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

Пептиды в водных растворах
Тканеспецифические регуляторные пептиды

Эволюционный переход от одноклеточных организмов к многоклеточным системам и организмам сопровождался разработкой очень сложных механизмов межклеточной коммуникации для согласования поведения всех клеток в пользу общего организма. Возникла система сигнальных эндогенных молекул, главным образом производных аминокислот и пептидов, позволяющая клетке с помощью своей цитоплазматической мембраны и мембранных рецепторов отличать себе подобное клеточное окружение от чужеродного. Эта система межклеточных молекулярных сигналов дает возможность каждой клетке определить свою позицию и координировать с соседями моменты своего деления и апоптоза. Например, дрожжевая клетка существует как индивидуальный организм, но она влияет на пролиферацию сосуществующих с ней дрожжевых клеток. Когда в многоклеточном организме такой локальный “общественный” контроль за делением клеток не работает, начинается злокачественный рост отдельной ткани, гибельный для всего организма.

У млекопитающих различают три вида информационной связи и координации функций органов и тканей: нейронную, эндокринную и паракринную.

Система нейронов контролирует и координирует функции всех органов и поведение организма в целом. Нейроны относятся к семейству электрически возбудимых клеток. Кроме нейронов к этому семейству относятся клетки мускулатуры и эндокринные клетки. При деполяризации клеточной мембраны нейроны генерируют потенциал действия, или нервный импульс, который распространяется по аксону от одного нейрона к другому со скоростью до 100 м/с. Длина аксонов разных нейронов различается, но самая большая может достигать 1 м (Alberts et al., 1994). Причиной деполяризации клеточной мембраны могут быть разные физико-химические факторы, в том числе нейротрансмиттеры пептидного типа.

Эндокринная сигнальная система состоит из специализированных клеток, которые выделяют в русло крови сигнальные молекулы (гормоны), в том числе регуляторные пептиды (РП). Распространяясь с кровотоком по всему организму, гормоны достигают целевых органов и клеток и захватываются их специфическими рецепторами. В среднем константы аффинного связывания гормонов рецепторами превышают значение 10⁸ л/моль, и поэтому гормоны действуют при концентрациях менее чем 10^-8 М.

Сигналы паракринной системы регуляции осуществляются с помощью эндогенных молекул (локальных медиаторов), действие которых охватывает только клетки ближайшего окружения. К локальным медиаторам относятся регуляторные вещества разных классов: алармоны, эйкозаноиды и пептиды (Alberts et al., 1994).

Таким образом, каждая клетка многоклеточного организма находится под контролем со стороны координирующих информационных систем всего организма и со стороны ближайшего клеточного окружения. Она не только воспринимает предназначенные ей сигналы, но и может выделять собственные сигнальные молекулы, предназначенные своему окружению. Это аутокринная сигнальная система. Ее сигнальные молекулы не распространяются на дальние расстояния, а воспринимаются соседними клетками или задерживаются межклеточным матриксом (Alberts et al., 1994). Аутокринная система очень важна на этапе завершения развития организма, когда клетки сформированных органов переходят к стадии дифференциации. Когда группа идентичных соседствующих клеток начинает дифференцироваться, аутокринные сигнальные молекулы выделяются ими одновременно, что закрепляет переход клеток и всего органа к новой стадии функционирования (Пальцев, Иванов, 1995).

Многообразие аутокринных систем сигнализации различных органов обеспечивается тканеспецифическими семействами сравнительно коротких регуляторных пептидов. В большинстве случаев они синтезируются в клетке в виде относительно больших пептидов-предшественников, причем в состав предшественника, как правило, входит несколько участков, которые после выщепления приобретают способность регулировать определенные биологические функции. Эта эндогенная регуляция относится к одному из самых древних механизмов саморегуляции живых систем, хотя до настоящего времени она остается недостаточно изученной.

Также до сих пор нерешенной остается проблема взаимосвязи структуры РП и той функции клетки, которую он способен регулировать. Очевидно только одно — эта взаимосвязь очень специфична и исключает случайные вариации в структуре пептида.

Объединение аминокислот в пептидную цепочку на ранних этапах эволюции было, по мнению И. И. Шмальгаузена, чисто химическим стохастическим процессом (Шмальгаузен, 1961). В 50—60-х годах, до того как были разработаны методы направленного химического синтеза пептидов, синтетические полипептиды получали поликонденсацией аминокислот в присутствии фосфорной кислоты или полифосфата. Было показано, что полученные таким способом статистические полипептиды (протеиноиды) обнаруживают значительную селективность аминокислот при выборе соседа для образования пептидной связи. Протеиноиды, полученные из эквимолярной смеси аминокислот, отличались от исходной смеси преобладанием глутаминовой кислоты, лизина и аланина (Fox, 1965). В том случае, если в исходную смесь включали избыток глутаминовой кислоты или лизина, аминокислотный состав продуктов различался и по содержанию гидрофобных аминокислот (табл. 5). Эти результаты свидетельствуют о различной реакционной способности аминокислот в реакциях статистической сополиконденсации. Позднее было показано, что в присутствии конденсирующих агентов свободные аминокислоты и адениловая кислота легко образуют аминоациладенилаты, а смесь аминоациладенилатов, в свою очередь, при pH 9.0 спонтанно образует протеиноиды с высокими молекулярными массами (Ленинджер, 1974).

Таблица 5 Аминокислотный состав высокомолекулярных протеиноидов, полученных при 60 °С за 150 ч инкубации смесей аминокислот, содержащих избыток лизина или глутаминовой кислоты, % (по: Фокс, Дозе, 1975)

* Содержание остальных аминокислот не превышало 2 %.

Этот подход был положен в основу эмпирического синтеза статистических полипептидов, обладающих биологической активностью. Таким путем из смеси L-Ala, L-Glu, L-Lys и L-Tyr в соотношении 6.0 : 1.9 : 4.7 : 1.0 были получены полипептиды с неустановленной аминокислотной последовательностью (препарат СОР-1), которые обладают высокой эффективностью при лечении многих патологий мозга (Teitelbaum et al., 1971; Bornstein et al., 1987). Однако этот путь не позволяет установить взаимосвязь структуры РП с его специфическим действием.

При биологическом синтезе пептидов их аминокислотная последовательность детерминирована генетически. Эволюционный подход к функциям РП позволяет разделить их на три основные группы в соответствии с онтогенетическим происхождением из разных зародышевых слоев и с последующим разделением жизненно важных функций организма между различными органами и тканями. На ранних стадиях развития зародышей различают три слоя дифференцированных клеток: эндодерма — внутренний слой, мезодерма — промежуточный слой и эктодерма — наружный слой зародыша. Эта первая стадия дифференциации определяет дальнейшее развитие отдельных органов и тканей. Из эктодермы развиваются органы, с которыми связаны контактные, чувствительные и покровные функции: это эпителий, головной и спинной мозг, сенсорные органы (зрения, слуха, обоняния). Эндодерма является основой для развития пищеварительного тракта, органов дыхания, внутренних органов (сердце, эндокринные железы и половые органы). Промежуточный слой — мезодерма обеспечивает формирование органов с опорными и трофическими функциями: скелета, мышц, кровеносной системы, соединительной ткани. Структуры и тканеспецифичность известных регуляторных пептидов в определенной степени коррелируют с их родственным происхождением, а в ряде случаев структуры проявляют перекрестную тканеспецифичность. Схема объединения регуляторных пептидов в группы, соответствующие их происхождению, может быть использована для сопоставления их аминокислотных последовательностей со специфической активностью в организме.

Проведенный несколько ранее статистический анализ аминокислотных последовательностей эндогенных регуляторных олигопептидов, содержавшихся в банке данных EROP— Moscow в 1989 г., обнаружил в них повышенное содержание аминокислот с положительно заряженными и циклическими боковыми группами (Замятнин, 1990). В значительной мере это наблюдение связано с тем, что анализ касался в основном нейропептидов и нейрогормонов. За последнее десятилетие объем информации об аминокислотных последовательностях пептидов, относящихся к регуляторам функций иммунной системы и желудочно-кишечного тракта, существенно расширился. В этом разделе рассматриваются только пептиды умеренной длины как наиболее устойчивые (консервативные) структуры, сохранившие свои регуляторные функции в ходе филогенетического и онтогенетического развития. Их распределение по группам достаточно условно — они разделены в соответствии с преимущественной локализацией, функциями и онтогенезом. Необходимо также отметить, что эти пептиды, как правило, являются видонеспецифичными, т. е. встречаются и функционируют в большинстве высших организмов. В частности, убиквитин имеет одинаковое строение и выполняет свои разнообразные регуляторные функции у дрожжей, растений и у человека.

В настоящем разделе не рассматриваются регуляторные металлопептиды (например, кальмодулин, содержащий в структуре 4 атома кальция), которые не имеют определенной тканеспецифичности и являются по существу коферментами многих ферментных систем (Oxford Dictionary..., 1997), а также гетерогенная группа интерлейкинов — видоспецифичных белков с молекулярными массами 12—21 кДа, которые действуют как сигнальные молекулы между различными популяциями лейкоцитов.