ФИЗИКА ЖИЗНЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

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]

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]

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.