Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Классификация эндогенных регуляторных олигопептидов и анализ их структурно-функциональных особенностей

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Классификация эндогенных регуляторных олигопептидов и анализ их структурно-функциональных особенностей"

АКАДЕМИЯ' НАУК COOP Институт биологии развития им.-Н.К.Кольцова

На правах рукописи УДК 612.0 + 577.15/.17

- ЗАМЯТШШ Александр Александрович

КЛАССШКАШ ЗОДОГЕНШИ РЕШЯТСРШ ОЛИГСПЕГЛИДСВ И АНАЛИЗ № СТРЫШРНОчШКиИСШЬНЫК ОСОБЕННОСТЕЙ

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук в форме научного доклада

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте нормальной физиологии им Л.К.Анохина АМН СССР, г. Москва.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

академик АМН СССР Б.А.ПАНКОВ

доктор медицинских наук доктор философских наук

р.и.кругликов

-доктор биологических наук Д.Д.САХАРОВ ,

.ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ:

Институт органического синтеза Латвийское академии наук

Защита состоится в У часов Н1

заседании специализированного совета Д.002.85.01 но защите диссертаций на соискание ученой: степени доктора наук при Институте биологии развития им. Н.К.Кольцова АН СССР по адресу: 117808, Москва, ул. Вавилова, 26. >

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте биологии развитая им. Н.К.Кольцова АН СССР.

Диссертация разослана ¿¿/¿М 199_/£.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат биологических наук Е.М.Протопопова

/

"...ПОЧЕМУ... в должное время в должном месте происходят ДОЛЖ-НО-Е?"

Н.В.Тимофе ев-Ре совский

"There is 110 real difierenoe between struoture and function; there are two sides of the same coin. If structure does not tell us anything about funotion, it means we have not looked at it oorreotly,"

A.Szent-Gyorgyi

"Полностью исчезла граница между функцией, структурой, химией, биофизикой. Они стали звучать в подлинном единстве на острив микроароцессов."

П.К.Анохин

О Е II А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Проблема зависимости регуляторных функций вэт цеств пептидной природы от их структуры - одна из комплексных цро-5лем, расположенных на стыке целого ряда наук, среди которых био-гамия, биофизика, биоорганическая химия, молекулярная биология, физиология, нэйрохимия, медицина. Соответствуйте исследования зключают в себя выделение пептидов из живых организмов, их очист-су, определение аминокислотного состава и последовательности, выявление функциональной роли и величин активности, локализации в ра-ышчных органах и тканях, нахождение структурных генов, содержащих ¡ведения о предшественниках, исследование процессинга,-искусственная синтез природных структур, дизайн и поиск новых высокоактивных юптидов, практическое применение и многие другие задачи. Подобный зронг исследований требует объединенных усилий самых разных специалистов и на многие актуальные вопросы этой проблемы пока еще нет довлетворительных ответов. Несмотря на огромное количество работ, [освященных изучении различных характеристик регуляторных олигопе-гтвдов, вопрос об общих структурных и функциональных свойствах ¡того особого класса биологически активных соединений остается ¡аскрытым неполностью. Так, например, при интенсивном выявлении гарвичных и пространственных структур, лавинообразном потоке ис-¡ледований функциональных свойств нельзя считать, что нам уже в [остаточной мере известны основные физико-химические принципы вза-модействия олигопвптидов с рецепторами и основанные на них меха-шзмы и принципы системной организации физиологических функций..

В то ге время подобные исследования в' области молекулярной изиологии (термин И.П.Павлова, 1901), являлт собой богатейший [атериал для анализа самых разнообразных характеристик эндогенных

олигопептидов. Однако осмысливание и обработка - этого материала практически невыполнимы без привлечения сиотемких представлений (А.А.Богданов, Л.Берталанфи, П.К.Анохин) и использования адекватных современных средств вычислительной техники.

В связи с агам представляется важным найти способ единого рассмотрения совокупности свойств природных регуляторных олигопэп-тидов и на данной основе исследовать универсальные структурно-функциональные характеристики этих веществ. Примерами подобного рода могут служить задачи структурной классификации, выявление особенностей аминокислотного состава и последовательности, установление оптимальных размеров функционально активного олигопептида, выяснение природа "проявляемой ими одновременно и специфичности и полифункциональяости и др. Решение подобных задач могло бы способствовать более глубокому раскрытии сущности регуляторных процессов в хивых организмов (см., например, приведенные выше эпиграфы).

ЦЕЛЬ N ЗАДАЧИ РЛКШ: В связи с этим целы) работы является аналитическое изучение совокупности структурных и функциональных свойств регуляторных олигопептвдов, основанное на исследовании информационного массива, включающего данные о различных природных пептидных биорегуляторах. Успешному решению соответствувдих задач должны способствовать применение системного подхода и использование высокого уровня современной вычислительной техники, с помощью которой на сегодняшний день возмояно систематизировать и анализировать сущеивуицул значите льнув информации в данной области.

Задачами, решение.которых необходимо для достижения поставленной цели, являются следавдие (см. соответствующие главы):

1. Создание объекта исследования в виде Банка данных о свойствах эндогенных регуляторных олигопептидов с доступной информацией об их структурных и функциональных характеристиках (Глава I).

2. Проведение объективной систематизации (классификации) известных регуляторных олигопептидов с щелью нахогдения структурно-гомологичных семейств (Глава II).

3. Выявление физико-химических особенностей регуляторных олигопептидов с известной первичной структурой и с заданным спектром функциональной активности (Глава III).

4. Общая характеристика функций, в основу которой пологены данные об особенностях структуры эндогенных регуляторных олигопептидов и их участки в различных регуляторных, функциональных системах (Глава 17").

5. Определение места совокупности эндогенных" регуляторных олигопептидов среди биологически активных веществ и введение обоснованного определения понятия олигопвптид (Глава V).

г

ОСНОВНАЯ СЫТЬ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ. На основе впервые сформированного специализированного Банка данных ееор-мо^со* (о структуре и функциональных свойствах андогенных рэгуляторных олигопептидов), использовавшегося в качестве объекта исследования, проведана классификация олигопептидов по первичной структуре, в результате которой найдены структурно-гомологичные семейства, ставшие основой для исследования структурно-функциональных особенностей регуляторных молекул такого типа, что обусловило обнаругение у них превалирующего (в сравнении с природными пойипептидами - белками) содергания положительно зарягенных и циклических радикалов, составляющих молекулярную основу шлшгатентности и проявления олигопептидами оп- . ределэнных видов (спектров) полифункциональной активности (а с учетом аминокислотной последовательности - и функциональной специфичности), и что позволяет дать описание места, занимаемого подоб-еыми регуляторами среди природных биологически актившх веществ.

НАУЧНАЯ НОЕНЭНА Н ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧШСТЬ. В результате вроведенной работы на базе персонального компьютера системы 1вк-роАт впервые сформирован специализированный Банк данных о физико-химических и функциональных свойствах зндогеных регуляторных олигопептидов Еиор-мовсм», который может служить объектом исследования/ а в результате анализа содержащихся в атом Банке данных выявлен ряд новых закономерностей, отличающих эндогенные регу-ляторные олигопептвды по физико-химическим и функциональным характеристикам от других веществ пептидной природа.

В рамках структурных даншх Банка ейор-мозсо* проведена клас- ■ сификацея по первичной с^уктуре известных к настоящему времени регуляторных олигопептидов и выявлены их структурно-гомологичные семейства, которые также могут слугить объектом классификации.

Установлены особенности аминокислотного состава и ряд других физико-химических особенностей совокупности регуляторных олигопептидов с заданным спектром функциональной активности.

Использованы возможности Банка с классифицированными данными в" характеристике общих функциональных особенностей регуляторных олигопептидов. -

В результате анализа полученных структурных семейств выявлена область оптимальных размеров регуляторных- олигопептидов, обладающих фиксированным спектром функциональной активности.

Теоретическая значимость представленного исследования заключается в том, что рассмотрение такого однозначного параметра, каким является первичная структура олигопептида, позволяет сделать целый рад общих выводов о структурных семействах и функциональных спектрах веществ пептидной и сходной природы, о физико-химической

цржроде функциональной специфичности и полифункциональности, чтс может стать основой для ряда оОщэбиолошческих заключений, в тоь числе об участии регуляторных олигопептидов в онтогенезе и о характере их.структурно-функциональной изменчивости в филогенезе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Создание массива информации и формирование на его основе системы взглядов о свойствах эндогенных регуляторных олигопептидов позволяет сделать выводы о путях направленного поиска высокоактивных веществ пептидной природа с целью из практического использования, например, в медицине. Полученные результаты могут быть учтены при выделении и очистке новых природныз олигопептидов, а также при искусственном химическом синтезе кар как молекул с известной, так и новой аминокислотной последовательность!). Сам Банк данных и созданные к нему специализированные программы пригодны для анализа вновь открываемых природных олигопептидов с целью выявления новизны их структуры и прогнозирования спектра функциональной активности.

Представленные результаты исследований эндогенных регуляторных олигопептидов учтены автором в педагогическом процессе при преподавании курсов, посвященных физиологически активным соединениям (на Биологическом факультете Московского педагогического университета им. .В.К.Ленина: акты о внедрении 1988 и 1991 гг.). С использованием данного материала были прочитаны также лекции на XV и 71 Всесоюзных Школах.молодого биолога: "Регуляция биологических систем" (Цахкадзор, 1984) и "Проблемы биологии клетки" (Душанбе, 1988); на Всесоюзной школе "Физико-химическая биология и проблемы регуляции клеточного метаболизма" (Тольятти, 1988).

ДГРОЕйииЯ РАБОТЫ, Материалы диссертации докладывались: на Пленуме проблемной комиссии "Механизмы системной организации физиологических функций" в рамках симпозиума "Олигопептиды в системной организации физиологических функций" (Москва, 1983); на Всесоюзном симпозиуме "Система мозговых и внемозговых пептидов" (Ленинград,

1984); на IT и vi Всесоюзных конференциях "Физиология и биохимия медиа торных процессов" (Москва, 1985, 1990); на I Всесоюзной конференции "Нейропешщцы, их роль в физиологии и патологии" (Томск,

1985); на Всесоюзном симпозиуме "Медиаторы в генетической регуляции поведения" (Новосибирск, 1986); на заседании Московского физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 1986); на XII и XIV Итоговых сессиях Института нормальной физиологии им. П.К.Анохина АМН СССР (Москва, 1987, 1989); на XII Всесоюзном совещании по транспортным ДТФазам "Ионный гомеостаз и влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность клеток" (Иркутск, 1987); на II Всеооиз-ной конференции "Математические и вычислительные методы в биоло-

гш. Биомолекулярные системы" (Пущино, 1987); на Всесоюзной конференции Института экспериментальной патологии 2 терапии АМН СССР (Сухуми, 1987); на и Всесоюзном рабочем совещании по изучению роли морфогенетически активных факторов в различных процессах -"Морфоген-2" (Пущино, 1988); на Всесогоном симпозиуме "Физиология пептидов" (Ленинград, 1988); на II и III Всесоюзных конференциях "Простые нервные системы и их значение для теории и практики" (Казань, 1988; Минск, 1991); на Ученом совете XXI века Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР (Москва, 1988); на IX Всесоюзной конференции "Проблемы нейрокибернетики" (Ростов-на-Дону, 1989), на Всесогоном Симпозиуме "Проблемы изучения наследственности человека на уровне белковых продуктов генной экспрессии" (Москва, 1989), на заседании Московского общества испытателей природы (Москва, 1989), на семинаре по общей биофизике в Институте биологической физики АН СССР (Пущино, 1990), на Всесоюзном симпозиуме "Химия пептидов" (Рига, 1990), на советско-финском семинаре по леЕгмировским пленкам (Москва, 1990), на Всесоюзном симпозиуме "Физиологическое и клиническое значение рогуляторных пептидов" (Ниений Новгород, 1990), на Пленуме Научного совета по экспериментальной и прикладной физиологии АМН СССР (Москва, 1990).

ПШШКАИМ. Материалы диссертации опубликованы в эб печатных работах в отечественных и зарубежных изданиях.

CTPÜKTUR4 RfiEOТУ. Основу работы составляют пять глав, содержащих краткое изложение собственных исследований: Глава I Принципы построения и содержание специализированного Банка данных erop- Moscow........... стр. 12

Глава II Классификация эндогенных регуляторных олиго-

пептидов по первичной структуре ............... стр. 19

Глава ill Исследование физико-химических особенностей

эндогенных регуляторных олигопептидов ......... стр. £5

Глава IT Характеристика общих функциональных особенностей эндогенных регуляторных олигопептидов .. стр. 31 Глава У Место эндогенных регуляторных олигопептидов

среди веществ пептидной природы ............... стр. 38

Работу предваряет краткое Введение (сор. 6), содержащее характеристику используемой терминологии, ряд исторических сведений по проблеме и краткие введения к отдельным главам диссертации. В завершающем разделе - Заключении (стр. 43) отражены перспективы дальнейших исследований в рамках Банка данных erop-moscow и возможности практического применения результатов. Сформулированы также Вывода (стр. 45), после которых дан список работ, опубликованных автором по теме диссертации (стр. 46).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

HEKOTOFUE ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Природные пептиды представляют собой обширный класс химических соединений, в структуре которых объединено от двух до нескольких тысяч аминокислотных остатков. Их общая формула для водной среды

+КН3—сн—со—мн_сн—со—......—мн—сн—соо"

к К . »к

со дерзит звенья —ин—chcr±)—со—, являющиеся как правило остатками 20 видов так называемых стандартных природных аминокислот. Аминокислотные остатки соединены меаду собой пептидной связью, название которой стало основой названия всех представителей этого класса веществ. Уникальную последовательность аминокислотных остатков принято называть первичной структурой. Спектр биологических функций данного класса молекул чрезвычайно разнообразен и существенно отличается у малых и больших пептидов (Lehningor, 1982).

Многочисленные структурные и функциональные особенности ендо-генных пептидов обусловили появление и употребление разнообразных терминов. Так, были введены в обиход названия олиго- и полипептидов, хотя граница мегду ними четко не' определена (lí.Bodanszky, 1977; И.П.Ашмарин, 1982). Достаточно крупные природные полжгептида обычно называют белками независимо от выполняемых ими функций.

В то se время целый ряд названий характеризуют функциональные свойства олигопептидов. Среди них такие как биологически (Г.М.Ба-ренбойм, А.Г.Маленков, 1986) или физиологически активные пептиды (А.Ю.Буданцев, В.В.Шерстнев (ред.), 1988; Ï.Nakajima, N.Yanaidha-га, T.üiyaaawa (eds), 1988), пептидно-белковые биорегуляторы (Г.И. Чипенс, И.С.Фрейдаин, С.Е.Склярова, 1987), нейропептиды (D.deWied, 1969), пвптидныэ гормоны (Н. Kobayashi, H.A.Bern, A.Urano (eda), 1985; B.Soharrer, 1987; J. Martinez (ed), 1989), медиаторы и модуляторы (И.П. Апмарин, 1982; В.О.Carpenter, D.B.Briggs, Н.Strominger, 1984; U.A. Rogawski, J.I.Barker (eds), 1985; Q.Hoyle, 1985), иммуно- и иммуномодулирушще пептиды (а.н.Werner, ï.Fioo'h, D.tíig-liore-Баззоит, P.Jolies, 1986; J.E.Horley, H.E.Kay, B.P.Solomon, N.P.Piotnikoii, 1987). Их регуляторные свойства обусловили возникновение названия регулзда (P.Oehme, 1981), а успешное развитие представлений об участии олигопептидов в интеграции физиологических функций (В.В.Шерстнев, А.Б.Полетаев, О.Н.Долгов, 1979; В.В. Шерстнев, В.П.Никитин, А.Л.Рнлов, 1987; К.В.Судаков, 1984, 1987, 1988; "Р. И. Крут ликов, 1988) жвдтвэрдило правомерность появления те-

рюша интегративные пептида (B.G.Hosbel, 1905). В основном ш будем использовать термин рэгуляторные пептида, который, по-видимому, получил наибольшее распространение (J.M.Poiak (ed), 1989).

РРД СВЕДЕНИЙ ИЗ ИСТОРИИ ПРОЕШЬ. Начало выявлению всех природных аминокислот продолжалась более века, начало чему было положено выделением аспарвгша (i. -lí.rauqueiin, ?.J.Hobiqust-, 1806) и завершено открытием треонина (w.o.Rose,1935). Первый же эндогенный рэгуляторный олигопвптид, по-видимому, был открыт в России в '1900 году, когда В.С.Гулевич и С.Амирадаиби описали структуру и функции карнозина. В дальнейшем характеристика многочисленных олигопепти-дов шла параллельно с разработкой методов определения аминокислотных последовательностей и первыми в атом ряду стоят публикации о расшифровке яонапептидных структур окситоцина (V.- du Vlgneaud, C.Ressler, S.Crlppett, 1953), arg- (R.Acher, J. CfcauTet, 1953; 7. du Vigneaud, H.C.bawler, E. A.Popenoe, 1953) 2 iys-вазоцрессинов (V. du Vigneaud, C.Lawler, E.A.Popenoe, 1953). Выявление структуры более крупных пептидов вызывало больше трудности и, -например, для АКТГ свиньи (39 остатков) первая неточная публикация (R.G.Shepherd, S.D.Willson, K.S.Howard, Р.Н.Bell, d.S.darios, S.B. Eaviea, B.A.Eigner, N.E.Shakespeare, 1956) была скорректирована лишь через 15 лет (Х.агаг, S.EaJusa, A.Patty, В.Bar¿t, G.Caeh, 1971).

Интерес к регуляторным пептидам резко возрос после открытия в 1975 году пептидных опиоидов - анкефэлинов (J.Hughes, Т.if.Smyth, H.W.Kästerlits, Ь.А. íothergill, B.A.Korgan, H.R.Korris, 1975) И К настоящему времени из разных видов организмов животных выделено более 1000 разных по структуре пептидов, содерзащих от 2 до 50 аминокислотных остатков. Для них имеются сведения о функциональной активности, отличающейся чрезвычайным разнообразием. Олигопептида участвует в функционировании главнейших регулягорных систем организма - нервной, иммунной, эндокринной (В.Е.Клуша, 1984; Н. КоЪа-yashi, H.A.Bern, A.Urano (eda), 19S5; Й.П.Алмарин, М.Ф. Обухова, 1986; П.К.Климов, 1983, 1986; О.С.Папсуевич, Г.И.Чипенс, С.В.Михайлова, 1986; Й.П.Алмарин, H.A. Каменская, 1988; И.П. Ашмарин, O.A. Гомазков, 1989), играют вакнуи роль в морфогенезе (И.М.Шейман, Э. Ф.Балобанова, 1986; R.A.Goodlid, K.A.Wright, 1987; И.В.Sporn, A.B. Roberts, 1983) в системных механизмах поведения (J.W.Grier, 1984; К.В.Судаков, 1988, например, при пищевом - С.К. Судаков, 1988), в процессах обучения и запоминания, в механизмах памяти (D.deWisd, 1968; И.П.Дшмарин, Р. И. Круг ликов, 1983; И.П.Дшмарш, С.А.Титов, 1988) и др. Одни и те se олигопептида способны участвовать в раз-различных регулягорных процессах (полипотентность по А.М.Уголеву, 1990), а разные - обладать сходном функциональным спектром.

Наряду с атжм шло выявление структурных генов, содержащих информацию od олигопептидах, например, для АКГГ, зндорфина (H.ffiaka-hashi, Y. leranishi, S.Natonishi, S.ltoa, 1981) И энкефалинов (И. Nöda, Y. TeranlBíii, H.Takahashi, M.Soyosato, lí.líotake, S.Kakani-ahi, s.Numa, 1982), решался вопрос о сосуществовании различных олигопептидов и классических медиаторов в одних и тех se клетках (Р.Sundler, E.Etblad, G.Bättoher, J.iluaieta, B.Hakanson, 1985), проводился поиск высокоактивных пептидных соединений в результате химического синтеза и дизайна (работы Ю.А.Овчинникова, В.Т.Иванова, В.В.Закусова, Г.И.Чшхенса, В.В.Митина, V.J.Hruby и др). определялась локализация олигопептидов в различных органах и тканях (E.M.Post, P.Gold, D.E.Rubinow, J.С.Ballenger, W.E.Bunney, P.K. Goodwin, 1982; И.Е.Дшмарин, М.Ф.Обухова, 1985; S.Hosokawa, К.Kato, 1986; D.A.Prioe, ff.W.Davies, K.E.Doble, M.Greenberg, 1987 И др.), исследовалось проницаемость для них гемато-энцефалического барьера (w.A.Banks, A.J.Kästln, 1985) и др. Параллельно с этими шло интенсивное развитие представлений о принципах биохимической эволюции (M.Plorftin, 1947) и эволщии функций (А.М.Уголев, 1985).

Обилие подобной информации оказано одним из новых журналов квчгорвръ1<1вз (основан в 1980 года в Великобритании), по материалам которого мы составили график, представленная на Рис. 1.

ЮВ1 1ВВ2 1683 ЮВ4. 1SSS ЮВв 1SST ЮВв 18SS 1ЙВО

ГОДЫ

Рис. 1. Рост числа публикаций по проблеме "Физиологически активные пептиды.

КРАТКИЕ ЕСТШЛЕНИЯ К СТДЕ№№М ГГйШИ РАБОТЫ призваны охарактеризовать состояние рассматриваемой проблемы в решении каждой из сформулированных задач. При атом в связи с отмеченным обилием литературы предпочтение чаще отдавалось нами обзорным публикациям.

i. Информация о структуре и функциях природных дрептидных молекул к нестоящему врэкенн заключена в Банки данных, основой которых являются аминокислотные и/или нуклеотидныв последовательности (tt.O.Dayhorr, 1972, 1979: Р.С.Bernstein, I.E.Koetzle, G.J.B. Williams, E.P.Meyer, K.D.Brioe, J.R.Eodger3, 0.Kennard, T. Shirr.ano-guohi, U.Taavnii, 1977; B.O.Oroutt, D.G.George, M.O.Bayhoif, 1983; J.-M.Claverie, I.Sauvaget, 1985; J.-M.Claverie, I.Brioault, 1986;

B.И.Поздняков, Ю.А.Панков, 198Э и др.). При атом созданы Банки как для любых природных пептидных структур (M.o.DayhoiX 1979), в том числе и для одного вида е.сои клг (s.Kunisawa, li.Nakanrura, Н. (Vatanabe, J.Otsuka, A.ffsugita, L.-S.I.Yeh, D.G.George, W.С.Barker, 1990), так и Банки, специализированные по различным структурным и функциональным категориям: для сигнальных пептидов (G. von Heijne, 1987) или для характеристики функциональных свойств «-химотрипсина (B.Keil, 1987), каскадной регуляции (И.П.Адмарин, А.П.Кулаичев,

C.А.Чепурнов, 1989). Широко используемыми к настоящему времени Банками данных пептидных структур являются, например, такие, которые представлены в Табл. 1 (J.-И. Claverie, L.Brioault, 1986):

Таблица 1.

ПРИМЕРЫ БЕЛКОВЫХ И НЖЕОТЩЩЫХ БАНКОВ ДАННЫХ.

НАЗВАНИЕ БАНКА СТРАНА, ГОРОД УЧРЕЗДЕНИЕ АВТОРЫ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИИ

NBRF-PIR USA, Washington National Biomedical Research. Foundation M.O.Dayhofi, et al.

PGtrans France, Paris Institute Pasteur .J.-M.Claverie, et al.

PSD-Kyoto Japan, Kyoto Clinical Research Inst. Kyoto University T.Ooi, et al.

* NE WAT USA, San Diego Chemistry Department UC5D R.Doolittle, et al.

В то ге время намине удалось выявить такой Банк, который бы удовлетворял требованиям полноты описания структурных и функцио-гальных характеристик вндогенных рвгуляторных олигопептидов.

и. На оснований известных данных о структура и функциях ан-зргенных молекул пептидной природа ранее ухе осуществлялись попыт-ш классификации атих веществ. Поскольку наиболее изучаемыми яв-шштся структура, функции и локализация регуляторных олигопептидов [|1.Неие1<1, 1984; Л.А.Ргхое, Н.№.Ба71ез, К.Е.БоЫе, М.ОгеепЪе^, 987; И.П.Ашарин, М.А.Каменская, 1988; Т.М.Ерошвнно, Л.Л.Лукьяно-

ва, 1989) именно эти характеристики чаще всего брались в основу классификации. Однако, возможно также и рассмотрение олигопептидов одного вида животных, однотипных органов или тканей и т.д.

Следует, однако, иметь ввиду, что не все из а тих характеристик однозначны. Так, известно, что, с одной стороны, сходные функциональные характеристики могут быть свойственны разным пептидам, а с другой - один олигопептид может участвовать в выполнении не ОДНОЙ функции (J.E.Zadina, ff.A.Banks, A.J.Kastin, 1986). Место образования (или источники выделения) также трудно взять за основу ввиду хорошо известной множественной локализации регуляторных олигопептидов в разных отделах живого организма. Свидетельством тому является то, что ряд олигопептидов, получивших свои названия по месту их первичного обнаружения, например, анкефалины (J.Hughes et ai., 1975) или вазоактивный интестинальшй полипептид (у.Mutt, .S.Said, 1974), позднее были выявлены в других органах и тканях (S.R.Bloom, J.M.Polak, 197S, 1979; S.Hosokawa, M.Kato, 1986).

Таким образом, несмотря на большой интерес, проявляемый к проблеме классификации, использование строго формализованного критерия до настоящего времени для ее решения пока не осуществлялось.

hi. Хорошо известно, что взаимодействие лиганда с рецептором реализуется на основе их структурного соответствия. Для олигопеп-пептида ато соответствие означает наличие определенной совокупности свойств молекулы, которую Г.И.Чинено (1969) на основе применения принципов системного анализа и элементов теории информации (Н. Quastler, 1965) предложил называть сигнатурой. Очевидно, что ато понятие включает сведения и об аминокислотной последовательности.

Полные данные о первичной структуре закличавт в себе сведения об аминокислотном составе, который был предметом специального изучения еще с начала развития химии белков и пептидов (Г.Нейрвт, К." Бэйли (ред.), 1956; D.E.Kixsohenbaun, 1971-1984). На основе этих данных исследовались корреляции аминокислотного состава белков с молекулярным -весом, объемом, зарядом, гидрофобностью (G.Reek, ь. Fisher, 1973; S.S.EaJan, R.Srinivasan, 1976; A.A.Zamyatnin, 1972, 1984; E.Gianazza, P.G. Rigtistti, 1980; В.Н.Иванов, 1981; В.А. Ко-нышев, 1983; А.М.Ерошкин, П.А.Еилкин, И.К.Попков, В.А.Куличков, 1987) и др. Однако, эти исследования проводились на молекулах, обладающих существенно разным функциональным спектром. В то же время широко известно сходство такого спектра у многих природных олигопептидов. Это обстоятельство, по-видимому, является отравением того, что у них могут быть и общие физико-химические особенности.

iv. Анализ общих функциональных характеристик эндогенных олигопептидов вызывает значительные затруднения хотя бы уже потому,

что такие термины как "физиологическая реакция", "физиологическая активность" и им подобные не являются в достаточной степени строгими и не озражают в полной мере реальные процессы, происходящие при той или иной наблюдаемой нами реакции. Более того, представляется, что отсутствует четкая классификация и самих функций. Достаточно сказать, что понятие "физиологическая функция" вообще отсутствует в Словаре физиологических терминов издания 1987 г.

Одной из причин такой ситуации, го-видамоку, является то, что природные олигопептиды обладают одновременно и специфичностью, и полифуннциояальностью, а также в связи с тем, что в настоящее время не существует фундаментальных данных о биоиспытаниях структурно-функциональных свойств агих соединений. Например, проведенный нами анализ многочисленных: данных о влиянии олигопептидов на терморегуляцию (w.G.ciarK, J.M.liipton, 1985) показал, что сопоставить действие нескольких десятков молекул практически не представляется возможным, поскольку тестирование велось либо на разных видах животных (более го видов), либо при разных способах введения (более 20 способов). Кроме того, различия заключались и в величинах доз, и во многих других деталях условий эксперимента.

Тем не менее, нам каается, что, основываясь на представлениях о сигнатурах (см. выше), когно попытаться дать общую характеристику функциональных особенностей эндогенных регуляторных олигопептидов, поскольку они помогают объяснить, почему структурно разные молекулы способны вызвать близкие реакции или почему одна молекулярная структура может участвовать в различных процессах.

у- В общем случав рассмотрения только пептидов вряд ли можно удовлетвориться чисто лингвистическим отличием терминов олигопептиды и полипектиды. Можно привести значительное количество публикаций, где молекулы, содерзащие менее зо аминокислотных остатков, называется долипептидами. Характерным примером такого рода является уже само название вазооктивного интестинального полипептида, содержащего 28 аминокислотных остатков (V.itutt, S.Said, 1974) или ранатензина, в составе которого всего 11 остатков (s.Nakajima, s. lanimura, J.J.Pisano, 1970).

На основании гэ достаточно большого числа данных о различных свойствах эндогенных регуляторных олигопептидов, учитывая их общие структурные и функциональные особенности, можно рассчитывать на успех в попытке виделить этот подкласс природных соединений из всех веществ, называющихся белковыми продуктами генной экспрессии. Такое выделение могло бы способствовать выявлению дополнительных отличительных характеристик, например, характеризующих длину олигопептидов, т.е. число содержащихся в них аминокислотных остатков.

Г J А Б А

I

ПРЫНУИГЫ ПОСТРОЕНИЯ И СОДЕЯ1АНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО БАНКА ДАН№1Х erop-moscow

Для достаточно полной системагазации материала о структуре и функциях эндогенных регуляторных олигопептидов потрес5овалось создание специализированного Банка данных. Такой Банк erop-moscow (Endogenous Regulatory oligopeptides) сформирован нами в Институте нормальной физиологии им. П.К.Анохина АМН ССОР и стал основой^для выполнения настоящей работы.

Система доступных сведений об эндогенных регуляторных олиго-пешидах была формализована с помощью персонального компьютера системы ibm-pc>ät с использованием программ типа ¿base.

Создание любого информационного массива предусматривает определенную систематизацию содержащихся в нем данных, что должно быть отражено уже на стадии формировании С1руктуры Банка*. В связи с этим первой задачей при формировании специализированного Банка данных о свойствах эндогенных регуляторных олигопептидов явился выбор фактора, объединяющего данные обо всех вводимых в Банк молекулах этого типа.

В качестве такого фактора нами рассмотрено функциональное свойство эндогенных лигандов на основе структурного соответствия объединяться со специализированным связывающим центром (например, с рецептором). Безрецепторное взаимодействие компонентов клеточной мембраны с лигандами (А.А.Болдырев, 1985, D.F.Sargent, J.W.Bean, R.Seiwyzer, 1988, В.К.Рыбальченко, 1990), по-видимому, может считаться частным случаем ввиду неспецифичности такого механизма.

В процессе формализации было использовано и то, что общим структурным свойством всех олигопептидов является (см. Введение) наличие характерной первичной структуры. Эта структура представляет собой строго однозначную характеристику данного олигопептида и отличительную черту каждой Зашей (полную физико-химическую характеристику одного олигопептида) Банка erop-moscow.

В Банк заносились сведения только об олигопептидах, которые (шш предаственники которых) синтезируются в результате рибосо-мального матричного механизма. Поэтому, например, молекулы, часто содержащие нестандартные аминокислотные остатки и продуцируемые микроорганизмами на основе мультифермевтного тиоматричного механизма (Н.С.Егоров (ред.) Антибиотики-полипептиды, 1987) не рассматривались- Обязательными требованиями, предъявлявшимися нами к.ин-

* Ввиду синонимичности следует отличать структуру Банка, то-еегь организацию составляющих его элементов, и физико-химическую структуру пептидов.

формации о свойствах каждого заносимого в Банк олигопептида были следующие:

1) наличие сведений о биологическом источнике выделения (условие эндогенноети);

2) полностью установленная первичная структура;

3) минимальное число аминокислотных остатков равно 2, исходя из определения пептида (см* Введение);

4) максимальное число аминокирлотных остатков равно 50 (см. Главу V);

5) известен иж обоснованно моаэг быть предсказан спектр функциональной активности олигопептида.

При этом любая информация должна быть подкреплена указанием литературного источника и рядом других вспомогательных сведений.

Основой созданного Банка явился файл sequence (последовательность), предназначенный для характеристики однозначной величины -первичной структуры природных одноцепочечных молекул, а также со-путствуивдх сведений. Таким образом, каждая Запись содержит уникальную аминокислотную последовательность, невстречаицуюся в других.

Файл sequence, как и все другие файлы Банка, имеет константную ж вариабельную части (рис. г). Первая составлена из полей 1-17 и содергит сведения об общих характеристиках олигопвнтида, включа-вдих терминологию, элементы классификации, биологический' источник, из которого данный олигопептида выделен вперзые, аминокислотную последовательность, величины числа аминокислотных остатков и молекулярного веса, перечень основных типов активности, наличие сведений о предшественнике. Эту информацию целесообразно повторять и во всех других файлах, предназначены! для подробной характеристики функциональных или иных свойств олигопептида. Вариабельная часть, различная для разных файлов, занимает поля с 18 по 32 и в случае файла sequence содержит более подробные сведения о структуре, источниках выделения, литературные ссылки и т.д.

На первом этапе для фиксированное™ некоторого спектра функциональной активности нами были выбраны четыре произвольные характеристики, которые часто встречаются для описания активности ней-ропептидов: влияние на сокращение гладкой мускулатуры м, регуляция кровяного давления р, терморегуляция т, рилизинг-активность r. Олигопептид считался активным в том случае, если он обладал одним (или болев) типом указанной активности, и это служило основанием для включения его в Банк. Выбранный спектр активности, как оказалось, присущ большинству природных олигопептидов и его рассматривали в качестве базового. Структуры с таким функциональным спектром, далее будем называть олигопептидами группы mptr.

. display structure

Structure tor file: A-.SEQUEN49.DBF

Nuntoer of records: 01037

Date of last update: 06/30/91 Primary use database

Fia Name Type Wid!

001 FAM:NMB::K С 006

002 FAM:NAME:K С 004

003 PEP:NMB: :K С 003

004 PEP:NAME:K С 041

005 ABB:NAME:K С 013

006 FST:B:CL:K с 003

007 FST:SPEC:K с 003

008 FST:ORG: :K с 003

009 FST:SUB::K с 003

010 EDG:ORIG:K ь 001

Oil EXG:SPEC:K с 003

012 MPTRINBAFK с 010

013 PBECTOS::K ь 001

014 AAR:SUM::K N 002

015 TSR:SUM: :K N 002

016 N 006

017 SEQ:1::::K с 053

018 SEQ:3::::V с 209

019 SYN:NAME:V с 015

020 TAXON::::V с 027

021 ANIX:SEQ:V с 004

022 ALL:B:CL:V с 015

023 ALL:SPEC:V с 015

024 ALL:ORG::V с 015

025 ALL:SUB::V с 015

026 SS:BONDS:V с 006

027 N:STND:R:V с 012

028 SEQ:BEF: :V с 240

029 OOM-1ENTS:V с 240

030 YEAR:SEQ:V с 005

031 COUNTRY: :V с 006

032 ADD: INFM:V с 019

** Total ** 01001

file: STRU-SEQ.CAL 10.07.91

¿peptide) FAMily NuMBer: ¿peptide) PAMily NAME: peptide NuMBer <in peptide family): PEPtide NAME:

ABBreviation <of peptide> NAME:

FirSTly <used> Biological CLass <of source>:

FirSTly Cused) SPECies (animal name):

FirSTly <used> ORGan <or tissue>:

FirSTly <used> SUBorgan:

ENdoGenous ORIGin <yes or no (exogenous)>:

EXoGenous SPECies (name o£ host animal):

№/otropic. Pressure... ¿activity type):

PRECURSor <is known or not):

Amino Acid Radical SUM:

Terminal <and> Side Radical SUM:

Molecular Weight ¿value):

<one letter) SEQuence:

¿three letters> SEQuence: '

SXNonymous Name <of peptide?:

TAXONomic classification:

Amino acid, Nucleotide... <type of> SEQuence ¿elucidation):

ALL ¿used) Biological CLasses <o£ sources):.

ALL <used> SPECies (animal names):

ALL ¿used) ORGans <or tissues):

ALL <used> SUBorgans:

SS BONDS <position>:

Non-STaNDard Radicals (type and position): ¿first correct) SEQuence <in> REFerence: COMMENTS:

YEAR <of first correct) SEQuence determination): COUNTRY <of SEQ:REF::V paper author): ADDitional INForMation:

В результате по публикациям, вкличавдим данные по зо ишя 1991 года, в Банк erop-mosco» (49-й релиз) введены сведения о 673 регуляторных олигопептидах группы mptr. в то же время ввиду свойства • полифунквдональности среди этих se олигопептидов оказались и такие, которые известны как нейрокедиаторы, регуляторы проницаемости ионных каналов, регуляторы морфогенеза, молекулы, играющие важную роль в системных механизмах поведения, в процессах обучения и запоминания, в механизмах памяти и в других проявлениях различных функций живых организмов.

В дальнейшем к указанным структурам группы mptr стали добавляться Записи и о других олигопепгидах, спектр функциональной активности которых не перекрывается с заданным. К отмеченному времени таких олигопептидов оказалось 364 и таким образом всего Банком данных (49-й релиз) описано 1 037 природных олигопептидов с общим числом аминокислотных остатков, равным 21 621. Если учитывать не только боковые, но и концевыв радикалы, то общее число всех выступающих из пептидного остова радикалов составляет 23 564.

Разнообразие биологических источников регуляторных олигопептидов оказалось довольно широким (Таблица 2). Включенные в Банк молекулы выделялись ИЗ 7 биологических типов: Protozoa,

Co&l&nt&rata, N&m^rt&a, Echinoderrhata, Arthropode!, Mollusca и

chordata. (биологическая классификация проведена по Р.Parker (ed.), 1982; Н.Н.Воронцов, 1987, 1988). Среди последних наиболее представлены млекопитающие (от мыши до слона и китов) и амифибии (многочисленные виды лягушек)..Следует отметить, что число видов беспозвоночных и число полученных из них олигопептидов в указанных типах распределены весьма неравномерно. Так, несмотря на обширный перечень таблицы 2, в случае иглокожих источниками выделения олигопептидов служили в основном морские ежи. В то se время большим разнообразием отличались членистоногие ж моллюски.

Основные параметры описываемого Банка данных о регуляторных пептидах оказалось возможным сравнить с соответствующими данными Банка, характеризующего существенно более длинные природные пептидные последовательности - белки (H.Hakasliima, K.Niehikawa,

<--- К стр. 14

Рис. 2. Распечатка структуры файла sequence (слева до знака "-"). Каждому из 32 полей соответствует сокращенное название вводимой в Банк характеристики. Константные и вариабельные поля помечены соответственно буквами к 2 v. Типы полей обозначены тремя буквами: с - текстовая, м - числовая hl- логическая. для числовых данных можно указать количество знаков после запятой с Dec)., Справа (после знака "-") - расшифровка аббревиатуры полей, где заглавные буквы соответствуют аббревиатуре левой части рисунка. •

Таблица г.

• ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНДОГЕННЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ОЛИГОПЕПТЙДОВ.

Биологические типы - Примеры биологических видав

Coelenterata Hydra attenuata Anthopleura elegantiasima

Nemertea Cerebratulus laoteua

Echirbod&sfma ta HemloentrotuB puloherrimus Strongylooentrotus purpuratua Arbaoia punotulata Lyteohynus piotua Clypeaster ¡Japonioua Glypocidaria orenularia Anthocidaris oraaaiapina PEeudooentro tus depreaaua Aatriolypeiis rnauni ¿aterías rubena

Aí-thropoda Periplaneta americana Leuoophaea maderae Nauphoeta oinerea Locusta migratoria Sohistooeroa gregaria Veapula maoulifrons GryllU3 bimaculatus Droaophila íunebris Heliothls zea Pandalua borealís Leander adspersus - Paohygrapins marmoratus Apis melliíera Romalea mioroptera Bipusa pennata Xeptinotarsa deoemlineata Melolontha melolontha

Molí иsea Eledone moachata Pomaoea paludosa Mytilus edulis líaorooalliata nimbosa Aplyaia oalilomioa Conua geograph.ua íuainua lerrugineus

Char-data Представители многочисленных видов

с.0о1, 1986). Сравнительная характеристика таких Банков представ-влена в ТвОшцв 3.

Таблица з.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЕПТИДНОГО (екор-Ксесс*) И ОДНОГО ИЗ БЫКОВЫХ БАНКОВ ДАННЫХ.

Но ХАРАКТЕРИСТИКИ БАНКОВ ПЕПТИДЫ I БЕЛКИ

1. Общее число данных 1037 ЗОЮ

г. Использовано для анализа 621 569

3. Число сформированных групп семейств 186 37

4. Гомология внугри семейства > 50 % Исключены родственные последова тельности

между семействами ^ 50 %

5. Полное число аминокислотных остатков, составлявших все анализировавшиеся молекулы 21621

6. Типы активности м, Р, Т„ я и др. Любые

7. Содерзание аминокислотных остатков в одной молекуле шл. 2 > 50

таг. 50

8. Идентификация аминокислотных остатков полная полная

9. Идентификация последовательности аминокислотных остатков полная полная

10. Учет концевых групп проведен не проводился

11. Наличие пироглутаминила учтено не учитывалось

Данные, закллчэнные в Банк екор-иоаео», мозео анализировать с самых различных сторон. В дальнейших главах будут представлены результаты анализа физико-химических и функциональных особенностей ендогенных регуляторных олигопептидов. Однако, очевидно, что возможности Банка этим не исчерпывается.' Например, в целом ряде случаев возникает необходимость получать сведения о тенденциях развития определенной области знания. В случае олигопептидов подобные сведения могут включать данные о публикациях (подобно рис. 1), о частоте использования различных видов кивых организмов и т.д. В качестве примера приведем рис. э, также полученный из информации Банка ееор-мсжсо» и иллюстрирующий интенсивность биохимической характеристики новых регуляторных олигопептидов.

Г О Д Ы -

Рис. 3. Рост числа расшифрованных аминокислотных последовательностей природных регуляторных олигопептидов.

Таким образом, в результате использования описанных принципов построения в Институте нормальной физиологии им. П.К.Анохина АМН ССОР сформирован Банк данных erop-moscow о свойствах ендогенных регуляторных олигопептидов, который в дальнейшем рассматривается нами как самостоятельный объект исследования. Данные атого банка использовались для классификации регуляторных олигопептидов по первичной структуре и в дальнейшем для выявления у нж физико- химических и функциональных особенностей (см. Главы III и IV).

В заключение данной Главы отметим, что Банк erop-moscow пополняется 3 раза в год и разнообразная информация из него может быть подучена заинтересованными сторонами для решения научных и ряда вспомогательных задач. Соответствующие сведения о возможности получения этой информации опубликованы в журнале "Нейрохимия", Г. 9, Ео 1, С. 81-82.

г л л 0 л

I I

кгйссншликя 31(£0геншй FEraaTCFIiffi оисогетипоз па первичной стрынтыре

Рассмотрим информации, содержащуюся в Банке данных erop-moscqw. Поскольку среди имеющихся в нем характеристик первичная структура олжгопенгидов является строго определенным и однозначным параметром, выберем ее как основу для классификации этого обширного класса природных пептидных биорегуляторов. С одной стороны, она имеет строгое физико-химическое определение (см. Введение), а с другой - вариации структуры отражают и изменение спектра функциональной активности, и локализацию (видовую, тканевую, клеточную, генную). Именно в силу специфики структуры молекула в должном месте должным образом взаимодействует с соответствующим рецептором.

Для анализа первичных структур пептидов уже разработан и успешно используется целый ряд методов (W.J.Wilbur, D.J.bipman, 1983; D.J.Liprnan, W.R.Fear3on, 1985; W.R.Pearson, D.J.lipman, 1988), позволяющих выявлять гомологичные последовательности. Однако, они обычно применяются для сравнения достаточно протяженных структур и при атом не учитываются концевые радикалы, которые вносят существенный вклад в структуру молекулы малого пептида и в ого возможности взаимодействовать, например, с рецепторами.

Структурную классификацию осуществляли с помощью компьютера типа ibm-pc^at и специализированных программ. Использовались сведения Банка данных ееор-moscow (49-й релиз), содержавшие информации об олигопептидах группы kptr (см. Главу i).

В процессе классификации из аминокислотных последовательностей, заключенных в Банк данных, выявлялись гомологичные структуры, а затем формировались структурно-гомологичные семейства олигопеп-тидов. При этом рассматривались не только боковые радикалы аминокислотных остатков, но и концевые группы олигопептида, т.е. учитывались все радикалы, выступающие наружу из пептидного остова (см. Введение'). Таким образом, помимо 20 стандартных боковых радикалов аминокислотных остатков учитывались такае часто-встречающиеся ра-дакалы м-конца: 4н3м-, ch3-co-nh- или шроглутаминила (руг) - остатка пироглутаниновой кислоты, образующегося в результате циклизации бокового радикала н-концевого остатка глутамина (G.N'.Abra-haa, D.N.Podall, 1981; R.D.Dimarohi, J.P.Шал, В.В.H.Kent, R.B. Herriiield, 1982), а также радикалы с-конца: -coo" или -со-ш2.

,Перзичные структуры была подвергнуты структурно-классификационному аналпзу, состоявшем з пошаговом срзвнизаши последовательностей 511 олнгопеппгдоз, отобранных з результате исключения пол-еыз структурных фрагментов более крупных молекул. Таким образом,

в частности, достигалось то, что короткие (да- или три-) и, как правило, наименее активные пептиды-не могли являться связувджи звеньями среди далеких по структуре и функциям более крупных.

Сравнивание последовательностей проводилось с помощью специально созданной компьютерной программы, основанной на принципах топологической сортировки (Д.кнудт, 1976).

Структурно-классификационный критерий, выражаемый далее символом к, состоял в том, что олигопептиды считались гомологичными, если две сравнивавшиеся последовательности содержали более половины (т.е. к>50£) совпадающих радикалов меньшей по длине молекулы (делеции и вставки не учитывались). На примере минимального олиго-пептида - дипептида, содержащего четыре радикала (2 боковых и 2 концевых) видно, что выбор именно такого эмпирического критерия, с одной стороны (при 0$<*S50$), исключает попадание в одно семейство любых дшгепгидов, а с другой (при *>50Я), - характеризует очевидное сходство олигопептидов (в том числе не только дипептидов). Таким образом, молекулы считались принадлежащими к одному семейству, если их структура удовлетворяла данному критерию.

Пример такого сравнивания показал на рис. 4, из которого видно, как сопоставляется ригин (N.l.Yeretennikova, G.l.Chipens, G.V.NIkiforovioli, Y.R.Betinsh, 1981) с тафЦИНОМ (K.Nishloka, А. constantapouios, p.s.satoh, V.A.Najjar, 1972) в результате смещения на один шаг (аминокислотный остаток) линейной записи структуры. В результате сравнений всех олигопептидов получено разбиение структур на 74 группы, часть из которых затем была названа семействами (см. Табл. 4). Эти группы содержали от 1 до 53 членов. Далее каждую- группу дополнили природными фрагментами в результате чего те же 74 группы содержали все 673 молекулы группы mptr.

OLIGOPEPTIDE SEQUENCE HOMOLOGY DEIERMINATIO file: TFS-HOMO.CAL 23.05.89 ( Criterion: >50% )

Tuftsin (human) +HH-thr-lys-pro-arg-OX-

Rigin (human) +HH-gly-glN-pro-arg-ox- :

+HH-gly-glN-pro-arg-0X- : +HH-gly-glil-pEO-arg-OX- : +HH-gly-glN-pro-arg-OX-+HH-gly-glN-pro-arg-OX-+HH-gly-glN-pro-arg-OX--t-HH-gly-glN-pro-arg-ox-

Рис. 4. Компьютерный поиск гомологичных последовательностей на примере тафцина и ригина. Пунктирная линия указывает на их взаимное расположение при совпадении более 50% радикалов. Кроме боковых, принимались во внимание также n-концэвой (+нн) и с-концевой (ох-) радикалы.

Таблица 4.

СТРУКТУРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭНДОГЕННЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ОЛИГОПЕПТИДОВ ПО СЕМЕЙСТВАМ. Названия пептидов даны в международных обозначениях, не все из которых имеют устоявшийся термин в русском языке. Несмотря на то, что структура гмйггт1йе совпадает с участком продинор-фина (из семейства емк), он выделен в отдельное семейство, поскольку выщепляется из предшественников не из семейства емк. п - число олигопептидов в семействе. Иные сокращения - в тексте.

No СОКР. НАЗВАНИЕ 1ШЗТГЦЦА ДЛЯ СЕМЕЙСТВА п АКТИВНОСТЬ

1. amp Atrial Natriuretic Peptids 37 м р r

2. at Angiotensin 16 м р т б i

3. вв Bombesin 22 к р т r

4. вк Bradykinin 32 м р r

5. сск Choleoystokinin/Gastrin 56 м р т r i

6. cgrp Calcitonin Gene - Related Peptide 10 м р r

7. см-а a-fl asomorphin 3 к

8. см-в (i-C asomorphin 11 к

9. crf Corticotropin Releasing Factor 10 м р r

10. ст-а Calcitonin 7 р т r

11 . ст-в Calcitonin 3 р т r

12. enk Enkephalin 42 м р т r i

13. etl Endothelin 8 м р r

14. fmrf PMRiamide 34 м р r

15. ga1- Galanin 3 м r

16. glk Glucagon 72 м р т r i

17. lhrh luteinizing Hormone-Releasing 5 r

18. lk leuookinin 8 м

19. lpk leucopyrokinin 25 м р r

20. ltk Iioaustataoliyktnin ' 4 к

21 . mlt Melittin 4 м р r

22. mpr Mastoparan 8 r

23 msh Melanocyte Stimulating Hormone 52 м т r i

24. mtl Motilin 2 м r

25. kmlf Neuromedin U 7 м р

26. npv Neuropeptide Y 28 м р т r

27. nt Neurotensin 12 м р т r i

28. ntkp Neurotensin Related Peptide 3 r

29. от Ozy t oo in/7asopress in 16 м р т r i

30. pi Pipiniq 3 r

31. ss Somatostatin 19 м р т r

32. tfs Tuftsin 6 м р r i

33. tk Tachykinins 29 м р т r i

34. tmp Thymopoietin 5 r i

35. tms Thymosin 9 r i

36. trh Thyrotropin Releasing Hormone 4 к р т r

37. utii Urotensin II 6 и р

xyz 37 малых групп олигопептидов с 52 к р т r i

функциональным спектром mptr

othr Олигопедтиды с иными типами 364

активности

ВСЕГО: 1037

Семействами были названы группы, содержащие не менее 2 олиго-шптвдов, которые не являются перекрывающимися фрагментами одного и того же более крупного предшественника. Другим условием являлось то, что семейство должно содержать не менее 25 боковых или концевых радикалов (исходя из величины, характеризующей их разнообразие). В результате получено 37 семейств (Табл. 4), содержащих от 2 до 72 членов и объединяющих 621 олигопептид. Остальные (364 молекулы) попали в другие 37 групп (в основном одночленные). .

Полученным семействам присвоены наименования по названию одного из входящих-в них олигопептидов. В Таблице 4 дан перечень атих семейств вместе с числом содержащихся членов. Кроме того, в ней указано, какими типами активности из заданного спектра обладает хоят бы один член каждого семейства. Наряду с названными ранее типами активности м, р, т и r в Таблицу 4 включены данные Банка об участии членов семейств в иммунных реакциях - х (см. Главу IV).

Полностью одно из 37 семейств показано на рис. 5. Из него следует, что семейство брадакинина вк включает 32 члена, содержащих от g до 18 аминокислотных остатков. Хорошо видно также, что в данном семействе имеется центральная квазиконсерзативная часть, которая у таких разных видов животных, какими, например, являются

представители Arthropoda ИЛИ Chardata, ПраКТИЧВСКИ Нв ОТЛИЧавТСЯ. Подобные факты могут служить основанием для эволюционных исследований структуры и функций олигопептидов (см. Главу IT).

Далее нами проанализированы рисунки, подобные рис. 5 И названные семейными портретами. На. рис, 6 показаны 4 характерные типа таких портретов. В каждом из них, как и в случав вк, имеется квазиконсервативная часть и могут быть участки - разные у равных представителей одного семейства. Таким образом, можно говорить о с-семействе, в котором все его члены имеют сходные участки на с-конце (например, семейства см, или enk). Подобным образом существует к-семейство со сходными участками на м-конце (например, семейства вв, ссх, fmrf или nt). ряд семейств имеет все члены с одной дайной и они могут быть названы мс-семействами (например, семейства сг, etl, mtl, мр, кру, от или utii). Показанное на рис. 5 семейство вк является представителем как бы суцра-ыс-семейства, в котором нэквазиконсервативные участки могут продолжаться как за

к стр. 23 —>

Рис. 5. ¿манокислотные последовательности олигопептидов семейства брадикиншов вк. ¡¿алые буквы - сокращения из биологической классификации (например, ws означает wasp, bv -bovine и т.д.), n - число аминокислотных остатков, концевые радикалы обозначены так ss как и на Рис. 4.

вк (Bradykinins) file: BK-49.CAL ' 10.07 91

ABB. NAME N 1 5 10 15 20 25

1. wpK [18] pyr-thr-asN-lys-lys-lys-leu-arg-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

2. wpK 1 [17] +HH-thr-ala-thr-thr-arg-arg-arg-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

3. wpK 2 [15] +HH-thr-thr-arg-arg-arg-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

4. wpK £, [17] +Í1H- thr-ala- thr- thr-lys-arg-arg-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

5. bvSLMK-BK [13] +HH-ser-leu-met-lys-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-0X-

6. frK N [14] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-val-ala-pro-ala-ser-ox-

7. frK 0 [13] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-gly-lys-phe-his-ox-

8. wpK A [12] +HH-gly-arg-pro-pro-gly-phe-SGr-pro-phe-arg-val-ile-OX-

9. wpK-X [12] +HH-ala-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-ile-val-OX-

10. A-BK [10] +HH-ala-arg-pro-pro-gly-phe~ser-pro-phe-arg-OX-

11. wpK T [12] +HH-gly-arg-pro-pro-glY-phe-ser-pro-phe-arg-val-val-oxr

12. wpK M [12] +ffi-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-ile-asp-ox-

13. G--BK [10] +!ffl-gly-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

14. MIS-BK [12] +HH-met-ile-ser-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

15. 1S-BK [11] +HH-ile-ser-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

16. [T6J-BK-KA [11] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pr»-phe-arg-lys-aía-ox^'*

17. [T6]-BK ['91 +HH-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-OX-

18. bvMK-BK an +HH-met-lys-arg-pro-pri>-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

19. hsm-вк an +HH-leu-lys-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

20. bvK-BK 10] +HH-lys-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

21. wpK R [11] +Kl-ala-arg-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-OX-

22. bvBK [ 9] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

23. wpK J [11]' +HH-arg-thr-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-ox-

24. wp[R2]-K J [11] +HH-arg-arg-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

25. wp[R2,T8]-K. J [11] +IÏH-arg-arg-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-OX-

26. wpK С [11] +HH-ser-lys-acg-pro-prc>-gly-phe-ser-pro-phe-arg-OX-

27. frBK-IY [11] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-ser-pro-phe-arg-ile-tyr-ox-

28. fr [V1,T6]-BK [ 9] +HH-val-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-OX-

29. ornithoK [ 9] +EJH-arg-pro-pro-H3ly-phe-thr-pro-leu-arg-OX-

30. frK R [15] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-ile-ala-pro-qlu-ile-val-OX-

31. frK R (1-14) [14] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-ile-ala-pro-gltj-ile-OX-

32. frK R (1-13) [13] +HH-arg-pro-pro-gly-phe-thr-pro-phe-arg-ile-ala-pro-glu-OX-

Ше: ЮКГО.СШ 23.05.89 n с

н-оекэйство

с-семейство

с

n

ыс-семейство

м с

супра-ыс-семейство

Рис. 6. Различные зилы характерных семейных портретов, встречающихся в 37 структурных семействах эндогенных регуляторных олигопептидов. Толстые горизонтальные линии означают практически незаменяемые аминокислотные остатки, а тонкие - заменяемые. Вертикальные линии ограничивают квазиконсервативную область, N - ы-конвц, а с - с-конец квазиконсервативной области.

пределами м-, так и с-конца (кроме вк характерными представителями семейств такого типа являются, например, акр, ат, или кгн). по-видимому, все ато указывает на то, что, сходные участки у структурно разных в целом олигопептидов определяют их функциональную общность, то-есть именно они и взаимодействуют с рецепторами.

Полученные в атом разделе данные использованы нами для исследования физино-1имических (Глава III) и функциональных (Глава ГУ) особенностей эндогенных регуляторных олигопептидов.

ГЛАВА

XII

ИССЛЕДОВАНИЕ аНЭИКО-КЖНЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗНЕСГЕКгаЮ РЕГШШСРШН СЛИГОПЕГТКВСа

Сформулируем ряд задач, решение которых необходимо для выделения из громадного разнообразия пептидных структур только тех, которые обладают биологически значимыми функциями. С этой целью обозначим через п число типов аминокислотных остатков, встречающихся в природных пептидах, а м - число остатков в данной молекуле. Тогда иерархический перечень структурных задач включает:

1) выявление подклассов молекул, обладающих характерным "аминокислотным составом, и в связи с этим нахождение областей п-мер-ного пространства, которые преимущественно занимают регуляторные олигопептиды и белки (область существования по составу);

г) выделение из атих подклассов таких сочетаний аминокислотных остатков, которые обладают заданным спектром активности, и в связи с этим нахождение соответствующих областей в двумерной матрице для дапептидов, в трехмерной - для гршептидов.....в ы-мер-

ной - для и-пептидов (область существования первичных структур);

3) нахождение структур, способных образовывать конформации, которые эффективны при выполнении молекулой свойственных ей функций (область существования биологически значимых конформаций).

- Несмотря на явную неполноту перечисленных задач,, следует отметить, что и их решение в полном объеме представляет собой значительные трудности. Однако, существует ряд предпосылок для минимизации числа, определяющего многообразие возможных вариантов структур на всех уровнях организации. Такая минимизация позволит существенно сократить число значимых аминокислотных составов, последовательностей и конформаций, т.е. упростить вычисления.

для олигопептидных молекул накоплено значительное число теоретических и экспериментальных данных о зависимости функций от различных структурных характеристик, включавдих в себя и решение задачи 3 - выявление пространственной конфигурации, конформационной подвижности (Г.В.Никифорович, С.Г.Галактионов, Г.И.Чипенс, 1983; 1.ь.Каг1е, 1981). Такие исследования проводятся, очевидно, когда аминокислотный состав известен (задача 1). Однако, как это ни па-рэдоксально, именно его особенности корректно не рассматривались.

Ранее замечали, что олигопептиды часто содержат положительно заряженные и ароматические радикалы (м.л.БаЬевап, 1980; ы.гт. БаЪевап, в.я.Нагрег, 1980; Г.И. Чипенс, 1980). Однако, подобные наблюдения выполнялись на довольно ограниченном материале и обычно без должной статистической обработки. Такая обработка проводилась для 163 олигопептидов (Г.Я.Бакалкин, А.Б..Рахманинова, Р.А.Сарки-

сян, 1987) при изучении среднего аминокислотноно состава. Однако, к этим результатам, видимо, следует относиться с осторожностью. Во-первых, энализировались все рассматривавшиеся олитопептиды, тогда как наличие большого числа близких гомологов могло привести к смещении средних величин в сторону именно этих групп молекул, (не проводилось классификации по первичной структуре, которая бы избавила от подобного искажения). Во-вторых же, не учитывалось наличие концевых химических групп, которые вносят особый вклад в состав радикалов функционально активных олигопептидов.

На основе специализированного Банка данных erop-mosco* (см. Главу I) нами проведено определение характерного аминокислотного и радикального состава, т.е. и решение задачи 1 о минимизации числа возможных аминокислотных остатков. При атом использованы результаты структурной классификации регуляторных пептидов, обладающих заданным спектром функциональной активности (см. Глвву п).

В описываемый далее анализ вошли 621 пептид, сгруппированные в 37 структурных семейств (Таблица 4) и характеризующиеся областью значений 2 < n < 50, где м - число аминокислотных остатков.

Аминокислотный состав семейств регуляторных пептидов был под-вегнут статистическому анализу, результаты которого сравнивались с аналогичными.данными, полученными для белков (Таблица 5). При сравнении использовался t-критерий (Г.Шиллинг, 1976) оценки достоверности различий при известных средних значениях (с) и величинах стандартных отклонений (о). Представленные в Таблице ъ данные отражают средние значения <= долевого содержания каждого радикала в пептидном семействе и величины стандартных отклонений с как для регуляторных пептидов, гак и белков. В результате сравнительного рассмотрения содержания различных радикалов в регуляторных олиго-пептидах и белках показано достоверное различие в содержании многих аминокислотных остатков (при |t|>2). Отметим, что различие описанного анализа с таким, когда у белков учитывались бы концевые радикалы, пренебрежимо мало.

Одним из характерных отличий явилось обнаружение заметно меньшего содержания у олигопептидов аминокислотных остатков с отрицательно заряженными боковыми радикалами asp и giu. в то же время остатков с положительным зарядом достоверно больше для arg.

Среди заметно более часто встречающихся находятся также аминокислотные остатки pro, phe, tyr, his, irp И eys. Большинство из них содержат циклическую химическую группу (a eys, как правило, участвует в образовании молекулярных макроциклов). Таким образом, имеются основания дая вывода о том, что регуляторные олитопептиды с заданным спектром функциональной активности преимущественно

Таблица 5.

СРАВНЕНИЕ АМИНОКИСЛОТНЫХ СОСТАВОВ ЭНДОГЕННЫХ РЕГУЛНТОРНЫХ ОЛИГО-ПЕПТВДОВ (ПО ДАННЫМ БАНКА erop-Mosco*) И БЕЛКОВ (H.Nakashima, К. iiashlkawa, a.ooi, 1986). +нн обозначает свободный, а асе - ацети-лированный n- концевые радикалы; ох— свободный, а amd - амидиро-ванный с-концевыэ радикалы.

РАДИКАЛЫ 0ЛИГ0БЕПТИДЫ БЕЛКИ

с а с er t

+НН 0.0510 0.0319

АСЕ 0.0008 0.0034

руг 0.0135 0.0348

gl у 0.0770 0.0509 0.0782 0.0298 -о. гг

ala 0.0452 0.0429 0.0874 0.0367 -в. 70

val 0.0362 0.0326 0.0701 0.0248 -7. 89

lau O.0747 0.0542 0.0820 0.0316 -1.39

Не 0.0352 0.0400 0.0515 0.0229 -3. 95

ser 0.0537 0.0431 0.0656 0.0273 -г. 47

thr 0.0383 0.0361 0.0584 0.0230 -4. 95

mal 0.0170 0.0214 0.0208 0.0126 -1. 69

eys 0.0240 0.0493 0.0162 0.0153 г. 43

asp 0.0290 0.0321 0.0572 0.0220 -7. зг

asN 0.0345 0.0297 0.0439 0.0199 -г. 69

glu 0.0359 0.0393 0.0639 0.0288 -5. 68

glN 0.0283 0.0273 0.0391 0.0174 -3. 50

pro 0.0738 0.0602 0.0449 0.0204 б. SO

phe 0.0588 0.0477 0.0387 0.0185 5. 53

tyr 0.0449 0.0458 0.0333 0.0187 з. го

hls 0.0273 0.0389 0.0215 0.0132 г. 14

trp 0.0224 0.0325 0.0117 0.0098 5. 03

arg 0.0604 0.0520 0.0481 0.0253 ' г. вз

lys 0.0529 0.0541 0.0678 0.0334 -г. so

OX- 0.0334 0.0413

AMD 0.0319 0.0379

Всего: 1.0000 1.0003

содержат положительно заряженные и циклические радикалы. В связи с

этим с гомощьв другой специальной программы нами 'провэден анализ содержания различных физико-химических групп (Таблица 6). Он показал, что положительно'заряженных групп у изучавшихся олигопептидов

Таблица 6.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ РАДИКАЛОВ В ЭНДОГЕННЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ОЛИГОПЕП-ТЗДАХ И БЕЛКАХ. Радикалы: к - положительно заряженные; к - отрицательно заряженные; eye - циклические; нРь - гидрофобные; hpi -гидрофильные; о, е, r, к, н - аминокислотные радикалы.

РАДИКАЛЫ 0ЛИГ0ПЕПТИДЫ БЕЛКИ

с <y с <У t

R+ ' 0.1916 0.0619 0.1374 0.0719 4. 43

R~ 0.0983 0.0654 0.1211 0.0508 -г. 59

eye 0.2405 0.1222 0.1501 0.0806 6. 37

D+E 0.0649 0.0558 0.1211 0.0508 -6. 43

R+K 0.1133 0.0644 0.1159 . 0.0587 -о. гв

R+K+H 0.1406 0.0578 0.1374 0.0719 0. 27

eye 4- R 0.4049 0.1194 0.2660 0.1393 5. 92

Hpb 0.3632 0.0898 0.4071 0.1773 -1. 49

Hpl 0.3007 0.1155 0.3347 0.1514 -1 . 34

действительно содержится существенно больше, чем отрицательно заряженных. Это же оказалось характерным и для радикалов, несущих циклические группы. Однако, г отличие от отрицательных, число положительно заряженных групп отличается не за счет боковых радикалов, а за счет ы-концевого радикала (+мНз).

Чтфбы еще более подкрепить полученный результат, нами проведен анализ зависимости указанных отличий от размеров регуляторного пептида, т.е. от числа аминокислотных остатков. Для этого были сделаны выборки подсемейств, содержащих пептида в определенном интервале числа аминокислотных остатков N (Таблица 7).'Таким образом среднее находилось ш соответствующему числу подсемейств, каждое

Таблица 7.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНДОГЕННЫХ ЕЕГУЛЯТОРНЫХ ПЕПТИДОВ ПО ИНТЕРВАЛЫ ДЛИН. В колонках: число олигопвптидов, в скобках - сумма всех боковых и концевых радикалов. Названия семейств - как и в Таблице 4.

СшиЕИСТВД. К н Т Е Р В А Д Ы

1 <N<11 11<N<21 21<N<31 31<N¿41 41<"251

АКР 5 {111) 22 ( 604) 7 ( 242) 3 (¡44)

АТ 15 (¡63)

ВВ 11 (ИВ) 4 { 63) 6 ( 173)

ВК 117 (21 о) 15 (233) ( 661 )

ССК 18 (/77) 16 (271) 4 ( вв) 18

секр 9 ( ЗВ1)

СМ-А 3 ( г*)

см-в 11 ( 84)

СИ7 9 ( 385)

СТ-А 7 ( 238)

ст-в 3 ( 102)

ЕМС 13 {120) 9 (¡ВВ) 18 ( 552) 2 ( 70)

ЕТЬ 8 (184)

пая 30 (267) 4 ( ев)

вАЬ 3 ( 93)

еьк 2 ( 44) 40 (1207) 19 ( 722) 10 (449)

ЬНЕН 5 ( 55)

1.К 8 (.79)

1.РК 24 (гзв)

ьтк 4 ( 47)

мы Э ( 84)

НРЯ 8 (128)

КБН 7 ( 74) 24 (421) 8 ( 232) 13 ( 518)

мть 2 ( 48)

N»01 3 { 30) 4 ( 106)

ИРУ { 81) ( ев) 27 (¡025)

ыт 8 4

»гпгр 2 { 21)

ОТ 16 (175)

Р1 3 ( 78)

ээ 6 (¡00) 10 ( 297) 3 ( 14)

ТРБ 5 ( 30)

тк 17 (200) 10 (¡61) 2 ( 76)

ТМР 5 (253)

ТЙН 4 ( 17)

тж ( 84) 4 ( 170) 5 (22В)

ити 6

из которых содержало более 1 олигопептида. После этого данные по выборкам сравнивались между собой и с данными по белкам.

Результаты этих сравнений дом 5 выборок по интервалам в ю аминокислотных остатков представлены в Таблицах 8 и 9.

Ясно видно (Табл. 8), что содержание циклических радикалов в сравнении с данными по белкам существенно больше только для первых двух интервалов олигопептидов: 1<м<п и 11<n<21, причем для первого интервала существенно отличие и от самых крупных олигопептидов, заключенных в пределах 41<n<51. Остальные же различия в соответствии с указанными значениями t нельзя признать достоверными. В то же время для олигопептидов каждого интервала' в основном виден рост величины £ при сравнивании все более удаленных по размеру групп семейств олигопептидов. Наиболее значительное отличие характеризует самые короткие олигопептиды, в которых число циклических радикалов составляет более 1/з от всех радикалов, включая концевые. Заметим, что в атом случае особый циклический радикал пироглутами-нила содержится в олигопептидах в большем количестве (0,0303), чем любой ИЗ 4 аминокислотных остатков met, ays, his или trp в белках (Таблица 5). Таким образом, заметным отличием в содержании радика-

Таблица 8.

СРАВНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНКЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ РАДИКАЛОВ У РЕГУЛЯТОРНЫХ ОЛИГОПЕПТИДОВ, РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПО ИНТЕРВАЛАМ В СООТВЕТСТВИИ С Табл. 7. n - число аминокислотных остатков в олигопептиде; м - число подсемейств в интервале; вэличины с и с в Таблицах 8 и 9 даны в процентах.

Инт. 1<n<11 i 11<n<21 ii 21<N<31 iii 31<N<41 iv. 41<N£51 v N>50 vi

i М=20 34.1±10.5 34.1±10.5 £ = о. 0 34.1 10.5 20.9* 9.3 £= 1 . 3 34.1 10.5 18.5* 5.8 tm 1.7 34.1 ±10.5 16.6± 6.2 £= 1. 9 34.1±10.5 10.3± 2.2 £= г. 4 34.1 ±10.5 15.0± 8.1 t=10. 3

ii м=14 20.9± 9.3 20.9± 9.3 t= 0.0 20.9+ 9.3 18.5± 5.8 £= о. 3 20.9± 9.3 16.6± 6.2 £— 0. 5 20.9± 9.3 10.3± 2.2 t= 1.3 20.9.±9.3 15.0± 8.1 £= г. 7

iii м=12 18.5± 5.8 18.5± 5.8 £ = О. 0 18.5± 5.8 16.6± 6.2 £ — О. 3 18.5± 5.8 10.3± 2.2 £ = 1.6 18.5± 5.8 15.0± 8.1 с= 1.5

iv м=13 16.6± 6.2 16.6± 6.2 £= О. 0 16.6± 6.2 10.э± 2.2 £= 1. 1 16.6± 6.2 15.0± 8.1 £= 0. 7

v м=4 10.3± 2.2 10.3± 2.2 £ = 0. 0 10.3± 2.2 15.0± 8.1 £——i. г

vi 15.0± 8.1 15.0± 8.1 £= 0. 0

Таблица 9.

СРАВНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНКЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНО ЗАРЯЖЕННЫХ РАДИКАЛОВ У РЕГУ-ЛЯТОРНЫХ 0ЛИГ0ПЕПТИД03, РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПО ИНТЕРВАЛАМ В СООТВЕТСТВИИ С Табл. 7. (Примечения см. при Табл. 8).

Инт. 1<N£11 i 11<N<21 ii 21<N<31 ' iii 31<N<41 iv 41<N<51 v N>50 vi

i ' М=20 21 .3±10.2 21.3±10.2 t= о. 0 21.3 10.2 18.8± 6.0 г= о.з 21.3 10.2 20.5± 2.4 г= о.1 21.3±Ю.2 18.1± 4.1 ¡= 0. 4 21,3±10.2 19.4± 2.0 £ = О. 2 21.3±Ю.2 13.7± 7.2 £ = 4. в

ii м=14 18.8± 6.0 18.8± 6.0 £= 0.0 18.8+ 6.0 20.5± 2.4 t=—0.4 18.8± 6.0 18.1± 4.1 1= 0.1 18.8± 6.0 19.4± 2.0 £=-0. 1 18.8± 6.0 13.7± 7.2 £= г. в

ш м=12 20.5± 2.4 20.5± 2.4 £ = 0.0 20.5± 2.4 18.1± 4.1 £ = 0.7 20.5± 2.4 19.4± 2.0 £= 0. Б 20.5± 2.4 13.7± 7.2 £= 3.3

iv м=13 18.1± 4.1 18.1± 4.1 £ = 0. о 18.1± 4.1 19.4± 2.0 1--0.4 18.1± 4.1 13.7± 7.2 £= г. г

v м=4 19.4± 2.0 19.4± 2.0 г= о. о 19.4± 2.0 13.7± 7.2 £ = 1.6

vi - 13.7± 7.2 13.7± 7.2 £= 0. 0

лов с ус характеризуются олигопептиды, сгруппированные около n=io, что также соответствует расположению максимума в распределении олигопвптидов по числу аминокислотных остаткоз (см. Главу У).

Что же касается положительно заряжанных радикалов (см. Таблицу 9), то "естественно предположить, что" поскольку их повышенное содержание у олигопвптидов определяется в основном м-концевой группой, то с ростом длины вклад этой группы должен падать и постепенно уравниваться с соответствующим значением для белков. Однако, оказалось что для указаных интервалов длин олигопепткдов положительно заряженных радикалов содержится достоверно больше: их значения заключены в пределах от 18,1 до 21,38, (Таблица 9), в то время как для белков эта величина менее 14л.

Таким образом, полученные результаты позволяют утверждать, что регуляторные олигопептиды с заданным спектром функциональной активности содержат положительно заряженный и/или циклический радикал. Просмотр денных Банка erop-moscow показал, что этому правилу удовлетворяют все 673 олжгопептида с выбранным спектром функциональной активности. Выявленные физико-химические характеристики могут, по нашему мнению, рассматриваться в качестве сигнатур, введенных Г.И.Чипенсом (см. Введение и Главу IV).

ГЛАВА НдаКТЕРМСТНКА СЕ1ИХ вУИйиИОНАЛЬЩИ ОСОЕЕН-

I v ИСТЕЙ РЕГШ1Я7СР!ЫН ОЛНГСЛЕГИ'^З

Функциональные свойства эндогенных рэгуляторных олигопепти-дов, как и любых других регулягорных молекул, реализуются в результате взаимодействия должного количества этих веществ с должным количеством должных связывающих структур. Это важнейшее звено по существу является частью такого процесса, описание которого могло бы помочь ответить на вопрос, сформулированный в первом эпиграфе данной работы. Другие же эпиграфы подчеркивают взаимное соответствие особенностей олигопептидов, рассматриваемых в Главах III и 17. Продолжая терминологию И.П.Павлова (см. раздел Общей характеристики работы), способность сравнительно низкомолекулярных функционально активных веществ специфически связываться с более крупными молекулами (со специализированными структурами, называемыми рецепторами, или с другими структурами в случае безрецепторного взаимодействия) позволяет считать, что в настоящее время все более очерчиваются контуры супрамолекулярной физиологии. По-видимому, связывание различных лигандов можно рассматривать как проявление первичного (элементарного) физиологического акта, за которым следует цепь других функциональных звеньев, приводящих в итоге к макроскопическому проявлению физиологической реакции.

В связи с тем, что разике типы клеток, очевидно, имеют разные наборы рецепторов, можно считать, что в атом случае олигопептид находит соответствующую клетку-мишень и достижение им этой мишени становится для нас как бы прообразом смысла понятия полезный результат -.ключевого в теории функциональных систем П.К.Анохина.

Ввиду того, что на основании структурной классификации (см. Главу II) обнаружены основания для выделения общих физико-химических особенностей ендогенных рэгуляторных олигопептидов (см. Главу III), нам представляется правомерным и совместное рассмотрение достаточно разнообразных-типов функций, например, с помощью анализа различных типов активностей, которые отобрались- в результате слонявшейся системы стандартных тестирований.

Вернувшись к Таблице 4, напомним, что семейства олигопептидов обладают хотя бы одаим типом активности из заданного спектра «рте (Глава и). В то же врэмя среда 37 структурных семейств 28 характеризуются не менее чем двумя типами активности. Следует, однако, отметить, что отсутствие в Таблице 4 сведений о проявлении какого-либо типа функциональной активности членами ряда семейств не означает, что они ими не обладают. Возможно, еще не проведены соответствующие тестирования.

Результаты, полученные в Главе II, позволяют судить о том, что именно определяет спектр функциональной активности членов семейств. По-видимому, существенное изменение спектра связано с нарушением типа семейного портрета (рис. 6). По данным Банка ееор-ко8сош резкое уменьшение активности заданного типа происходит и при редуцировании величины его квазиконсервативной области.

Однако, на основе нашей классификации возможно проведение и более крупных обобщений (Табл. 10) в результате совместного рассмотрения нервной, эндокринной и иммунной систем в связи с участием одних и тех же пептидов в разных типах регуляции (см. Введение). Данные Банка елор-моясо» позволили показать, что по крайней

Таблица ю.

УЧАСТИЕ СЕМЕЙСТВ ОЛИГОПЕПТИДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ РЕГУЛЯЦИИ.

УЧАСТИЕ В

Ко СЕМЕЙСТВО нервной иммунной СИСТЕМЕ эндокринной

1. АМР ***** *****

2. АТ ***** ***** *****

3. вв ***** *****

4- вк ***** *****

5. сск ***** ***** *****

6. сек3 ***** *****

7- СМ-А *****

8. см-в *****

9. СЕР ***** *****

10. СТ-А ***** *****

11. СТ-В ***** *****

12. ЕЫК ***** ***** *****

13. ЕТЬ ***** *****

14. РКЕР ***** *****

15. ель ***** *****

16. ЙЬК ***** ***** *****

17. ЬНЕН *****

18. ис *****

19. ЬРК ***** *****

20. ЫК *****

21. мьт ***** *****

22. МРЛ ■ *****

23 М5Н ***** ***** *****

24. МП. ***** *****

25. мми *****

26. КРУ ***** *****

27. ыт ***** ***** *****

28. ЬГГЯР *****

29. от ***** ***** *****

30. Р1 *****

31. БЗ ***** *****

32. ТГБ ***** ***** *****

33. ТК ***** ***** *****

34. ТМР ***** *****

35. ТИБ ***** *****

36. ТЕН ***** *****

37. ЧТИ *****

мера 9 из 37 семейств обладают свойством участвовать во всех указанных типах функциональной регуляции. При атом очевидно, что следует ожидать новых денных, которые бы дополнили Таблицу Ю). Таким образом, мы получаем еще одно основание для заключения о том, что в терминах физиологически активные пептиды, пептидные иммуномодуляторы или гормоны (в также медиаторы и модуляторы) заключена определенная доля условное:®, вырожденности.

Несмотря на отмеченные сложности, нам кажется, что, основыва-аясь на представлениях о сигнатурах (см. выше), а также принципах эквивокации

несколько_______> одна _______> одна

СТРУКТУР СИГНАТУРА. ФУНКЦИЯ

и двузначности

одна _______> несколько_______^ несколько

СТРУКТУРА СИГНАТУР ФУНКЦИИ

(Г.И.Читано, 1980), можно попытаться дать общую характеристику функциональных особенностей эндогенных регуляторныз олигопептидов, поскольку они помогают объяснить, почему структурно разные молекулы способны вызвать близкие, практически одинаковые реакции или почему одна молекулярная структура участвовует в различных процессах (Табл. 4). Очевидно, что на основании принципа двузначности вырожденность существующих понятий и терминов может быть объяснена наличием нескольких сигнатур у одной молекулы олигопептида, что позволяет ей взаимодействовать не с одним типом рецептора.

Воспользуемся результатами Главы ш. Выявление двух типов функционально значимых групп - положительно заряженных и циклических (R+ и eye), позволяет рассматривать одно из свойств сигнатуры как взаимное расположение этих групп в первичной структуре олигопептида. Тогда, очевидно, теоретически можно представить себе значительное число структур, содержащих одинаковое расположение радикалов r+ и eye, в то время как сами эти радикалы в разных молекулах будут принадлежать аминокислотным остаткам разного типа. Хоро-Ео известными примерами такого рода среди радикалов r+ являются взаимные замены arg и iys у членов одного олигопептидного семейства. Болев того, многочисленные возможные замены других аминокислотных остатков при сохранении расположения и =ус также могут приводить к одинаковой сигнатуре при разной первичной структуре. Примерами могут служить данные по сравнению разных олигопептидов (например, на Рис. 4) или по семействам, полученные в результате классификации, в том числе замены thr на ser в квазиконсервативной

области семейства вк (Рис. 5). По-видимому, в атом и проявляется прим 1ШГГ зквивокации•

В случае ге принципа двузначности, его основу, вероятно, составляет высокая конформавдонвая подвижность олигопептидов, в результате которой одна молекула принимает различные конформации (имеет несколько сигнатур) и таким образом обеспечивается пространственное соответствие с рецепторами различного типа.

Эти же представления, могут оказаться полезными в раскрытии сущности гипотезы о существовании непрерывной совокупности (континуума) регуляторных олигопептидов, выдвинутой И.П.Ашмариным и М.Ф. Обуховой в 1986 г., в соответствии с которой при определенной группировке многочисленные регуляторные олигопептиды образуют более или менее постепенные переходы спектров функциональной активности, обэспвчиващие любые (или почти любые) допустимые комбинации влияния на функции организма. Очевидно, что к атому должны быть добавлены также .и представления о постоянно осуществляемом ферментативном расщеплении олигопептидов в организме, в результате чего в реализации первичного физиологического акта участвуют не только рассматриваемые олигопептиды, но и их более мелкие фрагменты. По нашему мнении гипотеза, в частности, иллюстрирует также и трудности, возникавшие при попытках классификации регулягорных олигопептидов по функциональным свойствам.

В заключение на основании данных Главы III сделаем предположение о том, что рассматривавшийся спектр функциональной активности олигопептидов в осноеном определяется двумя типами радикалов, формирующих сигнатуру, и состав радикалов лежит в основе полифункциональности олигопептидов. В то же время их уникальное распределение вдоль линейной цепи молекулы (последовательность) определяет специфичность действия. Эти два типа радикалов, в принципе, могут составлять основу молекулярного физиологического кода.

Данные Глав 1-ш позволяют получать выборочный материгл дая анализа многих различных биологических явлений. Кратко рассмотрим несколько разнообразных примеров, относящихся к проблемам каскадной регуляции, морфогенеза, поведения и биологической аволщки.

КАСКАДНАЯ .РЕГУЛЯЦИЯ. Этот процесс можно рассматривать как последовательный рилизинг эндогенных олигопептидов в различных органах и тканях. Примером служит секреция гормона роста сзн в результате первичного действия самых разнообразных пептидов. Банк ейор-мозео» позволяет проследить (Таблица 11), как 9 олигопептидов в возможных каскадах разной длины могли бы приводить к ршшзиигу ей.

В связи с етим представляется важным отметить количественную сторону исследований корреляции характеристик структуры и величин

Таблица 11.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ КАСКАДНОЙ РЕГУЛЯЦИИ В СЕКРЕЦИИ ГОРМОНА РОСТА ен ЧЛЕНАМИ РАЗЛИЧНЫХ ОШГОПЕПТЩШХ СЕМЕЙСТВ, к - число каскадов.

No ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ КАСКАДОВ X

1 . Bombesin^—> GH 1

2. Corticotropin Releasing Paotor —> Adrenooortiootropin —> GH 2

3. Caloitonin —> Adrenooort icotropin —> GH 2

4. Leu-Enkaphal in —> GH 1

5. Growth Hormone - Releasing Hormone —> GH 1

6. Glucagon. —> Caloitonin —> Adrenooorticotropih —> SH 3

7. a-Kelanocyte Stimulating Hornone —> Glucagon —> Caloitonin —> Adrenooortiootropin —> GH 4

8. Neuropeptide У —> Adrenocort ioo trop in —> GH 2

9. Neurotensin —> Adrenocorticotropic —> GH 2

функциональной активности. Данные о высоких, активностях олигопеп-

тидов хорошо согласуются с чрезвычайно малым их природным содержанием, т.е. концентрациями меньше ю-15 М Ш.П.Алмарин, М.Ф.Обухова, 1985; з.Новокатга, и.ХаЬо, 1986). По-видимому, начальные этапы каскадной рвгулявди начинаются с единичных молекул при концентрациях меньше ю~г0 М (в соответствии с числом Азогадро), которые пока недоступны для выявления. Возможно, что в реальных прявлениях каскадной регуляции мы наблюдаем далеко не первый' этап.

МОРФОГЕНЕЗ. Все больше и больше данных (см. Введение) свидетельствует о том, что рвгуляторныв олигопептида являются участниками процессов роста, развития, регенерации, причем морфогенетиче-ские принципы индивидуального развития и регенерации, по-видимому, одинаковы. Многие из них представляют собой хорошо изученные структуры, регулирующие протекание, например, гормональных или иммун-

ных реакций, участвующие в столь различных макроскопических процессах, какими, является морфогенез или поведенческая реакция.

Рассматривая морфогенез как процесс возникновения новых форм и структур в хода индивидуального развития организма (Л.В. Белоусов , 1987), мы можем выделить из Банка данных Еяор-могсс* ряд функциональных особенностей, характерных для олигопептидов, например, таких, которые участвуют в рилизинге гормона роста ен (Таблица 11). Из нее видно, что многие представители структурных семейств имеют отношение к явлению морфогенеза, сформулированному выше. Кроме того, все приведенные в Таблице 11 олигопептиды характеризуются спектром активности типа ирте (Таблица 4), а ряд из них -участием в функционировании всех трех регуляторных систем организма (Таблица ю). Поэтому подобное рассмотрение позволяет считать, что на уровне олигопептидов мы можем имееть дело с единой системой регуляции как амбрионального, ростового, регенаравдонного типов, так и функционирования сформированного организма. По-видимому, можно утверждать, что в процессе морфогенеза большинство (если не все) функционально активные олигопептиды принимают участие в возникновении новых форм и структур в ходе индивидуального развития. И еще раз становится очевидной условность разделения олигопептидов на нейро-, андокрино- или иммуго-активные и одновременно на мор-фогенетически активные. Очевидно также и то, что во многих случаях мы имеем дело с сопряжением отмеченных процессов.

ПОВЕДЕНИЕ. Многократно показано, что представители большинства олигопептидных семейств обладают ярко выраженным влиянием на различные формы поведения. Данные Банка емр-мобсо* были использованы для анализа физико-химических свойств эндогенных олигопептидов, участвующих в системных механизмах подкрепления. Для атого пранализировано более го структур, для которых известно участие в механизмах подкрепления - влияние на процессы самосгимуляции, пищевого, питьевого и фармакологического подкрепления. В результате показано, что ати пептиды обладают в основном теми же физико-химическими особенностями, что и весь подкласс регуляторных олигопептидов группы мри;. Возможно, полученные данные свидетельствовушт о том, что среди исследовавшихся соединений отсутствовали молекулы, избирательно влияющие на механизмы подкрепления. Однако, ати же данные позволяют полагать и то, что влияние регуляторных пептидов на процессы подкрепления в различных функциональных системах не отражаются в отмеченных особенностях иг физико-химических свойств.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ. Данные Банка ЕкОР-Мозсо» могут служить основой для анализа вариации структурных и функциональных свойств эндогенных регуляторных олигопептидов в процессе биологи-

ческой эволюции. В самом деле, при сравнивании олигопептидов позвоночных и беспозвоночных их можно огнесги к четырем грушам: молекулы, выявляемые только у позвоночных (ангиотензины, глюнагоны, АКТГ и ряд других); полностью идентичные молекулы у представителей и позвоночных, и беспозвоночных, например, енкефалины (M.K.Leung, G.B.Stefano, 1984); молекулы, частично сходные по аминокислотной последовательности, например, представители семейства вк (Рис. 5) или тк (субстания Р или аледоизин моллюска); молекулы, выявленные только у беспозвоночных, например, члены семейств lk, lpk или мре. . Подобные примеры, с одной стороны, свидетельствуют о высокой эволюционной консервативности сигнатур в ряде пептидных семейств, например, в случае lhrh у таких различных представителей хордовых, какими являются млекопитающие, рыбы и птицы, а в случае панкерапа-ческого полипептида еще и земноводных. 0.другой стороны, в результате структурной классификации выделяются в одно структурное семейство вк или etl такие функционально разные олигопептиды как регуляторы сердечно-сосудистой системы и яды.

Основой для эволюционных исследований могут служить такав данные об обнаружении в злокачественных образованиях у человека олигопептидов, характерных для кожи земноводных - бомбезина из се-кзйстза вв и физалаэмина из семейства тк (т.Егзрггег, 1983).

Таким образом, рассмотрение физико-химических основ сигнатур и связанных с ними функциональных свойств эндогенных регуляторных олигопептидов, по-видимому, позволяет "надеяться на успешное решение целого ряда задач современной биологии, которые традиционно решались на различных уровнях организации. Поэтому использование такого подхода может оказаться полезным в сближении таких уровней организации биологических явлений как молекулярные процессы и функциональные реакции целостного организма.

Кроме описанных явлений, известно (см. Введение), что целый ряд рассматривавшихся олигопептидов способен выполнять нейромеди-аторные функции. С другой стороны, "классические" нейрокедиаторы, такие как дофамин (Y.Hoshlno, н.оъага, s.iwai, 1986), норадреналин (fi.Ching, E.Krieg, 1986), серотонин (J.Blauw, P. van Bnmmelen, P.A. van Zwieten, 1988) и др., а также ряд аминокислот - тирозин (S.Ekholm, H.Krappanen, 1987), триптофан (ff.A.ffoir, D.M.Kuhn, 1984), аргинин (E.L.Eeid, 5.5.с.Yen, 1981) и пироглутаминовая кислота (R.Knudsen, Y.-К.Ьаш, K.PoXKers, W.Prick, 5.It.Daves, D.P. BarofsKy, c.Y.Bowers, 1979) характеризуются тем же выбранным нами спектром функциональной вктивности kptr. Такое функциональное сходство заставляет обратить особое вникание на их структурные особенности, хотя они и не являются олигопептидами (см. Главу V).

Г J1 Л В А

v

МЕСТО ЭНДОГЕННЫМ РЕГШТСРШК ОЛИГСПЕГПИВОЗ СРЕДИ ЕН1ЕСТ0 ПЕПТИДНОЙ ПРИРОД

Существующие белковые Банки данных достаточно полно отражают аминокислотные последовательности, содержащие многие десятки, сотни и даже тасячи аминокислотных остатков. В рассмотренный же нами Банк erop-moscow включены олигопептида с числом остатков н, заключенном лишь в интервале 2sn<so (см. Главу I). Как оказалось, именно в втом интервале достаточно плотно разместились пептида, обладающие характерным спектром функциональной активности' мрте (см. Главу XI). В связи с втим обратим внимание на то, что ввиду значительной конформационной подвижности малых пептидов (i.L.Karle, 1981; Г.В.Никифорович, С.Г.Галактионов, Г.И.Чипенс, 1983) их выступающие наружу радикалы (боковые и концевые) хорошо доступны окружению (например, рецепторам). В то же время из-за усиления внутримолекулярных взаимодействий конформационная подвижность пептидов с увеличением-длины падает и при и>50 из них могут образовываться достаточно устойчивые глобулы (П.Л.Привалов, 1985) с совершенно иными спектрами функциональной активности. Этим, по-видимому, и объясняется формирование подученного интервала для n.

До настоящего времени можно было говорить об особенностях ■размеров, выявленных у пептидов, обладающих или не обладающих ферментативной активностью, или в другом случае - у белков, с внутриклеточной ели внеклеточной локализацией (k.Nishikawa, d.Ooi, 1982; K.Nisiiikawa, r.Kubota, r.Ooi, 1983). Самые же малые-пептидные молекулы,'как, например, минимальный по размеру рилизинг-фактор три-пептид оиреолиберин (R.M.Q.Nair, J.Г.Barret, C.Y.Bowers, A.7. ßohaily, 1970) находились пока в стороне от подобной систематизации. Неизвестны попытки строгого определения и таких широко используемых терминов как полипептиды и олигопептида

Более того, известно немало физиологически активных веществ, которые, на являясь пептидами, обладают функциональными характеристиками, свойственными ендогзнным регуляторным олигопептидам. В связи с этим представляется важным на основании анализа физико-химического и функционального сходства многих эндогенных регуляторов иной, чем олигопептида, химической природа, поштаться найти способы их совместного рассмотрения, т.е. в совокупности, характеризующей полный континуум эндогенных регулягорных. веществ.

Рассмотрим распределение по длине 'для всех пептидов, занесенных в Банк erop—moscow. из Рис. 7 и 8 видео, что в этом случае наибольшее число пептидов расположено вблизи н=1о (возможно, что существует и второй максимум в районе N=30). Сдвиг максимума и неко-

торое отличие распределения по форме наблюдается на Рис. 8 в результате учета концевых групп и наличия в ряде пептидов к-концевого пироглутаминила.

ЧИСЛО АМИНОКИСЛОТНЫХ РАДИКАЛОВ, N

Рис. 7. Распределение 1037 эндогенных 'регуляторных пептидов по числу аминокислотных остатков м.

олиго-

§

О 20

Ше: TSK1.037.CAL 9.07.91

ТО

Е

а

ЧИСЛО БОКОВЫХ И КОНЦЕВЫХ РАДИКАЛОВ, м+т

Рис. 8. Распределение 1037 эндогенных регуляторных олиго-пептидов по общему числу радикалов (боковых N и концевых т).

Однако, учет всех представителей всех групп, семейств (см. Главу II) может привести к тому, что картины таких распределений в сильной степени будут зависеть от свойств членов ограниченного числа этих семейств/групп (самых крупных). Примером служит сравнивание семейств типа сек или эьк, содержащих более 50 членов, с семействами см или мть, насчитывающих единицы пептидов (Габл. 4). В связи с этим на Рис. 9 показано распределение по числу остатков

673 регуляторных пептидов вместе с распределением 74 групп (см. Главу II), в котором для каждой длины учитывался только один представитель данной группы. Из Рис. 9 видно, что оба распределения имею примерно одинаковую форму с большей встречаемостью олигопеп-тидов или их групп вблизи м, равного ю. Это может, например, свидетельствовать о том, что молекулы с заданным спектром активности чаще узнаются рецептором по участку, близкому к декапептидному.

Проведенное нами исследование олигопептидов с одним типом активности м (активация сокращения гладкой мускулатуры илеума морской свинки) показало, что для них характерен выраженный хшк в интервале 8-12 аминокислотных остатков, в котором сосредоточены наиболее активные молекулы (с наименьшей портовой концентрацией).

ЧИСЛО АШШОКИСЛОТНШ РАДШШОВ, к

Рис. 9-, Распределение 673 эндогенных рэгуляторных олигопептидов по числу аминокислотных остатков. Заштрихованная область представляет собой распределение 74 групп пептидов с только одним представителем для каждого N.

Пептиды, занесенные в Банк ейор-иозсо«, обладающие любым спектром функциональной активности и ограниченные сверху величиной N=50, занимают узкую начальную область но шкале числа аминокислотных остатков с максимумом вблизи N=10. Это видно из Рис. ю, где приведена также и кривая, построенная до данным для белков (к.твьцмта, У.КиЬога, а.оо1, 1983), которая (N>40) как "бы продолжает область, занятую регуляторными пептидами. Имеющийся в интервале 20<м<4о провал заполнится, видимо, природными молекулами, обладающими функциями, которые пока интенсивно не исследовались.

В связи с выявленными различиями по величине и в функциях возникает вопрос, какие пептиды следует считать малыми. (олигопеп-тидами), а какие большими (полипептидами). При попытке на него ответить воспользуемся соображениями о малых ж больших числах, кото-

рыэ автор услышал в 1958 году на сэминарэ А.Н.Колмогорова и которые не удалось обнаружить в опубликованном виде.

ido

so

м о

э

ив0

§ 40

о

го

о

Рже. Ю. Число структур, занэсеных з одшгопептддный (ейор-¡{озео!») - 1 и белковый - г Банки данных (в зависимости от Ю.

Б случае чисел малыми назывались такие, величина которых составляет значение порядка системы счисления (то-есть в десятичной системе величину порядка 10). Большими зе числами тогда будут те, которые много больше величины системы счисления..

Аналогом! чисел и системы счисления в пептидах естествеяо выбрать число составляющих их аминокислотных остатков, природное разнообразие которых описывается вэличееой 20. Продолжая аналогию, олигопэптидами будем называть такие молекулы, для которых N - порядка 20, то-есть N<20 или м>20 при №«1. В то зе время для полипептидов (обычно белков) N»20. Однако, вследствие хорошо изеостно-го физико-химического сходства ряда аминокислотных радикалов (треонина и серина, аргинина и лизина и др.) реальная система счисления для олигопептидов составит величину, меньшую, чем 20.

Рассмотрим общую схему распределения природных пептидов в зависимости от числа м. На Рис. 11 вся занимаемая ими область находится в пределах от 21 до примерно 10"* аминокислотных остатков. Левое и правое подраспределения относятся к олиго- и полипептидам соответстзено. Их частичное перекрывание обусловлено многообразием возможных вариантов аминокислотных составов и последовательностей, среди которых в области перекрывания могут обнаружиться молекулы с явной, тенденцией к глобулярной структуре при достаточно малых N (атому, например, способствуют дисульфиднке мостики у остатков нистеинов). На рис. 11 показана также и промежуточная область с не слишком большим н, э значительной мере занимаемая ферментами.

ЧИСЛО АМИНОКИСЛОТНЫХ РАДИКАЛОВ, N

(Х.МвМката, У КиЬо1;а, 5?.0о1, 1983), одна из'функций которых -превращать полипептиды в олигопептиды. Очевидно, что выбор других конкретных спектров функций приведет к типам распределений.

file: CLASS.CAL 4.06.89

ПОЛИ-

пептиды \

(белки) \

f \J пептида

/ олиго—\ / \ \

/пептида \ / У /к

1£ N

Рис. 11 Классификация, общепринятых определений пептидов. По оси ординат - число веществ пептидной природы в произвольных единицах, по оси абсцисс - число аминокислотных остатков м.

Функциональное сходство "классических" нейромедиаторов со многими ендогенныки олигопептидами (см. Главу 1У) заставляет обратить особое внимание на их структурные особенности, поскольку они также обладают положительным зарядом и/или,циклическим радикалом. Тогда ряд аминокислот и их ближайшие структурные аналоги, какими, например, являются дофамин, норадреналин или серотонин, можно рассматривать как бы "моно-пептидами", для которых и=1. Следовательно, атот подкласс функционально активных химических соединений составляет часть класса эндогенных олигопептидных биорегуляторов. Не исключено," что и представители других классов соединений могут быть таким же образом рассмотрены в совокупности с олигопептидами.

Число расшифрованных первичных структур регуляторных олиго-пептвдов продолжает быстро расой, достигая уже 90 в год (Рис. з, Глава I). Судя по оценке (И.П.Ашарж, 1984) общее же число природных регуляторных олигопепгидов для-одного организма составляет, по-видимому, величину порядка ю4. Поэтому следует ожидать, что параллельное развитие компьютерной техники и увеличение возможности записывания большей информации на одном носителе позволит и далее использовать персокомпъютеры для хранения и иследования данных о природных олигопепгидов без использования крупных вычислительных комплексов. Этого будет достаточно для того, чтобы хранить и использовать сведения о молекулах с величиной N. заключенной в интервал от 2<м£50, т.е. об эндогенных регуляторных олигопептидах.

ЭАКЛМЧЕННЕ

Таким образом, в данной работе сделана попытка найти способ единого рассмотрения совокупности структурных и функциональных свойств ■эндогенных регуляторных олигопвптидов. В связи с этим предстэвляется важным отметить (по Главам) некоторые перспективы их дальнейших исследований, .э также, возможности применения нэ практике приведенных результатов. .

I. По-видимому, в ближайшие годы будут выявлены основные структурные типы эндогенных регуляторных олигопептидов, на основании чего сформируется достаточно полная система знаний, необходимая для решения конкретных задач о молекулярных механизмах регуляторных функций. С учетом тенденций развития современной молекулярной физиологии есть основания полагать, что общие принципы "создания системы представлений об атом классе молекул могут быть использованы и при формализации системы рецепторов также в специализированный Банк, что представляется настоятельной необходимостью.

Что же касается применения, то Банк дэнных егор-мс^со» уже используется при анализе открываемых или синтезируемых первичных структур олигрпептидов. На сегодняшний день даются ответы на вопросы: имеет ли данный пептид известную структуру, является ли фрагментом болев крупного предшественника и т.д.

и. Совершенствование классификации позволит более четко характеризовать функционально родственные группы олигопвптидов. При существенном увеличении числа Записей в Банке ейор-мозсо» появится возможность получать семейства с определенным конкретным типом активности. Сужение спектра активности позволит выделить подсемейства, а расширение - сформировать соответствующие надсемвйства'.

Результаты проведенной классификации могут использоваться при характеристике вновь открываемых или искусственно синтезируемых олигопвптидов. Указание на принадлежность к определейному семейству позволяет делать предварительное заключение о возможной функциональной роли изучаемого олигопептида, основываясь на известных функциях структур, введенных ранее в Банк ейор-мо=со*г.

ш- Выявление особенностей аминокислотного'состава цредстав-вляет собой только первый этап выяснения ^особенностей структуры регуляторных олигопвптидов, который должен быть углублен исследованиями структурных особенностей олигопептидов с иными, нежели мрти, функциональными спектрами. Следующим шагом является поиск характерных особенностей первичной структуры, однако, пока еще недостаточно материала для получения статистически значимых результатов. В связи с быстрым пополнением необходимых данных решение

подобной задачи окажется возможным уже в ближайшее время (компью-компьшгерные программы для подобного анализа нами уке созданы).

Обнаруженные общие физико-химические свойства эндогенных олигопептидных биорегуляторов могут быть учтены при целенаправленном поиске новых аффективных регуляторов нервных, эндокринных, иммунных функций. Знание особенностей аминокислотного состава позволит уменьшить перебор различных аминокислотных последовательностей: и, таким образом, сократить число синтезов неэндогенных структур.

IV. Важнейшим этапом исследований эндогенных регуляторных олигопептидов представляется изучение механизмов их участия в различных физиологических процессах. Для атого, с одной стороны, необходима систематизация зианий о локализации конкретных олигопептидов и количественные данные о локальном их содержании. С другой стороны,'необходимо знание также локального содержания соответствующих рецепторов и ферментов. Представляется, что еще до создания достаточно полного рецепторного Банка данных подобная работа может быть начата уже при исследовании функций олигопептидов на уровне пептид-клетка, причем такой клетки, которая имеет реальную возможность встретиться с данным олигопептидом в живом организме.

Помимо предсказания возможной функциональной роли олигопепти-да с данной структурой получение результаты позволяют обратить внимание на целый ряд классов веществ, обладающих сходными с регу-ляторными олигопептидами физико-химическими характеристиками. К ним, помимо известных катехоламиновых и аминокислотных нейроме-диаторов, могут относиться нуклеотида, стероиды, простагландины, которые обладают сходными с олигопептидами характеристиками, например, наличием циклических радикалов). Анализ механизмов функционирования позволит с новой точки зрения оценивать правомерность их использование в качестве лекарственных препаратов.

v. расширение изучаемого спектра функциональной.активности на базе Банка енор-мозсо* уже.сейчас может привести к пополнению наших знаний о пока еще мало изученнм интервале длин эндогенных олигопептидов примерно от го до 50 аминокислотных остатков. Полное же выявление структурных и функциональных особенностей олигопептидов разных размеров позволит более точно охарактеризовать их место во всей системе природных регуляторных веществ.

Расширение знаний о структуре и функциональных особенностях' подкласса эндогенных олигопептидов позволит проводить поиск новых высокоактивных вещоств, учитывая особенности спектра функциональной активности у молекул из различных интервалов содержания числа аминокислотных остатков, что также мозгет оказаться полезным в оптимизации создания аффективных-препаратов пептидной природы.

выводы

1. Создан массив информации об эндогенных' олигопепгидах, рассматривающихся как система с системообразующим фактором, представляющим собой их способность воздействовать на клетку путем взаимодействия со специализированными рецепторными структурами. С помощью персонального компьютера типа гвм рс^ат на основе программ типа dBASE разработан специальный способ записи этой информации и, таким образом, сформирован специализированный Банк данных erop-moscow (Endogenous Regulatory oligopeptides), содержащий (на 30 июня 1991 г.) Записи о ЮЭ7 олигопептидах.

2. Разработан способ классификации эндогенных, регуляторных олигопепгидов по первичной структуре, основанный на Ъ0%-ш1 гомологии. Этим способом с помощью специально созданных программ осуществлена классификация олигопепгидов, обладающих одним или более типом: активности из заданного функционального спектра mptr. в результате примерно г/з отобранных по функциональным свойствам олигопепгидов составили около 70 структурно независимых групп,,содержащих от 1 до 53 олигопепгидов, из которых выделено 37 структурно-гомологичных семейств, содержащих нэ менее двух молекул, образовавшихся из разных генов. Для характеристики структуры семейства в целом введено понятие семейного портрета.

3. Результаты классификации эндогенных олигопептидов позволяют выделить четыре основных типа семейных портретов, каждый из которых заключает в себе квазиконсервативную область как структурную основу для связывания членов данного семейства с рецепторами.

4. Разработан компьютерный метод обработки данных об аминокислотном составе олигопептидов, что позволяет проводить анализ содержания радикалов в олигопептидах и их семействах. В результате применения этого метода показано, что регуляторные олигопептщщ с заданным спектром функциональной активности имеют специфический аминокислотный состав и содержат положительно заряженный и/или циклический радикал (функционально значимые группы, сигнатуры).

5. Результаты позволяют рассматривать первичный, элементарный акт физиологического процесса как результат взаимодействия с рецептором определенных функционально значимых химических групп (сигнатур) олигопептидов, в связи с чем их полифункциональность (поли-потенгность) может служить проявлением общности аминокислотного (радикального) состава, а функциональная специфичность - отражением особенностей первичной структуры. Сходство физико-химических характеристик позволяет объяснить и возможность участия одних и тех же олигопепгидов в различных регуляторных системах организма.

6. В результате создания Банка информации об эндогенных регу-ляторных олигопептэдах, их классификации по первичной структуре и изучения физико-химических особенностей возможны характеристика и анализ ряда различных биологических процессов и явлений. В качестве примеров продемонстрированы возможные подходы к анализу каскадной регуляции, морфогенеза, поведения, биологической эволюции.

7. Показано, что применявшиеся методы позволяют выявлять преимущественные размеры регу ля торных, олигопептидов, обладающих заданным функциональным спектром. Для ожгопептвдов группы мртп предпочителен размер около ю аминокислотных остатков. Кроме того, результаты способствует расширении представлений об эндогенных ре-гуляторных веществах путем включения в систему олигопептидов аминокислот и их ближайших структурных аналогов - биогенных аминов (хорошо известных как медиаторы), которые с известной мерой условности названы "монопептидами". В результате анализа совокупности структурных ж функциональных особенностей сделана также попытка дать обоснованное определение олигопептидов.

СПИСОК РАБОТ, ОШЕЛИЮВАИШ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Замятнин A.A.. Анализ структурных особенностей биологически активных пептидов // Система мозговых и внемозговых пептидов: Тез. докл. Всес. симп. - Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1984. - С. 43-44.

2. Zamyatain A.A. Amino Aoid, Peptide, and Protein Yolume in Solution // Ann. Kev. Biophys. Bioeng. - 1984, V. 13» P. 145-165.

3. Замятнин A.A. Общность ряда физико-химических свойств у биогенных аминов, эндогенных аминокислот и олигопептидов, участвующих в медиатор-рецепторных взаимодействиях // Физиология и биохимия медиаторных процессов: Тез. докл. IT Всес. конфер. - М.:

1985, Ч. 1., С. 128.

4. Замятнин A.A. О физико-химической природе полифункциональности физиологически активных пептидов // Нещхжептиды, их роль в физиологии и патологии: Тез. докл. I Всес. конфер. - Томск: Изд. СО ВКНЦ АМН СССР, 1985, С. 10-11.

5. Замятнин A.A. Анализ физико-химических условий выделения и очистки физиологически активных пептидов // Нейропептиды, их роль в физиологии и патологии: Тез. докл. i Всес. конфер. - Томск: Изд. СО ВКНЦ АМН СССР, 1985, С. 11-12.

6. Замятнин A.A. Генетическая устойчивость физиологической активности эндогенных олигопептидных медиаторов // Медиаторы в

.генетической регуляции поведения: Тез. докл. Всес. симп. - Новосибирск: 1986, С. 92-93.

7. Замятнин A.A., Анохин К.В. Физико-химические свойства эндогенных олигопептидов, участвушцих в системных механизмах подкрепления // Развитие общей теории функциональных систем (системные механизмы подкрепления): Тез. докл. vil Pce с. семин.. - Москва:

1986, С. 20.

Zamyatnin A.A., Anokhin K.V. Píiysioo-Chemioal Properties of Endogenous Oligopeptides Taking Part in Systems Ueohanisms of

Reinforcement // Development of the General Theory Functional Systems, System Mechanisms of Reward and Reinforcement: Abetr. VII All-ünion Seminar - liosoow: 1986, P. 71-72.

8. Замятин A.A. Молекулярные особенности аволиции функций физиологически активных олигопентидов // Эволюционная физиология: Тез. докл. IX Всес. совещ. - I.: Наука, Ленинградское отделение, 1986, С. 97-98.

9. Замятнин A.A. Аминокислотный состав эндогенных физиологически актовых олигопентидов // Докл. АН СССР. - 1987, т. 292, No 5, С. 1261-1264.

10. Замятнин A.A. Ионный транспорт и эндогенные олигопептиды // Ионный гомеостаз и влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность клеток: Тез. докл. xii Всес. совещ. по транспортным АТФ-азам. - Иркутск: Изд. НЦБИ АН СССР, 1987, С. 81.

11. Замятнин A.A. Ряд задач, возншсащих при изучении физико-химических основ физиологически активных олигопэптидов // Математические и вычислительные методы в биологии. Биомолекулярные системы: Матер, к II Всес. конфер. - Дущино: 1987, С. 68-70.

12. Замятнин A.A. Физико-химические особенности олигопентидов, обладающих морфогенетической активностью // Онтогенез -1988, Т. 16, Но 5, С. 593.

13. Замятнин A.A. Исследование структурных и функциональных особенностей природных олигопентидов на основе специализированного банка данных // Физиология пептидов: Тез. докл. Всес. симпоз. -Л.: 1988, С. 68-69.

14. Замятнин A.A. Аминокислотный состав и миотропная активность эндогенных олигопентидов // Физиология пептидов: Тез. докл. Всес. симпоз. - Д.: 1988, С. 67.

15. Замятнин A.A. Физико-химические основы специфичности и полифункциональности эндогенных нейропептидов // Интегративная деятельность нейрона: Молекулярные основы: Тез. докл. междунар. симпоз. - Москва: 1988, С. 49.

Zamyatnin A.A. Physioo-Chemioal Basis of the Specificity and Polyfunotionality of Endogenous Neuropeptides // Integrative Action of Neuron: Moleoular Basis: Abstracts of Symposium Devoted to the 90-th P.K.Anokhin Anniversary. - M0300W: 1988, P. 94.

16. Замятнин A.A. Структурные и функциональные характеристики нейропептидов беспозвоночных // Простые нервные системы и их значение для теории и практики: Натер, к II Всес. конфер. -Казань: Наука, Ленинградское отделение, 1988, С. 116-120.

17. Замятнин A.A. Специфичность аминокислотного состава эндогенных физиологически активных олигопэптвдов // физиологически активные пептиды (под ред. А.Ю.Буданцева и В.В.Шерстнева) -Пущино: 1988, С. 3-17.

18. Замятнин A.A. Система природных физиологически активных пептидов // Физиол. Ж. СССР. - 1989, Т. 75, Но 5, С. 646-655.

19. Замятнин A.A. Возможные принципы кодирования и переработки информации в линейной структуре нейропептидов // Проблемы нейрокибернетики: Тез. докл. IX Всес. конфер. - Ростов-на Дону: ИЗД. РОСТОВСКОГО УН-TS, 1989, С. 403.

20. Замятнин A.A. О каталогизации регулягорных олигопентидов человека // Проблемы изучения наследственности человека на уровне белковых продуктов генной экспрессии: Матер. Всес. Симпоз. -Москва: Изд. Ул-а мед. генетики АМН СССР, 1989, С. 23.

21. Замятнин A.A. Стрекалова Т.В. Совместное рассмотрение структур природных олигопентидов и совокупности клеток живого

организма: Матер. Всес. Симпоз. по химии пептидов - Рига: Изд. И-та органического синтеза ЛатвАН, 1990, 0. 28.

22. Шэвелкш A.B., Замятнин A.A. Анализ свойств fmef-подойных физиологически активных олигопептидов с помощью компьютерного Банка данны eeop-moscow; Матер. Всес. Симпоз. по химии пептидов -Рига: Изд. И-та органического синтеза ЛатвАН, 1990, С. 139.

23. Замятнин A.A. Эндогенные регуляторные олигопептиды: структура, функции, локализация // Еурн. общ. биол. - 1990, Т. 51, ыо 2, С. 147-162. ■

24. Замятнин A.A. Специализированный банк данных erop-moscow о свойствах природных регулягорных олигопептидов // Нейрохимия -1990, Т. 9, No 1, С. 71-82.

25. Замятнин A.A. Классификация эндогенных регуляторных олигопептидов по первичной структуре // Докл. АН СССР - 1990, Т. 311, No 5, С. 1259-1265.

26. Замятнин A.A. Физико-химические особенности эндогенных регуляторных олигопептидов // Биофизика - 1990, Т. 35, No 4, С. 555-559.

27. Замятнин A.A. Структурные и функциональные характеристики эндогенных олигопептидЕых морфогенов // Морфогенетически активные .вещества (под ред. И.М.Шейман) - Пущино: 1990, С. 125-133.

28. Замятнин A.A. - Физико-химические особенности эндогенных пептидных медиаторов // Физиология и биохимия медиаторных процессов: рных взаимодействиях: Гез. докл. 7 Всес. конфер. - М.:

1990, С. 117.

29. Замятнин A.A. Проблемы классификации эндогенных регуляторных олигопептидов: Матер, ill Всесоюзного симпозиума "Физиологическое и клиническое значение регулягорных пептидов" - Горький: Изд. НЦБИ АН СССР, 1990, С. 61.

30. Замятнин A.A., Стрекалова Т.В. 0 функциональной классификации эндогенных регуляторных олигопептидов: Матер, ill Всесоюзного симпозиума "Физиологическое и клиническое значение регуляторных пептидов" - Горький: Изд. НЦБИ АН СССР, 1990,. С. 62.

31. Стрекалова Т.В., Вадиков В.И., Замятнин A.A. Эндогенные регуляторные олигопептиды в функциональной системе поддержания уровня артериального давления: Матер.- III Всесоюзного симпозиума "Физиологическое и клиническое значение регуляторных пептидов" -Горький: Изд. НЦБИ АН СССР, 1990, С. 175.

32. Zanyatnin A.A. Structural and Junctional Features ol the Endogenous Oligopeptide toxins ol Invertebrates // Sympler Nervous Systems: Abstr. ol the Regional Meeting ol the International Society Гог Invertebrate Neurobiology (ISIN) - Minsk: 1991, P.112.

33. Zamyatnin A.A. Regulatory Oligopeptides of Invertebrates: Structure, Punotiona, location // Simple Nervous Sustems (D.A.Sakharov, W.Winlow, ed3.) - 1991, P. 3-21, Manchester Univ. Press, Manchester, 388pp.

34. Zamyatnin A.A. erop-moscows Specialized Data Bank for Endogenous Eegulatory Oligopeptides // Protein Sequence and Data Analysis - 1991, y. 4, No 1, P. 49-52.

35. Zamyatnin. A.A. Btruotural Classification oi Endogenous Regulatory Oligopeptides // Protein Sequence and Data Analysis -

1991, V. 4, JTo 1, P. 53-56.

36. Zamyatnin A.A. Speoifioity of the Amino Acid Residue Content in Endogenous Regulatory Oligopeptides // Protein Sequence and Data Analysis - 1991, T. 4, No 1, P. 57-60.