с G-белком
Но статья в одном из июльских номеров журнала Nature за 2011 год выделялась даже на этом фоне. В ней группа Брайана Кобилки из Стэнфордского университета в Калифорнии сообщала об экспериментально установленной структуре целого агрегата: β2AR в комплексе со своим лигандом и, главное, вместе с соответствующим ему G-белком. Впервые удалось «увидеть» реальную картину того, как рецептор взаимодействует с G-белком с внутренней стороны клеточной мембраны и как G-белок в результате этого взаимодействия может перестроиться с изменением пространственного расположения отдельных его субъединиц. Молекулярный механизм действия лиганда — то есть, с точки зрения драг-дизайна, лекарства — прояснился в значительной степени.
Работа была действительно выдающейся — и очень быстро, в 2012 году, Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка получили Нобелевскую премию по химии «за исследования рецепторов, сопряженных с G-белками». По этому поводу шеренга портретов в вестибюле медицинского факультета Вашингтонского университета в Сент-Луисе увеличилась. К фотографиям двадцати трех нобелевских лауреатов, так или иначе имевших отношение к университету, добавилось изображение Брайана Кобилки, проходившего когда-то врачебную стажировку в университетском госпитале. В своей биографии он пишет, что в этот период он много работал в реанимации, где часто приходилось использовать лекарства, быстро стабилизирующие сердечный ритм, понижающие давление крови или снимающие боль, — типичные лиганды 7-ТМ-рецепторов. Так он заинтересовался проблемой, которая и привела его в дальнейшем в лабораторию будущего соавтора и солауреата Роберта Лефковица. А наш университет с удовольствием пополнил коллекцию «своих» нобелиатов.
Теоретики с топором
В 1974 году, задолго до виагры, американский журнал «Плейбой» напечатал фантастический рассказ Роальда Даля, в котором химик — изобретатель аромата, в сотни раз усиливающего сексуальную активность мужчины, объясняет меценату-миллионеру, как действуют биологически активные вещества:
«Когда вы принюхиваетесь к какому-то запаху, пахучие молекулы вещества, которое этот запах производит, устремляются в ваши ноздри и там захватываются этими маленькими чашечками, узлами рецепторов. Теперь важно запомнить следующее. Молекулы бывают разных форм и размеров. Маленькие чашечки, или узлы рецепторов, также имеют разные формы. Таким образом, молекулы размещаются только в тех рецепторных узлах, которые им подходят. Молекулы мяты попадают только в специальные узлы, принимающие молекулы мяты. Молекулы камфары, имеющие совсем другую форму, разместятся только в рецепторных узлах, способных принимать молекулы камфары, и так далее. Это напоминает детскую игру, когда предметы разной формы входят в углубления, только для них и предназначенные».
Для объяснения молекулярных механизмов действия мембранных рецепторов можно использовать и более простую аналогию «ключ — замок»: она лежит на поверхности. Действительно, молекула лиганда так же избирательна по отношению к своему специфическому рецептору, как ключ по отношению к замку. Далее, замок узнает свои ключ главным образом по форме; а рецептор узнает лиганд по его пространственной структуре. И наконец, в результате взаимодействия ключа и замка внутренняя организация замка изменяется: штифты и пружинки перемещаются, и замок отпирается. Что-то изменяется и внутри молекулы рецептора — но что именно?
Родопсин, рецептор зрения, для такой аналогии подходит лучше всего. К боковой цепи одной из аминокислот родопсина, расположенной в седьмой, последней спирали (ТМ7), прикреплено небольшое фоточувствительное соединение, называемое ретиналем. В темноте ретиналь в родопсине существует в компактной изогнутой форме, но, поглотив квант света — фотон, — он распрямляется (ключ в замке поворачивается) и отделяется от белка (ключ вынимается). Никаких других изменений в химической структуре родопсина не происходит — но его пространственная структура изменяется.
Рентгеноструктурный анализ сначала установил способ упаковки семи спиралей родопсина в темновом, неактивном состоянии. До такого же детального определения активной структуры родопсина прошло еще несколько лет — а тем временем было выдвинуто множество теоретических моделей этой структуры, призванных объяснить уже известные факты. Мы в Сент-Луисе тоже приняли участие в этом соревновании гипотез.
Как обычно, первым делом надо было упростить модель родопсина до предела, но так, чтобы не потерять самые важные его структурные особенности. Мы рассмотрели все возможные повороты каждой из семи спиралей вокруг их длинных осей, перпендикулярных мембране, в двух вариантах: с изогнутым и распрямившимся ретиналем. Расчеты энергии показали, что, когда ретиналь изогнут (родопсин неактивен), упаковка ТМ-сегмента, найденная рентгеноструктурным анализом, соответствует конформационному состоянию с наименьшей энергией. Но если он распрямлен (родопсин активен), лучшей оказывается упаковка, где одна из спиралей — шестая, ТМ6 — существенно повернута вокруг своей оси. При этом начальные и конечные фрагменты ТМ6 оказываются несколько отодвинуты в сторону от всего пучка спиралей.
Откровенно говоря, эта расчетная модель была довольно примитивной; но главную тенденцию конформационных изменений при активации родопсина сдвиг спирали ТМ6 — она уловила правильно. Последовавшая затем рентгеновская кристаллография активного родопсина обнаружила похожую картину: расположенные с внутренней стороны мембраны концы спиралей ТМ5 и ТМ6 изменили положение, отодвинувшись от семиспирального пучка, и открыли «карман» для взаимодействия с G-белком. Именно этот механизм, перемещение «внутренних» концов ТМ-спиралей при активации, был подтвержден и экспериментальными исследованиями других рецепторов, сопряженных с G-белками; Брайан Кобилка зафиксировал тот же эффект в β2AR.
Схематическое изображение ретиналя, встроенного в ТМ-сегмент родопсина, и перестройка молекулы ретиналя при поглощении фотона
Однажды, в теперь уже незапамятные времена, студенты-недоросли физического факультета Белорусского государственного университета имени В. И. Ленина — и я среди них — слушали лекцию по высшей алгебре. Материал был трудным, и один из студентов, улучив момент, спросил преподавателя, а зачем, собственно, нужна эта высшая алгебра. «Ведь мы собираемся быть физиками-экспериментаторами, а не какими-нибудь теоретиками», — гордо сказал он. Преподаватель усмехнулся и ответил: «Конечно, чистому экспериментатору, с топором, все это ни к чему». То, что экспериментальные методы заведомо проще, грубее — хотя и ближе к реальности, — чем изощренные выкладки и вычисления теоретиков, казалось тогда очевидным.
Теоретик за работой
Сейчас, однако, очевидно другое. Рентгеноструктурная кристаллография, ядерный магнитный резонанс, криоэлектронная микроскопия, пептидные и фаговые библиотеки — с появлением каждого из этих экспериментальных методов открывались совершенно новые горизонты исследований. Эксперименты в молекулярной биофизике стали более сложными и тонкими, способными установить мельчайшие детали строения молекул, вплоть до точного измерения расстояний между тысячами атомов. Гипотезы же и модели, генерируемые теорией, остались по большей части грубыми, скорее качественными, чем количественными. Но зато теория по-прежнему обладает важным преимуществом — ее грубые и неточные предсказания иногда оказываются верными.
Таким образом, «теоретики с топором» вновь продемонстрировали жизнеспособность своих грубых моделей: от предсказаний активных аналогов пептидов удалось перейти к предсказаниям, относящимся к рецепторам. Под эти победные фанфары
