Станислав Галактионов - Биологически активные
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.
