УЗНАВАНИЕ И РЕАГИРОВАНИЕ - ДВЕ ГЕНЕРАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВОЙ МОЛЕКУЛЫ
Из предыдущего изложения следует, что не только рельеф, но физико-химические свойства поверхности белковой молекулы очень неравномерны. Обычно здесь доминируют полярные радикалы аминокислот, в большинстве своем незаряженные. Вместе с тем, на общем фоне гидрофильной поверхности местами встречаются положительно или отрицательно заряженные группы, а в некоторых участках (особенно в углублениях) — неполярные фрагменты или их скопления. В этом смысле глобулярный белок напоминает округлое образование, причудливо раскрашенное четырьмя красками, каждая из которых, условно говоря, соответствует катионным или анионным группам, гидрофильным или гидрофобным зонам. Ясно, что белки могут различаться по размерам, форме и взаиморасположению «пятен» разного цвета.
Эта важная особенность лежит в основе избирательности физико-химического взаимодействия белка с другими молекулами. Иными словами, она обеспечивает одну из наиболее универсальных функций любого белка: его способность распознавать другие молекулы. Реализуется эта способность путем связывания лишь со строго определенными из них (именуемыми поэтому лигандами данного белка).
Пояснить это можно так. Любая отрицательно заряженная молекула, оказавшись в достаточной близости, может образовать ионную связь с одной из положительно заряженных группировок огромной поверхности белка. Это взаимодействие очень слабое и легко исчезает даже под влиянием кинетической энергии теплового движения молекул. Кроме того, оно неспецифично, так как в белке обычно имеется множество положительно заряженных атомов, а в окружающей среде встречаются самые разнообразные вещества с отрицательным зарядом. Но если в приблизившейся молекуле есть две заряженные группировки с расстоянием между ними, равным дистанции между двумя противоположными им зарядами на поверхности белка, то межмолекулярное взаимодействие может осуществляться уже в двух точках. Поэтому оно будет и более устойчивым (хотя и ненамного), и несколько более специфичным. Если же в лиганде окажется еще и, например, гидрофобный фрагмент в определенном положении относительно заряженных групп, а в белке - неполярная зона в аналогичной позиции к заряженным участкам, то молекула лиганда может связаться с белком уже тремя своими участками. Такое соединение будет существенно более устойчивым (но обратимым, как это следует из слабости нековалентных связей). А главное — оно приобретает отчетливый характер избирательности: белок может объединяться только с таким лигавдом, в котором взаиморасположение «опознаваемых» признаков достаточно строго соответствует рисунку физико-химических характеристик в некоторой зоне белковой поверхности. Эту зону называют участком связывания (сорбции). Он-то и выполняет функцию узнавания определенного лиганда. В основе этой генеральной функции - пространственное соответствие между объединяющимися структурами, их комплементарность (рис. 1-23).
Ясно, что для реализации функции узнавания необходимо достаточное число «опознавательных знаков». Выше упоминалось, что по качеству их всего четыре: положительный или отрицательный заряд, гидрофильные или гидрофобные «пятна». Для большей точности еле-
дует добавить еще электроотрицательные атомы (О, ]), пригодные для образования водородной связи (см. рис. 1-15). Но важнее даже не разнообразие набора «маяков» (впрочем, довольно небогатого), а изобилие возможных вариантов их взаимного расположения. Чем обширнее зона комплементарности и чем уникальнее рисунок из разных «опознаваемых признаков», тем точнее узнавание белком именно данного лиганда. В качестве аналогии: знакомое лицо мы легко распознаем даже среди множества похожих людей (но если часть лица прикрыта, то узнавание затруднено или даже невозможно).
Участки, наиболее точно приспособленные к структуре определенного лиганда, обладают и наибольшей избирательностью, т.е., правильностью опознания нужной молекулы. Их называют поэтому центрами связывания {узнавания). В ходе эволюции природа специально отбирала и «шлифовала» такие структуры. Так появились, например, рецепторы на клеточных мембранах. Каждый тип рецепторов представляет собой специализированный белок, который из всего разнообразия окружающих клетку веществ узнает (и связывает) только молекулы определенного, например, гормона.
Как правило, в белковой макромолекуле имеется только один центр узнавания либо несколько, но разных. С другой стороны, такие центры занимают лишь очень небольшую долю поверхности белка. Остальной части тоже присущи и особенности рельефа, и причудливое чередование функциональных группировок. Выяснив тонкую структуру любого фрагмента, в принципе возможно синтезировать молекулу, комплементарную ему и потому способную сорбироваться здесь. И тогда этот фрагмент можно назвать участком связывания искусственно синтезированного лиганда.
Детальное изучение функции узнавания выявило неожиданный факт: между центром узнавания и лигандом обычно не бывает заранее готового пространственного соответствия,
такого, какое существует, например, между замком и ключом к нему. Парадокс был разрешен. когда установили, что обычно центр связывания сформирован радикалами аминокислот, расположенных в разных участках полипептидной цепи, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Стало понятным, что такая организация не случайна. Она открывает возможность заметных конфор- мационных подвижек упомянутых радикалов относительно друг друга, ибо угол каждого изгиба (поворота) цепи может изменяться в заметных пределах.
Таким образом, достаточно точное соответствие центра связывания строению лиганда формируется лишь в процессе взаимодействия между ними. Складывается оно по мере их сближения и реализуется путем постепенного приспособления центра узнавания к структурным особенностям лиганда. Как показывает схема на рис. 1-24, в процессе сближения молекула лиганда индуцирует соответствующую конформационную перестройку центра своего связывания. Представления о наведенном {индуцированном) соответствии подтверждены экспериментально и стали общепризнанными. Следует отметить, что при этом и молекула лиганда в определенных случаях тоже претерпевает конформационные изменения (если она на это способна). Некоторой аналогией феномену наведенного соответствия может быть, например, процедура надевания перчатки: двигая пальцами, мы постепенно натягиваем ее на руку, придавая ей форму нашей кисти.
Рис. 1-24. Индуцированное соответствие центра связывания в белке (Б) структуре лиганда (Л) [черными прямоугольниками обозначены гидрофобные зоны].
Пространственные сдвиги в центре узнавания — это необходимая, но не единственная реакция белка на сближение с лигандом. Оказалось, что конформационные подвижки распространяются и на другие части белковой молекулы. В каждом случае характер такой перестройки различен, но всегда строго закономерен. Его предсказуемость предопределена структурами лиганда и центра узнавания, но главное - особенностями строения всей белковой молекулы. Очень часто изменение конформации сопровождается «деблокированием» определенных фрагментов белка, т.е., переходом их из скрытого («латентного») состояния в активную форму, которая начинает реализацию своего предназначения. Именно в этом заключается вторая из генеральных функций белковых молекул - функция реагирования. Лиганд, связывание которого приводит к ее осуществлению, часто обозначают термином эффектор.
Таким образом, природа функции реагирования - физико-химический процесс перехода белковой молекулы из одной конформации в другую. Важно, однако, подчеркнуть строгую детерминированность ответа: белковая молекула не может (и не должна!) по-разному реагировать на один и тот же внешний сигнал- команду. И еще один важный аспект — это обратимость процесса реагирования: после десорбции лиганда белок возвращается в исходное состояние и готов к связыванию новой молекулы эффектора.
В качестве примера можно привести клеточные рецепторы. Каждый из них является белком, пронизывающим плазматическую мембрану. Внешняя его часть, выступающая на поверхность клетки, выполняет собственно рецепторную функцию. Это значит, что она содержит центр узнавания определенного вещества, — например, гормона. Обратимое связывание этого лиганда вызывает такую кон- формационную перестройку, которая охватывает не только трансмембранную часть белка, но и внутриклеточный фрагмент, переводя его в функционально активное состояние. Нередко эта активность сводится к ускорению определенной химической реакции, продукт которой Овторичный посредник) инициирует дальнейшую цепочку внутриклеточных последствий, т.е., обеспечивает реакцию клетки на воздействие гормона Спервичного посредника). Таким образом, происходит не только передача гормонального сигнала в клетку, но и его преобразование {трансдукгщя). Прекращение воздействия гормона (его удаление или разрушение) приводит к возвращению рецептора в исходную форму, в том числе - к переходу внутриклеточного фрагмента в неактивную конформацию.
Итак, в основе функций и узнавания, и реагирования лежат физико-химические взаимодействия, которые ведут к определенной конформационной перестройке макромолекулы. В этом смысле они являются наиболее общими, универсальными функциями, присущими каждому белку (хотя и в различной степени). Поэтому их удобно называть генеральными функциями белковой молекулы. Конкретные проявления функции реагирования вообще очень многообразны, но они строго однозначны, жестко регламентированы для каждого данного белка. У фермента это - ускорение химических превращений определенного вещества (субстрата), у иммуноглобулинов - команда на уничтожение конкретного чужеродного вещества, у клеточных рецепторов — передача внешнего сигнала внутрь клетки, у фоторецептора - преобразование энергии фотона в энергию нервного импульса, у сократительных белков - укорочение либо расслабление мышечного волокна, и так далее. Все эти конкретные ответы называют обычно биологическими функциями соответствующих белков.
