Пептидная саморегуляция живых систем (факты и гипотезы) - Шатаева Л. К. 2003
Введение
В настоящее время детально изучены строение, надмолекулярные структуры и функции наиболее важных компонентов живых клеток (пептидов, белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот); установлена роль неорганических веществ в процессах клеточной физиологии; детально изучена взаимосвязь генетического кодирования и биосинтеза белков; подробно изучаются молекулярные механизмы клеточной пролиферации, дифференцировки и апоптоза; иными словами, уже сформирован научный базис для понимания феномена жизни.
Во многом развитие многочисленных областей биологии, биохимии и генетики определяется медицинскими задачами, в частности такими как заместительная терапия при гормональной или ферментной недостаточности; повышение иммунного потенциала организма в условиях вирусной или микробной инфекции либо стресса; лечение генетических заболеваний. В то же время накоплен обширный материал, свидетельствующий о существовании внутренних резервов организма для преодоления неблагоприятных внешних воздействий и выхода из патологических состояний. Поэтому современная медицина особое внимание уделяет изучению феномена гомеостаза1 на всех структурных уровнях живой материи — на уровне клетки, органа и организма. Живая система удивительным образом способна привести себя в соответствие с изменениями внешней среды и при этом сохранить постоянство своей внутренней среды и основных функций, т. е. она обладает саморегуляцией.
Термин “саморегуляция” многозначен и включает в себя, в частности, понятие прямой и обратной связи системы с внешней средой посредством совокупности определенных сигналов. Например, саморегуляция в автоматических системах управления, в экономике и кибернетике осуществляется в соответствии с программой, изменение которой производится программистом извне. Внешняя программа работает надежно до тех пор, пока адекватно предусмотрено изменение внешних условий. Саморегуляция в биологических системах обеспечивается эндогенными корректировками программы (в том числе генетической) в соответствии с полученной информацией об изменениях внешней среды. Такие проблемы, как преобразование этих изменений в сигналы, восприятие сигналов и формирование адекватных реакций организма, исследуются методами биофизики, биохимии, физиологии и медицины. Однако эти науки не дают представления о механизмах согласования разнообразных функций и реакций целостного живого организма на разных уровнях организации.
В отличие от технических (искусственных) систем все процессы развития в биологических системах принципиально необратимы, характеризуются определенным направлением “от простого к сложному” и используют механизм самовоспроизведения для закрепления структур и функций, достигнутых на каждом этапе эволюции. Ранее было выдвинуто предположение, что “прогрессивная эволюция организмов строится на некоторых общих принципах: полимеризации, т. е. увеличении числа однородных компонентов; дифференциации, т. е. разнообразной специализации этих компонентов; интеграции, т. е. согласовании и объединении их функций в целостной организации”. И далее: “...объединение линейной структуры нуклеиновых кислот с белковыми телами и поддержание подвижного равновесия в сравнительно устойчивой системе означало, очевидно, возникновение нового качества — возможности самовоспроизведения как основы жизненных процессов. Только таким путем всегда создавалось множество сходных индивидуальностей, послуживших материалом для отбора быстрее нарастающих, более устойчивых систем с более точным механизмом самовоспроизведения. Это и лежит в основе возникновения и эволюции живых существ. Вместе с тем уже в самых элементарных жизненных процессах проявляется и наличие регуляторных механизмов, поддерживающих состояние подвижного равновесия даже у наиболее простых живых существ. Простейшим регуляторным механизмом является механизм обратимых химических реакций. Их действие можно себе представить в виде замкнутого цикла процессов синтеза, распада и ресинтеза” (Шмальгаузен, 1961. С. 106). Количественное подтверждение этой биологической- концепции появилось позднее, в 70-х годах.
Вторая половина XX столетия характеризуется исключительной интенсивностью развития теоретических направлений точных наук. И в первую очередь был решен вопрос об их точности. Теория познания унаследовала от XIX в. догмат о роли наблюдения в науке: считалось, что действия наблюдателя не изменяют хода событий. Развитие атомной и квантовой физики в XX в. показало, что всякое наблюдение представляет собой то или иное возмущение и воздействует на ход событий. Поэтому о большинстве явлений и процессов в области атомных и молекулярных размеров мы можем судить лишь с некоторой вероятностью. “В науке о жизни быстро устанавливается тот факт, что любое наблюдение возмущает наблюдаемый объект и что внешний мир не способен сохранить неизменной объективную структуру” (Бриллюэн, 1966. С. 83). Нужно отметить, что врачи и физиологи издавна придерживаются такой точки зрения.
Вопросам самоорганизации живых эволюционирующих систем посвящен ряд фундаментальных работ (Эйген, Шустер, 1982; Кеплен, Эссиг, 1986). Почти полвека развивается термодинамика неравновесных систем, основанная И. Пригожиным. Работами его школы определены условия возникновения упорядоченности и самоорганизации в открытых системах, обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой. Изучение периодических реакций в химии привело этих исследователей к рассмотрению эволюции макромолекул (Эйген, Шустер, 1982). Им удалось проанализировать циклические процессы в явлениях катаболизма и создать математическую модель работы Lac-оперона. Таким образом, был намечен путь анализа регуляторных процессов в биологически возбудимых средах, путь к установлению иерархии динамических структур на клеточном уровне (Кеплен, Эссиг, 1986).
В то же время в области математической физики сформировалась теория нелинейных колебаний и уединенных волн (солитонов), которая была предложена для моделирования ряда биологических функций (Филиппов, 1990). В частности, уравнение движения солитонов было использовано для описания возникновения и распространения нервного импульса, а также для описания коллективных возбуждений в а-спиральных структурах белковых макромолекул и трансляции энергии гидролиза АТФ вдоль пептидной цепи (Давыдов, 1984).
Одновременно в области теоретической биохимии П. Митчелл впервые ввел представление о векторной природе биохимических реакций и на этой основе разработал хеми- осмотическую теорию мембранного транспорта (Mitchell, 1976). В качестве движущей силы транспорта он рассматривал градиенты электрохимических потенциалов химических групп, расположенных вдоль траектории переноса. Можно добавить, что его идеи мембранной асимметрии и векторной биохимии очень медленно осваивались сторонниками классической биохимии. Они нашли применение главным образом в эмбриологии и цитологии.
К настоящему времени молекулярная биология и генетика достигли уровня высокой технологичности, позволяющей манипулировать отдельными генами, устанавливать пространственную структуру белков, состоящих из сотен аминокислот, и осуществлять их направленный генно-инженерный биосинтез (Мецлер, 1980; Иванов, Берлин, 2000).
Тем не менее все эти достижения не объясняют, почему эволюционные биологические процессы обладают такой сокрушающей динамикой и непоколебимой устойчивостью, которые заставляют естествоиспытателей и философов включать тонкий слой хрупких и смертных существ в ранг явлений геологического или даже планетарного масштаба (Вернадский, 1988). Можно предполагать, что существует до сих пор не учитываемая в биологических (и тем более в молекулярно-биологических) теориях неразрывная взаимосвязь между открытой эволюционирующей системой и неравновесной окружающей средой. Именно эта взаимосвязь определяет гибкую программу саморегуляции и самосохранения живой системы.
В настоящее время на фоне многообразных теоретических достижений накоплен огромный объем биохимических исследований и клинических наблюдений, которые не только ставят фундаментальные вопросы биологии и медицины, но и способствуют их решению.
К концу 80-х годов принципиально изменились представления о физиологии биорегуляции: в частности, как отмечает И. П. Ашмарин, “качественно изменились и представлення о механизмах синаптической передачи, которая оказалась ареной сложного взаимодействия классических нейромедиаторов с регуляторными пептидами. По сравнению с другими системами межклеточной сигнализации пептидная система оказалась наиболее многочисленной, а сами пептидные регуляторы оказались особенно плейотропными, полифункциональными. Сформировалась концепция о функциональной непрерывности, регуляторном континууме, состоящем из пептидов и сопряженных с ними межклеточных сигнализаторов другой природы” (Ашмарин, Каменская, 1988).
Клинические и биохимические исследования показывают, что самый широкий спектр функций организма регулируется именно олигопептидами и пептидами,2 которые часто (и неточно) называются пептидными гормонами. Эффективные концентрации этих веществ в живой клетке столь низки, что не позволяют предполагать их количественное участие в метаболизме. П. К. Климов предложил сигнальный механизм пептидной регуляции по принципу камертон—резонатор; при этом предполагается, что регуляторные пептиды (РП) выступают в роли камертона (Климов, Барашкова, 1993). Действие этого механизма в чем-то аналогично действию медиаторов нервной системы. Но если возникновение нервного импульса основано на электрохимическом воздействии на синаптическую мембрану, то физико-химические механизмы сигнального действия пептидов на клеточную мембрану пока не до конца выяснены. Одновременное рассмотрение большого объема экспериментальных исследований с двух точек зрения — с точки зрения физико-химических свойств пептидов и с точки зрения регуляции отдельных физиологических функций организма — помещает в фокус внимания вопрос о корреляции строения и биологической активности пептидов. Медикобиологические исследования лечебного действия РП показали, что им свойствен особый вид регуляции — тканеспецифическая модуляция. Установленный к настоящему вре мени механизм рецепторной передачи сигнала в клетку работает по принципу выключателя: “on—off”. При этом интенсивность ответа на сигнал не нормируется. Регуляторные воздействия пептидов носят более мягкий и пролонгированный характер: они модулируют, т. е. изменяют по определенному временному закону, интенсивность уже существующих функций дифференцированной ткани в соответствии с ее нормальным состоянием.
2 В данной работе термин “олигопептиды” будет употребляться, в соответствии с современными правилами (по аналогии с олигонуклеотидами), для обозначения коротких пептидных цепочек, содержащих от 2 до 10 аминокислотных остатков; термин “пептиды” — для цепочек из 10—20 аминокислотных остатков; термин “полипептиды” — для пептидных цепей, содержащих более 20 аминокислотных остатков. В отличие от белков пептиды и полипептиды, как правило, не имеют в растворе третичной структуры и не претерпевают необратимой денатурации.
Отсутствие классификации РП на основе их структуры и специфической активности привело к возникновению нескольких обобщающих, но не точных терминов. Например, термин “кинины” был предложен для широкой группы одноцепочечных полипептидов. К ним относили ангиотензины, брадикинины, секретин. Позднее возник термин “цитокины”, обозначающий группу белков, которые выделяются одним типом клеток и действуют на определенные рецепторы других клеток (Ярилин, 1999). При этом реакции воспринимающих клеток могут быть разнообразны. Полипептиды, выделяемые лимфоцитами, были названы лимфокинами, выделяемые клетками мононуклеарной фагоцитарной системы, — монокинами и т. д. В настоящее время к цитокинам относят гуморальные регуляторы — гликопротеины, влияющие в пико- и наномолярных концентрациях на рост и дифференциацию индивидуальных клеток и тканей. К ним относят интерфероны, интерлейкины, факторы некроза опухолей, ростовые факторы и др. (Лященко, Уваров, 2001). Разнообразие структур, физико-химических свойств и физиологических проявлений на фоне токсичности при клиническом применении затрудняет классификацию этих эндогенных регуляторных макромолекул по их специфической активности in vitro.
Особый класс биорегуляторов составляют тканеспецифические пептиды — цитомедины (Морозов, Хавинсон, 1983, 1996); в ряде работ проведено сравнение цитомединов с цитокинами (Хавинсон, Жуков, 1992; Кузник и др., 1999). Согласно предложенной классификации, каждая нормальная дифференцированная ткань синтезирует и в небольших количествах выделяет в гуморальную среду свои специфические пептиды — цитомедины, которые, с одной стороны, контролируют функции данной ткани, а с другой — являются молекулярными сигналами, которые информируют весь организм о том, что данная ткань работает нормально, и соответственно блокируют возможные механизмы компенсации определенных функций (Хавинсон, Жуков, 1992).
Некоторые свойства цитомединов — их тканеспецифичность, отсутствие видовой специфичности и способность ингибировать пролиферацию — сближают их с эндогенными регуляторами класса кейлонов. Однако цитомедины имеют невысокие молекулярные массы и более устойчивы в гуморальной среде.
Работы по выделению и исследованию цитомединов, их клинические испытания и широкое медицинское применение проводятся более 30 лет. И хотя в академическом смысле срок исследования не является параметром научности, в практически значимых областях (в частности, в клинической практике) он, как правило, коррелирует с количеством независимых воспроизведений и проверок. Цитомедины имеют сравнительно простую структуру, так что их олигопептидные аналоги, полученные встречным синтезом, проявляют такую же активность и тканеспецифичность, как и природные препараты (Кузник и др., 1999).
Проблема тканеспецифичности до последнего времени рассматривалась на макроуровне. Иначе говоря, РП выделяли из определенных органов и тканей, пренебрегая неоднородностью клеточных популяций, составляющих каждый орган. С помощью современных методов гистохимии доказано существование в организме диффузной системы нейроэндокринных клеток — APUD-системы (названной по первым буквам английских слов Amine Precursors Uptake and Decarboxylation), специфическими функциями которой являются поглощение и декарбоксилирование предшественников, а также синтез биогенных аминов, таких как мелатонин и гистамин (Райхлин и др., 1993). Эти клетки, кроме того, продуцируют широкий спектр РП для локальной саморегуляции дифференцированной ткани и для гуморальной передачи в ЦНС сигнала о состоянии органа.
Сопоставление регуляторных пептидов, выделенных из разных тканей, с пептидами, выделенными из мозга, позволило увидеть не только их структурное подобие (гомологичность олигопептидных блоков и характерное чередование гидрофильных и гидрофобных боковых групп), но в ряде случаев и полную их идентичность. П. К. Климов подчеркивал интегрирующее значение пептидов мозга для поддержания общего гомеостаза организма: “Головной мозг постоянно синтезирует и содержит, за немногим исключением, все регуляторные пептиды, что послужило основанием назвать мозг большим эндокринным органом” (Климов, Барашкова, 1993. С. 80). Это объясняет огромное число работ, посвященных анализу и синтезу пептидов мозга, которые могут быть использованы в медицинских целях для восстановления отдельных функций и саморегуляции организма. Для практической медицины синтетические пептиды привлекательны тем, что они по структуре идентичны природным эндогенным регуляторам (или являются их модификациями), не вызывают побочных эффектов и вполне доступны для масштабного производства.
Если же взглянуть на ситуацию изучения пептидов мозга с другой стороны, т. е со стороны теории познания, то она во многом отличается от стандартной научной постановки эксперимента по схеме “вопрос—ответ”. Эта деятельность человека направлена не столько на “объективную реальность, данную нам в ощущениях”, сколько на осмысление молекулярных механизмов собственного мышления, рефлексии, памяти и поведения.
Когда биохимик анализирует химические структуры пептидов мозга, оценивает их и старается понять механизм действия, его персональные интеллектуальные усилия обеспечиваются этим самым механизмом. Это пример взаимодействия (пока теоретически не учтенный) живой системы с внешней средой. Стремясь к самоидентификации, континуум нейропептидов и медиаторов активно участвует в построении внутреннего отображения внешней среды и себя в этой среде. Рефлексия такого уровня является не столько психологическим феноменом, сколько гносеологическим инструментом. Без самоидентификации, т. е. без способности отделить себя от окружающей среды и различать “свое и чужое”, “часть и целое”, “свойство и его меру”, невозможна саморегуляция открытой системы, будь то полифункциональная макромолекула или организм на высокой ступени эволюции.
Самопознание переводит первобытные представления людей о своем здоровье, основанные на отсутствии ощущения нездоровья, на уровень осознанного самосохранения. Из вечного борца с природой, в том числе со своей собственной природой, человек превращается в разумного хозяина своего организма. Таким образом, саморегуляция, существующая на уровне бессознательного, генетически запрограммированного молекулярного механизма, может быть дополнена осознанной и продуманной стратегией сохранения здоровья, поддержания собственного гомеостаза в условиях стресса или старения. За счет обеспечения адекватной научной информацией, путем интеллектуальной и социальной интеграции человек как биологический вид приобретает дополнительные адаптивные способности к тем условиям, которые не предусмотрены природной генетической программой.
Вышеизложенное объясняет, почему в нашей работе основное внимание уделено строению и свойствам именно пептидов, т. е тех информационных молекул, которые совмещают множество функций в компактной упаковке полипептидной цепи, в частности воспринимают изменения внешней и внутренней среды, формируют информационные сигналы, передают их клеткам, осуществляют обратную связь и тем самым поддерживают саморегуляцию организма.
Обобщение этих данных с привлечением методов физической химии и термодинамики и использование полученных обобщений ориентирует медицинскую биохимию и фармакологию на разработку новых препаратов класса РП для восстановления жизненных функций травмированного или стареющего организма.