Максима «Познай самого себя» приписывается древним грекам. Ясно, что в те времена в первую и единственную очередь имелось в виду осознание человеком себя самого как носителя определенной нравственной сущности. Люди мало задумывались о себе как о возможных объектах естествознания. Да и естествознанию было не по силам такое исследование: сохранилось одно из тогдашних определений понятия «человек» — двуногое существо без перьев с плоскими и широкими ногтями. Лишь много веков спустя началось постепенное понимание человека как организма, биологической единицы. И следовательно, объекта для изучения методами биологии — науки о живом.

Биология принципиально отличается от физики или химии тем, что ее главной чертой является... история. Правда, в биологии она называется особым термином «эволюционный процесс», но суть от этого не меняется. Действительно, для понимания устройства и действия дверного замка, телевизора или даже сверхсовременных компьютерных девайсов (велик и могуч все-таки русский язык!) вовсе не обязательно знать историю их создания. А вот понять самые элементарные способы организации работы живого организма без учета истории его происхождения попросту невозможно. Логика построения «механизмов» и «приборов», относящихся к живой природе, отличается от традиционной логики инженера или конструктора. Дело в том, что в них слишком много деталей вроде бы лишних, ненужных для конкретной функции, которую выполняет сегодня данный живой «механизм». Но не для той, которая была важна для него вчера и, возможно, будет важна завтра; а как раз сохранение «традиций» прошлого и борьба за выживание в неизбежно изменяющемся будущем и есть самая характерная черта живого.

Ибо все живое на Земле существует под постоянным давлением эволюционного процесса. В наследственной линии любого организма за века развития обязательно произойдут какие-нибудь изменения, которые послужат либо процветанию его потомков, либо ухудшению перспектив их дальнейшего существования. Происходит это потому, что некоторые изменения наследуются, передаются потомству и закрепляются — если, конечно, столкновение с окружающей средой позволит выжить организмам с такими изменениями. Так, скажем, приобретенная когда-то маскировочная окраска зайца — серая или белая — дала возможность этому симпатичному зверьку благополучно продержаться до наших дней. Между тем, если бы у кого-то из зайцев появлялась в прошлом ярко-красная или ультрамариновая шерстка, носители этого признака были бы немедленно выловлены разнообразными любителями зайчатины и не успели бы оставить цветное потомство. Что ж, за оригинальность приходится платить: вспомним о горестных судьбах белых ворон.

Процесс закрепления тех или иных изменений, передающихся по наследству, носит название естественного отбора. Теория естественного отбора была предложена великим натуралистом XIX века Чарлзом Дарвином на основе сопоставления огромного количества данных о различных организмах. Дарвин разработал также эволюционную концепцию происхождения биологических видов друг из друга — через сохранение признаков, отобранных внешними условиями.

Идея эта была встречена в штыки многими — ив первую очередь церковью, поскольку, как казалось, эволюционная теория может поставить под сомнение само существование Бога. В самом деле, официальная теология признает лишь пять доказательств бытия Божьего. Шестое доказательство, сконструированное Иммануилом Кантом, церковная наука отвергла (как правильно предупреждал философа за завтраком булгаковский Воланд: «Над вами смеяться будут»). Разобраться в этих теологических и философских доказательствах трудно; но есть еще один простой довод, очевидный для каждого. Легко заключить, что окружающая нас живая природа представляет собой настолько сложную систему, что сама ее сложность служит иллюстрацией или даже доказательством Божественного умысла. Ведь и вправду трудно поверить, чтобы все эти тычинки, пестики, когти, крылья, жабры и прочие тысячи органов растений и животных образовались, а главное, функционировали согласованно самопроизвольно, а не по точному плану, составленному Создателем.

Самое смешное, впрочем, то, что Дарвин, будучи человеком глубоко верующим, никогда не утверждал, что биологические виды возникли сами по себе. Он говорил о переходах из одного вида в другой, но не о том, что (или Кто) был причиной их первоначального возникновения. Ведь, изучая природу, живую или неживую, наука не задает вопрос «почему» — она спрашивает лишь, «как это устроено».

Живая природа постоянно изменяется, и, по Дарвину, полезность каждого следующего изменения проверяется строжайшим контролем естественного отбора. Уже по одному лишь термину «отбор» можно предполагать, что процесс эволюции носит направленный характер, имеет какие-то заранее определенные цели. Однако это положение, к которому склонялись многие основатели эволюционной теории, до сих пор не удалось подтвердить: очень трудно определить признак, по которому один вид можно поставить выше другого на эволюционной лестнице. Человек — царь природы, потому что он обладает интеллектом, связанным с физиологическими функциями головного мозга; но мозг слона по весу, объему и площади своей коры далеко превосходит мозг человека. Самый успешно выживающий биологический вид должен вроде бы накопить наибольшее количество биомассы на единицу площади Земли; и такой вид есть — земляные черви. Наконец, возможность ядерной войны заставляет подумать о том, какой из знакомых нам организмов больше других устойчив к радиации: оказывается, это тараканы. А поскольку будущее непредсказуемо — по крайней мере для нас, не для Господа, — заранее неизвестно, какие свойства, приобретенные в ходе эволюции, будут особенно полезными в дальнейшем.

Случайный характер эволюции, в свою очередь, тесно связан с механизмом, за счет которого она осуществляется. Его детали стали известны сравнительно недавно, хотя первые догадки появились еще при жизни Дарвина и название новой науки — «генетика» — впервые прозвучало уже тогда. С возникновением этой науки тесно связано имя Грегора Менделя, которого наша родная советская печать сначала именовала «австрийским монахом-реакционером», а потом «чешским исследователем» (тоже пример своеобразной эволюции). В старинных стенах монастыря в городе Брно стоит скромный памятник Менделю, а рядом — заботливо восстанавливаемые грядки горошка. Именно при изучении этого растения никому не известный тогда монах открыл первые количественные законы наследования признаков от поколения к поколению. Затем немец Август Вейсман и американец Томас Морган обосновали представление об особом наследственном веществе, устойчивость которого на протяжении веков эволюции и дает возможность сохраниться тому или иному признаку. А вслед за ними в тридцатые-сороковые годы прошлого столетия генетикой всерьез занялись многие ученые во всем мире. В том числе и в СССР — до тех пор, пока в 1948 году сессия Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук (ВАСХНИЛ) не разгромила отечественную генетику как идеологически вредную прихлебательницу закордонного «менделизма-вейсманизма-морганизма».

Современный вид эволюционная теория приобрела в пятидесятые годы, когда «наследственное вещество» Вейсмана и Моргана удалось не только точно определить химически, но и «увидеть» с помощью рентгеноструктурного анализа, позволяющего различить положения отдельных атомов в молекуле. Этим веществом оказались нуклеиновые кислоты — химические соединения, представляющие собой длиннейшие полимерные цепочки, составленные из мономерных единиц, которые называются нуклеотидами. Впрочем, о них не раз будет говориться в дальнейшем.

А пока буквально в нескольких словах и весьма приблизительно очертим сегодняшнее понимание элементарного шага эволюционного процесса: по каким-то причинам происходит точечная мутация, то есть замена одного нуклеотида другим. В результате изменяются другие молекулы, например белки, которые непрерывно синтезируются в организме. Из-за этого те или иные функции организма претерпевают изменения, которые либо идут на пользу организму и его потомкам, либо приводят к их гибели.

Еще раз подчеркнем случайность мутаций. Замены нуклеотидов в цепи или их повреждения могут быть связаны с внешними причинами — например, с воздействием некоторых химических веществ или значительных доз радиации, однако могут возникнуть и как бы самопроизвольно, поскольку основания для этого нам пока неизвестны. Но, конечно, далеко не всякая мутация влечет за собой эволюционные последствия: в подавляющем большинстве они нейтральны.

В наши дни описание эволюционного процесса — основы основ биологии — проводится почти исключительно на молекулярном уровне. Это означает, что если раньше вопрос о месте организма в эволюционном ряду решался благодаря сопоставлению, например, особенностей скелета, то теперь та же информация может быть получена при изучении химического строения молекул белков разных организмов. И, надо отметить, оба подхода действительно дают весьма сходные результаты. Иными словами, современная биология невозможна без биологии молекулярной.

«Самомалейшие малости» Паскаля — это те самые молекулярные механизмы организма, которые мы только еще начинаем изучать спустя почти четыреста лет. В этой книге, однако, они интересуют нас не только сами по себе, но в связи с драг-дизайном, процессом создания лекарственных средств для дальнейшего применения их в медицине. А медицина — область особая, не вполне сводимая ни к физике, ни к химии, ни к биологии. Известный латышский врач и педагог профессор Паулс Страдыньш (его имя носит крупнейшая рижская больница) в свое время называл медицину наукой, искусством и профессией одновременно — и был совершенно прав.

В самом деле, пациенты врача, как и люди вообще, бывают самыми разными. И не только в смысле особенностей характера, но и в отношении свойств организма: двух одинаковых больных с медицинской точки зрения не бывает. Тем не менее ставить диагноз врачу приходится по симптомам, связанным прежде всего с заболеванием, а не с конкретным больным. И поставить правильный диагноз — это во многом действительно искусство.

Однако коль скоро диагноз поставлен, выбор тактики лечения и успех ее применения зависят от того, насколько врач знает и понимает организм (а иногда и психологию) данного пациента. А это обусловлено в первую очередь опытом и добросовестностью врача, то есть в конечном счете его профессионализмом: знахари-любители приносят в целом больше вреда, чем пользы.

И разумеется, медицина — это наука, поскольку сумма знаний, которыми должен обладать врач, чтобы успешно бороться с болезнью, отнюдь не маленькая. Но наука исследует наиболее общие закономерности окружающего мира: как же совместить универсальность научных теорий и индивидуальность пациентов?

Оказывается, это не так уж трудно. Конечно, пациенты не похожи даже друг на друга, не говоря уже о собаках и крысах — типичных лабораторных подопытных животных. Но это — на уровне целого организма. А вот отдельные органы: сердце, легкие, печень и прочие жизненно важные узлы — есть у каждого, и принципы их функционирования в общем одинаковы. Далее, многие типы клеток, из которых построены эти органы, практически не различаются не только у разных людей, но порой и в сравнении с животными. А уж на молекулярном уровне, где главную роль играют внутриклеточные химические реакции, различия между биологическими родами и видами стираются еще больше. Настолько, что иногда молекулярные процессы, происходящие в клетке человека, вполне можно изучать на примере какой-нибудь бактерии. (Хотя, конечно, нельзя считать, что все молекулы в организмах человека и бактерии идентичны; нет, далеко не все, но многие — схожи.) Выходит поэтому, что не только современная биология является молекулярной, но и современная медицина — тоже.

Пути, ведущие от уровня молекулярных процессов к организму в целом, весьма сложны и неоднозначны. Действительно, благодаря успехам молекулярной биологии сейчас удается более или менее разобраться во взаимоотношениях молекул внутри живой клетки. Но, с другой стороны, тысячелетняя история медицины научила врачей худо-бедно понимать общие принципы устройства организма человека в целом, а история биологии — и устройства организмов вообще. Однако эти идущие друг другу навстречу тоннели еще далеко не сомкнулись.

Затруднения возникают на клеточном уровне: клетка оказывается слишком сложной биохимической системой, и понять ее поведение вплоть до всех деталей пока невозможно. А ведь именно здесь заложены причины многих заболеваний, в том числе раковых. Если высадить, например, здоровые клетки человеческой ткани на питательную среду, покрывающую дно чашки Петри (стеклянное плоское блюдце с невысокими вертикальными стенками), то они начнут размножаться, образуя равномерный тонкий слой на дне сосуда. Но как только слой клеток подойдет вплотную к стенкам, размножение прекратится. Раковые же клетки начинают громоздить новый слой ткани поверх уже существующего и так далее без всяких ограничений. Значит, здоровые клетки обладают каким-то аппаратом, механизмом или веществом, позволяющим «узнавать», что размножение надо остановить, а раковые опухоли такого аппарата лишены. Ответить со стопроцентной уверенностью, что это за механизм или вещество, медицина сегодня не в состоянии, хотя многие факторы роста клеток теперь хорошо изучены.

Еще одна проблема — дифференциация клеток: как именно из клеток зародыша возникают разнообразные клетки тканей, сосудов, костей, крови и так далее. В последние годы в этом направлении достигнут значительный прогресс: обрабатывая клетки зародыша — они называются стволовыми клетками — различными веществами, удалось вырастить из них клетки нужного типа. А из клеток — целые органы и ткани, такие как капиллярные сосуды, клетки головного мозга, клапаны сердца, ткани печени и даже роговицу глаза и целый мочевой пузырь. И все же молекулярный механизм дифференциации клеток пока не вполне ясен.

Разрыв в подходах, методах и задачах молекулярной биологии и практической медицины весьма значителен. Но тем не менее путь от молекулы к организму один раз уже был пройден — это сделал эволюционный процесс. Теперь исследователи стараются проследить все трассы, развилки и тупики этого пути с помощью молекулярной биологии для того, чтобы научиться решать не только чисто научные, но и медицинские проблемы.

Исходя из самых общих соображений, управление любой системой можно осуществлять одним из двух методов. Первый метод заключается в наблюдении результатов воздействия различных факторов на систему в целом и отборе тех из них, которые приводят к желаемому эффекту. Именно этот подход запечатлен, например, в классической формуле кнута и пряника. Таким же образом, по-видимому, была создана шутка о том, что, если лошадь щелкнуть по носу, она махнет хвостом.

Щелкни кобылу в нос — она махнет хвостом. Козьма Прутков

Что при этом происходит внутри лошади, экспериментатора не интересует: ему важна повторяемость наблюдаемого им явления. Точно так же, если охладить льдом лоб пациента с повышенной температурой, его бред прекратится. А если, наоборот, приложить согревающую повязку на ноющую поясницу, она может остановить боль. А от кашля помогают горчичники на спину. А вообще от всех болезней — любые настойки, если только они содержат спирт в достаточном количестве.

Второй метод основывается на предварительном изучении устройства системы и применении не любого фактора, а по возможности того, который нужен, и не вообще к системе, а к нескольким ее частям. Здесь в качестве примера можно привести историю механики, начиная хотя бы с анкерного регулятора часового механизма, усовершенствованного, между прочим, знаменитым французским драматургом Пьером Бомарше. Механика скелета человека намного проще — и вправлять кости, и накладывать шины на переломы медицина научилась уже давно. А когда была открыта система кровообращения, в моду вошло кровопускание как лечебная процедура, причем доверялась она даже не врачам, а цирюльникам. Вся хирургия — это тоже внешнее вмешательство в организм, основанное на знании устройства и функционирования его отдельных органов.

Но медицина не ограничивается внешними воздействиями, будь то примочки, пиявки или даже хирургические инструменты. Недаром в Средние века звание «хирург» считалось рангом ниже звания «доктор», которое можно было получить только после обучения в университете. Предполагалось при этом, что доктора должны понимать, как действуют на организм лекарства.

Сегодня мы знаем, что лекарства работают не «снаружи», а «изнутри», на молекулярном и клеточном уровнях. Однако медики древности этого не знали, а лечить больных надо было уже тогда. И вот наряду с экзотическими лечебными процедурами вроде магических заклинаний или очищения огнем стали применяться лечебные травы, порошки из толченых слоновых бивней, сушеные змеи, да мало ли что еще — и все это для внутреннего употребления. Шаманы, колдуны, дервиши и просто шарлатаны — словом, предшественники врачей — не знали, конечно, что в этих «препаратах» содержатся какие-то особые вещества, приводящие систему взаимоотношений биологических молекул организма к норме. Нет, они просто пользовались опытом проб и ошибок предыдущих поколений, который подсказывал, что человек, пожевавший корень женьшеня, черпает откуда-то новые жизненные силы, а напившийся сока маковых зерен становится менее чувствительным к боли; с другой стороны, попадание в пищу значительного количества, скажем, спорыньи почти всегда заканчивается весьма печально.

Первые шаги к выделению особых лекарственных веществ из природных источников были сделаны, по всей вероятности, еще до появления алхимиков. Всевозможные отвары, вытяжки, настойки, мази и прочие лекарственные средства, приготовленные по рецептам врачей античности, имели уже куда большую концентрацию биологически активных веществ, чем исходные травы, или цветы шиповника, или порошок из рогов носорога. Да и производство ядов начало совершенствоваться — вспомним для примера чашу цикуты, которая была последней чашей в жизни Сократа. Раз начавшись, этот процесс отбрасывания лишних элементов и вычленения агентов, необходимых для действия на организм, уже не останавливался и продолжается, по сути, до сих пор.

Конечно, современные методы выделения биологически активных веществ и не снились даже наиболее передовым греческим фармацевтам или парижским алхимикам. Нынешние «охотники за лекарствами» способны безошибочно найти среди тысяч различных типов химических соединений исходного продукта те единицы, которые отвечают за биологический эффект, и получить их в абсолютно чистом виде.

Драг-дизайн алхимиков

Точнее, наоборот: сначала выделить соединение, а потом убедиться, что именно оно производит данное биологическое действие. При этом в распоряжении современного исследователя находятся электрофорез, масс-спектрометрия, жидкостная хроматография и еще множество других способов извлечения и идентификации химических соединений, о которых алхимики и не слыхивали. Тем не менее сам принцип: взять природное сырье и выяснить, что дает основание считать его лекарством, уцелел со времен седой старины. Более того, среди специалистов в области медицинской химии особым шиком считается ссылка на какую-нибудь Древнюю рукопись, где впервые было описано лечебное действие растения, из которого теперь выделено химически чистое вещество с аналогичным биологическим эффектом.

В последние годы появилось даже целое научное направление — этноботаника. Этноботаники разыскивают по всему земному шару малоизвестные племена и изучают растения, с помощью которых туземцы врачуют свои недуги, в надежде отыскать новые лекарственные средства. С одним из видных этноботаников, профессором Уолтером Льюисом, мне довелось познакомиться лично. Он работал там же, где и я, в Вашингтонском университете в городе Сент-Луис в штате Миссури, но на другом факультете. Профессор Льюис долго жил среди индейцев хиваро в верховьях Амазонки. Это те самые племена, что славятся умением особым образом засушивать головы убитых ими неприятелей; сушеные головы называются тсантса. Он собрал несколько очень редких растений, помогающих, по словам индейцев, в заживлении ран. Ко мне он обратился потому, что я был связан с группой экспериментаторов, проверяющих воздействие разных веществ на культуры клеток. К сожалению, отвар из экзотических растений желаемого эффекта не обнаружил, и наши контакты с профессором Льюисом пресеклись.

Тсанта - голова, засушенная индейцами хиваро

Поиск лекарственных веществ описанным способом нельзя назвать настоящим процессом драг-дизайна. Правда, чуть ли не наиболее важное лекарство двадцатого века — первый антибиотик, пенициллин, — был открыт Александром Флемингом примерно так же, по случайности. Истинный же драг-дизайн на случайность не надеется, а использует сведения о молекулах, находящихся в клетке и вокруг нее. А молекул таких очень много.

На принятом одно время среди сетевой молодежи падонкаффском наречии выражение «очень многабукаф» обозначало многословный текст, перенасыщенный плохо понимаемой информацией. Вот и в клетке, элементарной частичке живого организма, можно насчитать десятки тысяч молекул, связанных друг с другом весьма разнообразными способами. Здесь и ферменты, и гистоны, и витамины, и липиды, и... Еще очень много непонятных названий обрушилось бы на ошарашенного читателя, если бы он случайно открыл простейший учебник биохимии. Эта наука, биологическая химия, как раз и изучает всевозможные взаимодействия и химические реакции между ферментами, нуклеиновыми кислотами и прочими — короче, между молекулами химических соединений, присутствующих в клетке.

А поскольку существует огромное количество типов и разновидностей таких молекул (десятки тысяч — это минимальная оценка), то понятно, что даже приблизительные биохимические схемы, показывающие, как из молекулы А получается молекула Б, расползаются до размеров стендовых топографических карт генерального штаба: ведь в процессе «из А — в Б» участвуют обычно еще две-три сотни различных веществ. И подобно тому, как квадратик дивизии на карте генерального штаба превращается в сложный узор пятен, связанных запутанной паутиной стрелок и линий на карте командира дивизии, схемы химических превращений молекул в организме все больше и больше усложняются с дальнейшим развитием биохимии. Очень часто оказывается, скажем, что вещество М, которое, как ранее предполагалось, замешано в превращении А -> Б, на самом деле не однородное химическое соединение, а целый набор молекул от М_i до М_n, каждая из которых играет свою роль в таком превращении и обладает своей биологической функцией.

В этом и состоит прогресс биохимии: открыть еще один тип веществ, необходимых клетке для нормальной жизнедеятельности, проследить еще один возможный путь перестройки молекулы А в молекулу Б или уточнить детали на уже известном пути. Как следствие, хороший вузовский учебник, который и сорок лет назад насчитывал страниц восемьсот, но все же вмещался в один том, теперь не влезает и в трехтомник. Хорошо хоть читать его необязательно — ведь есть интернет со спасительным «Гуглом»...

С точки зрения биохимии клетка представляет собой очень сложную систему взаимодействующих молекул. Но молекулы состоят из атомов, атомы из элементарных частиц, те из кварков, кварки из струн, и ни один здравомыслящий физик не поручится, что это — последняя ступень, ведущая вглубь материи. Однако обширный опыт исследований реконструированных, то есть изъятых из живой клетки, биохимических систем показывает, что никаких других взаимодействий, кроме обычных химических, в них не реализуется. А ведь химия — это в каком-то смысле физика молекул, и, следовательно, именно изучением молекул и взаимоотношений между ними и ограничивается задача биохимии (в основном; если быть более точными, придется вспомнить и ионы, и радикалы, и даже иногда отдельные электроны).

Итак, клетка — повторим еще раз — есть совокупность огромного числа различных биологических молекул, вступающих друг с другом в самые разнообразные отношения, уровень сложности которых трудно себе даже представить. Напрашивающееся сравнение с какой-нибудь технической, технологической или бюрократической системой — автозаводом-гигантом, конструкторским бюро космических кораблей или штаб-квартирой компании «Гугл» — не подойдет: все они значительно уступают биохимической фабрике-клетке как по количеству «участников производства», так и по «номенклатуре продукции», и особенно по уровню «организации производства». В нормальных условиях каждая клетка и организм в целом действуют с надежностью, удивительной для систем такой колоссальной сложности.

Такая надежность достигается чрезвычайно четким регулированием и управлением всеми действиями биохимической системы организма. Многотысячный биохимический оркестр (употребим и это сравнение) должен уметь играть свою мелодию с точностью до одной тридцать второй доли ноты. Иначе наступит какофония, хаос, развал. А коль скоро это не происходит, значит, у биохимического оркестра есть дирижеры, есть что-то, эффективно регулирующее взаимоотношения биологических молекул. Или Кто-то — но такая гипотеза в рамках биохимии не рассматривается.

Это регулирование осуществляется через механизм обратной связи, открытый кибернетикой, наукой об управлении системами (еще одна, наряду с генетикой, «продажная девка империализма», как говорила когда-то все та же советская пресса). Функционирует он следующим образом: предположим, что для нормальной работы системы величина Mi, зависящая от величины М₂ и воздействующая на величину М₃, должна находиться на каком-то определенном уровне. Если по каким-то причинам уровень величины М₃ изменяется, это сразу _же сказывается на уровне величины М₃. Но величина М₂ тоже зависит от величины М₃ (в этом и состоит обратная связь), и поэтому уровень М₂ также изменяется, что В силу влияния М₂ на М₁ возвращает уровень М₁ к норме. Схематически это выглядит так:

Конечно, в реальных системах (и в политике тоже) цепочка обратной связи не такая упрощенная «трехчленная», а гораздо более запутанная и состоит из множества звеньев. Но общий принцип остается тем же. В биохимических системах, от клетки до организма, существуют особые типы веществ (их так и называют — биорегуляторы), основная задача которых состоит в управлении жизненными процессами, причем схема регулирования заключается в пере- или недопроизводстве биорегулятора в ответ на происходящие в системе изменения. Говоря о биохимических системах, можно, кроме того, заменить несколько абстрактный термин «уровень величины М₁» вполне конкретным: «концентрация вещества М₁», Справедливости ради следует упомянуть, что существует еще и регуляция систем организма с помощью нервных импульсов; но нас будут интересовать биорегуляторы-молекулы, а точнее говоря, их роль в медицине.

Ведь болезнь практически всегда сопровождается нарушением биохимической регуляции организма. Более того, во многих случаях такое нарушение и есть главная причина болезни. Правда, практикующий врач не всегда станет «опускаться» на биохимический уровень для объяснения причин возникновения болезни. И без того ясно, что причиной гипертонии в преклонном возрасте чаще всего является склероз сосудов, а сильная простуда может повлечь за собой как воспаление легких, так и межреберную невралгию. Хирургу еще проще: он имеет дело, как правило, с уже развитой формой болезни и думает не о том, какова концентрация тех или иных веществ в организме, а о сложностях предстоящей операции.

Это естественно; врач лечит конкретного больного, а не абстрактный организм, и его знакомство с данной болезнью начинается с симптомов, каждый из которых может быть следствием доброго десятка биохимических причин. И все же тезис о неразрывной связи между болезнью и сбоями молекулярных механизмов биохимической регуляции уже твердо внедрился в сознание современных врачей.

Далеко не каждый тип молекул внутри клетки годится на ответственную роль биорегулятора: из нескольких тысяч можно перечислить всего несколько десятков (среди них и предмет нашего особого интереса — пептидные молекулы). Но именно эти немногие избранные и являются подлинными дирижерами великого биохимического оркестра, заставляющими изначальный хаос взаимных молекулярных превращений стать строго упорядоченным элементом живого.

Существует старинный рассказ о веселом соревновании на сельской ярмарке. Заезжий актер на радость собравшимся искусно имитировал визг поросенка. Но один крестьянин задумал перехитрить актера: он сунул в мешок живого поросенка, спрятал его под куртку и вызвал актера на состязание. Крестьянин раскрывал рот, а между тем щипал поросенка, и тот пронзительно визжал. Но слушатели единодушно решили почему-то, что актер лучше подражает поросенку, чем крестьянин, и самозванец удалился несолоно хлебавши.

Мораль этой истории трактуется обычно в чисто эстетическом смысле: для настоящего искусства важно не копирование реальности, а создание правдоподобия. Нам, однако, она понадобилась для напоминания о том, что многие лекарства вынуждены «исполнять обязанности» природных биорегуляторов организма и, следовательно, до известной степени имитировать их действие. Но, естественно, никто лучше уже существующих в организме биорегуляторов не сможет разобраться в чрезвычайно запутанных биохимических молекулярных механизмах. Так, может быть, именно они-то и будут идеальными лекарствами?

Действительно, многие свойства природных биорегуляторов весьма привлекательны для предполагаемых моделей лекарственных средств. Прежде всего их действие высокоспецифично. В переводе с научного на обыкновенный язык это означает, что биорегуляторы воздействуют на работу только вполне определенных звеньев биохимических механизмов. Они контролируют только превращение вещества А в вещество Б и больше практически ни во что не вмешиваются. Это очень ценное качество, особенно если вспомнить, что механизм действия многих широко применяемых лекарств (к примеру, самого распространенного, аспирина) так до конца и не выяснен. Более того, «обычное» лекарство зачастую исправляет функционирование одного участка биохимической системы, но ухудшает функционирование другого участка. Для природного биорегулятора такое весьма маловероятно.

Еще одним несомненным достоинством природных биорегуляторов является то, что для нормальной работы организма их требуется совсем немного — в смысле количества вещества, а не разнообразия. В таблетке аспирина — полграмма препарата, разовая доза антибиотиков — тысячные доли грамма. А типичные дозы естественных биорегуляторов — миллионные доли грамма на килограмм веса организма, а то и меньше. Иными словами, небольшая пробирка такого вещества в принципе способна удовлетворить месячную потребность города средних размеров. Уместно, однако, следующее возражение: да, когда биохимическая система находится в норме, физиологические концентрации биорегуляторов в месте их действия весьма малы — но именно в месте их действия. Если же использовать природные регулирующие агенты в качестве лекарств, придется каким-то образом вводить их в организм извне. При этом часть вещества не дойдет до места назначения, а распадется в процессе доставки, как происходит со всеми лекарствами. Не уничтожит ли это обстоятельство преимущества, обусловленные малостью физиологических концентраций природных биорегуляторов?

«Обычное» лекарство (слева) и природный биорегулятор (справа)

До сих пор слово «пептиды» использовалось просто как обозначение одного из многих классов молекул-биорегуляторов — примерно так же, как мы говорим «собака», увидев симпатичное животное, дружелюбно помахивающее хвостом. Однако эксперт-собаковед не согласился бы с таким упрощенным подходом ко всему собачьему племени в целом. Ведь несмотря на то, что все собаки — родственники и относятся к одному и тому же виду Canis familiaris в зоологической классификации, их свойства могут быть совершенно различными.

Для химика аминокислоты, пептиды и белки — тоже родственники, и очень близкие. Их молекулы состоят всего из пяти типов атомов: углерода (С), азота (N), кислорода (О), водорода (Н) и, значительно реже, серы (S). Пептиды и белки представляют собой полимеры, то есть цепочки из нескольких мономерных единиц — как раз эти единицы и называются аминокислотами.

Пептиды, функционирующие в организме, построены, как правило, лишь из вполне определенных аминокислот вида:

Когда аминокислоты соединяются в цепочку (это происходит с выделением молекул воды), образуется типичный пептид:

Элемент CONH, называемый пептидной группой, или пептидной связью, повторяясь, образует остов молекулы (в дословном переводе с английского backbone — «костяк, скелет»), а различные типы атомных группировок, ответвляющиеся от остова и условно обозначенные буквами R₁, R₂, R₃, R₄... Rn называются боковыми цепями. Каждая боковая цепь имеет свою индивидуальность: в целом пептидная цепочка напоминает модные в свое время ожерелья из разноцветных и разнокалиберных кусочков пластмассы — тем более что молекула пептида иногда бывает замкнута в кольцо.

Разнообразие аминокислот, из которых образуются природные пептиды, не так уж велико: подавляющее большинство пептидов состоит всего из двадцати типов мономеров. Инструкция по включению в пептидную цепь именно этих двадцати аминокислот записана в молекулах нуклеиновых кислот, обеспечивающих передачу всей генетической информации об организме от поколения к поколению.

Нуклеиновые кислоты представляют собой, как уже говорилось, очень длинные полимеры, построенные из мономеров нуклеотидов. В свою очередь, нуклеотиды состоят из оснований, присоединенных к сахарам одного из двух типов — рибозы и дезоксирибозы. Именно сахара образуют полимерную цепочку — или из рибозы (рибонуклеиновая кислота, РНК), или из дезоксирибозы (дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК). Особые биохимические механизмы «прочитывают» каждые три нуклеотида, стоящие подряд в цепочке ДНК, и воспринимают эту информацию как приказ либо начать синтез белковой молекулы, либо выбрать из запасов организма какую-либо аминокислоту, либо завершить синтез. Соответствие между тройками нуклеотидов и выбираемыми аминокислотами устанавливает генетический код, открытие которого до сих пор можно смело считать самым большим достижением молекулярной биологии. А правилами этого кода предусмотрен выбор только упомянутых выше двадцати аминокислот.

Правда, в природных пептидах и белках иногда встречаются и другие аминокислоты. Но они, как говорят на молекулярно-биологическом жаргоне, не кодируются, а получаются в организме из аминокислот, уже включенных в состав пептидных молекул.

Такое сверхкороткое описание сложнейшей проблемы, официально называемой ни много ни мало «центральной догмой молекулярной биологии», может создать впечатление, что ее решение далось легко и просто. На самом же деле это потребовало многих лет труда, сотен, если не тысяч, изощренных экспериментов и немалых чисто человеческих разочарований, ибо об устройстве, например, генетического кода были выдвинуты десятки остроумнейших гипотез, а уцелела в результате лишь одна.

К тому же превращение этой гипотезы в общепризнанную (на уровне Нобелевской премии) теорию немедленно выдвинуло новую проблему: почему данная тройка нуклеотидов означает выбор именно данной аминокислоты? И тогда пришлось ставить новые эксперименты, придумывать новые гипотезы и так далее. Иными словами, в науке удачный ответ — это только повод для новых вопросов, и в этом смысле творческая жизнь научных работников отличается от бега белки в колесе лишь возможностью в случае успеха расширить размеры колеса.

Итак, пептиды — это цепочки аминокислот, выстроенные в ряд (его еще называют аминокислотной последовательностью). Зная, как организованы пептиды, мы тем самым знаем и химическую структуру белков, веществ, выполняющих в организме множество чрезвычайно важных функций — от обеспечения правильного течения биохимических реакций (например, большинство ферментов — белки) до использования в качестве строительного материала. По представлениям химика, белки — это точно такие же цепочки из тех же двадцати типов аминокислот остатков, но гораздо большей длины, чем пептиды. Обычно считается, что цепочка размерами где-то не более пятидесяти аминокислот — это еще пептид, а сверх того — уже белок.

Получение химически чистого пептида небольшой длины — пять, шесть, восемь аминокислот — в наши дни задача для студента-старшекурсника. Тем не менее синтез пептидов до сих пор считается одним из труднейших видов химического синтеза. Действительно, чтобы получить нужную последовательность, концевые группы каждой аминокислоты нужно сначала модифицировать (химики говорят «защитить»). Аминокислот — двадцать типов; вариантов групп, подлежащих защите при синтезе — не менее десятка; каждую из них приходится активировать особым образом; освобождать синтезированный пептид от висящих на нем защитных группировок также нужно каждый раз по-разному. Учитывая все это, сравнение химика, ведущего пептидный синтез, с гроссмейстером, разыгрывающим ответственную партию и просматривающим варианты на десятки ходов вперед, вовсе не будет гиперболой.

Такое лестное сравнение правомерно для пептидных химиков даже сейчас, когда уже изучены многие удобные для пептидного синтеза реагенты, защитные группы, условия реакций с участием различных аминокислот и тому подобное. А что же говорить о тех гигантах, которые воздвигли и продолжают строить небоскреб химии пептидов: от немецкого химика Эмиля Фишера, первым предположившего и доказавшего, что белки и пептиды состоят из аминокислот (второй в истории химии нобелевский лауреат — 1902 год), к швейцарскому ученому Винсенту Дю Виньо, осуществившему первый синтез девятичленного пептида окситоцина (Нобелевская премия 1955 года), и американскому синтетику Брюсу Меррифилду, придумавшему революционное усовершенствование — так называемый твердофазный синтез пептидов и белков (Нобелевская премия 1984 года). Здесь названы только трое; но за сто с лишним лет существования химии белков и пептидов на ее небосклоне сияло и продолжает сиять несколько десятков ярких созвездий по-настоящему выдающихся ученых.

Рекорд в длине пептидной цепочки, синтезированной в лаборатории, был поставлен в 1969 году: две группы американских химиков независимо друг от друга объявили о получении полной аминокислотной последовательности белка рибонуклеазы А (сто двадцать четыре аминокислоты) и почти полной последовательности рибонуклеазы S — сто четыре звена. Синтетический препарат рибонуклеазы А обладал 70-80 процентами биологической активности природного белка, но было вполне вероятно, что этот уровень активности обусловлен не «правильной» последовательностью, а несколько искаженными побочными продуктами синтеза (например, цепочками с пропуском одной или нескольких аминокислот).

Поэтому усилия пептидных химиков сосредоточились на разработке таких методов синтеза и разделения его продуктов, которые обеспечивали бы безусловную химическую чистоту и полную биологическую активность синтезируемых пептидов. Поначалу считалось, что в этом отношении твердофазный синтез Меррифилда, основанный на применении особого аппарата — полуавтоматического синтезатора, — уступает традиционным подходам. Первый биологически активный пептид — хорошо известный биорегулятор ангиотензин — был получен с помощью нового метода в 1965 году Гарландом Маршаллом, учеником Меррифилда. И нелицеприятная дискуссия о чистоте продукта началась при первом же выступлении Гарланда в Европе.

После успеха с рибонуклеазой А сомневаться в принципиальных способностях синтеза пептидов воспроизводить длинные аминокислотные цепи уже не приходилось. Синтез превратился из научной задачи в задачу технологическую, хотя и весьма сложную: в случае с рибонуклеазой А понадобилось провести триста шестьдесят девять химических реакций и еще тысяча сто тридцать одну вспомогательную операцию. Эта ситуация подтолкнула развитие методов аналитической химии, в первую очередь различных видов хроматографии, позволяющих найти и выделить все возможные соединения, содержащиеся в реакционной смеси — буквально отыскать иголку в стоге сена. Кроме того, на помощь пришла новая идея — микробиологический синтез белков. Синтез последовательностей нуклеотидов гораздо проще химического синтеза белков, так что синтезировать последовательность нуклеотидов, кодирующую аминокислотную последовательность какого-нибудь белка, сравнительно легко. Полученную нуклеиновую кислоту внедряют затем в организм бактерии (обычно используют кишечную палочку вида Escherichia coli), которая и начинает синтезировать требуемый белок.

Тем самым пептидные химики, уже болезненно пережившие однажды вторжение в свои ряды роботов-синтезаторов, вынуждены были признать, что в гонке за длиной пептидной цепочки их опередили микроорганизмы. По счастью, научные задачи пептидной химии этим не исчерпываются: всегда интересно провести синтез пептида при каком-нибудь необычном сочетании аминокислот в цепи, придумать новую, более удобную, защитную группу, применить новый эффективный реагент — за сто лет многое еще осталось неисследованным. Но проблему получения практически любой пептидной или белковой молекулы в химически чистом виде сегодня можно считать решенной.

Яйцо издавна служило символом жизни; во многих религиях оно представляется вместилищем силы, которая способна породить все живое. С возникновением христианства яйцо получило дополнительное значение: снаружи яйцо выглядит мертвым, но внутри его находится новая жизнь, которая выйдет из него. Поэтому и появился обычай дарить друг другу пасхальные яйца, зачастую окрашенные красным — цветом пролитой крови Христа. Пасхальное яйцо напоминает о том, что Иисус восстанет из Своего гроба и даст новую жизнь.

Здесь, однако, налицо противоречие: ведь пасхальные яйца сварены вкрутую, что полностью исключает зарождение в них живого организма. Воскресения не произойдет — во всяком случае, из такого яйца. А почему, собственно? Ведь химический состав главных компонентов яйца — белков — при кипячении не изменится. Даже пептидные связи не разорвутся при температуре 100 °С.

Значит, правильно выстроенной в линию последовательности аминокислот еще недостаточно для проявления биологических свойств белков или пептидов. Молекула белка в клетке должна иметь какое-то дополнительное свойство, которое и позволило бы ей выполнять свою биологическую функцию. Это свойство заключается в способности принимать вполне определенную пространственную структуру, называемую также конформацией. Более того, именно конформация молекулы белка определяет его функцию в клетке.

Змейка Рубика: кошка, кобра, собака

Некоторое представление о том, что такое конформация, можно получить на примере распространенной детской игрушки — змейки Рубика. Она составлена из двадцати четырех одинаковых элементов — призм треугольного сечения, — причем соседние призмы соединены шарнирами, которые позволяют поворачивать разные части змейки друг относительно друга. При определенном навыке из линейной змейки, вытянутой в длину, можно построить более сотни различных двумерных и трехмерных фигурок: кота, кобру или, скажем, собаку.

Каждая из этих фигурок — специфическая пространственная структура змейки Рубика. И каждая имеет свой смысл, несет свою информацию: кошку не спутаешь с коброй или с собакой. В линейной цепочке эта информация содержится лишь в скрытом виде; чтобы она проявилась, одномерную змейку надо свернуть в трехмерную структуру, притом организованную вполне однозначным образом.

В белковых последовательностях не двадцать четыре, а сотни элементов-аминокислот, и не одинаковых, а разных — двадцать возможных типов. И различных фигурок-конформаций из них можно представить себе десятки тысяч. Но удивительным образом в живой клетке для всех молекул белка с одной и той же аминокислотной последовательностью реализуется только одна уникальная пространственная структура. Именно по этой конформации данный белок «узнают» другие молекулы в клетке, и с этого узнавания начинаются все биохимические реакции с его участием.

Конформация, о которой идет речь — ее называют нативной, то есть естественной, — существует в определенных условиях: в водном растворе заданной кислотности при температуре обычно не выше 42-45 °С и нормальном давлении. Если же условия изменяются — например, температура повышается до уровня кипения воды, — изменяется и эта конформация; точнее, она ломается. Белковая цепочка принимает другие пространственные структуры, но они уже не способны выполнять биологические функции белка, потому что остальные молекулы клетки их не узнают. Налаженная система взаимодействий внутри клетки прерывается, и жизнь прекращается: из крутого пасхального яйца цыпленок не вылупится.

Рассказ о том, что биологические функции белков и пептидов связаны с их пространственной структурой, можно было начать еще раньше, когда речь шла об основах химии пептидов. Для этого схематическую формулу аминокислоты пептидной цепочки следовало переписать вновь, но уже чуть-чуть по-другому:

чтобы стало понятней, что центральные атомы углерода (С) обладают, как говорят химики, четырьмя заместителями, причем все заместители у них разные. Каждый из них присоединен к атому С стерженьком, символизирующим валентную связь.

Но расположены заместители вокруг центрального углерода не так, как это изображено в «плоской» схематической формуле. На самом деле они размещены не в плоскости, а в пространстве, по вершинам тетраэдра — четырехгранника с треугольными гранями, — в центре которого находится атом углерода. Если теперь, с учетом сказанного, представить себе, что треугольник H₂N—С—СООН лежит в плоскости книжной страницы, то боковая цепь R и атом водорода Н неизбежно должны выходить из нее. При этом возможны два варианта, которые выглядят как показано на рисунке ниже.

Эти варианты строения аминокислоты не отличаются друг от друга ни молекулярной массой, ни химическими особенностями, ни затратами энергии, необходимыми для их синтеза, — решительно ничем, кроме оптических свойств. И тем не менее в живой природе синтезируется исключительно одна из этих пространственных форм, именно первая из изображенных, называемая «левой» аминокислотой. Ее энантиомер, «правая» аминокислота, хоть и встречается изредка в природных пептидах и белках, но только как результат действия ферментов, меняющих местами группы R и Н уже после включения аминокислоты в пептидную цепь.

«Левые» и «правые» аминокислоты

Явление подавляющего преобладания в живых организмах одного из двух возможных энантиомеров молекул (помимо аминокислот, таким же свойством обладают, например, сахара, только они не «левые», а «правые») впервые было обнаружено великим микробиологом Луи Пастером еще в 1848 году и известно как молекулярная асимметрия. Это открытие поставило целый ряд вопросов, затрагивающих основы естествознания. Дело прежде всего в том, что молекулярную асимметрию в организме невозможно объяснить, исходя только из представлений физики и химии: успешное функционирование в живых системах лишь «левых» аминокислот (или «правых» сахаров) обусловлено эволюционным отбором, сугубо биологическим фактором, аналога которому не найти ни в физике, ни в химии. То есть молекулярная асимметрия есть одно из характернейших свойств живого; можно даже сказать, что лишь система, способная различать зеркальные энантиомеры молекул (по рисунку легко убедиться, что «правая» аминокислота есть зеркальное отражение «левой»), достойна того, чтобы считаться по-настоящему живой.

С другой стороны, первоначальные элементы живого, в том числе и аминокислоты, могли образоваться сами собой в мелководных лагунах при разряде молний в первичной атмосфере Земли; эксперименты, моделирующие такие «доисторические» условия, вроде бы подтверждают это. Однако аминокислоты, получающиеся в подобных опытах, представляют собой так называемый рацемат, смесь равных количеств «левого» и «правого» энантиомера. Чтобы отобрать какой-либо один сорт из этой смеси, необходимо использовать молекулярную систему не менее сложную, чем простейший живой организм. Такая необходимость окончательно замыкает порочный круг типа «для зарождения живого требуется наличие живого», который может быть разорван теперь только за счет дополнительного предположения. Но какого: о чем-то или все же о Ком-то?

Вот в какие дебри, и вовсе не только биологические, а общефилософские, может завести упоминание об асимметрии биологических молекул. Но мы лишь еще раз подчеркнем, что молекулярная машина организма использует для своего нормального жизненного цикла энантиомеры строго определенного типа, то есть является, как принято говорить, стереоспецифичной. При этом стерео-специфичным в ней оказывается также и чрезвычайно эффективное воспроизводство энантиомеров. А между тем жесточайшим врагом пептидных химиков считается высокая степень самопроизвольного перехода тщательно отобранных «левых» энантиомеров аминокислот в их «правую» форму просто как следствие их включения в пептидную цепь.

Короче говоря, пространственное строение белковой молекулы играет важную роль для проявления ее биологических функций уже в силу наличия в ней асимметрических центров — атомов углерода, принадлежащих «левым», а не «правым» аминокислотам. Но это не единственный и даже не самый главный источник трехмерности структуры белков и пептидов. Основной вклад в создание пространственных форм их молекул вносит возможность внутримолекулярного вращения отдельных частей молекулы друг относительно друга, причем осями вращения могут служить так называемые одинарные валентные связи. Допустимы, например, внутренние вращения вокруг трех валентных связей, исходящих из центрального углеродного атома (N — С; С — С и С — R). Валентные структуры различных типов боковых цепей R тоже содержат одинарные связи, и, соответственно, подобные вращения происходят и в боковых цепях.

Понятно также, что эти рассуждения справедливы только по отношению к довольно примитивной модели молекулы, где атомы представлены шариками разного диаметра, а одинарные валентные связи — твердыми стерженьками. В действительности — то есть в модели следующего, квантового уровня — атомные ядра окружены электронными «облаками», которые, перекрываясь, создают связи между атомами в молекуле. Разрыв этих связей — необходимое условие химической реакции, создающей новую молекулу. Но если ограничиться изучением процессов узнавания молекулами в клетке друг друга, упрощенная модель белковой молекулы оказывается достаточной.

Такая модель действительно напоминает змейку Рубика, «молекулярный шарнир», способный изгибаться в пространстве, образуя разнообразнейшие трехмерные структуры. Длинная белковая цепочка, как уже говорилось, существует в клетке лишь в одной стабильной конформации, которая необходима для выполнения биологической функции белка. Однако для сравнительно коротких пептидов это не так: они могут принимать несколько устойчивых пространственных форм. Тем не менее пептидам удается играть роль природных биорегуляторов — а ведь молекулы в клетке узнают друг друга именно по вполне определенной пространственной структуре. Разрешение этого и многих других противоречий оказалось невозможным без использования теоретического конформационного анализа — подхода, в развитии которого приняла когда-то участие и наша группа молодых энтузиастов.

К началу шестидесятых годов прошлого столетия ученые, изучающие молекулы, замороженные до кристаллического состояния, добились выдающегося успеха. Английские кристаллографы и биофизики Макс Перутц и Джон Кендрью установили пространственное строение миоглобина и гемоглобина — важнейших белков, обеспечивающих хранение и транспортировку кислорода в крови. Они использовали рентгеноструктурный анализ — процесс, включающий выращивание кристаллов белков, облучение их потоком рентгеновских лучей и тщательное изучение картины отражения этих лучей от атомов белковых молекул. Оба белка представляли собой совокупности так называемых альфа-спиралей, регулярных структур, в которых каждый четвертый аминокислотный остаток сближен друг с другом. Положение атомов в пространстве было определено с точностью до ангстремов — стомиллионных долей сантиметра. Нобелевскую премию за эту работу Кендрью и Перутц получили в 1962 году.

С тех пор рентгеноструктурная кристаллография добилась колоссальных успехов: трехмерные структуры тысяч белковых молекул уже расшифрованы с помощью этого подхода. Однако против него всегда выдвигалось принципиальное возражение о том, что белок, замороженный в кристалле, может иметь иную пространственную структуру по сравнению с тем же белком в растворе — то есть в организме. Метод же, позволяющий построить конформацию белка вне кристалла по изменениям определенных параметров его атомов под воздействием сильного магнитного поля — ядерный магнитный резонанс (ЯМР), — в те времена был применим лишь к небольшим молекулам. Но после кардинального усовершенствования метода, отмеченного Нобелевской премией 2002 года (Курт Вютрих), трехмерные структуры белков в растворе стало возможным восстанавливать с высокой точностью — и они оказались схожими со структурами тех же белков, полученными рентгеноструктурной кристаллографией. А совсем недавно появился новый подход к проблеме, так называемая криоэлектронная микроскопия: растворы белков замораживают и рассматривают под электронным микроскопом. При этом весьма трудоемкий этап выращивания подходящих для рентгеноструктурного анализа кристаллов исключается, но точность определения положений атомов белков снижается; в самых последних работах, однако, она уже достаточно высока для построения надежных моделей белковых молекул.

Пространственная структура миоглобина, определенная рентгеноструктурным анализом (индекс 1MBN). Слева: схематическое изображение, показывающее ориентацию спиралей; справа: изображение, где однотипные атомы представлены как шарики одного и того же диаметра и того же оттенка

Казалось бы, рентгеноструктурный анализ может без особого труда восстанавливать пространственные структуры молекул пептидов, длина цепочек которых в десятки, а то и в сотни раз меньше, чем у белков. Но нет — выяснилось, что гораздо легче определить пространственное строение длиннейшей белковой молекулы, чем коротенького пептида.

Для понимания этого парадокса вновь обратимся к модели молекулы, состоящей из твердых шариков-атомов, насаженных на жесткие стержни — валентные связи. Атомы внутри молекулы способны взаимодействовать друг с другом — притягиваться и отталкиваться; в первом приближении можно считать, что все пары атомов, которые не связаны жесткими валентными связями, соединены слабыми пружинками. Эти взаимодействия заставляют отдельные части молекулы вращаться вокруг одинарных связей в поисках такого положения, когда межатомные внутримолекулярные пружинки в сумме уравновесят одна другую и конформация молекулы станет устойчивой. Подобные вращения зависят еще и от взаимодействия с соседними молекулами, например с молекулами растворителя.

С увеличением длины цепочки растет и число одинарных связей, то есть возможностей внутримолекулярного вращения; в принципе, чем больше молекула, тем большее количество конформаций для нее может быть доступно. Мерой устойчивости конформаций служит суммарная внутримолекулярная энергия (скажем, степень натяжения межатомных пружинок). Чем ниже уровень такой энергии для молекулы в данной конформации, тем больше вероятность того, что молекула будет существовать в этой конформации. Так вот, молекулы очень многих белков, обладая огромным количеством возможных внутримолекулярных вращений, тем не менее устроены так, что какой-то одной из конформаций — нативной — соответствует энергия гораздо более низкая, чем энергии всех других потенциально устойчивых пространственных структур той же молекулы.

Эта конформация, кроме того, удовлетворяет принципу плотной упаковки, согласно которому в реальных глобулах (еще одно название пространственных структур белков) как можно больше атомов стремятся расположиться поближе друг к другу, а точнее — на взаимных расстояниях, соответствующих максимальным степеням сжатия наших гипотетических межатомных пружинок. В понижение общей внутримолекулярной энергии вносит свой вклад, пусть и очень небольшой, каждая пара взаимодействующих атомов. А поскольку число пар взаимодействий в белке велико, суммарный эффект будет значительным: конформация, более других соответствующая принципу плотной упаковки, окажется в самом выгодном положении. Если же подобных пар мало — как в относительно небольшом пептиде, — то общее понижение энергии не сможет выделить «плотноупакованную» конформацию из прочих, и, следовательно, молекула пептида имеет больше шансов существовать в виде нескольких практически равноправных конформаций. Именно это ограничивает возможности рентгеноструктурного анализа пептидов: понятно, что гибкую молекулу пептида гораздо труднее «заморозить» в кристаллическом виде. И действительно, данных о конформациях пептидов в кристалле сравнительно немного.

С другой стороны, молекула пептида в растворе может постоянно — и быстро — переходить из одной равноправной конформации в другую, а множество пептидных молекул в растворе могут одновременно принимать разные конформации. Поэтому любой экспериментальный метод, измеряющий, например, расстояние между какими-то атомами молекулы в растворе, на выходе даст лишь усредненную величину, которая, вообще говоря, может не относиться ни к одной из этих конформаций в отдельности. (Сходный эффект использует оптический обман, именуемый кинематографом: кадры сменяются так быстро, что мы видим на экране плавный полет птицы, хотя на пленке запечатлены лишь прерывистые отдельные моменты этого полета.)

Этого недостатка экспериментальных методов лишены методы теоретические, расчетные — надо лишь научиться вычислять значения внутримолекулярной энергии, соответствующие каждой из возможных конформаций молекулы. Конформации, обладающие наиболее низкими энергиями, могут считаться наиболее устойчивыми, а конформации с высокими значениями энергии имеют малую вероятность осуществиться, и их можно исключить из рассмотрения. В результате получится не одна «усредненная» пространственная структура, а целый набор стабильных низкоэнергетических конформаций пептидной молекулы. Каждая из них может, в принципе, реализоваться в растворе и внести свой вклад в измеряемую «усредненную» структуру.

Процедура такого расчета и есть теоретический конформационный анализ — наконец-то этот термин получает объяснение, — или, как его иначе называют, конформационные расчеты. Для его проведения не нужны громоздкие и весьма дорогостоящие экспериментальные установки, которые даже в наши дни производятся не массовыми сериями, а по штучным заказам. Нужен лишь компьютер, устройство, достаточно широко распространенное уже полвека назад. Правда, по мощности и быстродействию тогдашние компьютеры были сравнимы разве что с чипами, встроенными в сегодняшние наручные часы.

С таким-то оборудованием некоторые отчаянные головы в разных странах взялись почти одновременно и независимо друг от друга за расчеты внутримолекулярных энергий конформаций аминокислот, пептидов и белков. Предстояло не только разработать удовлетворительные методы вычисления энергии в отдельной конформации, но и справиться с огромным — в перспективе — объемом таких вычислений. Для десятичленного пептида, например, число в принципе возможных конформаций оценивается как 10¹⁰ (прописью: десять миллиардов). Теоретический конформационный анализ обязан либо уметь рассчитать энергию каждой из них, либо объяснить, почему данная конформация исключена из рассмотрения.

Минимальный участок змейки Рубика, позволяющий сделать линейную цепочку трехмерной, — это две жесткие призмы, соединенные шарниром. Точно так же минимальный фрагмент пептидного остова, способный к конформационным изменениям, — аминокислотный остаток, две пептидные группы, соединенные центральным атомом углерода (его еще называют С^α; символ С^β обозначает первый из атомов боковой цепи).

Схематическое изображение типичного аминокислотного остатка

В этом фрагменте может быть лишь два угла вращения: вокруг связей N — С (φ) и С^α — С (ψ); связь С — N не одинарная, а так называемая полуторная, и угол вращения вокруг нее почти всегда равен 180°, что обеспечивает максимальное удаление двух атомов С^α, входящих в состав пептидной группы. Повороты соседних элементов змейки Рубика друг относительно друга ограничены возможностями шарниров между ними; взаимные вращения соседних пептидных групп тоже ограничены. Рассчитав сумму энергий взаимодействий между всеми атомами аминокислотного остатка, можно построить его конформационную карту — таблицу значений внутримолекулярной энергии для каждой пары значений углов поворота φ и ψ.

Первая такая карта была рассчитана в 1963 году в Индии группой под руководством Г. Н. Рамачандрана для как можно более простой модели молекулы. Предполагалось, что атомы-шарики абсолютно твердые, а длины валентных связей и величины валентных углов фиксированны; вычисления проводились на обыкновенном настольном калькуляторе. На «карте Рамачандрана» фигурировали лишь два типа конформаций аминокислотного остатка (они же пары величин φ и ψ): «запрещенные» (сферы хоть одной пары шариков пересекаются) и «разрешенные» (ни одного пересечения нет).

Несмотря на все упрощения, карта хорошо объясняла известные к тому времени данные рентгеноструктурного анализа. Именно точки, соответствующие парам углов φ и ψ, полученным по атомным координатам белков и пептидов, найденным в эксперименте, ложились в «разрешенные», а не «запрещенные» области карты Рамачандрана. Правда, по мере появления новых экспериментальных пространственных структур белков стало ясно, что некоторые точки попадают и в «запрещенные» области. Но прецедент был создан: было показано, что даже грубые и заведомо неточные расчеты в какой-то степени отражают реальные конформационные возможности белков.

Уточнения модели начались с того, что взаимодействие между парами атомов («пружинка») было представлено в виде функции, зависящей от межатомного расстояния («потенциальная функция»). Эта функция должна была иметь максимум при минимальном расстоянии — когда твердые шарики перекрылись бы, — переходить к нулевому значению на больших расстояниях и иметь слабый минимум где-то в промежутке. Параметры функции зависят от типа пары взаимодействующих атомов и могут быть определены либо эмпирически, по физическим свойствам газов и кристаллов, либо получены из подробных квантовомеханических расчетов.

Эмпирическая потенциальная функция энергии взаимодействия пары атомов, где r — расстояние между атомами, δ — расстояние, меньше которого начинается отталкивание атомов (шарики перекрываются), и ε — минимальное значение энергии

Последний способ, вообще говоря, более оправдан с точки зрения физики, поскольку использует более глубокие уровни строения атомов и молекул. Но неожиданным образом конформационные карты, построенные с использованием квантовых расчетов (по необходимости упрощенных), содержали низкоэнергетические («разрешенные») области, в которые значения углов φ и ψ, найденные в эксперименте, попадали крайне редко. Карты же, вычисленные с помощью эмпирических потенциальных функций, согласовались с экспериментом гораздо лучше.

Это обстоятельство постоянно беспокоило квантовых химиков, работающих с пептидными молекулами, и вызывало их споры с «эмпириками». В середине девяностых я был на небольшом симпозиуме в Иерусалиме, где познакомился с профессором Шнеиром Лифсоном и его учеником Майклом Левиттом (будущим Нобелевским лауреатом). Лифсон был химиком с широким спектром научных интересов, в число которых входило и исследование межатомных взаимодействий в биологических молекулах. В этом направлении работал еще один ученик Лифсона, Арни Хаглер, предложивший, в частности, новый квантовохимический набор межатомных потенциальных функций, не улучшивший, однако, соответствие расчетной конформационной карты и данных рентгеноструктурного анализа. Но это обстоятельство его не смутило: он полагал, что новые экспериментальные результаты — когда-нибудь в будущем — подтвердят расчеты, основанные, в конце концов, на совершенно правильных теоретических соображениях. На этом месте я не удержался и ляпнул сдуру, что как человек, выросший при советской власти, я постоянно слышал рассуждения о теоретической безупречности коммунистического учения, которое должно было привести к светлому будущему — но только вот будущее это все никак не наступало... Аудитория похихикала, но с Арни я с тех пор не виделся и не разговаривал — а ведь когда-то он довольно дружелюбно воспринял идею (так и не осуществившуюся) о моей работе в основанной им компании.

Конформационные карты аминокислотных остатков были получены несколькими группами в разных странах на основе различных типов эмпирических потенциальных функций. Наша группа использовала слегка модифицированные потенциалы, предложенные Валерием Григорьевичем Дашевским, соратником известного кристаллографа Александра Исааковича Китайгородского. И хоть нам приходилось придумывать всякие программистские трюки для ускорения процесса счета на электронно-вычислительной машине «Минск-22» и дежурить при ней по ночам — техника безопасности: а вдруг загорится? — процесс пошел. Первым результатом была карта, на которой все значения внутримолекулярной энергии оказались равны нулю. Но нас обрадовало и это, потому что количество нулей было правильное — сто сорок четыре, двенадцать на двенадцать, перебор всех пар значений углов с интервалом в тридцать градусов. «День первых нулей» мы отмечали впоследствии как свой профессиональный праздник по образцу Дня танкиста или Дня работника пищевой промышленности. А когда ошибку исправили, рассчитанные нами карты в основном совпали с картами других исследователей из США, Италии, Бельгии, Индии и Советского Союза. Мы стали членами клуба.

Конформационные карты аминокислотных остатков были хорошим началом — они не противоречили уже имеющимся экспериментальным данным. Но ценность любой теории не столько в умении объяснить уже известное, сколько в возможности успешно предсказать результат эксперимента. В этом, собственно говоря, и заключается основная цель драг-дизайна — предсказать биологические функции молекулы еще до проверки их на практике.

Функции молекул в клетке, особенно пептидных и белковых, зависят от их пространственных структур. Если теоретический конформационный анализ научится надежно предсказывать такие структуры, значительный (и необходимый!) шаг на пути к направленному драг-дизайну пептидных биорегуляторов будет сделан. Членам интернационального клуба конформационных карт это было очевидно с самого начала — но их останавливала тогдашняя неполнота физических моделей молекул, начиная с неточности потенциальных функций межатомных взаимодействий и еще более приблизительного учета взаимодействий с растворителем. Отважиться на проведение конформационного расчета полной молекулы реального пептида с тем, чтобы найти все его стабильные конформации, могли лишь авантюристы. И такие появились — в нашем лице.

Объектом исследования был выбран брадикинин, линейный пептид с последовательностью из девяти аминокислот. Брадикинин расслабляет сосуды и тем самым снижает давление крови; он же участвует в биохимических реакциях при воспалениях и проявлениях боли. Нас, однако, привлекли не его биологические свойства, а сравнительно ограниченные конформационные возможности его пептидного остова.

Рассчитанные заранее конформационные карты показали, что полный конформационный расчет брадикинина должен проанализировать как минимум пятьсот семьдесят шесть пространственных структур пептидного остова; для девятичленного пептида иной последовательности их могло бы быть порядка двадцати тысяч. Пять-шесть сотен — это тоже очень много: ведь каждую из таких конформаций следовало выбрать как начальную точку расчета межатомной энергии. Между тем при наших вычислительных ресурсах этот процесс занимал несколько часов лишь для одной конформации брадикинина. Позволить себе десятки, а то и сотни суток непрерывного счета мы не могли.

Вместо этого пришлось придумать новое упрощение — предположение, что взаимодействия аминокислот, отдаленных в пептидной последовательности друг от друга, менее влияют на конформационную стабильность молекулы в целом, чем взаимодействия отдельных фрагментов, входящих в эту последовательность. Иными словами, в первом приближении можно попытаться составить возможные конформации молекулы брадикинина, комбинируя наборы стабильных конформаций его фрагментов, — а рассчитать энергии этих наборов гораздо легче. Таким способом можно также удлинять цепочку: начать, например, с тетрапептида 1-4, затем скомбинировать его низкоэнергетические конформации со стабильными структурами тетрапептида 2-5 и провести расчет конформационных энергий пентапептида 1-5, потом добавить конформации фрагмента 3-6 и так далее. Для молекул белков, где пространственная структура зачастую определяется взаимодействиями остатков, далеко отстоящих друг от друга в аминокислотной последовательности, этот подход не годится; но для сравнительно небольших пептидов он может быть правомерен.

Полный конформационный расчет брадикинина показал возможность существования всего нескольких низкоэнергетических конформаций молекулы. Все они характеризовались резким изломом в центре пептидного остова; у некоторых к тому же боковая цепь первого в цепи аминокислотного остатка (заряженная положительно) и группа, замыкающая остов молекулы (заряженная отрицательно), близко подходили друг к другу. Оказалось, таким образом, что линейный пептид брадикинин может образовывать квазициклические конформации. Расчетная стабильность этих структур сохранялась и при нейтрализации заряженных групп, а также при введении в рассмотрение растворителя. Это была маленькая сенсация: мало того что никто в мире до тех пор не осуществил конформационный анализ пептида такой величины, было предсказано еще и новое свойство линейных пептидов — способность к самопроизвольной квазициклизации.

Главная же сенсация, однако, заключалась не в наших предсказаниях — мало ли что болтают теоретики, — а в том, что они были подтверждены независимым экспериментом. Одновременно с нашей работой московские ученые (Вадим Тихонович Иванов с сотрудниками) провели целый ряд экспериментальных измерений конформационных характеристик молекулы брадикинина. Их общий вывод был следующим: в конформационном равновесии брадикинина в растворе действительно присутствуют структуры изогнутой или псевдоциклической формы со сближенными концами пептидной цепи.

Тем самым квазициклическая модель пространственной структуры брадикинина получила право на существование, и о ней было доложено на весьма авторитетном форуме — четвертом Американском пептидном симпозиуме в Нью-Йорке. В выступлении Иванова, кроме экспериментальных, были использованы и наши расчетные данные. Текст доклада в «Трудах симпозиума» был завершен фразой: «Более того, открыт новый принцип пространственной организации линейных пептидов, согласно которому молекулы образуют циклы благодаря ионному взаимодействию ионогенных групп, расположенных на противоположных концах молекулы».

Вообще-то дело было не только в том, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу: такое притяжение лишь закрепляет и без того сближенные части молекулы. Но как раз гипотетическое наличие «ионной связи» между концами молекулы и подверглось наиболее ожесточенным нападкам противников новой идеи квазициклизации, многие из которых попросту не могли себе представить, как это линейная пептидная цепочка вдруг примет циклическую форму.

Сразу нашлось и резонное возражение: в водном растворе, этой естественной «среде обитания» пептидных биорегуляторов, заряженные группы окружены плотной оболочкой из молекул воды, и поэтому их взаимодействие резко ослаблено; следовательно, молекулярные квазициклы в воде должны разваливаться. Появились и новые экспериментальные работы по конформациям брадикинина, вроде бы противоречащие данным доклада в Нью-Йорке, — как всегда, новая идея вызвала весьма разноречивые отклики.

Нужен был решающий эксперимент, призванный либо окончательно подтвердить, либо окончательно опровергнуть модель квазициклического строения брадикинина. И здесь центр тяжести событий переместился в Ригу, в лабораторию пептидного химика Гунара Чипенса. Предложение рижан было простым и, пожалуй, даже очевидным: заменить «ионную связь» на обыкновенную валентную и проверить, будет ли получившаяся молекула — циклический аналог — обладать биологической активностью брадикинина. Соответствующий циклоаналог был синтезирован, и его биологические испытания показали, что при введении в кровь крыс он действовал, как и природный брадикинин, — снижал давление крови, но не на протяжении нескольких секунд, а в течение более чем трех часов. Зато он не продемонстрировал никакого влияния на изолированный орган (кишка крысы), обычно реагирующий на брадикинин. (О современных испытаниях на культурах клеток или на изолированных рецепторах в те времена можно было только мечтать.)

Расчетная конформация брадикинина (сверху) и схематическое изображение циклобрадикинина (снизу). В рисунке использованы условные трехбуквенные обозначения аминокислот

Вариант молекулярного моделирования, разработанный нашей группой, относился к так называемой молекулярной механике. Пептидная молекула, состоящая из шариков-атомов, соединенных стерженьками — валентными связями, и в самом деле не слишком отличалась от чисто механической системы — той же змейки Рубика. Это сходство подчеркивалось еще и тем, что набор в принципе возможных трехмерных структур молекулы задавался извне комбинациями заранее вычисленных низкоэнергетических конформаций аминокислотных остатков. Точно гак же любые допустимые пространственные структуры змейки могли быть образованы лишь фиксированными поворотами шарниров, соединяющих ее фрагменты.

Перебрать таким способом конформации небольшой пептидной молекулы — и не пропустить самые низкоэнергетические из них — можно, но для длинных белковых цепочек этот подход не подойдет из-за астрономического количества возможностей, которые надо будет учитывать. С другой стороны, в случае белка заранее известно, что нас интересует только одна конформация — нативная, та, в которой белок с данной аминокислотной последовательностью существует в растворе. Только она обеспечивает биологическую функцию белка, и задача теоретического конформационного анализа белков состоит в том, чтобы отыскать именно эту конформацию.

Известно, кроме того, что многие белки обладают способностью к так называемой ренатурации, самопроизвольному восстановлению пространственной структуры. Белковая молекула может свернуться в нативную конформацию сама по себе, под влиянием главным образом своих собственных внутримолекулярных взаимодействий. А раз так, к чему сложные алгоритмы перебора конформационных возможностей белков: достаточно задать хоть какие-то начальные координаты атомов молекулы — и их взаимодействия должны привести к нативной пространственной структуре. Подход, основанный на таких соображениях, получил название молекулярной динамики.

Математическое воплощение процесса молекулярной динамики сводится к решению системы уравнений Ньютона (того самого, из средней школы), описывающей движения каждого атома во времени под воздействием сил притяжения и отталкивания его соседей. Движения всей молекулы можно представить себе как некую траекторию, проходящую по энергетическому ландшафту — по «долинам» и «оврагам» с относительно низкой энергией и «перевалами» между ними. В таком представлении нативная конформация белковой молекулы будет находиться на дне самой глубокой впадины этого ландшафта. Чтобы достичь ее, надо научиться преодолевать «перевалы», встречающиеся по пути, и не застревать в промежуточных «долинах» и «оврагах». Для этого в уравнениях движения учитывается не только потенциальная энергия взаимодействия атомов, но и кинетическая составляющая, зависящая от условной температуры молекулярной системы. При увеличении температуры вероятность изменить состояние системы атомов — перескочить через «перевал» — значительно возрастает.

Многие алгоритмы, «подталкивающие» систему к состоянию с наименьшей энергией, были предложены вовсе не для биологических молекул. При создании атомной бомбы, например, для расчетов рассеяния нейтронов использовался метод Монте-Карло. Его идея заключалась в том, что случайное изменение состояния системы нейтронов принимается или отвергается в качестве последующего шага на траектории энергии в зависимости от вероятности понижения энергии системы. И не только нейтронов — системы любых объектов, энергия которой может быть вычислена. И даже не только энергия, но и другие величины — метод Монте-Карло применяется сейчас в самых различных областях, от чистой математики до исследований глобального потепления.

Но молекулярная динамика, тоже позволяющая, в принципе, изучать изменения систем любых объектов, все же началась с конформационных расчетов биологических молекул. Молодые исследователи Майкл Левитт и Арье Уоршел предельно упростили модель панкреатического ингибитора трипсина и, стартовав из полностью вытянутой конформации, получили в результате свернутую структуру, более или менее близкую к пространственной структуре этого пятидесятивосьмичленного белка, обнаруженной ранее рентгеноструктурным анализом. Они же предложили совершенно новый подход к расчетам конформаций ферментов, разрывающих валентные связи других молекул в биохимических реакциях. Энергия ближайшего атомного окружения этих связей, включая атомы фермента, рассчитывалась квантово-механическими методами, а более далекие взаимодействия учитывались с помощью эмпирических потенциальных функций.

Все это происходило в те же годы, когда разворачивалась наша брадикининовая эпопея. И так же, как и у нас, главной проблемой был недостаток вычислительных ресурсов. Правда, в Институте Вейцмана в Израиле, где работали тогда Левитт и Уоршел, уже построили очень мощный по тем временам компьютер, названный «Големом» — по имени робота, созданного, по преданию, в еврейском квартале Праги в шестнадцатом веке. Но, конечно, с современными гигантами «Голем» сравниться не мог. Через сорок лет Левитт вспоминал:

«Тот компьютер располагал памятью в 300 килобайт, примерно одной десятитысячной памяти теперешнего смартфона. Расчеты, на которые тогда затрачивалось 18 минут, сейчас могут быть выполнены за 0,18 секунды на стандартном лаптопе».

Первые компьютерные программы молекулярной динамики продемонстрировали принципиальную возможность свернуть белковую молекулу не в случайный клубок, а в структуру, похожую на нативную. Но они не были предназначены для использования другими группами при решении более широкого круга проблем информационного анализа. Требовалось разработать вычислительный инструмент — пакет программ, оснащенный универсальным набором потенциальных функций атом-атомных взаимодействий, надежными алгоритмами решения систем уравнений движений атомов и удобными способами вычисления конформационной энергии. Несколько лабораторий в разных странах взялись за эту задачу; одной из наиболее успешных оказалась группа Мартина Карплуса в Гарвардском университете в США.

К тому времени профессор Карплус уже был известным специалистом в теоретической органической химии, автором «уравнения Карплуса», описывающего зависимость некоторых величин, измеряемых методом ядерного магнитного резонанса, от значений углов поворотов вокруг валентных связей. Заинтересовавшись молекулярным моделированием, он собрал вокруг себя единомышленников, и за несколько лет они написали пакет программ для конформационных расчетов, который назвали CHARMM — сокращение от Chemistry HARward Molecular Mechanics. Слово chemistry — «химия» — было добавлено чуть позже — вначале пакет назывался HARMM, что могло ассоциироваться с harm, «ущерб»; новое же название напоминало слово charm — «обаяние».

Первым белковым объектом, конформационную энергию которого рассчитал CHARMM средствами молекулярной динамики, стал все тот же панкреатический ингибитор трипсина. Однако даже этот первый расчет пришлось выполнять в Европе — в США компьютеры требуемой мощности имелись тогда, в 1977 году, только у военных. Поэтому Дальнейшее применение нового пакета было ограничено — до тех пор, пока не наступила компьютерная революция.

Она не стала неожиданностью: многие предвидели, что компьютеры сделают рывок вперед как в отношении элементной базы (микрочипы вместо транзисторов), так и в общей архитектуре (параллельное использование ресурсов). Собственно, разработчики программ молекулярного моделирования и рассчитывали на такое развитие событий, поскольку детальный конформационный анализ белковых молекул по-прежнему оставался недоступным из-за огромных объемов необходимых вычислений. Чтобы обойти эти затруднения, придумывались изощренные схемы расчетов, различные приближения энергии внутримолекулярного взаимодействия и другие искусственные приемы — но революция в развитии компьютеров стала главной движущей силой прогресса в молекулярном моделировании. Тот же Майкл Левитт охарактеризовал ее так:

«Если бы автомобили совершенствовались так же быстро, как компьютеры, новая машина “Вольво” стоила бы сегодня три доллара, развивала скорость до миллиона километров в час, вмещала пятьдесят тысяч человек и при этом могла бы запарковаться на пятачке».

Сильней трясти надо?

Нобелевская премия 2013 года подтвердила значение молекулярного моделирования как одного из важнейших методов изучения пространственных структур белков и пептидов. Такие исследования важны и для драг-дизайна; однако конструирование молекул, имитирующих действие природных биорегуляторов — особенно пептидных биорегуляторов, — не ограничивается только компьютерным моделированием. Чтобы придать пептиду черты настоящего лекарственного средства, приходится применять самые различные приемы.

В незапамятные уже советские времена был такой фильм «Испытание верности», а в нем — любимая народом песня композитора Исаака Дунаевского и поэта Михаила Матусовского со строчкой: «Под вечер запели гармони, и стал небосвод голубым...». Но отдельные юные балбесы, вроде будущего автора этой книги, посмеиваясь, читали ее как «Под вечер запели гормоны...», поскольку речь там шла о парне, отправившемся на свидание с девушкой, а мы краем уха слыхали, что гормоны как-то связаны с сексуальной активностью.

На самом же деле термин «гормоны» (от греческого «хормонос» — «движущие силы») объединяет широкий класс биорегуляторов различного химического строения. В организме гормоны производятся (или «секретируются» — еще один термин) специализированными органами: поджелудочной железой, щитовидной железой, гипофизом и другими. Вместе они получили название «железы внутренней секреции», а направление медицины, изучающее их работу и заболевания, назвали эндокринологией (приставка «эндо» означает «внутри» все на том же греческом).

Писатель Василий Аксенов, врач по образованию, блестяще обыграл когда-то эти медицинские термины. В его романе «Скажи изюм» за вольнодумцами-фотографами неотступно наблюдают сотрудники «желез идеологической безопасности» — вместо ожидаемых читателем «органов государственной безопасности». Они приставлены к вымышленному Союзу фотографов СССР, чтобы регулировать его деятельность и не допускать разброда и анархии. Следят за порядком среди фотографов сотрудники штатные, уже существующие внутри «желез», и внештатные, вербуемые из разных слоев населения.

Гормоны, которые выделяются железами внутренней секреции и затем добираются до той точки организма, где они должны проявить свое действие, — это, конечно, аналогия штатных сотрудников. Таковы стероидные гормоны, регулирующие, среди прочего, те функции организма, от которых зависит различие между двумя половинами рода человеческого. (Так что юные балбесы были не так уж и неправы.)

К гормонам относятся также некоторые пептидные биорегуляторы. Типичный пример — пептидный гормон окситоцин, состоящий из девяти аминокислот; первые шесть образуют цикл, замкнутый валентной связью между боковыми цепями, к которому добавляется «хвост» еще из трех аминокислотных остатков. Окситоцин секретируется в кровь из гипофиза и немедленно подхватывается специальным носителем, белком под названием нейрофизин. В комплексе с этим белком он проплывает долгий путь по кровяному руслу (гипофиз расположен вблизи головного мозга) и, прибыв к месту действия, освобождается от носителя. А место его действия — гладкие мышцы, в частности мускулатура матки.

В то же время большая группа пептидных биорегуляторов не секретируется никакими железами: они образуются (вербуются?) прямо в крови или в тех тканях и органах, где необходимо их действие. Такие биорегуляторы называются кининами, или тканевыми гормонами; их «обработкой» занимаются ферменты пептидазы. Как следует из названия, эти белки охотятся за себе подобными: они разрывают пептидные связи между аминокислотными остатками в последовательностях других белков. В результате образуются небольшие обрывки белковой цепи, которые часто выполняют роль кининов.

Хорошо известен, например, «жизненный цикл» ангиотензина, восьмичленного кинина, регулирующего уровень давления крови. В плазме крови находится синтезируемый где-то в недрах организма белок ангиотензиноген («белок-предшественник»), первые восемь аминокислотных остатков которого и составляют ангиотензин. До поры до времени с ангиотензиногеном не происходит ничего плохого: лишь трипсин, фермент довольно-таки неразборчивый, может отрезать от его молекулы первые четырнадцать аминокислот.

Ферменты-пептидазы

Циклические пептиды, как природные, так и синтетические, вообще более приспособлены к тому, чтобы сопротивляться пептидазам. Кое-какие из них способны даже избежать разрушения при прохождении через желудочно-кишечный тракт, то есть лекарственные средства на их основе могли бы быть даже таблетками. Недавняя статья перечисляет более пятидесяти типов таких циклопептидов — от четырех- до четырнадцатичленных.

В то же время, как показали конформационные расчеты, не только брадикинин, но и многие другие линейные пептиды могут обладать квазициклическими конформациями в растворе. К ним относится тот же ангиотензин; несколько групп химиков синтезировали различные циклические аналоги этого пептида. Циклизация была, как правило, внутренней: пары аминокислотных остатков в пептидной цепочке заменялись таким образом, чтобы их боковые цепи могли вступать в химическую реакцию с образованием валентной связи. Существенно, что замены выбирались не только из стандартных двадцати аминокислот: новые остатки могли быть и неприродными, специально изготовленными для этой цели.

Большинство из нескольких десятков синтезированных циклических аналогов ангиотензина утратили активность, но некоторые ее сохраняли. Термин «активность» здесь, впрочем, обозначает не реальную физиологическую активность аналога ангиотензина — например, сокращение кровеносных сосудов, — а лишь его способность быть узнанным соответствующими участками клеточных мембран. Эти участки содержат специфические для данного пептида рецепторы — белки, о которых в дальнейшем будет говориться подробно. Уровень связывания аналога со своим рецептором можно измерить и сравнить с таким же уровнем для природного пептида: если аналог плохо связывается с рецепторами, то и проявлять биологическую активность он не будет.

В лаборатории Гарланда Маршалла в Вашингтонском университете города Сент-Луиса в штате Миссури, где я проработал восемнадцать лет, тоже занимались циклическими аналогами ангиотензина. По данным наших расчетов оказывалось, что, если соединить валентной связью особые неприродные боковые цепи, расположенные в позициях 3-5 или 5-7 цепочки ангиотензина, новые циклические аналоги будут сохранять многие конформации природного ангиотензина. Действительно, такие соединения связывались с рецепторами не хуже самого ангиотензина. Однако функциональной активности они не проявили: как и следовало ожидать, «правильная» конформация есть для этого условие необходимое, но недостаточное.

Такой же результат — высокий уровень связывания, но не активности — сопутствовал и нашему дизайну циклических аналогов пятичленного энкефалина, биорегулятора, воздействующего на рецепторы опиоидов (например, морфина), веществ, останавливающих боль. Помимо обычных «левых», в синтез аналогов были включены и «правые» аминокислотные остатки. Полезным побочным эффектом было и то, что один из аналогов удалось закристаллизовать и определить его пространственную структуру методами рентгенографического анализа — редкий случай успешного «замораживания» короткого пептида.

Описанные выше примеры циклопептидов продемонстрировали, что внутримолекулярная циклизация может быть непосредственно использована в процессе драг-дизайна новых лекарств. Впервые такого успеха добилась дополнительная направленная циклизация изначально циклического природного пептида соматостатина. Цепочка соматостатина содержит четырнадцать аминокислот; положения 3 и 14 соединены валентной связью между атомами боковых цепей. Модификации соматостатина могли бы открыть путь к лекарственным препаратам для борьбы с патологическими замедлениями роста человека. Этой задачей занялась группа исследователей из США, работавших в фармакологической компании «Мерк» под руководством Дана Вебера.

Методом драг-дизайна, избранным Вебером, был направленный синтез аналогов соматостатина с ограниченными конформационными возможностями. Экспериментальные физико-химические данные давали основание полагать, что в пространственном отношении центральная часть молекулы напоминает несколько искаженный четырехугольник. Поэтому первый из синтезированных аналогов представлял собой цикл последовательности 4-13 с замкнутыми концами остова.

Новый аналог был функционально активным, и следующим шагом Вебер попытался закрепить предполагаемый «четырехугольник». К тому времени исследования пространственной структуры показали, что такая конформация стабилизируется, если в одной из вершин четырехугольника «левый» аминокислотный остаток заменить на такой же «правый». Аналог с «правым» аминокислотным остатком проявил активность даже большую, чем природный соматостатин.

В конформации «четырехугольника» аминокислотные остатки в положениях 5 и 12 сближены, причем характер их боковых цепей, как было установлено ранее, не влияет на биологическую активность соматостатина. Это позволило продолжить ограничение конформационной подвижности молекулы, заменив боковые цепи в этих положениях на другие, между которыми было возможно образование валентной связи. В итоге получился «бицикл» (внешний цикл 4-13 и внутренний 5-12), опять-таки сохраняющий полную активность соматостатина.

Исследователи попробовали еще более уменьшить размер внутреннего цикла, и вновь им сопутствовала удача: аналог, где одна из аминокислот цикла была удалена, по-прежнему был высокоактивным. Минимальным же фрагментом, обладающим полной активностью соматостатина, оказался шестичленный пептид на основе последовательности 6-11 с «правой» центральной аминокислотой и с замкнутыми концами пептидного остова.

Таким образом, за счет направленного дизайна размер активного аналога пептидной молекулы сократился более наполовину. Но этот аналог обладал также и процитированным действием: он понижал уровень гормона роста у лабораторных крыс в течение трех часов. Дальнейшее совершенствование укороченных циклоаналогов соматостатина в конце концов привело к лекарственным средствам; сегодня в терапии широко используются препараты сандостатин (октреотид) и ланреотид.

От соматостатина к октреотиду: структурные формулы, конформации, лекарство

Пептидные лекарства существовали и до начала их активного направленного поиска. Инъекции инсулина назначались диабетикам еще почти сто лет назад; тогда использовался свиной инсулин, поскольку его аминокислотная последовательность ближе всего к человеческой. Привычным и весьма эффективным средством родовспоможения давно стал окситоцин. Циклоспорин, лекарство, позволяющее осуществлять пересадки органов, — тоже пептид, причем циклический. Блокаторы ферментов-протеаз вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) — саквинавир, ритонавир, индинавир — построены на пептидной основе. Даже первый антибиотик пенициллин представляет собой производное от пептидного соединения.

Успехи драг-дизайна пептидов, описанные в предыдущем разделе, несомненны — но их значение было главным образом чисто научным. Они доказали, что имитация природных пептидных биорегуляторов при условии сохранения свойств, важных для функционирования, может быть путем к реальному лекарству. Кроме того, было установлено, что аминокислотные последовательности природных пептидов, хоть и отобранные в процессе эволюции, могут быть неуникальными — аналоги, получаемые заменами некоторых аминокислот в цепочке, подчас оказывались не менее, а иногда и более биологически активными. Может быть, есть смысл имитировать не сами природные пептиды, а их активные аналоги?

Но эти аналоги надо еще обнаружить — в предельном случае синтезировать и испытать активность огромного количества возможных в принципе пептидных цепочек. Для шестичленного пептида, например, их 20⁶, то есть шестьдесят четыре миллиона комбинаций двадцати аминокислот в шести позициях. Многовато — и традиционные подходы пептидной химии здесь вряд ли помогут, даже если трясти очень сильно.

Зато можно попытаться перевернуть задачу: исходить не из аминокислотной последовательности, а из функции пептида. Спрашивать не о том, обладает ли данная последовательность именно этой биологической активностью, а о том, какая последовательность имеет хоть какую-то активность. В такой постановке важнее всего надежный Эффективный способ проверки специфической активности пептидов, и если он налажен — дело за пептидными химиками. И химики не подвели: во второй волне поиска пептидных лекарств чуть ли не главным методом стал твердофазный синтез так называемых комбинаторных пептидных библиотек, позволивший одновременно получать большое количество пептидов для дальнейшего тестирования.

Одна из первых работ в этом направлении исследовала взаимодействия шестичленных пептидов с рецепторами опиоидов. Были синтезированы библиотеки общим объемом пятьдесят два миллиона сто двадцать восемь тысяч четыреста пептидов — меньше, чем шестьдесят четыре миллиона в принципе возможных, но ненамного. И оказалось, что соединения, содержащие в первых пяти положениях цепочки последовательность энкефалина, природного биорегулятора опиоидных рецепторов, связываются с этими рецепторами гораздо лучше, чем все остальные из рассмотренных шестичленных пептидов.

Подход, использующий комбинаторные библиотеки, доказал, таким образом, свою пригодность и эффективность для отбора пептидов с заданными биологическими свойствами — он нашел правильный ответ, который в этом случае, правда, был уже известен. Но небольшая модификация тех же библиотек указала уже на новые шестичленные цепочки с высоким уровнем связывания с опиоидными рецепторами, а также на соединения, надежно узнающие антитела различных типов. В природе таких пептидов обнаружено не было — значит, имея в руках синтезированную пептидную библиотеку, можно найти в ней неизвестные ранее пептиды с теми биологическими свойствами, на наличие которых эта библиотека будет проверяться.

Современные схемы твердофазного пептидного синтеза позволяют создавать самые разнообразные библиотеки. Можно, например, закреплять определенную аминокислоту за определенной позицией в цепочке. Можно передвигать эту аминокислоту вдоль цепи. Можно вставить в цепочку пары аминокислот, боковые цепи которых могут образовать валентные связи, и получить библиотеку циклических пептидов. Можно, наконец, использовать при синтезе неприродные аминокислоты и вообще любые химические соединения, способные встроиться в пептидный остов, и получить пептиды, устойчивые к ферментам — более того, блокирующие действие самих пептидаз.

Еще один способ построить пептидную библиотеку связан с явлением так называемого фагового дисплея. Фаги — это вирусы, проникающие в клетки бактерий, и, как всякие вирусы, они размножаются за счет генетического аппарата клетки-хозяина. Фаги состоят из молекул нуклеиновых кислот (в основном ДНК и реже РНК), окруженных белками оболочки вируса; если особым образом ввести в ДНК фага заранее синтезированную библиотеку последовательностей нуклеотидов, она встроится в ДНК следующего поколения фагов, и на их поверхности появятся пептиды, соответствующие этим последовательностям. Потом всю эту смесь миллионов фагов наносят на пластинку, уставленную интересующими вас (то есть с теми, с которыми надо добиться связывания) молекулами-мишенями. Промыв затем эту пластинку, вы оставите на ней только те немногие — из миллионов — фаги, что связались с мишенями. В каждом из них будет тот фрагмент ДНК, что нужен для производства пептида, который связывается с интересующей вас мишенью. Размножив эти отобранные фаги, вы получите большое количество пептидов с нужной вам связывающей активностью. Можно сделать так — и это очень важно, — что будут доступны для проверки их биологических свойств, в частности связывания с антителами. В фаговые пептиды можно включать и неприродные элементы; для этого, правда, придется разработать новые молекулярные инструменты — РНК специального типа.

Оба сорта пептидных библиотек — и синтетические, и фаговые открыли совершенно новые возможности для драг-дизайна. В самом деле, библиотеки позволяют отобрать из огромного количества пептидов те соединения, которые взаимодействуют с объектами, интересующими исследователей в данный момент, — рецепторами, ферментами, антителами и прочими мишенями; этот процесс называется скринингом. Структуру немногих отобранных пептидов затем оптимизируют, и, если повезет, среди них находятся кандидаты в новые лекарственные средства.

Привести список таких кандидатов сегодня затруднительно — большинство еще в стадии разработки, и кроме того, информация о них обычно принадлежит фармацевтическим компаниям и бережно охраняется. Но все же кое-что можно узнать из скупых сообщений в деловых новостях и в научной периодике. Известно, например, что британская компания «Байсикл Терапьютикс» продвигает на рынок онкологический препарат ВТ1718, созданный на основе бициклического пептидного токсина, продукта фаговых библиотек; в настоящее время идут его клинические испытания. По-видимому, этот успех не случаен: в свое время компания отпочковалась от кембриджской лаборатории Грегори Винтера, разделившего с Джорджем Смитом и Френсис Арнольд Нобелевскую премию 2018 года.

Скрининг пептидных библиотек значительно расширил круг соединений, обладающих биологической активностью. Но, чтобы превратиться в настоящее лекарство, одного этого свойства мало — надо, как уже упоминалось, противостоять пептидазам. Кроме того, многие терапевтически важные мишени находятся внутри клеток, защищенных мембранной оболочкой, сквозь которую тоже надо проникнуть. К этим проблемам драг-дизайн пептидов подошел только в самые последние годы, и весьма энергично: стартовала третья волна.

Внутримолекулярная циклизация пептидов когда-то ограничивалась созданием валентных связей между боковыми цепями природных аминокислот. Такие внутренние циклы по необходимости были короткими, но, когда химики научились вставлять в аминокислотные последовательности целые неприродные блоки и соединять отдаленные части молекулы длинными валентными цепочками, возник новый класс пептидных соединений. Их назвали макроциклами, а сами цепочки получили весьма уместное название скрепок.

Типичным примером применения скрепки может служить история препарата ALRN-6924, клинические испытания которого проводит сейчас американская компания «Айлерон Терапьютикс». Известно, что белок р53 помогает подавить возникновение раковых опухолей; этому препятствуют два других белка, MDM2 и MDMX, которые образуют прочные комплексы с р53. Помешать белкам вступить в контакт с р53 — и тем самым снизить вероятность формирования опухоли — могло бы какое-нибудь вещество, конкурирующее с р53 за такой контакт. С этой целью аминокислотная последовательность участка р53, непосредственно вовлеченного в соприкосновение с MDM2 и MDMX, была оптимизирована с помощью методов фагового дисплея, и две позиции, отстоящие друг от друга на восемь аминокислот, были соединены непептидной скрепкой. Получившееся соединение и стало прототипом ALRN-6924.

Кроме того, оказалось, что пептидные молекулы с таким усовершенствованием могут проникать через клеточные мембраны. А поскольку соответствующий фрагмент р53 обладал конформацией альфа-спирали, возникло предположение, что и другие пептидные альфа-спирали, конформация которых стабилизирована скрепками, смогут успешно взаимодействовать с внутриклеточными мишенями. В некоторых случаях это предположение как будто оправдалось — но эксперименты продолжаются.

Еще один способ для пептида попасть внутрь клетки — химически связать его с каким-нибудь веществом, о котором уже известно, что оно способно туда проникнуть. В результате получается конъюгат, по способу действия напоминающий, скажем, космическую ракету: несущая часть отвечает за доставку корабля на орбиту, но на этом ее функция и заканчивается. Простейший конъюгат — это биологически активный пептид, к началу которого приделан поликатионный «хвост» из нескольких аминокислот, несущих положительный заряд. Так организован, например, препарат NA-1, который находится сейчас в третьей, завершающей, фазе клинических испытаний для применения при инсультах. Упомянутый ранее бицикл ВТ1718 — тоже конъюгат.

Драг-дизайн пептидов, впрочем, не ограничивается изобретением новых молекул — в последнее время вновь появился интерес к природным пептидным соединениям, на этот раз весьма экзотическим — циклотидам. Они были найдены в африканских растениях, отвар из которых женщины Демократической Республики Конго применяют для облегчения родов, — еще один пример полезности этноботаники. Эти пептиды обладают очень жесткой пространственной структурой: например, калата В1 представляет собой тридцатичленную цепочку, замкнутую в цикл и стабилизированную к тому же тремя связями между парами боковых цепей в положениях 8-22, 12-24 и 17-29. Такая структура успешно противостоит пептидазам и может быть хорошей основой для лекарства. Если заменить любой из шести фрагментов цепи циклотидов между точками циклизации на последовательность другого пептидного биорегулятора — построить, по сути, тот же конъюгат, — появится возможность получить устойчивый вариант этого биореактора. О лекарственных препаратах на основе циклогидов пока не сообщалось, но перспективные соединения с разными типами активности уже получены.

И конечно, нельзя не отметить, что на открытие циклотидов живо отозвались изобразительные искусства — известный немецкий скульптор Юлиан Фосс-Андре, физик по образованию, создал мини-монумент «Калата» (размер — девяносто сантиметров), воспроизводящий по данным ядерного магнитного резонанса трехмерную форму остова этой молекулы.

Скульптура «Калата» (2002)

Вот уже несколько раз упоминалось, что у активных аналогов пептидов циклизация закрепляет «правильную» трехмерную структуру. Именно эта конформация узнается молекулами, с которыми пептиды связываются — рецепторами, — в результате чего запускается каскад биохимических реакций, который приводит к тому или иному физиологическому эффекту. Поэтому знание «правильной» конформации данного пептида очень важно для направленного драг-дизайна.

Драг-дизайнеры поняли это давно и даже заблаговременно дали название такой конформации: биологически активная, или конформация на рецепторе (receptor-bound). Выяснить пространственное строение биоактивной конформации данного пептида можно, сравнив наборы возможных трехмерных структур нескольких активных и неактивных аналогов: у всех активных аналогов в них найдется биоактивная конформация, а у неактивных она будет отсутствовать. Из-за гибкости коротких пептидных цепочек в растворе экспериментальные методы, дающие представление лишь об усредненных структурах аналогов, здесь не подойдут. Остаются методы теоретические — конформационные расчеты.

И поскольку такая технология в нашей группе была налажена, модели биологически активных конформаций энкефалина, ангиотензина и других пептидов не заставили себя ждать. Тогда мы базировались в основном в Риге, в Институте органического синтеза, и наши коллеги, пептидные химики активно использовали эти модели для синтеза новых аналогов. Во многих случаях — но не всегда — им сопутствовал успех. Расчетные модели с предсказаниями тех же конформаций для тех же пептидов появились и за рубежом; по большей части — но, опять-таки, не всегда — они совпадали с нашими.

Концепция концепцией — но прямого эксперимента, подтверждающего, что именно благодаря конформации пептид выбирает взаимодействие с тем или иным специфическим рецептором, поставлено не было. Мы провели его только через несколько лет, когда я работал уже в Сент-Луисе. Первые четыре аминокислоты заинтересовавшего нас линейного семичленного пептида напоминали последовательность энкефалина, а о фрагменте, состоящем из четырех последних аминокислот (фрагменты пересекались), было известно, что он обладает эффектом холецистокинина, пептида, регулирующего выброс желчи в кишечник. В положениях 2 и 5 этого пептида разместили неприродные аминокислоты; тем не менее он прочно связывался с рецепторами холецистокинина, не обращая внимания на опиоидные рецепторы, с которыми взаимодействует энкефалин. Но как только боковые цепи в положениях 2 и 5 чуть-чуть модифицировали и замкнули валентную связь между ними, получившееся циклическое соединение столь же прочно связалось с опиоидными рецепторами, игнорируя рецепторы холецистокинина. При этом по химическому строению линейный пептид от циклического отличался минимально: лишь одна функциональная группировка была заменена на другой атом.

Разумеется, до того как планировать синтез нового пептида, конформационные расчеты подтвердили, что цикл 2-5 способен принять пространственную структуру, подобную предсказанной ранее биологически активной конформации энкефалина. Вообще, эта работа еще раз продемонстрировала необходимость тесного сотрудничества расчетчиков, химиков и биологов из разных лабораторий и даже разных стран. Впрочем, слово «даже» тут неуместно: ведь нет науки белорусской, латышской, российской или американской — наука едина и только единой и может существовать. В данном случае расчеты и химический синтез были проведены у нас в Вашингтонском университете Сент-Луиса; там же, но на другой кафедре, прошла часть биологических испытаний; а остальные испытания осуществлялись в Канаде (Монреальский университет) и Франции (Университет в Монпелье). При этом участники руководствовались не меркантильными интересами — разве что возможностью опубликовать совместную статью, — а научным любопытством и, хотелось бы думать, взаимной симпатией.

К началу двадцать первого столетия представление о биологически активной конформации было центральным в драг-дизайне пептидов. Вновь синтезированные аналоги старались воспроизвести ее, поскольку считалось, что именно она реализуется на поверхности рецептора. Однако так ли это на самом деле, не знал никто: слишком мало было известно о второй половинке пары «пептид-рецептор» — о рецепторе. По существу, в силе оставались еще положения основателя фармакологии Пауля Эрлиха о том, что лекарство непосредственно действует лишь на некоторые вполне определенные точки на поверхности клетки, начиная с которых его эффект распространяется на всю клетку и далее — на весь организм. (В 1908 году Эрлих — совместно с Ильей Мечниковым — был удостоен Нобелевской премии за работы по иммунологии.) Такие точки и называли рецепторами — без особой детализации их химического состава и механизма действия. Примерно на таком же уровне использовался этот термин и в драг-дизайне XX века.

А когда стало, наконец, ясно, что рецепторы — это отдельные белковые молекулы или их комплексы, и когда удалось установить их пространственные особенности, драг-дизайн получил новый импульс к развитию.

Те, кто читал произведения писателя и публициста Александра Солженицына (тоже, между прочим, лауреата Нобелевской премии — никуда от нее не деться в нашем сочинении), опознали, быть может, заголовок одного из разделов его многотомного «Красного колеса»: восторженное восклицание «Наконец-то революция!». Действительно, сведения о пространственных структурах рецепторов означали революцию в драг-дизайне — ведь теперь появилась возможность направленного конструирования молекул лекарственных средств с учетом конформаций не только их самих, но и взаимодействующих с ними рецепторов.

Некоторые лекарства действуют в организме прямым способом — например, аспирин (ацетилсалициловая кислота), изменяющий кислотно-щелочной баланс крови, или некоторые антибиотики, буквально разъедающие мембрану бактерий. Но большинство лекарственных препаратов вызывает физиологическую реакцию, лишь связавшись предварительно с рецепторами. По оценкам 2018 года, около 35 процентов всех лекарств, разрешенных к применению в США и Европе (не менее семисот наименований), действуют через так называемые рецепторы, сопряженные с G-белками, — о них в дальнейшем будет говориться весьма подробно. Вторым по величине классом рецепторов для уже существующих лекарств являются ферменты киназы (30 процентов); за ними следуют ионные каналы (18 процентов) и так называемые ядерные рецепторы (16 процентов). Все это — белки или комплексы белков. Пространственные структуры их молекул — при условии, что они известны, — могут выполнять в драг-дизайне роль мишеней для поиска новых соединений-лигандов, предположительно взаимодействующих с ними.

Эта новая постановка задачи драг-дизайна в каком-то смысле напоминает ситуацию, возникшую с появлением пептидных библиотек, синтетических или фаговых. Если раньше драг-дизайнеры подбирали структуру соединения, оптимальную для данной биологической функции, то теперь они получили возможность находить биологические функции, свойственные (или нет) соединениям с данной структурой. Точно так же, если раньше оптимальная конформация пептидного лиганда определялась лишь по косвенным результатам биологического тестирования, теперь ее можно было подобрать по соответствию заранее известным моделям белковых мишеней.

Первыми были определены трехмерные структуры белков из семейства киназ — еще в конце семидесятых годов. Но настоящее их использование в драг-дизайне началось только в новом столетии. Знание пространственной структуры мишени позволило проводить процедуру молекулярного докинга — компьютерной стыковки молекул мишени и лиганда с расчетом энергии взаимодействий во всех возможных расположениях этой пары. Предполагалось, что реальная модель комплекса двух молекул должна соответствовать их расположению с наименьшей энергией.

С вычислительной точки зрения процедура докинга более сложна, чем обычные конформационные расчеты. Дело в том, что общая энергия взаимодействия двух молекул должна включать еще и внутримолекулярные энергии каждой из них. Но под воздействием первой молекулы конформация второй может измениться и, наоборот, вторая молекула будет влиять на первую. К тому же эти воздействия будут разными в зависимости от взаимного расположения молекул. Одним словом, снова оказалось невозможным обойтись без уже привычного средства — дальнейшего упрощения выражений для расчета энергии.

И их упростили — до такой степени, что рассчитывали уже не энергию, а некую условную скоринг-функцию, численную оценку стабильности комплекса «мишень-лиганд» при разных взаимных расположениях обеих молекул. Зато просмотр всех возможных расположений лиганда относительно мишени производился достаточно быстро, и можно было осуществить докинг большого количества потенциальных лигандов при сравнительно небольших затратах вычислительных ресурсов. Наилучшие значения скоринг-функций для каждого из лигандов затем, в свою очередь, ранжировались, и те лиганды, которые занимали первые места, рекомендовались химикам для синтеза. О скрининге — массовом тестировании большого количества химических соединений для отбора лучшего из них по физиологическому эффекту или по связыванию с рецептором — уже говорилось ранее. Описанную процедуру компьютерного докинга большого количества химических соединений с отбором наиболее перспективных лигандов для заданной мишени называют виртуальным скринингом. И докинг, и виртуальный скрининг сейчас прочно вошли в арсенал драг-дизайнеров, благо различные виды компьютерных программ для докинга легко найти на интернете. Последний по времени из известных мне примеров виртуального скрининга (февраль 2019 года) проанализировал ни много ни мало — сто семьдесят миллионов соединений.

А в научном русскоязычном жаргоне укоренились новые англоамериканизмы: скрининг, скоринг, докинг... И это объяснимо: краткий иноязычный термин использовать удобнее, чем многословное отечественное описание метода, ранее вовсе не существовавшего. Например, «скоринг», процесс присвоения каждому взаимному пространственному расположению лиганда и мишени цифровой характеристики, по которой и проводится в дальнейшем их классификация, — русский эквивалент этому слову вряд ли найдется. С другой стороны, «отбор» ничем не отличается от «скрининга», а «докинг» уже пытаются заменить выражением «молекулярная стыковка». Однако во времена, когда «товароведа» окончательно вытеснил «мерчандайзер», эти попытки вряд ли окажутся успешными — и можно долго дискутировать, хорошо это или плохо для языка российского научного сообщества.

Впрочем, не будем застревать на терминологии и вновь обратимся к основной задаче драг-дизайна в новую эру: подобрать лиганд, эффективно взаимодействующий с пространственной структурой белковой мишени. Рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс, криоэлектронная микроскопия — все эти экспериментальные подходы сегодня в распоряжении драг-дизайнера. Если же по каким-то причинам молекулярную модель мишени не удается установить экспериментально, можно воспользоваться вычислительными методами. Идея гомологичного (гомологического) моделирования (или моделирования по гомологии) белков предполагает, что молекулы белков, принадлежащие к родственным эволюционным семействам и имеющие схожие аминокислотные последовательности, будут обладать и похожими пространственными структурами. А раз так, то можно воспроизвести еще не определенную экспериментально конформацию белка, уложив его аминокислотную последовательность на трехмерный «шаблон» родственного белка с уже известной трехмерной структурой. Это не так легко, но многие компьютерные программы — опять-таки, доступные в интернете — с этой задачей справляются. Там же, в интернете, существует и обширная коллекция шаблонов: в Банке данных о белках (Protein Data Bank, PDB) на сегодняшний день (в феврале 2019 года) содержится более ста тридцати семи тысяч пространственных структур белков и их фрагментов.

Но белковых структур, имеющих отношение к самому большому классу мишеней для существующих лекарств — рецепторам, связанным с G-белками, — в Банке всего около трехсот. Между тем этот класс белков наиболее интересен для драг-дизайна: напомним, 35 процентов лекарственных препаратов связываются именно с ними. Огромные белковые молекулы (в их цепочках насчитывается от трех до пяти сотен звеньев) пронизывают толщу клеточной мембраны и служат как бы посредниками между тем, что происходит снаружи клетки, и тем, что происходит внутри. Лекарства связываются с той их частью, что расположена с внешней стороны мембраны, а части рецепторов, доступные с внутренней стороны, взаимодействуют с комплексами особых G-белков, которые и инициируют разнообразные биохимические реакции уже в самой клетке. Как именно функционирует весь этот молекулярный механизм, пока ясно не во всех деталях; но известно стало уже многое.

Выражение «рецепторы, сопряженные с G-белками», как легко догадаться, еще одна калька — на сей раз с англоязычного G-protein-coupled receptors. В начале двухтысячных мне довелось выступать в московском академическом институте с докладом, где упоминались и эти рецепторы. Выступал я, естественно, по-русски, а надписи на слайдах были по-английски, и когда дело дошло до G-protein-coupled receptors, я запнулся — не знал соответствующего русского термина. Мне подсказали — и тут-то я и услышал впервые словосочетание «рецепторы, сопряженные с G-белками». Длинновато, подумал я, и после выступления спросил у коллег, нет ли общепринятого краткого обозначения данного семейства белков, наподобие английского GPCRs. Да нет, ответили мне, разве что «серпентины» или «семиспиральные» — но так ли уж нужно сокращенное название?

Слово «серпентины» ведет свое происхождение от «серпент» — змея по-французски и по-английски; серпантином словари называют узкую вьющуюся ленту или горную дорогу с резкими поворотами. Структура белков, о которых идет речь, в самом деле отдаленно напоминает такую дорогу: белковая цепочка пересекает мембрану, затем разворачивается на сто восемьдесят градусов и снова ее пересекает; так повторяется шесть раз.

Схематическое изображение семиспирального рецептора, встроенного в мембрану

Мембрана состоит из липидов, веществ, не растворимых в воде; поэтому в семи участках аминокислотной последовательности рецептора, внедренных в мембрану, преобладают аминокислоты гидрофобные, избегающие контактов с водой. Обычно длина этих участков около двадцати-тридцати аминокислот; чтобы полностью помститься в толще мембраны, им нужно принять конформацию уже знакомой нам альфа-спирали — цилиндра, в котором каждая четвертая аминокислота взаимодействует друг с другом. Семь спиралей-цилиндров, в свою очередь, формируют плотный пучок, пронизывающий мембрану насквозь — так называемый трансмембранный сегмент (ТМ-сегмент). Каждая последовательная пара цилиндров соединяется петлями — три петли торчат с наружной стороны мембраны и три с внутренней. Кроме того, мембраны выступают еще два фрагмента белковой цепочки — начальный (снаружи) и концевой (внутри). Эти фрагменты свободны от взаимодействий с мембраной, конформационные особенности различаются от рецептора к рецептору; структурный же мотив трансмембранного сегмента — упаковка из семи спиралей — повторяется для всех серпентинов, они же семиспиральные белки.

Число семь имеет особое, притом загадочное значение во многих религиях и мифологиях. От семи дней творенья до семи смертных грехов, до семи чудес света — всюду человечество по каким-то неясным причинам предпочитает другим числам именно это. Возможно, объяснение следует искать в психологии: было показано, что людям трудно одновременно запомнить более семи (плюс-минус два) единиц информации, не связанных друг с другом («правило семи элементов»). Но как тогда быть с числом семь в науке — с семью цветами радуги в физике, семью периодами таблицы Менделеева в химии, а теперь еще и с семью спиралями трансмембранного сегмента в биологии? Несколько лет назад на одном из молекулярно-биологических форумов в интернете вопрос почему этих спиралей именно семь, был задан, но убедительный ответ так и не прозвучал: загадка осталась загадкой. Как обычно, ее списали на эволюцию: «так уж у нее получилось».

То, что спиралей именно семь и что они пересекают мембрану, можно было догадаться уже по аминокислотной последовательности этих рецепторов: в ней достаточно отчетливо выделялись семь гидрофобных участков. Но как они упакованы в пространственной структуре ТМ-сегмента, оставалось неясным. Для того чтобы использовать могучие методы рентгеноструктурного анализа, следовало сначала вырастить правильные кристаллы белков, а для этого выделить их молекулы в чистом виде. «Выделить» в представлении биохимиков догеномной эры означало вытащить молекулы рецепторов из мембраны и освободить их от прилипших к ним липидов. Останется ли после этой процедуры их пространственная структура той же, какой она была в липидном окружении, можно было лишь надеяться. Кроме того, кристаллизация требует высокой концентрации белка, а значит, надо переработать немалое количество исходного продукта — тканей из организмов животных.

Вот так и получилось, что первым 7-ТМ-рецептором (употребим и такой термин), трехмерная структура которого была установлена рентгеноструктурной кристаллографией, стал бычий родопсин, белок сетчатки глаза, — этих отходов на любом мясокомбинате сколько угодно. Для других рецепторов подобных источников не нашлось — и белковые химики провели несколько лет в попытках синтезировать их аминокислотные последовательности. Попытки не принесли успеха: гидрофобные участки последовательности плохо растворялись в воде, из-за чего процесс синтеза практически останавливался.

(Справедливости ради можно отметить, что первым семиспиральным белком, конформация которого была экспериментально установлена, был бактериородопсин, белок, выделенный из мембран бактерий. Но он не взаимодействует с G-белками и, соответственно, не может считаться полноценным ТМ-рецептором.)

Новый подход к получению мембранных белков появился с открытием семейства генов, в которых была закодирована последовательность семиспиральных рецепторов. Лаборатория Роберта Лефковица в Северной Каролине давно занималась мембранными рецепторами, в частности бета-2-адренергическим рецептором (β2AR), с которым связывается адреналин. Брайану Кобилке, молодому сотруднику Лефковица, удалось изолировать ген, кодирующий рецептор, и клонировать этот белок с его помощью. Вставив в аминокислотную последовательность рецептора дополнительный белок — лизоцим, — исследователи получили молекулу, достаточно устойчивую для кристаллизации и последующего изучения средствами рентгеноструктурного анализа. В отношении трехмерной структуры β2AR оказался весьма похожим на родопсин — те же семь цилиндров, упакованных в трансмембранный пучок; лишь конформации петель, соединяющих цилиндры, у двух рецепторов были разными.

Напрашивался следующий вывод: возможно, найден общий принцип структурной организации всего громадного семейства рецепторов, сопряженных с G-белками, — а в нем на сегодняшний день насчитывается уже около тысячи белков, и это только в организме человека. Ни одно из других семейств белков, закодированных в геноме, не достигает таких размеров. Рецепторы различаются как функционально, по лигандам, с которыми они связываются, так и по эволюционным подсемействам, к которым принадлежат. Но по структурным особенностям — по строению трансмембранного сегмента — они могут быть близки друг другу.

Это предположение не замедлило подтвердиться экспериментально. Путь, намеченный открытием трехмерной структуры β2AR, оказался плодотворным: на начало 2019 года были установлены пространственные структуры пятидесяти девяти рецепторов — и все они характеризовались семиспиральным трансмембранным пучком. В некоторых кристаллах содержались также лиганды, что позволило более подробно изучить факторы их взаимодействия с рецепторами. В двух-трех лабораториях этот процесс был поставлен на поток — но тем не менее причины, затруднявшие экспериментальное исследование конформационных свойств рецепторов ранее, остались теми же и теперь. Поэтому каждая новая структура давалась за счет кропотливого труда и немалой изобретательности — и публикации о ней, как правило, появлялись в самых престижных научных журналах.

Схематическое изображение комплекса β2AR 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.

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 хорошо бы и завершить повествование о текущих достижениях науки драг-дизайна, но результаты самых последних лет вновь поколебали уже вроде бы устоявшиеся представления о молекулярных механизмах взаимодействий лигандов особенно пептидных — и рецепторов.

Пептидные биорегуляторы: энкефалин, ангиотензин, соматостатин, нейротензин — связываются почти исключительно с рецепторами, сопряженными с G-белками. За последние полвека были синтезированы сотни, если не тысячи аналогов этих пептидов, активных и неактивных.

Для десятков из них конформационные расчеты предложили вероятные пространственные структуры и предсказали их биологически активные конформации — те, по которым рецептор узнает свой специфический пептидный лиганд. Внутримолекулярная циклизация закрепила эти конформации, и во многих случаях циклические аналоги оказались способными взаимодействовать с рецепторами. Затем появилась возможность работать с рецепторами на молекулярном уровне — определять их трехмерное строение. Следующим естественным этапом должно было бы стать экспериментальное изучение комплексов «пептидный лиганд-рецептор» — но здесь процесс застопорился.

Прежде всего кристаллизовать рецептор в комплексе с природным пептидом оказалось чрезвычайно сложно. До сих пор удавались лишь единичные попытки: была определена, например, структура комплекса нейротензина (или его активного шестичленного фрагмента) вместе с его рецептором. Две группы исследователей, независимо получивших этот результат, пришли к разноречивым выводам относительно строения трансмембранного сегмента рецептора. По одним данным, спирали в пучке располагались в соответствии с «активной» моделью β2AR со сдвигом внутренних концов спиралей ТМ6 и ТМ5, а по другим — были ближе к «неактивной» модели. И положение молекулы нейротензина в комплексах было различным: пептидная цепочка лиганда в одном случае располагалась параллельно плоскости мембраны с внешней стороны рецептора, а в другом — внедрялась в «щель» между спиралями перпендикулярно плоскости мембраны. В обоих случаях, однако, пептид обладал вытянутой конформацией, а не компактной, как предполагалось проведенными ранее конформационными расчетами.

Вычислительные методы тоже внесли вклад в изучение комплексов пептидов и рецепторов. Еще в 2001 году мы, в частности, провели докинг биологически активной конформации ангиотензина и трехмерной модели рецептора ангиотензина. Оказалось, что концевой четырехчленный фрагмент ангиотензина в этой конформации может внедриться в «щель» между спиралями, перпендикулярную плоскости мембраны. Очень похожая ситуация обнаружилась в расчетах наших коллег из Кливленда, опубликованных в 2019 году. Правда, ориентации молекулы ангиотензина в этих двух работах отличались. И обе они отличались от положения ангиотензина в комплексе с рецептором, установленного, наконец, средствами рентгеноструктурного анализа в июле 2018 года. Во всех случаях, однако, конформация ангиотензина была вытянутой.

Но ведь предсказанная расчетом биологически активная конформация ангиотензина была не вытянутой, а компактной. Она позволила предсказать активные циклические аналоги ангиотензина, которые никак не смогли бы взаимодействовать с рецептором таким же образом, как природный линейный пептид, — влезть в тесную «щель» можно, только разорвав цикл. При этом циклоаналоги связываются с рецептором не менее прочно, чем сам ангиотензин...

Это же соображение справедливо и для других пептидных биорегуляторов — их биологически активные конформации, предлагаемые расчетом, тоже не вытянутые, а компактные, квазициклические. Они тоже не поместятся в «щели» между спиралями трансмембранных сегментов. Каков же тогда механизм образования комплексов пептидов и рецепторов и какова роль биологически активных конформаций пептидов в этом процессе?

Короткий ответ на этот вопрос: пока не знаем. Молекулярная биофизика еще не накопила достаточного количества данных, как экспериментальных, так и расчетных, чтобы решить эту проблему однозначно. Но порассуждать о вариантах ее решения можно уже сейчас — не забывая, однако, что здесь мы вступаем на зыбкую почву спекуляций. Впрочем, в науке они называются более благозвучным словом — гипотезы.

Можно, например, предположить, что сама концепция биологически активных конформаций, выдвинутая на основе конформационных расчетов пептидов, попросту неверна — мало ли ошибочных догадок высказывали теоретики. Возможно, приближаясь к рецептору, гибкая цепочка пептида (или ее концевой фрагмент) распрямляется и уже в таком виде образует комплекс с трансмембранным сегментом. А активные циклические аналоги, в которых биологически активная конформация зафиксирована, подвергаются атакам ферментов, разрывающих цикл на подходе к рецептору.

Сразу же, однако, возникают возражения. Во-первых, эти гипотетические ферменты пока не обнаружены. А во-вторых, тогда не понятно, как объяснить результаты прямого эксперимента, в котором внутримолекулярная циклизация — помните? — заставила пептид переключиться на взаимодействие с опиоидными рецепторами, но не с рецепторами холецистокинина. И как быть с множеством косвенных экспериментов — биологических испытаний аналогов пептидов, — подтверждающих существование биологической активности именно у определенной конформации молекулы?

И еще: если спиральные трансмембранные сегменты (их пространственная организация примерно одинакова в разных рецепторах) отбирают вытянутые конформации гибких пептидов (тоже примерно одинаковые), а не их уникальные более сложные биологически активные структуры, в чем тогда молекулярные основы специфичности взаимодействия пептидов и рецепторов? Как пептид энкефалин узнает, например, что предназначенный ему партнер — рецептор опиоидов, а не холецистокинина?

Одним словом, отказываться от идеи биологически активной конформации рановато. Особенно тем, кто, как автор этой книги, был среди первых, ее предложивших и обосновавших. Но зарекаться тем не менее не стоит: в науке любое утверждение не вечно. Судьба всех гипотез одинакова: зародившись как интуитивные соображения, они обрастают подтверждающими их фактами и превращаются в теории, пригодность которых проверяется достоверностью их предсказаний. Но рано или поздно появляются факты, необъяснимые в рамках данной теории; тогда приходит время ее отбросить и предложить новую, иногда совершенно противоположную предыдущей. Для логики развития науки это естественный процесс; однако для психологии и эмоций его непосредственных участников он бывает очень болезненным.

Что же касается обсуждаемых противоречий, с которыми столкнулась гипотеза о роли биологически активной конформации пептидов, то их, как мне кажется, можно устранить. В рецепторах, сопряженных с G-белками, есть не только трансмембранные сегменты, но и петли, соединяющие спирали с внешней стороны мембраны. В отличие от схожих между собой пучков спиралей, пространственные структуры этих петель различны в разных рецепторах. Так свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа — но есть один нюанс. Петли — цепочки величиной от пяти-шести до двадцати-тридцати аминокислот — представляют собой, по существу, те же гибкие пептиды, пусть и с закрепленными с двух сторон концами. Эти пептиды обладают целым спектром возможных конформаций, переходящих друг в друга. Кристаллизация «вымораживает» какую-то одну из этих конформаций, и то не всегда — зачастую четкую картину отражений рентгеновских лучей от петель так и не удается получить. Поэтому нельзя утверждать, что именно эта единственная «замороженная» конформация петель и есть самая характерная для данного рецептора — есть и другие. Но обнаружить их экспериментально так же трудно, как и отдельные — не усредненные — структуры гибкого пептида в растворе.

Зато можно выявить возможные структуры этих петель счетными методами — так же, как это делалось ранее с другими пептидами, концы которых не были закреплены. И здесь обнаружилось любопытное обстоятельство: активация рецепторов действительно может зависеть от конформаций их внешних петель. А это дает основания предположить, что биологически активная уникальная конформация пептида на первом этапе узнается не трансмембранным сегментом рецептора, а его внешними петлями, структуры которых также уникальны для каждого рецептора. И не пептид «подстраивается» под структуру рецептора, а гибкие петли подстраиваются под пептид, чем и объясняется специфичность взаимодействия. Это объясняет также особые трудности получения рентгеноструктурных данных о комплексах природных пептидов и их рецепторов: вполне возможно, что кристаллизуется не та единственная конформация петель, в которой они взаимодействуют с пептидом, а одна из других, тоже допустимых.

Самые свежие результаты рентгеноструктурного и криомикроскопического анализа не то чтобы подтверждают такое предположение, но и не противоречат ему. За последние два года описаны пространственные структуры комплексов семиспиральных рецепторов с эндотелином-1 (двадцать одна аминокислота в цепочке) и глюкагоном (двадцать девять аминокислот). Оба пептида представлены в комплексах не в вытянутых конформациях: концы эндотелина сближены, а глюкагон свернут в конформацию альфа-спирали. И оба взаимодействуют не столько со «щелью» между спиралями, сколько с длинными внешними петлями и начальными фрагментами рецепторов; у рецептора глюкагона, например, начальный участок, выдающийся из толщи мембраны, состоит из более чем ста аминокислот.

Не стоит, однако, опережать события. Структурная биология рецепторов развивается быстро, и изложенный сценарий молекулярного механизма взаимодействия с пептидными лигандами может быть подтвержден или опровергнут очень скоро. И очередная волна конструирования лекарств будет использовать сведения об их взаимодействии с семиспиральными рецепторами, недоступные в наши дни. И не только лекарств.

Писатель, разумеется, волен придумывать все, что угодно, но в этом эпизоде его фантазия не противоречит известным фактам нейробиологии запаха. По современным представлениям, молекулы ароматических веществ взаимодействуют с рецепторами так называемых обонятельных нейронов, связанных с головным мозгом, который определяет ощущения, испытываемые при этом организмом, будь то дискомфорт из-за запаха сероводорода, сексуальное возбуждение, вызываемое женскими духами, или — почему бы и нет — благодать. Тем более если запах новый и не ассоциируется с какими-то прошлыми воспоминаниями. Порог чувствительности к пахучим веществам у человека очень низок - в случае, например, ванилина он соответствует концентрации в две десятимиллионные миллиграмма на кубический метр. Чтобы запах ванилина почувствовали все люди, заполняющие площадь, потребовалось бы только около одной десятитысячной грамма - а ведь искусный парфюмер мог отыскать еще более эффективное ароматическое соединение. И поскольку никаким другим способом, кроме обоняния, определить его присутствие в воздухе было бы невозможно, мистическое настроение толпы, не понимающей, что с ней происходит, не так уж удивительно.

Удивительно другое: как обонятельным рецепторам а они принадлежат все к тому же семейству семиспиральных мембранных рецепторов — удается обнаружить ароматические вещества в столь низких концентрациях. Если пересчитать справочные данные по тому же ванилину в единицы концентрации, принятые в фармакологии, окажется, что они на несколько порядков ниже концентраций, характерных, например, для пептидных биорегуляторов. И тем не менее даже эти сверхмалые концентрации лиганда позволяют обеспечить образование его комплекса со своими специфическими рецепторами. А их в носу человека около пяти миллионов; у собаки, впрочем, их более двухсот миллионов. Даже нетренированная собака может учуять резкий запах на расстоянии двух-трех километров от его источника. Сотни собаковладельцев подтвердят, что их питомцы начинают ждать у квартирных дверей и повизгивать, когда хозяева еще только подходят к подъезду. Собаки же, специально тренированные, способны выполнять такие задания, что их успехи иногда становятся легендарными.

Но если чувствительность семиспиральных рецепторов настолько велика, что с их помощью можно унюхать даже нечистую силу, отчего бы не использовать это их качество истолкования других непонятных явлений? Например лозоходства, поиска подземных источников воды — помощью рамки, которая изменяет положение в руках экспериментатора, когда он приближается к такому источнику. Здесь теоретически возможно такое объяснение: обонятельные рецепторы улавливают мельчайшие изменения концентрации воды (или сопутствующих ей веществ) в воздухе, что вызывает бессознательную реакцию лозоходца на уровне непроизвольной моторики мышц его рук, из-за чего рамка и начинает поворачиваться.

Однако это уже не гипотезы и даже не спекуляции, а скорее фантазии на темы о дальнейших возможных направлениях науки о структурных свойствах рецепторов, сопряженных с G-белками. Можно назвать их мечтами, игрой воображения, как будто не слишком уместной в естественных науках, называемых также точными. Хотя кто-то из великих ученых — не то Карл Гаусс, не то Давид Гильберт — заметил об одном из своих бывших учеников: «Он стал поэтом — для математики у него не хватило воображения». Будем считать это оправданием.

Выдающемуся физику академику Льву Арцимовичу приписывают полушутливое изречение: «Наука — лучший способ удовлетворения личного любопытства за государственный счет». Академик много лет руководил советскими работами по управляемому термоядерному синтезу, обещавшими создать практически неограниченный источник чистой энергии. Желаемый результат до сих пор не достигнут; но исследования в этом направлении в России и за рубежом по-прежнему продолжаются — естественно, за государственный счет.

К науке драг-дизайна формула Арцимовича относится лишь частично. Государственное финансирование университетских проектов — в США оно осуществляется в основном через гранты Национального института здоровья — составляет лишь малую часть денежных потоков, поддерживающих драг-дизайн. Главные же вложения — это средства фармацевтических корпораций и частных инвесторов. Научная сторона проектов их интересует мало — их интересует прибыль. Деловых людей не успокоило бы еще одно известное высказывание Арцимовича: «Термоядерная энергетика появится тогда, когда она станет действительно необходима человечеству». Конечно, они тоже хотят облагодетельствовать человечество, но, в отличие от государства, они не могут ждать слишком долго. Прибыль нужна сегодня.

В 2017 году тринадцать крупнейших фармацевтических компаний США заработали почти пятьсот миллиардов долларов, в том числе четыреста — на продаже лекарств. Из них чистой прибыли оказалось семьдесят пять миллиардов, чуть больше 15 процентов. И это еще не самый удачный год — средняя годовая прибыль за предшествующие семь лет была на уровне 19 процентов. При такой доходности можно быть уверенным, что инвестиции в фармацевтическую промышленность — а значит, и в драг-дизайн — не иссякнут. Тем более что экономисты предсказывают увеличение продаж лекарств в обозримом будущем на четыре-пять процентов в год.

Рынок пептидных лекарств растет еще более высокими темпами. В 2017 году их было продано на сумму более двадцати миллиардов долларов, а ожидания на 2024 год — не менее пятидесяти миллиардов. Эти цифры не включают продажи инсулина — еще около тридцати миллиардов долларов в 2015 году. Так что на нехватку денег жаловаться не приходится — по крайней мере в США. На сегодняшний день в США разрешены к продаже около ста пептидных лекарственных препаратов и еще более двухсот проходят различного рода клинические испытания. Медицина ждет их с нетерпением, и даже бюрократия в Вашингтоне, от которой зависит последнее слово, положительно относится к пептидным лекарствам. По статистике, 97 процентов пептидных препаратов, прошедших все стадии клинических испытаний, обычно получают окончательное разрешение на широкое применение — а для всех остальных эта цифра не выше 92-95 процентов.

Масштабы современной фармацевтической индустрии пептидов впечатляют — и как-то даже странно представить себе, что она в значительной степени основана на исследованиях, берущих начало в скромных университетских лабораториях. Далеко не все из тех, кто занимается биохимией и биофизикой биологических молекул, думают о практическом использовании своих результатов — многие удовлетворяются чисто научными достижениями. Но некоторые энтузиасты предпочитают идти дальше — по пути драг-дизайна. Иногда им сопутствует удача, иногда — большей частью — нет; иногда их финансируют щедрые фармацевтические компании, иногда — чаще всего — скупые государственные гранты; но, так или иначе, они не прекращают свои усилия. Сотрудничать с ними не всегда легко, но всегда интересно — по крайней мере судя по моему личному многолетнему опыту.

Вот, например, история, в которой я, так или иначе, участвовал во время работы в Вашингтонском университете Сент-Луиса. В то время меня интересовали конформации циклических пептидов, которые, по предположению, могли имитировать биологически активные конформации пептидов линейных. Поэтому я внимательно следил за публикациями на эту тему. Как-то в одном из весьма уважаемых журналов появилась статья о конформационных особенностях простейшего циклического пятичленного пептида, исследованных методами ядерного магнитного резонанса и конформационными расчетами. Статья предлагала пять возможных пространственных структур этого циклопептида, причем в двух из них конформация одной из аминокислот, по моим представлениям, была энергетически весьма невыгодной.

Исследования эти были проведены в Мюнхене в лаборатории профессора Хорста Кесслера, с которым мы регулярно виделись на различных пептидных конференциях. При очередной встрече я рассказал ему о своих сомнениях, но Хорст отверг их — он опирался на экспериментальные данные ядерного магнитного резонанса, а я мог противопоставить ему лишь теоретические расчетные рассуждения. Вернувшись в Сент-Луис, я попросил наших химиков синтезировать очень похожий циклопептид, но такой в котором обсуждаемая конформация соответствующей аминокислоты была бы невозможной. Параметры ядерного магнитного резонанса этого пептида, измеренные венгерскими друзьями из университета Дебрецена, почти совпадали с такими же параметрами для пептида из Мюнхена. Я сообщил об этом Кесслеру и предложил сделать совместную публикацию, но он не ответил, и, когда я впоследствии напомнил о своем предложении в личной беседе, он снова ушел от ответа. Тогда я написал отдельную статью о двух пептидах с критическими замечаниями о выводах Кесслера, и она была напечатана в том самом уважаемом журнале. Хорст обиделся и сказал мне, что я поступил нехорошо.

С тех пор мы, к сожалению, не общались — только обменялись новыми публикациями о тех же пептидах. Он сообщил о данных, полученных с помощью другого варианта ядерного магнитного резонанса: согласно им, доля структур циклопептида с оспариваемой конформацией составляла 15-30 процентов. Наша статья содержала результаты молекулярной динамики, проведенной с новыми параметрами энергетических функций и обнаружившей такие же структуры, но с вероятностью 6,7 процента. На этом чисто научная дискуссия и остановилась.

А интерес к пятичленным циклопептидам перешел в стадию драг-дизайна. Выяснилось, что, если в их состав включена определенная тройка аминокислот, Arg-Gly-Asp (RGD), они могут избирательно связываться с белками интегринами. Эти белки продуцируются многими типами злокачественных опухолей; они, подобно трансмембранным рецепторам, пронизывают мембраны раковых клеток и появляются на их поверхности в виде комплекса из двух субъединиц. Взаимодействуя со своими лигандами, субъединицы перестраиваются и инициируют различные биохимические процессы, необходимые для жизни и размножения злокачественной клетки. Лиганды внедряются в щель на границе между двумя субъединицами; если этому воспрепятствовать, функции интегринов, а значит, и раковых клеток будут нарушены. Как раз в этой «щели», в небольшом «кармане», и расположен участок, в котором RGD-циклопептиды связываются с интегринами, мешая нормальной перестройке субъединиц. Этот факт означает, что RGD-циклопептиды обладают определенным потенциалом как лекарственные средства для онкологии.

Идея выглядела очень привлекательно, но, как всегда, ее реальное воплощение столкнулось с множеством препятствий. Главным из них был дизайн собственно циклопептида: его структура должна содержать тройку аминокислот RGD, в конформационном отношении соответствовать «карману» интегрина, с которым она связывается, и, самое главное, противостоять постоянным атакам пептидаз. В Мюнхене эту задачу решили с помощью использования «правых» аминокислот и некоторой модификации пептидного остова одной из них; полученный циклопептид назвали циленгитидом (cilengitide). Первые две фазы клинических испытаний нового потенциального лекарства показали его хорошую переносимость и эффективность в случаях новообнаруженной опухоли глиобластомы. Это был успех — по статистике, из ста пептидных кандидатов в лекарства до второй фазы испытаний доходит всего 23 процента, а из них до третьей — только 28 процентов. К большому сожалению, третья фаза клинических испытаний — в разных медицинских центрах, большим количеством пациентов — не подтвердила пред_ыдущие результаты. Циленгитид выбыл из гонки за лекарством, так и не добравшись до финишной прямой; но мюнхенцы не упали духом и продолжают исследования в том же направлении и сейчас, переключившись на RGD-циклопептиды, состоящие из шести членов.

В то же время в нашем университете в Сент-Луисе пошли по несколько иному пути. RGD-циклопептиды узнают интегрины и, следовательно, раковые клетки — но не здоровые. Если теперь привязать к ним какое-нибудь вещество, можно получить «самонаводящуюся пулю»: циклопептиды будут подводить это вещество к интегринам и давать ему возможность внедриться в раковую клетку. При этом здоровые клетки, не имеющие интегринов на поверхности, не будут затронуты.

Профессор Сэмюел Ачилефу с кафедры радиологии изучал флюоресцентные метки — химические соединения, обладающие свойством светиться в диапазоне, близком к инфракрасному излучению. Такое излучение легко увидеть в очках с поляризованными стеклами, даже если его источник расположен внутри тела на глубине в несколько сантиметров. Значит, сконцентрировав метки на поверхности опухоли — например, опухоли груди, — можно будет в прямом смысле слова увидеть эту опухоль и определить ее границы и очертания. Для клинической практики такая подсказка была бы очень полезна: как правило, границы опухоли известны хирургу только приблизительно. Поэтому стандартная процедура хирургического удаления опухоли из груди предусматривает биопсию слоя тканей, непосредственно прилегавших к уже вырезанной опухоли. Если оказывается, что в нем остались раковые клетки, хирургу приходится дополнительно удалять этот слой в еще одной операции.

Метки, привязанные к RGD-циклопептидам, могли бы избирательно сосредоточиться на поверхности опухоли, поскольку на ней находятся интегрины — мишени для RGD-циклопептидов. Тогда границы опухоли можно было бы высветить достаточно четко. Созданием этих конъюгатов и занялся Сэмюел Ачилефу. И одна из первых проблем, стоявших перед ним, была такая: не изменится ли конформация циклопептида, ответственная за узнавание интегринов, из-за присоединения метки, молекулы, по размерам сравнимой с самими пептидами? С этим вопросом Сэм обратился ко мне; конформационные расчеты подтвердили, что трехмерные структуры циклопептидов останутся прежними и метка не помешает связыванию с интегринами. Другие расчеты помогли подобрать оптимальную аминокислотную последовательность самого циклопептида: оказалось, что наиболее практичным вариантом будет циклопептид из шести членов, названный LS-301. В содружестве с оптиками-спектроскопистами были разработаны также специальные «очки» — прибор, который хирург может надевать на время операции. И наконец, в нашей же университетской клинике провели первые весьма успешные удаления злокачественных опухолей груди, которые хирурги видели своими глазами в течение всей процедуры. Произошло это совсем недавно; теперь дело за дальнейшими клиническими испытаниями и разрешением всей системы «LS-301 плюс очки» для применения.

Предварительный поиск кандидатов в лекарственные и диагностические средства проводится силами немногих ученых с привлечением совсем небольших финансовых ресурсов. Миллиарды, о которых шла речь в начале этого раздела, идут в «Большую фарму» — Big Pharma, — как называют крупные фармацевтические компании. Специалистам, работающим в лабораториях этих компаний, не приходится ломать голову над тем, как заплатить за новое оборудование или за дорогие реактивы. Но в обмен кое-чем приходится поступиться — прежде всего свободой исследований. Не раз и не два коллеги из крупных компаний рассказывали мне, как их останавливали на пороге интересных открытий: руководство компании решало, например, что на рынке лекарств и без того хватает средств для регулирования давления крови. А уж о том, чтобы получить в случае успеха долю от прибыли, нечего и думать — все патентные права будут принадлежать компании, а не изобретателю.

И тогда у некоторых драг-дизайнеров появляется авантюристическое желание сохранить свободу исследований и при этом не быть никому обязанным. Такое желание, в принципе, выполнимо: надо лишь основать свою мини-компанию — стартап. Это трудно и очень рискованно — гораздо больше половины стартапов выходят из бизнеса в течение первого года существования, — но все же возможно.

Итак, предположим, что у вас появилась блестящая идея для драг-дизайна. Рассматривая стереоизображения пространственной структуры одного из ферментов, представленных в Банке белковых структур, вы обратили внимание на близкое взаимное расположение трех аминокислотных остатков: они образуют трехмерный «карман» на поверхности фермента. Вам известно к тому же, что биологическая функция данного фермента обусловлена взаимодействием между собой именно этих аминокислотных остатков. Если вставить в карман какое-либо химическое соединение, мешающее их нормальному взаимодействию — ингибитор, — фермент перестанет работать, и это может помочь при серьезном заболевании, которым страдают десятки тысяч людей.

Вы прикидываете, какой может быть структурная химическая формула такого ингибитора: какие функциональные группы могут связываться с вашей мишенью — тройкой избранных аминокислотных остатков. При необходимости вы привлекаете специалиста по конформационным расчетам, который проверяет, не противоречит ли пространственная структура вашего ингибитора трехмерной конфигурации «кармана» фермента. Он же может подсказать слегка модифицированные варианты ингибитора, удовлетворяющие тому же условию. Платит за работу специалисту компания, которую вы тут же регистрируете и которая пока что состоит из вас одного.

Предложенные расчетом молекулы надо синтезировать и провести самые первые биологические испытания — на культурах клеток. Здесь потребуется участие по крайней мере еще двоих — химика и биолога, обладающих доступом к соответствующему оборудованию и, желательно, опытом работы в своих областях. Их услуги обходятся недешево, и у вас есть две возможности: или вы уговариваете их присоединиться к компании в надежде на будущие заработки, или обращаетесь к инвесторам за займом, предоставляемым под те же надежды, а то и под залог вашего дома и прочего имущества — но это крайний случай.

На этом обычно процесс и заканчивается — клетки не реагируют на ваши молекулы. Если же все-таки удается получить какие-то обнадеживающие результаты, для инвесторов появляется стимул существенно увеличить вложения в вашу компанию — раз в десять. Потому что тогда вы должны будете перейти к гораздо более мощным методам драг-дизайна. Понадобится скрининг синтетических библиотек соединений, похожих на ваш ингибитор, с отбором тех, которые лучше других связываются с соответствующими клетками, а также виртуальный скрининг, отбирающий молекулы, лучше других подходящие к «карману» мишени-фермента. После этого отобранные молекулы «доводятся» до желаемых свойств уже с помощью индивидуального синтеза. Можно провести все эти работы в своей компании — купив или арендовав оборудование, — или заказать их на стороне. Так или иначе, деньги будут затрачены большие.

Но вот, наконец, заветная формула молекулы ингибитора найдена. Первым делом ее следует запатентовать — саму формулу (и похожие на нее), метод синтеза этих соединений, их воздействие на клетки. И начинать предклинические испытания — на лабораторных животных. В них проверяется воздействие вашей молекулы уже не на фермент или клетку, а на болезнь — на уровне целого организма. Заодно устанавливаются допустимые дозы этого теперь уже кандидата в лекарственные средства, исследуются возможные побочные эффекты и так далее. На этом этапе вы впервые сталкиваетесь с государственным регулированием: эксперименты на животных обязаны выполняться по правилам GLP — Good Laboratory Practice, что по-русски переводится как «надлежащая лабораторная практика», — несколько различным в разных странах, но самым жестким в США. Помимо требований к ведению документации, GLP регламентирует содержание животных, гуманное к ним отношение, их диету и даже их смерть — с обязательной последующей кремацией.

А где государственное регулирование, там и расходы. Если предклинические испытания обходятся в сотни тысяч долларов, что еще по силам вашему небольшому стартапу, то дальнейший путь превращения молекулы в лекарство самому пройти гораздо труднее — нужны будут по меньшей мере миллионы. И при условии, что ваш ингибитор продемонстрировал замечательные качества в предклинических испытаниях, вам в подавляющем большинстве случаев не останется другого выхода, как только продать ваши патенты, вашу документацию и методологию ваших работ крупной фармацевтической компании — желательно из числа «Большой фармы». Будем надеяться, что вы заработаете немало — достаточно, чтобы профинансировать вашу новую идею и открыть новый стартап.

Разработки же ваши может ждать разная судьба. Большая компания может прийти к выводу, что рынок для продаж данного потенциального лекарства сегодня невелик и более разумным будет положить эти исследования на полку в ожидании лучших времен. Или наоборот: возможное лекарство обещает явный успех, но другой продукт компании, сходный по фармакологическому профилю, уже активно продается, и наличие конкурента ему нежелательно; поэтому конкурент, как бы хорош он ни был, опять-таки попадает на полку. Но иногда новый кандидат в лекарства все же доходит до следующего этапа — клинических испытаний на людях. Компания налаживает пробное производство нового препарата — в строгом соответствии с правилами GMP, Good Manufacturing Practice («надлежащая производственная практика») — и приступает к клиническим испытаниям.

«Большая фарма» и стандарты

Скандал вокруг препарата под названием мельдоний начался в январе 2016 года, когда Всемирное антидопинговое агентство (WADA) запретило его использование спортсменами как во время соревнований, так и до них. Одной из первых жертв такого решения оказалась звезда тенниса Мария Шарапова, дисквалифицированная на два года (после апелляции срок снизили до пятнадцати месяцев). Пострадали также несколько российских олимпийцев, участников летних Игр 2016 года в Рио-де-Жанейро и зимних Игр 2018 года в Пхёнчхане. Поскольку еще до того WADA уличила в применении допинга некоторых спортсменов из России, из-за чего они были лишены медалей зимних Олимпийских игр 2014 года в Сочи, сразу же возникло подозрение, что действия WADA продиктованы политическими антироссийскими соображениями. По сообщению ТАСС, Президент РФ прокомментировал ситуацию так: «Что касается этого мельдония несчастного, то, вообще, там история какая-то темная. Мы же все знаем, и специалисты говорят, что он не дает преимуществ в спортивной борьбе, только поддерживает при больших нагрузках сердечную мышцу».

Специалисты, на которых ссылался президент, — это в первую очередь Иварс Калвиньш, профессор, доктор химических наук, академик Латвийской академии наук. Именно он изобрел и синтезировал вещество милдронат— так первоначально назывался мельдоний — в середине 1970 годов в рижском Институте органического синтеза. Советское авторское свидетельство на милдронат Иварс Калвиньш вместе с другими получил в 1976 году, а после развала Советского Союза перерегистрировал его — за собственные деньги — в качестве российского патента на свое имя. Через несколько лет милдронат занял десятое место в России по объему продаж среди всех препаратов всех классов.

Действие мельдония заключается в том, чтобы оптимизировать использование кислорода в организме для производства энергии. Известно, что он вмешивается в биосинтез другого важного вещества — карнитина. Как следствие, увеличение уровня кислорода приводит к повышению работоспособности и уменьшению физического и психологического перенапряжения. Мельдоний заинтересовал военных и использовался в Афганской войне, помогая солдатам в зонах высокогорья. Утверждается, что этот препарат восстанавливает кровоток в сердечной мышце в случае его нарушения, то есть является кардиопротектором. Но мельдоний не может считаться допингом: он восстанавливает функции организма до нормы, а допинг делает что-то сверх того. В одном из интервью профессор Калвиньш высказал мнение, что весь скандал вокруг мельдония — чистое лобби американцев, у которых на рынке препарат недоступен. Вместо того чтобы препарат зарегистрировать, американцам было легче его запретить, подвел итог Калвиньш.

Что касается «чистого лобби американцев», я с Иварсом не согласен, но в том, что мельдоний трудно зарегистрировать в FDA в качестве лекарства (а такие попытки, насколько мне известно, предпринимались), он прав. Дело в том, что длительная многоэтапная процедура клинических испытаний — основное, но не единственное требование FDA к лекарственным препаратам.

Например, FDA хочет как можно больше знать о том, с каким именно ферментом или мембранным рецептором или иным белком взаимодействует регистрируемое вещество и продукты его распада. Не берусь судить, достаточно ли сведений такого рода было собрано о мельдонии — с точки зрения FDA, конечно. Кроме того, по правилам FDA, лекарство — это медикамент для лечения определенного заболевания: гипертензии, пневмонии, ишемической болезни сердца, онкологических заболеваний и так далее. Средства для облегчения состояний с нечетко определяемыми клиническими признаками: усталости, перенапряжения, недосыпания — к «лекарствам», согласно FDA, не относятся. Наконец, FDA не будет разрешать к применению для терапии какого-то заболевания лекарство пусть новое, но менее эффективное, чем уже существующие. Одним словом, мельдонию, скорее всего, не суждено продаваться в США в качестве лекарства. А вот успех мельдония среди так называемых биологически активных добавок (БАД), мне кажется, гарантирован, и скандал, который все еще продолжается, пойдет ему только на пользу.

Правда, заработать на продаже БАД удастся значительно меньше, чем на лекарствах, — во всяком случае, на американском рынке. Уже не первое десятилетие высокая стоимость лекарственных средств является одной из самых горячих тем политических дебатов в США. На моей американской памяти все как один кандидаты в президенты страны обещали сделать лекарства более доступными потребителю, однако выполнить обещания не спешили. Сегодня кое-кто из левых прогрессивных политиков, отчаявшись, предлагает даже распространять их совсем бесплатно — еще справедливее, чем это было в покойном СССР. В качестве главной причины дороговизны лекарств они называют непомерную жадность фармацевтических компаний, годовая прибыль которых составляет, как уже упоминалось, 15-19 процентов. Что будет с притоком вложений в фармацевтическую промышленность, если законодательно ограничить норму прибыли — а нужны, как тоже уже упоминалось, десятки миллиардов долларов, — политики не говорят...

Но это — общеэкономические соображения, применимые, в принципе, к любой отрасли капиталистического хозяйства. В производстве же лекарств есть отдельная специфика, тоже вносящая вклад в увеличение их стоимости. Фармацевтические компании хотели бы продавать свой продукт как можно большему числу потребителей — тогда цену в среднем удалось бы снизить, сохранив объем выручки. Но потребители лекарств — пациенты, люди, страдающие от болезней. А болезни бывают разные, и количество заболевших той или иной болезнью варьирует в весьма значительных пределах. По оценкам Всемирной организации здоровья, птичий грипп, скажем, затронул всего несколько сотен человек во всем мире, а гепатитом В поражены около двух миллиардов — четверть населения планеты. Между тем процесс разработки лекарственных средств, начиная с драг-дизайна до клинических испытаний и до промышленного производства, один и тот же во всех случаях, и затраченные средства будут примерно такими же.

Кстати, о клинических испытаниях: как организовать массовые испытания (вторая и третья фаза), если больных совсем немного? Каков будет уровень достоверности результатов? Ведь известно, что чем меньше объем выборки, тем менее надежны выводы об эффективности лекарства: законы статистики обмануть невозможно.

А в фармацевтической индустрии США есть еще и свои особенности. Переместить драг-дизайн, клинические испытания и производство в страну с дешевой рабочей силой — Китай, Индонезию, Вьетнам — нельзя: очень трудно поручиться, что там будут строго выполняться стандарты GLP, GCP и GMP. «Бюрократические рогатки», — говорят политики, теперь уже с правой, консервативной стороны; но требования FDA продиктованы желанием уберечь человеческие жизни. Полвека назад конгресс США принял «Поправку Кефаувера-Гарриса», обязывающую производителей лекарств предоставлять FDA убедительные доказательства безопасности их продукции _этот законодательный акт стал ответом на трагедию, случившуюся из-за препарата талидомид.

Талидомид (Thalidomide) появился на рынке ФРГ в 1957 году как снотворное и успокоительное средство, выпущенное компанией «Грюненталь». Через несколько лет выяснилось, что у многих женщин, принимавших талидомид, рождались дети с деформированными частями тела. По всему миру было около десяти тысяч таких случаев, из них более половины — в ФРГ; в тогда еще существовавшей ГДР препарат не был разрешен к применению. Только 40 процентов детей с врожденными дефектами выжили. Талидомид был снят с производства в 1961 году.

Но еще до этого одна американская компания подала в FDA заявку на производство и продажу талидомида. Правила тогда были помягче, и компания ссылалась на клинические испытания, проведенные в Германии. Однако эксперт FDA Френсис Келси заявку отклонила и, несмотря на давление, предложила компании провести свои собственные испытания. Так повторялось несколько раз, пока не появились сведения о жертвах талидомида. В 1962 году президент Кеннеди наградил Френсис Келси высшим отличием, предусмотренным для гражданских служащих на федеральной службе, а в 2010 году FDA установила ежегодную премию имени Келси для своих выдающихся работников — первой премию получила сама Келси.

Погибших детей не вернешь и искалеченных не исправишь; но можно хоть в какой-то степени компенсировать нанесенный ущерб. Суд над компанией «Грюненталь» начался в Германии в 1968 году и окончился в 1970 году соглашением, по которому компания заплатила в специальный фонд помощи пострадавшим сто миллионов марок; еще триста двадцать миллионов добавило правительство ФРГ. Фонд действует и сейчас, но полностью за счет правительства, хотя компания продолжает процветать; последний взнос в фонд она сделала в 2008 году — пятьдесят миллионов евро.

В отличие от Германии, правовая система Соединенных Штатов устроена так, что компенсации за вред, причиненный здоровью, могут быть значительно выше, а гонорары адвокатов и вовсе чрезвычайно велики. Правительство же не будет брать на себя хоть долю финансовой ответственности за ошибки фармацевтических компаний. Поэтому им всегда следует считаться с возможными судебными издержками, что, разумеется, тоже приводит к повышению цен на лекарства. По-видимому, самыми нашумевшими тяжбами последних пятнадцати лет, связанными с лекарствами, были процессы вокруг препарата виокс (Vioxx) компании «Мерк». Противовоспалительное средство, помогающее снимать боль при артритах, вышло на рынок в 1999 году и приобрело большую популярность: его использовали около восьмидесяти миллионов человек во всем мире, и продажи виокса достигали двух с половиной миллиардов долларов в год. Однако в 2004 году препарат пришлось изъять из обращения, поскольку у некоторых пациентов развились серьезные заболевания сердечно-сосудистой системы. Компания отложила девятьсот семьдесят миллионов долларов на юридические расходы и еще почти пять миллиардов на выплату возможных компенсаций пострадавшим и приготовилась защищать свою позицию в судах.

Они не замедлили последовать. За последующие годы состоялось несколько судебных процессов, где компания была ответчиком. Они проходили примерно одинаково: в суде первой инстанции компания признавалась виновной, и истцам, пострадавшим от виокса, назначались компенсации размером в десятки миллионов долларов. Однако при апеляции чаще всего эти приговоры отменялись и роль виокса как причины тяжелых заболеваний — а то и смертей — оставалась недоказанной. Шестеренки юстиции вращаются медленно, и только в 2011 году компания смогла снять с себя обвинения, по отдельности договорившись с прокурорами сорока четырех штатов и федерального округа Колумбия о том, что она заплатит штраф в размере двух третей от тех самых девятисот семидесяти миллионов долларов и отдельно еще триста двадцать два миллиона за нарушение правил маркетинга виокса.

А рынок, ранее занятый виоксом, немедленно захватил конкурент, препарат селебрекс; его не запретили, но производителей лекарств обязали широко информировать пациентов о возможных опасных побочных эффектах. С тех пор любая реклама лекарства на экране телевизора неизменно содержит не только восхваление его достоинств — в чем главный смысл рекламы, — но и предупреждения о его недостатках. Вряд ли это ограничение нравится рекламодателям; но, как бы то ни было, продажи лекарств в США постоянно растут и на рынок выходят все новые препараты.

«Большая фарма» и телевидение