Простейшее содержание молекулярной информации, которое можно себе представить, отражает устойчивость той или иной формы существования молекулы. Все дополнительное содержание — развитие этого элементарного сообщения.

Возможно, что корреляционный анализ аминокислотных последовательностей позволит выявить определенную взаимосвязь между структурой информационных пептидных блоков и механизмом пептидной регуляции. В перспективе это поможет установить в понятиях физической биохимии «семантическое» содержание информационных молекулярных сигналов.

4 Зак. №3913

97

1.4.3. Роль водородных связей в передаче молекулярных сигналов

¦ Выделение консервативных блоков аминокислот в, структурах пептидов и бедков может быть использовано не только для оценки их информационной емкости, но и для постановки вопроса о молекулярных механизмах передачи и восприятия информационных сигналов. Сходство строения аминокислотных блоков в составе регуляторных пептидов и высокомолекулярных белков позволяет предположить, что передача информационных сигналов происходит по пути «от подобного к подобному» в соответствии с гипотезой П. К. Климова о том, что регуляторный пептид является молекулярным осциллятором, а передача его информационных сигналов построена по принципу «камертон—резонатор» (Климов, Барашкова, 1993). Молекулярными резонаторами в общем смысле могут быть как участки полипептидных цепей высокомолекулярных белков, так и отдельные области бислойных липидных структур клеточных мембран. В ряде случаев, когда сигнал сохраняется в системе значительно дольше возможного времени жизни полипептида, возникает ¦ вопрос о физическом механизме дальнодействия и длительной трансляции сигнала:в среде.

Расчеты предпочтительных конформации пептидов выполняются, как правило, в предположении об изотропном окружении пептидной цепи. Только для достаточно длинных пептидных цепочек, т. е. для белковых макромолекул, учитываются внутримолекулярные гидрофобные взаимодействия жестких, обычно а-спиральных участков друг с другом при упаковке цепочки в глобулу. Это приводит к возникновению ядра молекулы, где сосредоточены гидрофобные аминокислотные остатки (Alberts et al., 1994). Внешние области белковых макромолекул, как правило, гидрофильны, так как боковые группы гидрофильных аминокислотных остатков экспонированы в сторону внешней водной среды и хорошо гидратированы; они участвуют в водородных связях с окружающим растворителем и в реакциях связывания лигандов (Норр, Woods, 1981). Методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) были измерены скорости изотопного обмена протонов, принадлежащих амино- и амидным группам высокомолекулярных полипептидов, на дейтерий и тритий воды (Knox, Rosenberg, 1980; Krauss, Cowburn, 1981). Эти измерения обнаружили большую разницу в скоростях обмена этих групп, находящихся во внутренних и внешних областях молекулы. Груп-

98

пы, находящиеся на внешней поверхности, пребывают в постоянном контакте с водой и обменивают свои протоны очень быстро — за доли секунды, тогда как группы, расположенные во внутренних областях белка (т. е. в областях с пониженной полярностью), обменивают протоны очень медленно — за минуты и часы.

По-видимому, эти малые скорости обмена определяются значительным временем релаксации внутримолекулярной подвижности полипептидов. Только изменение внешних параметров среды, например кислотности или температуры, влияет на скорость этих внутримолекулярных движений. Таким образом, большая разница между сравнительно медленной скоростью протонного обмена «пептид—вода» и практически мгновенной скоростью отображения этого обмена на системе водородных связей окружающей воды создает условия для непрерывного мониторинга коиформации пептида.

Полифункциональные свойства пептидных цепей обеспечивают их чувствительность к механическим колебаниям и участие в электромагнитных колебаниях. Собственные колебания заряженных (протонированных или депротониро-ванных) ионогенных групп полипептида вызывают обратимые смещения как низкомолекулярных противоиоиов, так и молекул воды, с ними связанных. Известно, что распространение механических колебаний в водной среде, содержащей заряженные частицы, приводит к локальному смещению положительных и отрицательных зарядов друг относительно друга и к возникновению ионного вибрационного потенциала (ИВП), который имеет ту же частоту, что и возбуждающее его колебание, например ультразвук. В случае заряженных макромолекул и коллоидных частиц в водной среде распространение ультразвука производит аналогичное действие: заряженная частица и окружающая ее «ионная атмосфера» осциллируют, индуцируя коллоидный вибрационный потенциал (КВП). Как правило, амплитуда КВП на несколько порядков больше амплитуды ИВП, и этот эффект используется в гидрофонах (Marlow et al., 1988).

Монохроматическая волна распространяется в среде и переносит энергию с определенной скоростью, но передать информационный сигнал с помощью монохроматической волны, очевидно, нельзя из-за ее однородности в пространстве и во времени. Для передачи информации нужно менять амплитуду или фазу волны. Математический аппарат решения этой задачи известен (Рабинович, Трубецков, 1984).

99

Среди многих возможных моделей молекулярного дальнодействия, пригодных для трансляции упорядоченных информационных сигналов, мы рассмотрим только системы сопряженных водородных связей, которые существуют как в пептидах, так и в окружающей их водной среде. На расстоянии 5—25 А вокруг пептидной цепи с большой скоростью происходят конформационные перестройки водородных связей гид-ратной воды, отражающие состояние пептида. Эти изменения можно наблюдать по спектрам ЯМР, как это представлено на рис. 8, А. В разделе 1.2.3 мы уже упоминали о фундаментальной взаимосвязи между конформационными переходами пептидной цепи и изменением характера ее локальной гидратации. На рис. 8, Б представлено возрастное уменьшение прочности клатратных структур в колагене, что соответствует дегидратации соединительной ткани у различных животных.

Для изучения структуры гидратной воды и подвижности ее протонов существуют три диапазона электромагнитных колебаний: рентгеновский, инфракрасный и радиодиапазон. В молекулах воды наиболее низкими частотами (4 • 104 Гц) характеризуются колебания ядерных спинов, соответствующие переходам между основным состоянием молекулы, когда спины протонов антипараллельны, и возбужденным состоянием, когда они параллельны. Эти частоты малы по сравнению с частотами обмена протонами между молекулами воды (1013—1014 Гц) и относятся к радиодиапазону. Интересно, что по порядку величины они сравнимы с механическими колебаниями (102—104 Гц), т. е. звуковыми волнами музыкального диапазона (Габуда, Ржавин, 1978). На рис. 8 представлен диапазон электромагнитных колебаний, используемых для изучения структуры гидратной воды.

По-видимому, низкочастотный (в радиодиапазоне) ЯМР-спектр связанной воды может дать уникальную информацию о взаимодействиях регуляторных пептидов с системой водородных связей воды.

При рассмотрении м