Станислав Галактионов - Биологически активные
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.
