Книга: Биологически активные

На языке физической химии

На языке физической химии

«Химик работает плохими методами с хорошими веществами, физик – хорошими методами с плохими веществами, физический химик – плохими методами с плохими веществами». Это изречение, известное всем читателям сборника «Физики шутят», никакого, естественно, отношения не имеет к исследованиям, в которых методы физической химии – теоретические и экспериментальные – использовались для изучения взаимодействия биорегуляторов с их рецепторами.

Для экспериментального изучения процесса связывания биорегулятора с рецепторами обычно применяют изотопную технику. Сперва нужно получить радиоактивный, «меченый» препарат биорегулятора. Если речь идет о соединении сложной структуры, например, белке, прибегают к обработке выделенного из природных материалов препарата радиоактивным реагентом, взаимодействующим с определенными его функциональными группами. Например, гидроксильные группы остатков тирозина в пептидах и белках легко модифицировать с помощью некоторых соединений йода. Очевидно, это будет не просто йод, а его радиоактивный изотоп ¹²⁵I. Этот метод сравнительно прост, но не лишен недостатков. Та же гидроксильная группа тирозина может выполнять определенную роль в активации рецептора, да и введение громоздкого атома йода изменяет пространственное соответствие рецептору. Гораздо надежнее попытаться «встроить» радиоактивный изотоп непосредственно в молекулу биорегулятора вместо обычного стабильного. Наиболее удобен для этой цели тритий уж атомы-то водорода входят в состав молекул решительно всех известных биорегуляторов.

Словом, так или иначе радиоактивный аналог можно получить, в конце концов, это лишь вопрос техники.

Теперь необходимо приготовить препарат ткани органа-мишени, содержащей соответствующие рецепторы. Это может быть кора надпочечников, печень, гипоталамус и т.п. В простейшем случае используют просто тонкие срезы тканей, но чаще ткань очень тонко измельчают, а полученные частички разделяют по величине с помощью особых приемов центрифугирования на несколько фракций. Частички эти называют микросомами, что часто ведет к путанице, поскольку так же называется и определенный вид субклеточных образований (органелл). Наш брат естественник любит иногда прервать дискуссию репликой: «Позвольте, мы же спорим о словах», и звучит это неизменно чуть-чуть презрительно, не без основания, может быть. Но, с другой стороны, и терминологическая распущенность должна иметь границы.

В некоторых фракциях и сосредоточены рецепторсодержащие структуры. Как узнать, в которых именно? Совершенно очевидно – это как раз те фракции, которые более всего связывают меченый препарат!

Как определить количество связанного препарата? Казалось бы, очень просто: помещаем микросомы в раствор меченого биорегулятора, выдерживаем там какое-то время, отделяем, например, центрифугированием и определяем их радиоактивность.

На самом деле приходится прибегать к более сложной процедуре. Часть препарата под действием ферментов, присутствующих в микросомах, разрушится, а образовавшиеся радиоактивные осколки могут сорбироваться на микросомах; некоторое количество меченого биорегулятора диффундирует в глубь частиц и т.п. Чтобы учесть только обратимое связывание поверхностными центрами, микросомы, выдерживаемые в растворе радиоактивного вещества («проинкубированные», если пользоваться профессиональным жаргоном), отделяют и помещают в более концентрированный раствор нерадиоактивного препарата. По прошествии некоторого времени меченый биорегулятор, сорбированный на поверхности микросом, «вытесняется», заменяется нерадиоактивным и, поскольку концентрация последнего намного больше, практически весь переходит в раствор. Опять микросомы отделяют и по радиоактивности раствора определяют количество обратимо связавшегося препарата.

Вообще говоря, для такого рода исследований используются не только природные биорегуляторы, но и их синтетические аналоги. Соединения, способные в той или иной мере к образованию комплексов с рецепторами, называют еще – независимо от их «активности» – лигандами данного рецептора.

Процесс образования комплексов «лиганд-рецептор» в рассмотренном, простейшем случае можно описать математически. Количество вновь образующихся в единицу времени комплексов, как уже говорилось, пропорционально концентрации лиганда (обозначим ее C) и количеству свободных, незанятых рецепторов. Если общее количество рецепторов – Q, количество образовавшихся комплексов – z, то незанятых рецепторов окажется (Q – z). Будем полагать (как оно чаще всего и есть), что концентрация лиганда в рассматриваемой системе намного больше, чем концентрация рецепторов, так что ее изменение в результате образования комплексов пренебрежимо мало. Тогда скорость образования новых комплексов составит k(Q – z)C. Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции образования комплексов; легко убедиться, что численно он равен скорости этой реакции в системе, где концентрации лиганда и свободных рецепторов равны единице. Эта величина имеет размерность с^–1 моль^–1.

Процесс же распада комплексов описывается еще проще. Предполагается, что вероятность распада в течение некоторого времени – скажем, секунды – одинакова для всех комплексов и равна k': тогда количество комплексов, распавшихся в течение секунды, есть произведение этой величины на общее их количество в данный момент времени – z.

Пусть в раствор лиганда концентрации С вносится не содержащий связанного лиганда препарат микросом. Вначале, когда количество комплексов еще весьма мало и процесс их образования протекает намного интенсивнее, чем процесс распада, количество комплексов растет почти пропорционально времени; затем скорость роста все более замедляется, начинает сказываться процесс распада; наконец, по прошествии достаточно длительного времени, устанавливается равновесие – скорости образования и распада комплексов уравновешиваются, то есть выполняется условие k(Q – z)C = k'z. Если это уравнение разрешить относительно z, получим так называемую изотерму Лэнгмюра, z = QC/(k'/k + C), соотношение, определяющее зависимость количества связанного лиганда от его концентрации в растворе при равновесии. Отношение k'/k, фигурирующее в скобках, есть не что иное, как уже известная нам константа диссоциации (K). С помощью уравнения Лэнгмюра можно дать еще одно наглядное определение содержательного смысла этой величины.

Константа диссоциации, как упоминалось, имеет размерность концентрации; предположим, что примененная концентрация лиганда имеет ту же величину, что и константа диссоциации. В этом случае, сокращая, имеем z = 1/2, то есть константа диссоциации равна такой концентрации лиганда, при которой достигается насыщение половины рецепторов.