декількома певними рецепторами. Тому в кожній пептидну молекулу повинен бути якийсь код, необхідний для впізнавання "свого" рецептора.
Де і як в молекулах пептидів закодований адреса рецепторів? І, з іншого боку, яким чином клітинний рецептор дізнається "свою" молекулу пептидного биорегулятора? Пошук відповіді на ці питання привів вчених до важливого висновку: клітинні рецептори дізнаються молекули не по їх хімічною структурою як такої, а за певним набором властивостей (або ознак), властивих цим структурам. Це можна порівняти з -ємо, як ми дізнаємося своїх знайомих: за профілем особи, по голосу, по звуку кроків і багатьма іншими ознаками. Але нам для впізнавання потрібні не всі, а лише деякі характерні ознаки - які саме, це визначається конкретною ситуацією.
Те ж саме спостерігається і в світі молекул. Щоб клітинний рецептор дізнався "свою" молекулу, йому не потрібно "пред'являти" все структурні елементи биорегулятора, досить лише деяких, сукупність яких вчені Інституту органічного синтезу назвали сигнатурою. Подальші дослідження показали, що ці сигнатури можуть бути загальними для різних за структурою природних сполук (або їх синтетичних аналогів).
З іншого боку, відомо, що один і той же гормон діє на різні органи, викликаючи різні відповідні реакції, тобто володіє певним спектром біологічної дії. Відомо також, що хімічні модифікації амінокислот пептидного ланцюга, не впливаючи на одну функцію гормону, можуть сильно змінити іншу. Біологічний спектр дії гормону і можливість його зміни говорять про те, що в одному з'єднанні може бути кілька сигнатур.
Діаграма дозволяє порівняти ефективність природного брадикинина (1) і його синтетичних аналогів - Е-ціклобрадікі-нина (2) і альфа-ціклобрадікіііна (3). На ній показано, як знижується артеріальний тиск у піддослідних тварин під впливом цих препаратів.
У природі ми часто стикаємося з явищем біохімічної універсальності. Це універсальність будови і властивостей клітин і біохімічних систем (в тому числі і живих організмів), принципів їх дії і управління, кодування інформації і т. П. Виходячи з цього, вчені припустили, що повинні існувати якісь загальні принципи в кодуванні і декодуванні дані, що зберігаються природою в пептидних гормонах і кінінів. І якщо такі принципи існують, то вони повинні якимось чином відбитися в структурах цих сполук.
Щоб розібратися в цьому, латвійські хіміки застосували так званий матричний аналіз-метод, який широко використовують лінгвісти і криптографи для з'ясування особливостей різних мов і розшифровки кодованих повідомлень. Для кожної мови характерні найбільш часто зустрічаються звуки або їх поєднання. Виявити їх можна, якщо побудувати квадратну матрицю, тобто окреслити на папері в клітку квадрат зі стороною в 33 клітини (по числу букв російського алфавіту) і написати літери уздовж двох його перпендикулярних сторін. Потім, аналізуючи якийсь чималий уривок тексту, у відповідних клітинах точкою відзначати пари поруч розташованих букв. Вийде в підсумку, що деякі клітини майже заповнені точками, в інших точок мало, треті залишилися порожніми.
Матричний аналіз частоти виникнення поєднань амінокислот в молекулах гормонів і кінінів дав подібну картину: в окремих пептидних біорегуляторів особливо часто зустрічаються деякі амінокислоти, які виконують однакові функції. У структурах гормонів ці амінокислоти розташовані поруч і утворюють цілий фрагмент, загальний для різних пептидних біорегуляторів. Експерименти показали, що видалення або зворотне приєднання загальних фрагментів в пептидних молекулах викликає дуже різке, на 3-4 порядки, зміна їх біологічної активності, від чого залежить, включиться чи ні в клітці вторинний сигнал і відповідна йому реакція. До того ж загальні фрагменти завжди розташовані поруч зі специфічно активними ділянками молекул. Так була виявлена структурна організація молекул гормонів, що грає певну функціональну роль.
На цій основі вчені розробили теоретичну модель структурної і функціональної організації деяких груп гормонів і кінінів. Відповідно до цієї моделі, молекулу пептиду можна умовно розділити на дві частини - адресну або розрізняти, що дозволяє дізнаватися "свій" рецептор, і загальний фрагмент, який бере участь в активізації клітинних рецепторів.
Біологи, імунологи і фармакологи інституту експериментально перевірили цю модель. Тобто, взявши її за основу, синтезували близько 70 штучних гормонів і досліджували їх біологічну активність. У всіх випадках результати підтвердили правильність теоретичної моделі і, зокрема, роль загального фрагмента як підсилювача активності.
незамкнуте кільце
Подальші дослідження прояснили цю роль загального фрагмента. Справа в тому, що просторова структура пептидів не настільки визначена, як у білків. Завдяки особливостям будови пептидного ланцюга молекула, що складається, наприклад, з 8 амінокислот, може утворити близько 100 мільйонів різних просторових форм. Але тільки деякі з них біологічно активні, тобто можуть взаємодіяти з клітинними рецепторами. Які?
Аналізуючи просторові структури низькомолекулярних пептидних біорегуляторів, вчені розраховували їх за допомогою J3BM. І ці розрахунки показали, що цілий ряд низькомолекулярних лінійних пептидних гормонів фактично має не лінійне, а квазіцікліческое будова, тобто форму незамкнутого кільця (слозо "кільце" використано тут для наочності, насправді пептидная ланцюг може''чзрі-нять форму як завгодно складної незамкненою кривої). Стабілізує ж таку структуру взаємодія іонів однієї з амінокислот загального фрагмента, що несе позитивний заряд, і амінокислот ланцюга, де є негативно заряджені угруповання (вперше ця ідея була висунута академіком Ю. А. Овчинниковим і його співробітниками).
Тим самим було розкрито участь загальних фрагментів у формуванні та закріпленні просторової структури пептидного молекули, що визначає специфічну біологічну активність гормону. Адже якщо видалити загальний фрагмент, то розрізняє ділянку молекули втрачає свою характерну просторову структуру, а разом з нею - і можливість контакту зі "своїм" клітинним рецептором.
Квазіцікли надають молекулам низько молекулярних биорегуляторов щодо відповідності але жорстку специфічну форму, проте іонна зв'язок, стабілізуюча її, слабка і недовговічна. Тому, коли на черговому етапі роботи почали синтезувати аналоги природних гормонів, то слабка іонна зв'язок в квазіціклах була замінена на міцну хімічну - ковалентний, що утворить справжні циклічні структури. Тим самим було отримано принципово новий тип аналогів природних пептидів.
Модельними сполуками для них спочатку стали тканинні гормони типу бра-дікініна. Ці сполуки викликають безліч біологічних ефектів: діють на кровоносні судини, серце, нирки, центральну нервову систему, інші органи. На жаль, саме через широту і короткочасність дії брадикинин, високоефективне природний засіб зниження кров'яного тиску, до сих пір не знайшов практичного застосування в медицині. Але вже перші результати біологічних випробувань циклічних аналогів, проведені на тваринах, показали, що вони на кілька порядків перевищують природний прототип по тривалості дії. Той же брадикинин замість колишніх десятків секунд діє кілька годин. Крім того, на відміну від природних аналоги не діють, наприклад, на різні ділянки кишечника, матки і т. Д. Тобто їх дія стало не тільки продовженим, але і виборчим.
Потім в Інституті органічного синтезу були отримані циклічні аналоги і інших груп пептидних біорегуляторів. Серед них речовини, що стимулюють імунну систему, викликають біосинтез стероїдних гормонів в наднирниках, що діють на центральну нервову систему та ін.
У підсумку всі ці дослідження дозволили встановити універсальну закономірність структурної і функціональної організації пептидних гормонів і кінінів і на її основі розробити технологію виробництва високоактивних циклічних пептидних препаратів для медицини і народного господарства.
Великі вигоди обіцяє гормон окситоцин. На заводі його виробляють вже кілограмами. Це досить багато, тому що терапевтична доза окситоцину для людини складає соті частки міліграма, а для тварин - десяті частки міліграма. Препарат відіграє велику роль в регуляції фізіологічних процесів запліднення, пологів, лактації і широко використовується у ветеринарії і тваринництві. Застосування його при штучному заплідненні підвищує оплодотво-ряемость корів і свиноматок, збільшує їх багатоплідність. Застосування окситоцину тільки в сільському господарстві країни дає економічний ефект понад 45 мільйонів рублів на рік.
Для медицини же призначений інший препарат - Дезаміноокситоцин. Це стимулятор родової діяльності. За специфи чеський актізності він в 1,5 рази перевершує природний гормон.
Молекули-сигнали
У кожній клітині нашого тіла кожну частку секунди відбуваються тисячі різних біохімічних реакцій - основа життєдіяльності організму. Це ціла симфонія високоорганізованих і точних реакцій, суворо узгоджених по місцю і часу з іншими процесами в клітинах і організмі в цілому. Для регулювання метаболізму (обміну речовин) в ході еволюції утворилися такі системи, як генетична, ендокринна, імунна, нервова та інші. Всі ці системи функціонують за допомогою різних переносників інформації - молекул речовин, які виникають в ході метаболізму і виконують функції сигналів. Ці молекули і є власне біологічні регулятори: їх приєднання до рецепторів клітинної оболонки (мембрани) служить сигналом до початку або зупинки біохімічних реакцій.
Молекула пептидного гормону може утворити в просторі різні геометричні форми. Так, молекула брадикинина, що складається з дев'яти амінокислот, може утворити мільярд різних просторових структур (конформаций). Дві з них, розраховані і намальовані ЕОМ, показані на схемі: ліва - витягнута ланцюг, права - квазіцікліческая структура. Різниця форм зумовлює і відмінність функції, які виконуються молекулами гормону.
Серед биорегуляторов особливе місце займають пептидні і білкові гормони, які утворюються в залозах внутрішньої секреції (гіпофізі, підшлунковій залозі, тимусі і ін.). Гормони регулюють всі види обміну речовин, зростання і диференціацію тканин і органів, статеве дозрівання і розмноження, роботу центральної нервової системи і пам'ять, імунні реакції і безліч інших фізіологічних процесів.
Крім гормонів ендокринного походження, не менш важливу роль в організмі відіграють так звані тканинні гормони, або кініни. Вони формуються в тих точках (тканинах) організму, де їх вплив в даний момент необхідно, вони і Діють зазвичай поблизу місця своєї освіти. До них відносяться, наприклад, ангіотензин і брадикінін. Перший з них підвищує кров'яний тиск і бере участь в регуляції водно-сольового обміну, а другий - брадикинин - знижує тиск крові, впливає на проникність капілярів, викликає больові реакції.
Пептидний біорегулятор - це потужний важіль управління внутрішньоклітинними процесами. Дослідження механізмів їх дії має значення не тільки теоретичне, а й практичне. Уже сьогодні пептидно-білкові біорегулятори широко використовуються в медицині. Наприклад, інсулін для лікування цукрового хвороби (діабету), кортикотропін - для запобігання різних запальних процесів, окситоцин - для стимуляції родової діяльності і т. Д. Гормони застосовуються також для лікування сільськогосподарських тварин, для стимуляції їх росту та продуктивності. Природні біорегулятори діють в дуже низьких концентраціях (їх дози вимірюються сотими і тисячними частками міліграма) і практично нешкідливі для організму, бо продукти їх розпаду - це ті ж амінокислоти, які утворюються при розщепленні харчових білків. Так що потреба в них велика, і було б зовсім непогано налагодити масовий випуск пептидних препаратів.
Взаємодія молекули гормону (Г) і рецептора клітинної мембрани (Р) можливо - в тому випадку, якщо їх структури відповідають один одному як ключ замку. Вступивши в контакт, вони утворюють комплекс ГР. Це служить первинним сигналом до початку внутрішньоклітинних реакцій, наприклад, активує фермент аденілатциклазу, яка, в свою чергу, запускає реакцію пшвращенія АТФ (аденозинтрифосфат - основний носій енергії в організмі) в циклічний аденозинмонофосфат (АМФ), а він уже активізує (вторинний сигнал) безпосередньо внутрішньоклітинні ферментні системи. В результаті порушується певна фізіологічна дія - біосинтез білків, скорочення м'язів, секреція інсуліну і т. П.
Однак все пізнається в порівнянні. Так, в організмі пептиди недовговічні, їх дія вимірюється лише десятками секунд. Така короткочасність дії необхідна для забезпечення гнучкості регулювання на молекулярному рівні. Але якщо застосовувати пептиди як препарати в медицині або тваринництві, вона перетворюється в серйозний недолік, бо доведеться робити ін'єкції занадто часто. Значить, при створенні препаратів-аналогів природних пептидів треба усунути цей недолік - продовжити дію гормону. Так визначилася завдання. Однак перш належало провести фундаментальні дослідження - вивчити механізми дії пептидів. Оскільки регулювання в живому організмі залежить від зв'язку, а зв'язок - це передача якоїсь кількості інформації, латвійські вчені вирішили провести аналіз структур і функцій пептидних біорегуляторів з точки зору теорії інформації і кібернетики.
код сигнатур
Пептидні гормони, як і білки, побудовані з двадцяти природних амінокислот, з'єднаних в ланцюжок. Кожен гормон відрізняється від іншого числом і послідовністю амінокислот так само, як слова нашої мови відрізняються числом і послідовністю букв. Двадцять природних амінокислот - це своєрідний алфавіт природи. Але на відміну від слів інформація в молекулах гормонів закодована не тільки порядковим (лінійним) розташуванням амінокислот, а й тією формою, яку займає в просторі пептидная ланцюг. Цей ланцюг може бути вигнута або згорнута самим різним способом, утворюючи певну структуру. І цією структурою визначаються біологічні функції пептидів. Якщо структура змінилася, стала іншою, то змінилася і закодована в ній інформація. Значить, зміниться і функція пептиду, тобто він порушить не ту, а іншу біохімічну реакцію, однак найчастіше він повністю втрачає активність.
Латвійські вчені встановили універсальні закономірності організації структур пептидних гормонів - биорегуляторов. Молекула пептиду розділяється на дві частини: одна -разлічающая, або "адресна", частина, яка забезпечує впізнавання "свого" рецептора в клітинній мембрані; до складу цієї частини входить активний центр, який визначає специфічну для даного гормону біологічну активність. Інша частина молекули пептиду - загальний фрагмент, однаковий для різних гормонів. У багатьох випадках це сигнальна частина молекули - "підсилювач" активності рецепторів клітинної мембрани, з якими молекула гормону вступає в контакт.
Адже пептиди як біорегулятори в більшості випадків діють на певні, рецепторні ділянки клітинної мембрани, на локалізовані в них ферментні системи. Клітинні мембрани є як би панеллю керування внутрішньоклітинними біохімічними процесами, рецептори - окремими її осередками, а пептидні біорегулятори - своєрідними важелями (рубильниками), які впливають на ці осередки. Контакт гормону з рецептором - це первинний сигнал до початку реакції, але не прямий, бо в цьому випадку біорегулятор включає відповідну мембранну систему, а вже вона дає вторинний внутрішньоклітинний сигнал, який і збуджує певну біохімічну реакцію (результатом якої стане якесь фізіологічне дію - перетравлення їжі, обмін вег речовин, почастішання пульсу і т. п.).
Квазіцікліческіе структури гормонів бра-дікініна, ангіотензину та імуностимулятора тафтеіна. Пунктиром обведені "адресні" частини молекул, що забезпечують взаємодію гормону з рецептором клітини. Знаками + і - відзначені місця, де іони стабілізують квазіцікліческую структуру молекули. Синтезуючи аналоги природних гормонів, вчені замінили слабку іонну зв'язок міцної ковалентного і отримали справжні циклічні сполуки, що діють так само, як і природні, але більш ефективно.
Таким способом інформація, укладена в просторово-тимчасовій структурі молекули пептиду, управляє молекулярними процесами. Але кожна молекула биорегулятора для точної і специфічної передачі інформації повинна взаємодіяти лише з одним або декількома певними рецепторами. Тому в кожній пептидну молекулу повинен бути якийсь код, необхідний для впізнавання "свого" рецептора.
Де і як в молекулах пептидів закодований адреса рецепторів? І, з іншого боку, яким чином клітинний рецептор дізнається "свою" молекулу пептидного биорегулятора? Пошук відповіді на ці питання привів вчених до важливого висновку: клітинні рецептори дізнаються молекули не по їх хімічною структурою як такої, а за певним набором властивостей (або ознак), властивих цим структурам. Це можна порівняти з -ємо, як ми дізнаємося своїх знайомих: за профілем особи, по голосу, по звуку кроків і багатьма іншими ознаками. Але нам для впізнавання потрібні не всі, а лише деякі характерні ознаки - які саме, це визначається конкретною ситуацією.
Те ж саме спостерігається і в світі молекул. Щоб клітинний рецептор дізнався "свою" молекулу, йому не потрібно "пред'являти" все структурні елементи биорегулятора, досить лише деяких, сукупність яких вчені Інституту органічного синтезу назвали сигнатурою. Подальші дослідження показали, що ці сигнатури можуть бути загальними для різних за структурою природних сполук (або їх синтетичних аналогів).
З іншого боку, відомо, що один і той же гормон діє на різні органи, викликаючи різні відповідні реакції, тобто володіє певним спектром біологічної дії. Відомо також, що хімічні модифікації амінокислот пептидного ланцюга, не впливаючи на одну функцію гормону, можуть сильно змінити іншу. Біологічний спектр дії гормону і можливість його зміни говорять про те, що в одному з'єднанні може бути кілька сигнатур.
Діаграма дозволяє порівняти ефективність природного брадикинина (1) і його синтетичних аналогів - Е-ціклобрадікі-нина (2) і альфа-ціклобрадікіііна (3). На ній показано, як знижується артеріальний тиск у піддослідних тварин під впливом цих препаратів.
У природі ми часто стикаємося з явищем біохімічної універсальності. Це універсальність будови і властивостей клітин і біохімічних систем (в тому числі і живих організмів), принципів їх дії і управління, кодування інформації і т. П. Виходячи з цього, вчені припустили, що повинні існувати якісь загальні принципи в кодуванні і декодуванні дані, що зберігаються природою в пептидних гормонах і кінінів. І якщо такі принципи існують, то вони повинні якимось чином відбитися в структурах цих сполук.
Щоб розібратися в цьому, латвійські хіміки застосували так званий матричний аналіз-метод, який широко використовують лінгвісти і криптографи для з'ясування особливостей різних мов і розшифровки кодованих повідомлень. Для кожної мови характерні найбільш часто зустрічаються звуки або їх поєднання. Виявити їх можна, якщо побудувати квадратну матрицю, тобто окреслити на папері в клітку квадрат зі стороною в 33 клітини (по числу букв російського алфавіту) і написати літери уздовж двох його перпендикулярних сторін. Потім, аналізуючи якийсь чималий уривок тексту, у відповідних клітинах точкою відзначати пари поруч розташованих букв. Вийде в підсумку, що деякі клітини майже заповнені точками, в інших точок мало, треті залишилися порожніми.
Матричний аналіз частоти виникнення поєднань амінокислот в молекулах гормонів і кінінів дав подібну картину: в окремих пептидних біорегуляторів особливо часто зустрічаються деякі амінокислоти, які виконують однакові функції. У структурах гормонів ці амінокислоти розташовані поруч і утворюють цілий фрагмент, загальний для різних пептидних біорегуляторів. Експерименти показали, що видалення або зворотне приєднання загальних фрагментів в пептидних молекулах викликає дуже різке, на 3-4 порядки, зміна їх біологічної активності, від чого залежить, включиться чи ні в клітці вторинний сигнал і відповідна йому реакція. До того ж загальні фрагменти завжди розташовані поруч зі специфічно активними ділянками молекул. Так була виявлена структурна організація молекул гормонів, що грає певну функціональну роль.
На цій основі вчені розробили теоретичну модель структурної і функціональної організації деяких груп гормонів і кінінів. Відповідно до цієї моделі, молекулу пептиду можна умовно розділити на дві частини - адресну або розрізняти, що дозволяє дізнаватися "свій" рецептор, і загальний фрагмент, який бере участь в активізації клітинних рецепторів.
Біологи, імунологи і фармакологи інституту експериментально перевірили цю модель. Тобто, взявши її за основу, синтезували близько 70 штучних гормонів і досліджували їх біологічну активність. У всіх випадках результати підтвердили правильність теоретичної моделі і, зокрема, роль загального фрагмента як підсилювача активності.
незамкнуте кільце
Подальші дослідження прояснили цю роль загального фрагмента. Справа в тому, що просторова структура пептидів не настільки визначена, як у білків. Завдяки особливостям будови пептидного ланцюга молекула, що складається, наприклад, з 8 амінокислот, може утворити близько 100 мільйонів різних просторових форм. Але тільки деякі з них біологічно активні, тобто можуть взаємодіяти з клітинними рецепторами. Які?
Аналізуючи просторові структури низькомолекулярних пептидних біорегуляторів, вчені розраховували їх за допомогою J3BM. І ці розрахунки показали, що цілий ряд низькомолекулярних лінійних пептидних гормонів фактично має не лінійне, а квазіцікліческое будова, тобто форму незамкнутого кільця (слозо "кільце" використано тут для наочності, насправді пептидная ланцюг може''чзрі-нять форму як завгодно складної незамкненою кривої). Стабілізує ж таку структуру взаємодія іонів однієї з амінокислот загального фрагмента, що несе позитивний заряд, і амінокислот ланцюга, де є негативно заряджені угруповання (вперше ця ідея була висунута академіком Ю. А. Овчинниковим і його співробітниками).
Тим самим було розкрито участь загальних фрагментів у формуванні та закріпленні просторової структури пептидного молекули, що визначає специфічну біологічну активність гормону. Адже якщо видалити загальний фрагмент, то розрізняє ділянку молекули втрачає свою характерну просторову структуру, а разом з нею - і можливість контакту зі "своїм" клітинним рецептором.
Квазіцікли надають молекулам низько молекулярних биорегуляторов щодо відповідності але жорстку специфічну форму, проте іонна зв'язок, стабілізуюча її, слабка і недовговічна. Тому, коли на черговому етапі роботи почали синтезувати аналоги природних гормонів, то слабка іонна зв'язок в квазіціклах була замінена на міцну хімічну - ковалентний, що утворить справжні циклічні структури. Тим самим було отримано принципово новий тип аналогів природних пептидів.
Модельними сполуками для них спочатку стали тканинні гормони типу бра-дікініна. Ці сполуки викликають безліч біологічних ефектів: діють на кровоносні судини, серце, нирки, центральну нервову систему, інші органи. На жаль, саме через широту і короткочасність дії брадикинин, високоефективне природний засіб зниження кров'яного тиску, до сих пір не знайшов практичного застосування в медицині. Але вже перші результати біологічних випробувань циклічних аналогів, проведені на тваринах, показали, що вони на кілька порядків перевищують природний прототип по тривалості дії. Той же брадикинин замість колишніх десятків секунд діє кілька годин. Крім того, на відміну від природних аналоги не діють, наприклад, на різні ділянки кишечника, матки і т. Д. Тобто їх дія стало не тільки продовженим, але і виборчим.
Потім в Інституті органічного синтезу були отримані циклічні аналоги і інших груп пептидних біорегуляторів. Серед них речовини, що стимулюють імунну систему, викликають біосинтез стероїдних гормонів в наднирниках, що діють на центральну нервову систему та ін.
У підсумку всі ці дослідження дозволили встановити універсальну закономірність структурної і функціональної організації пептидних гормонів і кінінів і на її основі розробити технологію виробництва високоактивних циклічних пептидних препаратів для медицини і народного господарства.
Великі вигоди обіцяє гормон окситоцин. На заводі його виробляють вже кілограмами. Це досить багато, тому що терапевтична доза окситоцину для людини складає соті частки міліграма, а для тварин - десяті частки міліграма. Препарат відіграє велику роль в регуляції фізіологічних процесів запліднення, пологів, лактації і широко використовується у ветеринарії і тваринництві. Застосування його при штучному заплідненні підвищує оплодотво-ряемость корів і свиноматок, збільшує їх багатоплідність. Застосування окситоцину тільки в сільському господарстві країни дає економічний ефект понад 45 мільйонів рублів на рік.
Для медицини же призначений інший препарат - Дезаміноокситоцин. Це стимулятор родової діяльності. За специфи чеський актізності він в 1,5 рази перевершує природний гормон.
