МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЗНАВАНИЕ
Узнавание (распознавание) сигнала рецептором есть основное свойство регулируемой и регулирующей системы, будь то человеческий мозг или электронная вычислительная машина. Такого рода системы являются узнающими [5]. Они осуществляют классификацию объектов, информация о которых сообщается рецепторам. Эта классификация основывается на некотором принципе, заложенном в системе.
Узнающие системы могут быть не обучающимися и обучающимися. Вторые представляют особый интерес для кибернетики, теории автоматического регулирования, для моделирования деятельности головного мозга животных и человека и т. д. В качестве примера обучаемой узнающей системы можно назвать пер - цептрон — схему, моделирующую важные черты работы мозга, прежде всего его способность узнавать и классифицировать сигналы, получаемые полем рецепторов [5, 6].
Очевидно, что возможность обучения узнающей системы определяется ее способностью обучаться, т. е. наличием в ее устройстве элементов памяти. Узнавание сигналов такой системой и является обучением с последующим «экзаменом» [5]. Способность обучаться, т. е. узнавать, запрограммирована в устройстве системы.
Обращаясь к глубинным уровням биологической организации, мы встречаемся с обучаемыми клеточными системами и с необучаемыми молекулярными системами узнавания. Клеточное узнавание имеет принципиальное значение для процессов развития, в частности, для возникновения иммунитета (см. § 9.11). Молекулярное узнавание определяет все важнейшие молекулярно-биологические процессы — ферментативную активность, редупликацию ДНК, все этапы биосинтеза белка, взаимодействие антиген — антитело (см. § 1.3) и т. д.
Молекула белка-фермента узнает молекулу субстрата или некоторую ее часть, как, например, в случае протеолитических ферментов, катализирующих гидролиз пептидных связей. Узнавание выражается в образовании реакционного комплекса со специфическим субстратом. Комплексы с ингибиторами и активаторами, с аллостерическими эффекторами также возникают в результате специфического узнавания. В узнавании участвуют непосредственно активный центр фермента, включающий и соответствующий кофактор, и косвенно вся белковая глобула. Само образование глобулы можно трактовать как результат узнавания, в частности, узнавания гидрофобных остатков гидрофобными же остатками, вследствие. чего формируется ядро глобулы.
Более простой случай узнавания реализуется при комплементарном связывании нуклеотидов в двойной спирали ДНК, в гибридной двойной спирали ДНК — РНК, в синтетических нолинуклеотидах, при взаимодействии кодон — антикодон.
В биосинтезе белка ([1J, гл. 9) мы встречаемся с ферментативным узнаванием, происходящем в акте транскрипции, в котором необходимым образом участвует РНК-полимераза, и в акте трансляции, где узнающими системами, наряду с мРНК, служат аминоацил — тРНК-синтетаза, вся рибосома и ряд других факторов.
Из приведенных выше данных следует определение термина «молекулярное узнавание». Это понятие имеет смысл применительно к системам, в которых узнающее устройство сохраняет свою целостность в акте узнавания и в ряде случаев возвращается в исходное состояние, совершив преобразование молекулярного сигнала. Одна молекула фермента перерабатывает множество молекул субстрата, одна рибосома «читает» весь текст, записанный в цепи мРНК.
Можно было бы говорить о молекулярном узнавании и применительно к обычным химическим реакциям, причем с тем большим основанием, чем они специфичнее. Однако «узнающий» реагент изменяется радикальным образом в ходе реакции и утрачивает способность к дальнейшим актам узнавания.
Таким образом, применяемое здесь определение молекулярного узнавания указывает на специфичность слабых, главным образом нехимических взаимодействий молекул. Для узнавания существенно стерическое соответствие структуры рецептора и структуры сигнальной молекулы, соответствие, фиксированное или индуцируемое. Специфическое понижение свободной энергии происходит вследствие многоточечного взаимодействия, которое и описывается как континуальное соответствие молекулярных поверхностей и находит свое наглядное выражение в атомных моделях. В сущности, старое представление Фишера о соответствии «ключ — замок» и сводится к узнаванию.
Достижение соответствия, как правило, связано с определенной перестройкой взаимодействующих сИстеМ их следовательно, с конформационными превращениями. Реализуются электронно - конформационные взаимодействия — ЭКВ.
Молекулярное кодирование в биологии основывается в конечном счете на молекулярном узнавании. Генетический код связан с функционированием ряда узнающих систем, перечисленных выше. Естественно возникает вопрос о ферментном коде, т. е. о классификации соответствий между активными центрами ферментов и субстратами.
Громадное число комбинаций из 20 сортов аминокислотных остатков на поверхности реактивной полости фермента, в его активном центре, обеспечивает практически неограниченное многообразие функциональности ферментов. Можно думать о наличии фиксированных комбинаций, кодирующих узнавание характерных атомных групп субстратов. Точнее, следует говорить о кодовых сорбирующих комбинациях и о кодовых каталитических комбинациях, действующих согласованно, но пространственно разделенных. Имеются некоторые указания на возможность существования такого кода. Так, важный для катализа остаток Сер содержится в активном центре ряда эстераз, протеиназ и фосфомутаз [7]. Для многих из этих ферментов характерна последовательность
-г™-(?:)-<»•-(£,:)-■
Установлено, что Сер «узнает» ацильную группу, будучи ее промежуточным акцептором |8]. Подробно изучены кодовые свойства и других функциональных групп ферментов: имид - азольной группы Гис, е-аминогруппы Лиз, карбоксильных [9], сульфгидрильных и дисульфидных групп [10]. Тем не менее, сегодня можно лишь поставить проблему ферментного кода. Решение этой проблемы требует обширной и разнообразной информации о структуре активных центров, получаемой прежде всего методом рентгеноструктурного анализа.
Взаимодействие, определяющее узнавание субстрата или ингибитора белком, есть процесс передачи информации молекулярным сигналом рецептору. Как подчеркивает Кастлер, в большинстве реальных случаев передается не вся информация, содержащаяся в данном объекте, но лишь некоторая ее часть, именуемая сигнатурой [11]. Сигнатурой молекулы служат все те ее особенности, благодаря которым она становится участником данной реакции. В случае образования фермент-субстратного комплекса сигнатурой субстрата являются его функциональные группы, взаимодействующие с активным центром. В свою очередь, сигнатура фермента есть его активный центр, т. е. ограниченная совокупность аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. Узнаванне сводится здесь к структурному соответствию молекулярных сигнатур, реализуемому в результате многоточечных слабых взаимодействий.
Если обратиться к обучаемым узнающим системам, возникающим на более высоких уровнях биологической организации, то станет очевидным, что в результате обучения система должна перестать «обращать внимание» на несущественные обстоятельства [5]. Иными словами, система обучается узнаванию сигнатуры.
Совершенство молекулярного узнавания имеет первостепенное значение для молекулярной биологии и биофизики, в частности, для процессов развития и эволюции (см. гл. 9).
Специфичность ферментов не абсолютна. Данный фермент зачастую катализирует не определенную реакцию одного строго заданного субстрата, а однотипные реакции группы сходных субстратов. Это определяется двумя причинами. Первая непосредственно связана с общей программой онтогенеза и филогенеза, приводящей к оптимальной экономии числа действующих белков. В тех ситуациях, в которых биологически существенна одна и та же реакция группы родственных субстратов, она может быть эффективно реализована единственным ферментом. Конечно, вся названная группа должна характеризоваться одной и той же сигнатурой или близкими сигнатурами.
Вторая причина наличия конечного интервала специфичности имеет молекулярно-кинетический характер. Реальная молекулярная узнающая система, фермент, предназначена не только для узнавания сигнала, но и для его достаточно быстрого преобразования. Степень специфичности узнавания, вообще говоря, симбатна степени связывания субстрата, т. е. выражается свободной энергией взаимодействия. Если выигрыш свободной энергии слишком велик, то прочность фермент-субстратного комплекса может быть настолько большой, что число оборотов фермента окажется чрезмерно низким. Необходимо оптимальное соотношение между стабильностью и скоростью преобразования [12]. Эта ситуация с особенной ясностью проявляется в более простых случаях узнавания в полинуклеотидах и нуклеиновых кислотах. Приведем две таблицы, заимствованные из [12].
Табл. 1.1 характеризует точность узнавания азотистых оснований РНК. Комплементарные пары АУ и ГЦ оказываются действительно наиболее прочными; так, АУ значительно прочнее АА или УУ. Однако возможно образование и некомплементарных пар, что и является одной из важнейших причин мутагенеза.
Константы стабильности достаточно низки, вследствие чего образование пар в полярных средах затруднено.
Таблица 1.1
Константы ассоциации Каес при спаривании оснований в неполяриых растворителях СеНв и СС14 при 25 °С (2', 3', 5'-0-замещенные рибонуклеознды) [12]
Ссь |
Касс' |
—і Моль |
||
У |
А |
Ц |
Г |
|
У |
15 45 |
550 |
< 50 |
< 10г |
А |
150 |
8 22 |
<50 |
< 103 |
Ц |
< 28 |
< 28 |
28 50 |
> 104 |
Г |
< 1,12- 10* |
< 1,2 • 10» |
3-Ю4 |
1,2 • 103 ~ 103 |
Полужирным шрифтом показаны значения Касс в растворителе СаНа, курсивом — в ССЦ.
Табл. 1.2 свидетельствует о преимуществах в узнавании триплетов. Дублеты обладают слишком низкими значениями Касс - Кодоны, содержащие более трех нуклеотидов, напротив, дают слишком прочное связывание. Время жизни пары кодон — анти - кодон не должно превышать нескольких миллисекунд, так как в противном случае оно будет лимитировать скорость работы каталитической системы.
Как указывает Эйген [12], константы стабильности для комплементарных триплетов, входящих в состав олигомерных двойных спиралей, содержащих более чем четыре звена, заметно меньше, чем для триплетов и квадруплетов. По-видимому, это объясняется лучшими возможностями для вертикальных (stacking) взаимодействий в случае коротких экспонированных последовательностей, т. е. возможностями конформационных перемещений, приводящих к оптимальному связыванию. В молекулярном узнавании отчетливо проявляются кооперативные конформационные свойства биополимеров.
Характеристики узнавания, определяемые константами стабильности, относятся, конечно, лишь к термодинамическому равновесию. Биологические процессы редупликации ДНК, транскрипции и трансляции — кинетические процессы, идущие с участием соответствующих ферментов ([1], гл. 8, 9). В их основе лежит узнавание ДНК ДНК-полимеразой, лигазами, РНК-поли - меразой, узнавание мРНК и тРНК рибосомой.
Для кинетических процессов существенны не только относительные глубины минимумов свободной энергии, отвечающих
Таблица 1.2
Константы ассоциации Касс при спаривании три - и тетрануклеотидов с антикодоиами тРНК в водном растворе 1,0 М NaCI, 10 мМ MgCl2 н 10 мМ фосфата при рН 7 и 0 °С [12—14]
Формил-Мет-тРНК ААІУАЦIУЦ |
*.сс моль 1 |
Тир-тРНК АА*[ АУ* Г [УЦ |
Касс, моль 1 |
АУГ |
1200±200 |
УАЦ |
700 |
ЛУГА |
13 500 |
УАЦА |
90 000 |
ЛУГУ |
1 400 |
УАУ |
700 |
АУГЦ |
900 |
УАУА |
37 000 |
АУГГ |
1 000 |
Фен-тРНК |
|
ГУГ |
1 200 |
Ау | ААГ* | УЦ* |
|
ГУГА |
9 800 |
УУЦ |
900 |
ГУГУ |
1 000 |
УУЦА УУУ УУУА |
10 000 300 1 000 |
А* — N (б)-диметил-А, У* —псевдо-У, Г* — 2-О-метил-Г, Ц* — 2-О-ме - тил-Ц. Дважды подчеркнуты регулярные кодоны, один раз — кодоны, соответствующие «вилянию» ([1], стр. 593). Рамкой выделены аптикодоны.
«структурам узнавания», но и барьеры, эти минимумы разделяющие. Узнавание непосредственно связано с ускорением соответствующего процесса, т. е. со снижением активационного барьера в результате слабых взаимодействий. Количественная теория этих процессов еще далеко не построена.
В следующем параграфе мы рассмотрим сравнительно хорошо изученные структурные соответствия во взаимодействиях антител с антигенами.