Пептидная саморегуляция живых систем (факты и гипотезы) - Шатаева Л. К. 2003

Пептиды в водных растворах
Регуляторные пептиды как носители молекулярной информации
Частотные характеристики аминокислотных последовательностей РИ

Как показывают данные табл. I—IV Приложения, регуляторные пептиды (РП) различных групп обладают некоторыми общими свойствами. С одной стороны, все они имеют сравнительно малый размер (молекулярная масса этих пептидов не превышает 10 кДа) и проявляют физиологическую активность в ультрамалых дозах. Во многих случаях фрагменты РП проявляют биологическую активность, модулируя активность предшественника: изменяя диапазон активности или ингибируя ее. По-видимому, функциональная и тканевая специфичность действия этих пептидов связана с разнообразием клеточных рецепторов, хотя возможность безрецепторного проникновения в клетку и прямого воздействия пептида на внутриклеточные процессы в настоящее время уже нельзя полностью исключать из рассмотрения.

С другой стороны, данные табл. I—IV Приложения демонстрируют разницу в аминокислотном составе пептидов, принадлежащих разным тканям и участвующих в регуляции тканеспецифических функций. Аминокислотный состав каждой группы РП можно использовать для сравнения их между собой по частоте включения аминокислотных остатков, подобно тому как это сделано для “усредненного белка” в работе В. А. Конышева (1985). Для такого сравнения и использованы данные, приведенные в вышеупомянутых таблицах, и полученные результаты даны в табл. 6, где представлены только 9 первых разрядов, так как в исследуемых системах аминокислотные остатки, относящиеся к первым 6 рангам, занимают более 55%, а остатки первых 9 рангов — более 80% всех мест в полипептидных цепях. В табл. 6 также включены данные для нескольких регуляторных белков, которые будут рассмотрены в следующем разделе. Хочется отметить, что распределение аминокислот по рангам частоты для природных регуляторных пептидов и белков отличается от такового синтетических протеиноидов (см. табл. 5) высоким рангом лейцина, глутаминовой кислоты и цистеина, но сходно с ним высоким рангом глицина, аланина и лизина.

Частотная характеристика аминокислотного состава пептидов каждой группы является очевидной причиной частоты повторов одних и тех же сочетаний аминокислотных остатков в их цепях. Менее очевидна причина того, что аминокислотные остатки, включенные в пептидную цепь, следуют друг за другом с определенным предпочтением (селективностью). По-видимому, как показывает статистическая поликонденсация аминокислот (Fox, 1965; Фокс, Дозе, 1975), это связано с различием их реакционной способности. Поскольку в процессе эволюции определенные селективные сочетания аминокислотных остатков оказались полезными для жизненно важных функций организма, они были закреплены на уровне генома. Однако сравнение вырожденности генетического кода каждой аминокислоты (числа кодонов, которые обеспечивают встраивание ее в пептидную цепь при рибосомальном синтезе) с частотой ее включения в пептиды обнаруживает некоторую корреляцию только для группы нейропептидов. Существенных корреляций для других групп пептидов и высокомолекулярных регуляторных белков обнаружить не удалось.

Таблица б Ранговый порядок аминокислотных остатков в составе РП и регуляторных белков, принадлежащих разным регуляторным системам

Примечание. Аминокислотные остатки, имеющие ионогенные боковые группы, отмечены соответственно плюсом или минусом.

* В индексе — кратность вырожденности (Ленинджер, 1974).

Рассмотрим повторы одних и тех же сочетаний аминокислот (регулярных последовательностей) в каждой группе РП.

По данным табл. I—III Приложения проведен статистический анализ частот одних и тех же повторов коротких аминокислотных последовательностей (димеров, тримеров, квартетов и квинтетов) в составе пептидов, принадлежащих разным функциональным группам. Прочтение аминокислотных последовательностей проводилось от N- к С-концу.

Из расчета исключены табличные последовательности коротких олигопептидов, входящих в состав уже учтенных более длинных полипептидов данной группы. В табл. 7 представлены повторяющиеся фрагменты аминокислотных последовательностей пептидов каждой группы.

Среди более высоких ассоциаций можно отметить блоки (квартеты и секстеты), где одна из аминокислот заменена на близкую по физико-химическим свойствам: это YLDS и YLES, а также TSDFSK и TSDYSK в составе пептидов ЖКТ.

Подобный статистический анализ расположения соседних аминокислотных остатков в полипептидной цепи проводился и раньше (Панков и др., 1976; Erhaa et al., 1980; Пансевич, Барковский, 1990). В частности, один и тот же пентапептид был обнаружен в структуре гистонов и ß-гaлактозидазы (Erhan et al., 1980). В составе кальмодулина Л. И. Пансевичем и Е. В. Барковским (1990) были выявлены двукратные повторы тримеров и квартетов: EAF, AEL, AVD, DKDG, DGDG, DGNG, IREA. Конформационный анализ, выполненный этими авторами, показал, что обнаруженные повторяющиеся блоки находятся преимущественно в а-спиральных или ß-листовых конформациях. Полученные данные о сходстве повторяющихся блоков и их конформаций было предложено использовать как для классификации организмов, принадлежащих к разным таксономическим группам (Erhan et al., 1980; Пансевич, Барковский, 1990), так и для поиска корреляций между последовательностью аминокислот в тримерах и матрицей нуклеотидного кода (Панков и др., 1976).

С нашей точки зрения, многократное повторение индивидуальных звеньев в группе пептидов может служить признаком функциональной общности этой группы и основой для тканеспецифической классификации полипептида. По этому признаку кальмодулин не относится ни к одной из исследованных нами групп пептидов-регуляторов.

Приведенные в табл. 7 результаты демонстрируют несколько интересных особенностей в аминокислотных последовательностях РП.

Во-первых, для каждой группы тканеспецифических регуляторов характерны разные составы и последовательности аминокислот в повторяющихся блоках, за исключением блоков ЕА и ED, повторяющихся по 3 и 4 раза в составах нейро- (НП) и иммунопептидов (ИП).

Во-вторых, простая комбинаторика показывает, что из 20 кодируемых аминокислот можно получить 400 димеров, различающихся составом и последовательностью остатков. Хотя далеко не все они присутствуют в составе исследуемых пептидов, но более трети присутствующих повторяются дважды или чаще (30, 37 и 47 % димерных повторов в составе ИП, НП и пептидов ЖКТ соответственно). Следует подчеркнуть, что каждый димер индивидуален: у него есть структурные “голова” и “хвост” в сочетании с вектором собственного дипольного момента, расположением электрических зарядов и молекулярной подвижностью.

Таблица 7 Повторяемость аминокислотных блоков в составе регуляторных пептидов, относящихся к разным физиологическим системам

В-третьих, как сами РП, выделенные из различных тканей, так и повторяющиеся блоки в их составе сочетают в своих структурах гидрофильные и гидрофобные аминокислотные остатки, т. е. характеризуются амфифильностью, хотя усредненная гидрофобность НП выше, чем гидрофобность ИП.

Мы провели разделение пептидных регуляторов на группы в соответствии с существованием в организме нескольких многофункциональных систем управления (нервной, иммунной, пищеварительной), каждая из которых состоит из многих органов со специализированными функциями. Поэтому пептиды в каждой группе сильно варьируют по диапазону регуляторных функций. Например, для НП характерна “триада” основных действий (Ашмарин, Каразеева, 1999): 1) сокращение или расслабление гладкой мускулатуры; 2) вазомоторная активность; 3) рилизинг-функции.

Для пептидов, регулирующих систему пищеварения, характерны 1) периодическая стимуляция энзиматических процессов в различных отделах ЖКТ; 2) поэтапная регуляция перистальтики системы; 3) последовательное и координированное ингибирование гидролитических ферментов в разных отделах ЖКТ (Климов, 1983; Гальперин, Лазарев, 1986).

Органопрепараты медико-биологического назначения в известной мере дублируют эти тканеспецифические функции. В частности, препараты класса цитомединов (Морозов, Хавинсон, 1983) и цитаминов (Морозов и др., 2000а), выделенные из определенных органов и тканей, обладают специфичностью регуляции, соответствующей функциям этих органов и тканей, хотя спектр регулируемых ими функций обычно уже, чем у эндогенной системы РП. Каждый из этих препаратов восстанавливает нарушенную саморегуляцию определенного органа: мозга, коронарных сосудов, поджелудочной железы, печени, простаты или тимуса. При этом структуры отдельных пептидов, выделенных из этих препаратов с помощью ионообменной хроматографии, обнаруживают композиционную принадлежность к той или иной группе РП. В частности, в состав препарата Тималин входят РП, которые относятся к группе иммунопептидов, так как они содержат блоки КЕ и КАК (Морозов и др., 1977).

По-видимому, аналогичный частотный анализ повторяющихся олигопептидных блоков может быть применен к другим семействам высокомолекулярных полипептидных регуляторов, таких как факторы роста, трансформации, нейротрофические факторы и мембранные рецепторы, для которых характерна не столько тканевая, сколько функциональная специфичность. Выделение характерных олигопептидных блоков таких групп необходимо не только для направленного встречного синтеза пептидных лечебных препаратов, имитирующих функции природных макромолекул. Общие блоки в структуре регуляторных полипептидов — свидетельство их принадлежности к определенным семействам — могут служить базой для построения физико-химических моделей межмолекулярных взаимодействий полипептидов с живой клеткой; такие взаимодействия являются, по-существу, информационными.