четверг, 25 июля 2013 г.

Загадки свернутого белка

Белки, как известно, являются одними из важнейших молекул в организме. Они участвуют практически во всех жизненных процессах и потому представляют собой чуть ли не самую важную «мишень» для разрабатываемых фармацевтикой лекарств. В процессе поиска лекарства решающим является соответствие молекулярной структуры будущего лекарства и структуры той белковой молекулы, воздействовать на которую это лекарство предназначено. Грубо говоря, химик должен знать, как расположены в молекуле белка все ее звенья, чтобы подобрать такое вещество, которое сумеет прицепиться к какому-нибудь звену этого белка. Для такого подбора химику нужно знать положение отдельных звеньев белковой молекулы с точностью до 2-3 ангстремов!

Это замечательная деталь. Она лучше многих статей объясняет, зачем нам с вами нужна фундаментальная наука. Именно она, в данном случае - молекулярная биология, призвана показать химику фарма-фирмы, как расположены отдельные звенья белковых молекул, причем именно с указанной выше точностью. И сейчас я хотел бы на примере тех же белков показать, как молекулярная биология отвечает на этот вызов.

Белковая молекула представляет собой длинную цепь химических звеньев, или аминокислот. Аминокислот этих в природе великое множество, около 500, но во всех живых существах (кроме очень немногих) белки построены всего из 20-ти разных видов аминокислот. Поскольку цепь белка может содержать тысячи таких кирпичиков, а число возможных комбинаций из 20-ти разных кирпичиков само по себе огромно, то число разных белков попросту невообразимо. Считается, что в человеческом организме их могут быть сотни тысяч, но пока что в международной «Базе белковых данных» есть сведения о строении только 80 тысяч белков (зато с точностью до каждого атома!). Вообще-то, состав каждой белковой молекулы задается ее геном, а генов у людей всего 20 тысяч с небольшим, но на тех «фабриках» клетки, где белок собирается по указанию его гена, в процессе сборки возникают еще десятки и сотни допустимых вариантов.


Однако для создания лекарства нужно знать не только последовательность всех аминокислот в данном белке. Нужно знать также их пространственное расположение - где какой «крючок» торчит. Дело в том, что, едва сойдя с «конвейера», цепь аминокислот претерпевает процесс быстрого свертывания и превращается в объемный клубок. Законы этого свертывания загадочны. Уже 50 лет назад великий исследователь белков, нобелевский лауреат Джон Кендрю сказал, что «расположение звеньев в белковом клубке полностью лишено всех признаков регулярности, которые может предсказать нынешняя теория». А фармацевтам именно это расположение нужно знать, да еще с точностью до ангстремов. Ведь от этого зависят свойства и работа белковой молекулы. Порой даже небольшие ошибки свертывания того или иного белка, вызванные теми или иными изменениями (мутациями) в его гене, вызывают тяжелейшие заболевания - «коровье бешенство», диабет второго типа, болезни Альцгеймера, Паркинсона и так далее. Вот почему молекулярная биология уже 50 лет пытается создать такую новую теорию, которая могла бы предсказать, зная последовательность звеньев белка, в какой клубок он свернется, и передать это предсказание для практического использования.

В чем трудность создания такой теории? Прежде всего, в большом количестве факторов, влияющих на это свертывание. Оно ведь возникает потому, что отдельные звенья белковой цепи «чуют» электрические поля других звеньев и вступают с ними в разного вида взаимодействия - одни тянутся друг к другу, другие отталкиваются, третьи, гидрофобные, избегают окружающей воды и стремятся спрятаться от нее, другие, гидрофильные, наоборот; все это заставляет «позвоночник» молекулы изгибаться под разными углами, а между тем некоторые такие изгибы увеличивают напряжения в нем, чему он сопротивляется; да ко всему еще энтропия заявляет о себе - ведь такое свертывание упорядочивает структуру, тогда как энтропия желает (второй закон термодинамики), чтобы в любой системе было как можно больше беспорядка. Молекулярным биологам трудно, даже с помощью компьютеров, учесть все эти взамодействия. А молекула «учитывает» их почти мгновенно: в некоторых случаях она скручивается в эту свою естественную форму в течение каких-нибудь микросекунд!

Теоретики на данный момент уже придумали, как, несмотря на огромную скорость свертывания, фиксировать структуру белковой цепи на его отдельных промежуточных этапах и потом рентгенографически выявлять эти промежуточные состояния, чтобы понять механизм свертывания. Этот подход привел к важному выводу. Выяснилось, что энергетический «ландшафт» белковой цепи поначалу напоминает плавное углубление, но быстро переходит в крутую воронку. Иными словами, процесс свертывания начинается относительно медленно, но уже первые сцепления каких-то двух-трех линейно далеких друг от друга звеньев быстро снижают энергию всей цепи, то есть приближают ее к этой воронке, «соскальзывание» в которую приводит к почти одновременному сцеплению «главных блоков» и образованию окончательного клубка. При этом порядок второстепенных сцеплений - что с чем сцепится чуть раньше, что чуть позже - уже не играет особой роли.

На первый взгляд, это не так уж многое объясняет, но оказалось, что эта картина дает в руки теоретиков некие расчетные инструменты. И некоторые методы уже позволяют делать довольно точные предсказания «закрутки» для белковых молекул, в которых меньше 100 звеньев. Это замечательно, но в то же время это означает, что до полного успеха еще очень далеко. А время не ждет. Рентгенографическое изучение структуры белков не поспевает за нуждами фармацевтики. Все еще ждет такого изучения большое число уже известных биохимикам белков человеческого организма, в особенности белки в мембранах клеток, почти не изучены белки с нарушенной сверткой, а также группы из нескольких связанных белковых молекул. Так что многие загадки белков все еще не разгаданы, и создание новых лекарств требует дальнейшего продвижения по этой трудной дороге.

А тем временем, как говорят последние фармацевтические данные, опубликованные в конце 2012 года в журнале «Ланцет» насчитывается 17 тяжелейших тропических болезней, для которых пока что не найдено ни одного лекарства. И хотя малярия с 2005 года пошла на спад, от нее все еще умирают миллионы людей. И сотни тысяч людей, туберкулез которых не поддается антибиотикам, вынуждены проходить безумно мучительное лечение из-за отсутствия эффективных лекарств. Человечество сегодня живет дольше (в среднем на 10 лет дольше, чем 20 лет назад!), но каждый добавленный год жизни, как подсчитывает тот же «Ланцет», добавляет человеку 42 здоровых недели и 10 недель разных болезней. Так что, мы теперь живем много дольше, но при этом болеем, увы, много чаще и новые лекарства нам нужны позарез...

(с) Рафаил Нудельман