16 Плодный период

32

38

Периоды развития Недели развития

Нарушения втор ичных половых органов

X

X

Нарушения нервной трубки и ее производных

I I II —г

Нарушения артерий| и сердца

Нарушения развития верхних конечностей

Нарушения развития нижних конечностей

X

X

Расщеплен и; верхней губы

X

X

X

X

Нарушения развития органов с/ уха

X

X

Недоразвитие глаз, катара! та, глаукома

X

Недоразвив е эмали зуба

X

Расщепление нёба

X

X

X

• Зоны поражения Периоды чувствительности I | высокой | |низкой

Задержка

умственного развития

Пороки сердца

Пороки верхних конечностей

Пороки нижних конечностей

«Заячья губа» Глухота

Глазные болезни Пороки развития зубов

«Волчье нёбо»

Нарушения наружных половых органов

Рис. 10. Периоды наибольшей чувствительности эмбриона человека к токсическим и тератогенным воздействиям

БЕСПЛОДИЕ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ЕГО ЛЕЧЕНИЯ

Многие супружеские пары не могут завести детей, так как один или оба супруга страдают бесплодием. Эта проблема возникла не сегодня, она сопровождала человечество еще с древних времен. Но в современ­ном мире люди часто заводят детей позднее, чем в прошлые века, а вероятность наступления бесплодия возрастает с возрастом супругов. К нарушению ре­продуктивной функции могут привести как врож­денные аномалии развития половых органов, так и многие другие причины, далеко не полный список которых приведен в таблице.

Для выявления причин бесплодия необходимо комплексное обследование супружеской пары. У мужчины врач оценивает состояние спермы, при ультразвуковом обследовании (УЗИ) выявляет поро­ки развития мочеполовой системы. У женщины врач определяет проходимость маточных труб, проводит гормональное исследование крови. Гормональное исследование позволяет определить уровни гормо­нов, необходимых для овуляции, «созревания» эн­дометрия и имплантации эмбриона. И мужчин, и женщин врач проверяет на наличие воспалительных процессов и инфекционных заболеваний, назначает необходимое лечение.

К сожалению, бывают ситуации, когда после пол­ного обследования и длительного лечения беремен­ность самостоятельно возникнуть не может или оп­лодотворение естественным образом просто невоз­можно. В таких случаях на помощь приходит вспомогательная репродуктивная медицина.

Еще всего 15—20 лет назад единственным мето­дом, который предлагался в таких случаях, была внутриматочная инсеминация спермой. Этот метод мог помочь только ограниченному числу супруже­ских пар и, как правило, только в случае иммуноло­гических причин бесплодия или в тех случаях, ког­да супружеская пара решала использовать сперму донора. В последние годы супружеские пары все ча­ще прибегают к методу экстракорпорального опло-

Основные причины бесплодия у человека

Женское бесплодие

Мужское бесплодие

• Нарушение функции яич­ников, проблемы с овуляци­ей; различные гормональ­ные нарушения;

•эндометриоз;

• непроходимость маточ­ных труб, вызванная воспа­лительными процессами или осложнениями после аборта;

• некоторые виды лечения: противоопухолевая луче­вая, гормоно- и химиотера­пия, применение некоторых психотропных средств и др.;

• заболевания, передавае­мые половым путем;

• злоупотребление алкого­лем и никотином;

• иммунологические нару­шения

•Различные нарушения строения сперматозоидов;

•гормональные нарушения (например, недостаток тес­тостерона);

•расширение вен яичка и семенного канатика (варико-целе);

•системные заболевания (туберкулез, цирроз печени, хроническая почечная недо­статочность, хронические заболевания органов дыха­ния, сахарный диабет и др.);

•некоторые виды лечения: противоопухолевая луче­вая, гормоно- и химиотера­пия, применение некоторых психотропных средств и др.;

•заболевания, передавае­мые половым путем;

•перенесенные инфекцион­ные заболевания (корь, крас­нуха);

•злоупотребление алкого­лем и никотином;

•профессиональные вред­ности (контакт с органи­ческими и неорганически­ми веществами, воздействие ионизирующей радиации);

•тепловой фактор (работа в условиях высоких и низких температур, длительное ли­хорадочное состояние с по­вышением температуры тела больше 38 °С);

•иммунологические нарушения

дотворения (от лат. extra corpora — вне тела). Очень часто этот метод называют оплодотворением ин вит-ро (от лат. in vitro — в пробирке), а детей, зачатых таким методом, — «детьми из пробирки».

Во многих случаях, когда оплодотворение естест­венным путем невозможно (например, при отсутствии или непроходимости маточных труб, гормональных нарушениях, мужском бесплодии), метод экстракор­порального оплодотворения (ЭКО) — единственный способ для супружеской пары завести своего ребенка. При ЭКО те события, которые происходят с эмбрио­ном в течение первых суток развития — от оплодотво­рения до формирования бластоцисты (см. рис. 6) про­ходят не в теле матери, а в эмбриологической меди­цинской лаборатории. Затем эмбрионы пересаживают в матку, где они и развиваются в течение всего осталь­ного срока беременности.

Появлению этой современной медицинской тех­нологии предшествовал практически целый век на­учных исследований. Техническая возможность оп­лодотворения яйцеклеток in vitro, а также транс­плантации доимплантационных эмбрионов в матку была показана еще в конце XIX — начале XX в. Вальтер Хип (V. Heape, 1890) успешно переносил эмбрионы от одной породы кроликов самкам другой породы. В 1907 г. В. С. Груздев осуществлял опыты по искусственному оплодотворению, вводя в яйцево­ды самок кроликов смесь яйцеклеток и сперматозо­идов. Важным этапом в развитии методов ЭКО стала разработка специальных питательных сред для под­держания жизнеспособности половых клеток in vitro, их оплодотворения и культивирования ранних зародышей. Был проделан долгий путь от использо­вания минимальных солевых растворов с добавлени­ем сыворотки крови до разработки высокоочищен-ных нетоксичных стерильных сред, содержащих все необходимые для развития зародышей элементы.

В 1934 г. О. В. Красковская успешно оплодотво­рила in vitro яйцеклетки кролика, а в 1944 г. амери­канские эмбриологи Дж. Рок и М. Менкин сообщили об оплодотворении in vitro яйцеклетки человека и развитии эмбриона до двух бластомеров. Но только

А. Микроскоп с манипуляторами, при помощи которых эмбри­олог управляет движениями микроинструментов. Б. Микрофотографии инъекции сперматозоида в яйцеклетку. Выбранный для инъекции сперматозоид засасывают в стек­лянную микропипетку и вводят в ооцит, который зафик­сирован на присоске

в 1959 г. родились животные, оплодотворение кото­рых произошло extra corpora, когда М. Чанг перенес эмбрионы кролика, полученные в пробирке, самке для дальнейшего вынашивания.

После этого в 60-х гг. прошлого века интересы ис­следователей были направлены на изучение возмож­ности искусственного оплодотворения у других лабо­раторных и сельскохозяйственных животных. Разра­батываемые методики включали способы выделения и концентрирования сперматозоидов, получения зрелых яйцеклеток, оплодотворения яйцеклеток in vitro, культивирования доимплантационных эмбрио­нов, трансплантации эмбрионов генетической или суррогатной матери. Разрабатывались подходы гор­мональной стимуляции для получения большого ко­личества яйцеклеток, для подготовки матки к транс­плантации и вынашиванию эмбрионов.

Еще в середине 50-х гг. XX в. была высказана идея о применении экстракорпорального оплодотворения для лечения бесплодия у человека. В 1968 г. начали совместно работать английские ученые — эмбриолог Роберт Эдвардс и гинеколог Патрик Стептоу. Резуль­татом их работы стало сообщение 25 июля 1978 г. о рождении Луизы Браун — первого в мире «ребенка из пробирки». Первый российский «ребенок из про­бирки» Елена Донцова на 8 лет младше Луизы Браун. Она родилась 7 февраля 1986 г., о чем сообщила московская лаборатория клинической эмбриологии Центра акушерства и гинекологии РАМН под руко­водством профессора Б. В. Леонова. А в 2007 г. Елена Донцова сама родила ребенка, зачатого естественным путем, в той самой клинике, где сама появилась на свет 21 год назад.

Еще 10—15 лет назад метод ЭКО мог помочь за­вести ребенка только в случае женского бесплодия. Ооциты женщины помещали в каплю питательной среды и добавляли к ним каплю суспензии спермато­зоидов мужа. Но в случае мужского бесплодия, если нарушены подвижность и строение сперматозоидов или если сперматозоидов слишком мало, они не мо­гут сами проникнуть в ооцит, и оплодотворения не наступает. В настоящее время на помощь таким суп­ружеским парам приходят методы микрохирургии. На рисунке 11А показана установка для введения сперматозоида в яйцеклетку. Под микроскопом с по­мощью специального микроманипулятора эмбри­олог ловит за хвостик самый лучший сперматозоид (рис. 11Б) и стеклянным микрокапилляром инъеци­рует его в цитоплазму ооцита. Этот метод называет­ся ИКСИ (от англ. ICSI — intracytoplasmic sperm injection).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Во многих странах мира сейчас существуют тыся­чи медицинских клиник, проводящих лечение бес­плодия методом ЭКО. В России такие клиники рабо­тают во многих крупных городах, только в Москве их более двадцати. Сейчас в мире живет более 2 млн человек, родившихся после процедуры ЭКО. На рисунке 12 представлены фотографии ооцита и фо­тографии эмбриона на стадиях зиготы, дробления, морулы и бластоцисты: более 2 млн человек могут вставить в фотоальбом именно такую свою первую фотографию и показать своим друзьям, как начина­лась их жизнь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоусов Л. В. Основы общей эмбриологии. М.: Нау­ка, 2005.

2. Валькович Э. И., Батюто Т. Д., Кожухарь В. Г. Общая и медицинская эмбриология. Ростов н/Д: Феникс, 2008.

3. Голиченко В. А., Иванов Е. А., Никерясова Е. Н. Эм­бриология. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

4. Гилберт С. Биология развития. В 3 т. М.: Мир, 1993, 1994,1995.

5. Данилов Р. К., Боровая Т. Г. Общая и медицинская эмбриология. СПб.: Спец. лит., 2003.

6. Дыбан А. П. Раннее развитие млекопитающих. Л.: Наука, 1988.

7. Захарова Е. Е, Семенова М. Л., Кошелева Н. В. «Дети из пробирки»: экстракорпоральное оплодотворение // Биология в школе. 2005. № 6. С. 10—15.

8. Карлсон Б. Основы эмбриологии по Пэттену / пер. с англ. М.: Мир, 1983.

9. Кузмичев Л. Н, Кулаков В. И., Леонов Б. В. Экстра­корпоральное оплодотворение. Отбор, подготовка и тактика ведения больных. М.: Мир, 2001.

10. Кулаков В. И., Леонов Б. В. Экстракорпоральное оплодотворение и его новые направления в лечении женского и мужского бесплодия. Теоретические и практические подходы. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2000.

11. Интернет-ресурсы: http://embryology.med.unsw.edu.au/

12. Интернет-ресурсы: http://www.visembryo.com/baby/ index.html

БОЛЬ И БОЛЕВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Д. М. Иванова

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра физиологии человека и животных

Боль — защитная реакция организма, выработан­ная и сохраненная в процессе эволюции как сигнал о грозящей опасности. Ощущение боли очень часто вызывает реакцию, схожую со страхом или агресси­ей, т. е. с теми эмоциями, которые заставляют чело­века или животное разрешить ситуацию, угрожаю­щую жизни или здоровью его организма. Физиоло­гическая роль боли — защитная. Она состоит в предупреждении организма о реальной или потен­циальной опасности его повреждения. Болевой сиг­нал обеспечивает мобилизацию защитных сил орга­низма и защиту затронутого болью органа. Ответ на боль проявляется как «уходом» от повреждающего фактора (например, отдергивание обожженной ру­ки), так и действиями, направленными на ликвида­цию последствия повреждения (самостоятельная по­пытка окунуть обожженную руку в холодную воду, слезоточивость при попадании моющих средств в глаза и т. п.). Организм нуждается в мобилизации местных факторов защиты, в частности, происходит активация системы фагоцитоза, изменяется цент­ральное и периферическое кровообращение (сосуды могут расширяться и сужаться) и др.

Вот более полное определение болевой чувстви­тельности: «Боль — особый вид чувствительности, связанный с действием патогенного раздражителя и характеризующийся субъективно неприятными ощущениями, а также существенными изменениями в организме, вплоть до серьезных нарушений его жизнедеятельности и даже смерти. Боль представля­ет собой симптом большинства острых и хрониче­ских заболеваний, сложный психологический и физиологический феномен, вызывающий взаимосвя­занные реакции на разных уровнях организма. Дви­жения и эмоциональные переживания, связанные с болью, во многом определяются центральными анальгетическими (обезболивающими) системами мозга, каналами передачи «болевой» и «неболевой» чувствительности, эмоциональной настроенностью человека на восприятие боли, его личностными осо­бенностями индивидуальных реакций». Судя по это­му определению, вовсе не все люди обладают одина­ковой болевой чувствительностью. Существует неко­торый процент людей, которые не чувствуют боли и в результате часто получают серьезные травмы в виде ожогов или порезов.

КОМПОНЕНТЫ БОЛИ

В отличие от других видов ощущения, боль — это нечто большее, чем простое ощущение, болевая ре­акция складывается из нескольких разных компо­нентов. В зависимости от ситуации такие компонен­ты проявляются в разной степени.

Сенсорный компонент боли состоит в том, что ор­ганизм может установить место возникновения бо­ли; время ее начала и окончания, интенсивность болевого ощущения.

Аффективный компонент. Любое сенсорное ощущение (тепло, звук текущей воды и т. п.) может не вызывать никаких эмоций, а может вызывать удовольствие или неудовольствие. Болевое ощуще­ние всегда сопровождается возникновением эмоций и всегда неприятных.

Вегетативный компонент боли проявляется в том, что сильное болевое ощущение вызывает ряд реакций внутренних органов (тошнота, сужение или расширение сосудов, учащение сердцебиений и т. п.) по механизму врожденного рефлекса.

Двигательный компонент проявляется в том, что организм стремится устранить действие болево­го раздражителя (рефлекс избегания, рефлекс защи­ты). Двигательная реакция нередко развивается еще до того, как произойдет осознание боли.

ТЕОРИИ БОЛИ

В настоящее время существует две основные те­ории боли.

Теория интенсивности основана на том, что болевое ощущение могут вызывать самые разнообразные раздражители, если они достаточно сильны. Соглас­но этой теории, боль возникает тогда, когда степень возбуждения обычного сенсорного рецептора (фото-, термо-, механорецептора) достигает определенного критического уровня. При этом рецептор генерирует последовательность (паттерн) нервных импульсов, которая отличается от той, которая наблюдается при действии слабых раздражителей. Эта специфиче­ская последовательность нервных импульсов рас­познается центральной нервной системой, и возни­кает ощущение боли. Соответственно, восприятие боли является функцией всех типов рецепторов.

Теория специфичности основана на наблюдении, что болевая чувствительность не распределена по ко­же равномерно — боль может возникнуть при стиму­ляции только определенных точек. Согласно этой те­ории, существуют специализированные рецепторы, которые возбуждаются только интенсивными сти­мулами, повреждающими или грозящими повре­дить ткани и клетки.

Из всех видов чувствительности боль занимает особое место. Все остальные анализаторы в качестве адекватного раздражителя имеют определенный фи­зический или химический фактор (тепловой, так­тильный, обонятельный), который улавливается специализированными органами чувств. Для боли же нет единого универсального раздражителя; боль вызывается разнообразными факторами.

МЕХАНИЗМ ОЩУЩЕНИЯ БОЛИ

Болевые рецепторы. Сенсорные сигналы, поступле­ние которых в мозг приводит к болевым ощущениям, называют ноцицептивными (от лат. noceo — повреж­даю). Нервные окончания, при возбуждении которых человек ощущает боль, называют болевыми рецепто­рами (ноцицепторами). Болевые рецепторы располо­жены в организме весьма неравномерно. Они как сетью опутывают кожный покров, их много в оболоч­ках внутренних полостей (плевральной, брюшной, полости черепа), в полых и других органах (печень, почки, эндокринные железы). Некоторые ткани, на­пример роговица, снабжены только волокнами дан­ного типа. В меньшем количестве они присутствуют в толще мышц и сухожилий. Болевых рецепторов со­вершенно нет в толще мозговой ткани и в хрусталике глаза.

Простейший ответ на болезненный стимул проис­ходит рефлекторно. Это значит, что импульсы дохо­дят только до спинного мозга, который и отдает быстрое распоряжение. Если кто-то, идя босиком, вдруг наступит на колючку, импульсы от рецепто­ров стимулируют рефлекс сгибания, и поврежден­ная нога поднимается. Другие ветви чувствитель­ных нервных волокон, идущих от болевых рецеп­торов, через контакты (синапсы) со вставочными нейронами (интернейронами) передают информа­цию по восходящим путям в головной мозг для ее об­работки. Но на уровне спинного мозга рефлекс часто происходит еще до того, как головной мозг зарегист­рирует болевые сигналы, т. е. до того, как человек осознает боль.

Болевые рецепторы, находящиеся в коже, воз­буждаются при порезах, ушибах, прикосновении че­го-нибудь горячего, под действием химических ве­ществ, образующихся в ткани при ее разрушении, и в случае прекращения нормальной циркуляции кро­ви в каком-либо участке тела.

Выделяют три основных типа болевых раздражи­телей:

• физические (механическая травма, темпера­турные воздействия, высокая доза ультрафиолета, электрический ток);

• химические (попадание на кожу или слизис­тые оболочки сильных кислот, щелочей, окислите­лей);

• биологические (высокая концентрация биоло­гически активных веществ: кининов, гистамина, серотонина).

В большинстве своем болевые рецепторы являют­ся неспецифическими, т. е. отвечают на разруши­тельные стимулы различной природы. Они сигнали­зируют не только о наличии таких стимулов, но так­же о месте их воздействия и интенсивности.

Функция большинства болевых рецепторов, нахо­дящихся внутри тела, мало изучена. Известно, на­пример, как работают легочные рецепторы, которые сигнализируют о застойных явлениях в легких или о присутствии частиц пыли. Рецепторы в желудке реагируют на изменение кислотности желудочного сока. Другие рецепторы, по-видимому, возбуждают­ся веществами, образующимися внутри тела — та­кими, например, как химические продукты, вызы­вающие мышечную боль.

Передача сигналов в головной мозг. Сообщения о боли идут в головной мозг по двум различным пу­тям. Один из них — это система быстропроводящих волокон, активация которых дает ощущение острой боли. Другой путь — система медленно проводящих нервных отростков, при возбуждении которых воз­никает ноющая боль. В связи с этим различают эпи-критическую боль («болевая чувствительность», «быстрая, предупредительная»), появляющуюся в результате воздействия раздражителей малой и средней силы. При действии сильных и «масштаб­ных» источников разрушения возникает протопа-тическая боль («медленная», «древняя»). Обычно наблюдается сочетанная боль (и эпикритическая, и протопатическая), что позволяет организму точно оценить характер, локализацию и силу воздействия. И болевые рецепторы, и проводящие их волокна яв­ляются отростками нейронов спинномозговых ганг­лиев. Аксоны этих нейронов входят в спинной мозг через задние корешки.

Далее волокна «быстрого» пути направляются в та-ламус (верхняя часть промежуточного мозга), здесь они образуют синаптические соединения с волокна­ми, идущими к сенсорным и двигательным областям коры больших полушарий. Эта система позволяет точно различать, где находится повреждение, на­сколько оно серьезно и в какой момент произошло.

Волокна «медленного» пути идут к ретикулярной формации — центральной части продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Ретикулярная форма­ция получает сенсорные сигналы по разным путям и действует как своего рода фильтр, пропуская толь­ко ту информацию, которая является новой или необычной. Болевая информация идет из ретику­лярной формации в гипоталамус, а также в минда­лину — ядро в лимбической системе — и структуры больших полушарий, связанные с эмоциональным восприятием боли.

«Быстрая» система может выполнять функцию предупреждения, немедленно доставляя информа­цию о повреждении, его размерах и месте. Неприят­ная ноющая боль, характерная для «медленной» системы, как бы постоянно напоминает мозгу о по­вреждении, заставляет обращать на него внимание, ограничивая в связи с этим обычную деятельность.

Более быстрая система практически не окрашена эмоциями. Более медленная система, как уже было сказано, позволяет получившему травму человеку приписать своим ощущениям те или иные качества. По-видимому, к эмоциональной окраске боли имеют отношение не только лимбическая система, но и пре-фронтальная кора. Наше восприятие боли, очевид­но, включает как само ощущение боли, так и нашу эмоциональную реакцию на это ощущение. Боль­ные, перенесшие фронтальную лоботомию — опера­цию, при которой перерезаются связи между лобны­ми долями и таламусом, редко жалуются на силь­ную боль или пьют болеутоляющее лекарство. После операции они обычно продолжают чувствовать боль, но говорят, что она их «не беспокоит».

ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА И ТОРМОЖЕНИЕ БОЛИ

Для того чтобы болевая информация достигла го­ловного мозга, ее нужно передать по цепочке нейро­нов от одного к другому. Важное синаптическое пе­реключение при передаче болевых импульсов в го­ловной мозг происходит в тех участках спинного мозга, которые называют задними рогами. Многие волокна, идущие от болевых рецепторов, здесь обра­зуют синапсы с другими нейронами. Электрические разряды этих нейронов в ответ на боль гораздо выра-женнее, чем разряды единичных болевых рецепто­ров. По-видимому, в задних рогах сходятся волокна от большого количества рецепторов медленного про­водящего пути. Кроме того, для нейронов задних ро­гов характерна продолжительная и повышенная ак­тивность после прекращения болевой стимуляции. Это явление навело исследователей на мысль, что здесь функционирует некий нейромедиатор (хими­ческое вещество, с помощью которого передаются сигналы в нервной системе), обладающий длитель­ным сроком действия. В результате изучения боле­вой передачи в аксонах, входящих в задние рога спинного мозга, был обнаружен пептид (короткий фрагмент белка), названный веществом Р (от англ. pain — боль). Это специализированный медиатор, передающий сигналы от периферических болевых рецепторов в центральную нервную систему.

К счастью, наша нервная система не только выра­батывает вещество, передающее болевые сигналы, но и снабжает нас «противоядиями» — веществами, снимающими боль. В 1972 г. исследователям, изу­чавшим биологическую основу наркомании, удалось довольно точно описать в мозгу животных и челове­ка механизмы, с которыми связано специфическое воздействие опия и его производных — морфина и героина. Оказалось, что это воздействие реализуется через особые чувствительные белковые молекулы, расположенные на нервных клетках, — так назы­ваемые опиоидные рецепторы. Существование та­ких рецепторов, очевидно, обусловлено тем, что ка­кие-то сходные с морфином вещества вырабатыва­ются в самом организме и служат нейромедиатора-ми либо гормонами. И действительно, позже был обнаружен ряд таких «естественных опиатов», кото­рые были названы эндорфинами (сокращение слов «эндогенные морфины»).

Полагают, что эндорфины и опиаты (такие как морфин, кодеин) действуют сходным образом, контролируя восприятие боли. Болевой стимул вы­зывает передачу импульсов в спинной мозг — по описанному выше «медленному» пути. Волокна это­го пути содержат вещество Р и в синапсах с клетка­ми задних рогов спинного мозга выделяют этот ме­диатор. Вещество Р возбуждает чувствительные к нему нейроны, которые начинают посылать болевые сигналы в головной мозг. Однако в задних рогах имеются также эндорфинсодержащие клетки, кото­рые тормозят высвобождение вещества Р. В резуль­тате «болевой» нейрон подвергается более слабой стимуляции, головной мозг получает меньше боле­вых импульсов, и мы меньше чувствуем боль.

Конечно, эндорфинсодержащие нейроны и опиат-ные рецепторы существуют и в других участках нервной системы. Один из таких участков тоже ле­жит на пути медленной передачи болевой информа­ции в головном мозге. Это область центрального се­рого вещества среднего мозга. Инъекции морфина непосредственно в эту область уменьшают боль. Электрическая стимуляция центрального серого ве­щества вызывает выброс эндорфинов и тоже прино­сит облегчение. Стимуляцию с помощью вживлен­ных электродов уже пробуют использовать в клини­ке при болях, которые не поддаются никакому другому лечению.

Исследователи смогли изучить действие как син­тетических, так и природных опиатов, используя препарат налоксон. Форма молекулы налоксона по­зволяет ему блокировать опиатные рецепторы. Если налоксон заблокировал рецепторы, ни опиаты, ни эндорфины уже не могут их активировать. Поэтому торможение выброса болевых нейромедиаторов ста­новится невозможным.

Исследователи, изучавшие клетки центрального серого вещества среднего мозга и их способность тор­мозить передачу болевых сигналов, впервые произ­вели электрическую стимуляцию этой области у ла­бораторных мышей. Оказалось, что мыши станови­лись относительно нечувствительными к боли при помещении их на горячую поверхность; по крайней мере, они не убегали прочь. При введении налоксона до электростимуляции опытные мыши по сравне­нию с контрольными животными проявляли боль­шую чувствительность к боли от прикосновения к горячему. Таким образом, с помощью налоксона было установлено, что электрическая стимуляция центрального серого вещества ведет к выделению эн-дорфинов: налоксон блокировал рецепторы, к кото­рым в противном случае присоединялись бы эндор-фины. Дальнейшее исследование подтвердило, что клетки этой области содержат большие количества «эндогенных опиатов» — эндорфинов.

Используя наркотические препараты с радиоак­тивной меткой, удалось выявить большое количест­во опиатных рецепторов в лимбической системе. По­скольку восприятие боли включает как само ощуще­ние боли, так и эмоциональную реакцию на это ощущение, открытие таких рецепторов в лимбиче-ской системе несет важную информацию о механиз­мах эмоций. Эйфория, которой хотят достичь нарко­маны, употребляющие морфин или героин, вероят­но, возникает в результате связывания наркотиков с опиатными рецепторами лимбической системы. Тот факт, что морфин, героин и эндорфины взаимодей­ствуют с одними и теми же белковыми молекулами, позволяет предположить, что эндорфины играют роль и в тех разновидностях эмоций, которые не имеют прямого отношения к боли.

Роль эндорфинов в регулировании чувства боли кажется совершенно ясной. Хотя восприятие боли необходимо для того, чтобы предупреждать об опас­ности, грозящей мягким тканям и костям, постоян­ная сильная боль может полностью вывести нас из строя. Эндорфины регулируют степень боли, кото­рую мы ощущаем, что дает нам возможность пре­рвать контакт с источником боли и принять необхо­димые меры, если произошло повреждение ткани.

БОЛИ ПРИ ПОВРЕЖДЕНИЯХ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Боль может носить как физиологический, так и патологический характер. При поражении или на­рушении функции нервной системы на любом уров­не, начиная от периферических нервов и заканчивая корой больших полушарий, возникает болевой синд­ром, который называют нейропатической болью.

Нейропатические боли часто возникают при диа­бете и алкоголизме, а также как осложнение у 70% больных с опоясывающим герпесом. Другие типич­ные примеры нейропатической боли — постинсульт­ная центральная боль, невралгия тройничного не­рва, болевой синдром при рассеянном склерозе, по­ражении спинного мозга, фантомные боли.

Нейропатическая боль имеет некоторые особен­ности. Прежде всего она сопровождается специфиче­скими чувствительными расстройствами: гипересте­зией (общее снижение порога чувствительности, что приводит к резкому повышению восприимчивости даже очень слабых раздражителей), гипералгезией (аномально высокая чувствительность организма к болевым стимулам), дизестезией (извращение чувст­вительности, например, тепло воспринимается как боль или холод), парестезией (ощущения онемения кожи, «ползания мурашек» и др.). Характерно такое явление, как аллодиния — боль в ответ на стимул, который в нормальных условиях не вызывает боли. Больной испытывает сильную боль при малейшем физическом контакте, от «дуновения ветра». В зави­симости от факторов физического воздействия выде­ляют температурную и механическую аллодинию. Механическая аллодиния, в свою очередь, может быть статической (давление на фиксированную точ­ку кожи) и динамической (воздействие движущихся стимулов, например, пальца или кисточки).

В науке о болях, кроме того, выделяют таламиче-скую и фантомную боли, а также каузалгии.

Таламическая боль (таламический синдром) ха­рактеризуется преходящими эпизодами сильных, трудно переносимых болей; ощущение боли сочета­ется с вегетативными, двигательными и психоэмо­циональными расстройствами. Причина — повреж­дение нейронов таламуса и образование в нем очагов патологического возбуждения.

Фантомная боль — это боль в отсутствующей части тела, например в конечности после ее ампутации. Диапазон болевых ощущений колеблется от жжения и зуда до выраженных колик. Фантомная боль на­блюдается более чем у ²/₃ пациентов после ампута­ции конечностей. Причина ее — раздражение пере­резанных при ампутации нервов, на концах которых образуются утолщенные участки (ампутационные невромы), содержащие переплетение (клубок) реге­нерируемых аксонов. Раздражение нервного ствола или невромы (например, при надавливании в облас­ти культи, сокращении мышц конечности, воспале­нии, образовании рубцовой ткани) вызывает при­ступ фантомной боли.

Каузалгия — приступообразная боль в области по­врежденных нервных стволов под действием различ­ных раздражителей (гравитация, тепло, холод, психоэмоциональный стресс). Каузалгия возникает вследствие патологического повышения чувстви­тельности ноцицепторов в зоне повреждения нерв­ных стволов.

ПСИХОГЕННАЯ БОЛЬ

Утверждение, что боль может быть исключитель­но психогенного происхождения, является спор­ным. Широко известно, что личность человека фор­мирует болевое ощущение. Оно усилено у истериче­ских личностей, и более точно отражает реальность у пациентов неистероидного типа. Однако при исте­рии возможна, наоборот, и полная утрата болевой чувствительности.

Люди различных этнических групп отличаются по восприятию послеоперационной боли. Пациенты европейского происхождения отмечают менее ин­тенсивную боль, чем американские негры или лати­ноамериканцы. У них также отмечается низкая ин­тенсивность боли по сравнению с азиатами, хотя эти отличия не очень значительны.

Любое хроническое заболевание или недомога­ние, сопровождающееся болью, влияет на эмоции и поведение личности. Боль часто ведет к появлению тревожности и напряженности, которые сами уве­личивают восприятие боли.

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ БОЛИ

Восприятие боли, как и большинство аспектов де­ятельности мозга, носит сложный характер. Оно различно и у разных людей, и у одного и того же че­ловека в зависимости от времени. Болевое ощуще­ние зависит отчасти от физиологического состояния организма. Чувствительность к боли варьирует в широких пределах. С одной стороны, встречаются, хотя и редко, люди, которые никогда не чувствуют боли, а с другой — есть люди (возможно, те, у кото­рых по каким-то причинам образуется недостаточ­ное количество эндорфинов), которые чувствуют сильную боль даже от самого слабого удара или ца­рапины. Интересный факт обнаружили американ­ские ученые несколько лет назад. Выяснилось, что рыжеволосым пациентам требуется на 20% больше анестезии. Врачи уверены в том, что гены, отвечаю­щие за рыжий цвет волос, связаны с формированием болевой чувствительности.

Кроме физиологических различий на восприятие боли влияет и прошлый опыт, то значение, которое человек придает воздействию, вызывающему боль, а также такие текущие психологические факторы, как сосредоточенность, тревога, внушение.

Несомненно, на восприятие боли человеком влия­ет усвоение культурных, социальных традиций. На­пример, в некоторых обществах роды не рассматри­вают как событие, которого следует бояться; жен­щина занимается своими делами почти до самого момента родов и вновь возвращается к своим обязан­ностям спустя несколько часов после того, как ро­дился ребенок. В других обществах женщину на­страивают на ожидание ужасной боли, и она дей­ствительно испытывает ее, как если бы роды были тяжелой болезнью. Подготовка к «естественным ро­дам» по методу Ла Маза основана на предпосылке, что женщина в большинстве западных культур вос­питана в страхе перед родовыми муками. Этот страх вызывает изменения в мышечном тонусе и способе дыхания, что затрудняет процесс родов и делает его еще болезненнее. Метод Ла Маза состоит в том, что женщину учат управлять дыханием и проводят уп­ражнения для тренировки тазовых мышц. Кроме то­го, женщине объясняют весь процесс родов, чтобы она знала, чего ей ожидать. Таким образом, обуче­ние, связанное с работой высших областей коры, мо­жет изменить ощущение боли, подобно тому, как оно изменяет эмоции.

У животных научение тоже может видоизменять отношение к боли. В серии опытов, проведенных еще в начале XX в., И. П. Павлов давал собакам пи­щу сразу после электрического удара — стимула, ко­торый исходно вызывал у них сильную оборонитель­ную реакцию. В результате животные переставали проявлять признаки ощущаемой боли. Вместо этого они сразу же начинали выделять слюну и махать хвостом.

Во время Второй мировой войны врач Г. К. Бехер, изучавший восприятие боли, заметил, что солдатам, раненным в бою, значительно реже требовался мор­фин, чем гражданским лицам, выздоравливавшим после операции. Бехер писал, что раненый солдат испытывал «облегчение, благодарность судьбе за то, что ему удалось уйти живым с поля боя, даже эйфо­рию; для гражданских лиц серьезная хирургиче­ская операция — это источник депрессии и песси­мизма». Таким образом, значение, которое человек придает телесной травме, может оказывать глубокое влияние на степень ощущаемой им боли.

Даже простое внушение может изменить восприя­тие боли. Если испытуемым давать в качестве обез­боливающего средства нейтральное вещество — таб­летки или инъекции сахара или соли, то у трети больных, независимо от их социального статуса и культурного уровня, боль действительно уменьша­ется. Ожидание облегчения, по-видимому, вызывает секрецию эндорфинов.

Накопленные в последнее время данные указыва­ют на то, что в организме существуют механизмы об­легчения боли, отличные от системы эндорфинов. Первое исследование в этом направлении было про­ведено сравнительно недавно Д. С. Мейером. Он изу­чил воздействие гипноза (мощной формы внушения) и установил, что гипноз создает защиту от боли, не блокируемую налоксоном. Мейер высказывает пред­положение, что гипноз действует через посредство каких-то неопиоидных механизмов снятия боли, в которых участвуют высшие уровни нервной систе­мы, познавательные процессы и память.

Возможно, этот способ устранения боли использу­ют бегуны на длинные дистанции или футболисты, которые благодаря концентрации внимания на ко­нечной цели способны игнорировать или подавлять боль. Исследование этих механизмов в настоящее время только начинается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Боль не является эмоцией, но болевые ощущения, несомненно, вызывают эмоциональную реакцию. Подобно эмоции, боль обычно побуждает организм к действию. Так же как страх заставляет вас оборо­няться или спасаться бегством, боль сигнализирует вам, что необходимо что-то сделать, чтобы прервать контакт с потенциально опасным объектом, или принять надлежащие меры, если уже произошло по­вреждение какой-то части тела. Боль чрезвычайно важна в медицине — именно она, лишая человека покоя, приводит его к врачу. Болевые ощущения не­редко бывают одним из первых, а иногда и единст­венным проявлением заболевания, позволяющим врачу поставить диагноз, определить тяжесть болез­ни и назначить необходимые лечебные мероприя­тия. Однако не всегда тяжесть заболевания соответ­ствует интенсивности болевых ощущений. Часто серьезные поражения внутренних органов не сопро­вождаются болевыми ощущениями и, напротив, не­редко сильнейшие болевые ощущения возникают при совершенно ничтожных и не опасных пораже­ниях. Тем не менее никогда не следует пренебрегать собственными болевыми ощущениями, рассчиты­вая, что боль пройдет и утихнет самостоятельно. Прислушиваясь к своему организму, к собственным болевым ощущениям, мы можем вовремя остано­вить начавшееся заболевание и сохранить собствен­ное здоровье.

ЛИТЕРАТУРА

1. Болевой синдром / под ред. В. А. Михайловича, Ю. Д. Игнатова. Л.: Медицина, 1990.

2. Болевые синдромы в неврологической практике / под ред. А. М. Вейна. М.: Медицина, 2001.

3. Блум Ф., Лейзерсон А., Ховстедер Л. Мозг, разум и поведение. М.: Мир, 1988.

4. Данилов А. Б. Габапентин в лечении нейропатической боли // Клин. фармакол. и терапия. Т. 13. № 4. 2004.

5. Кассиль Г. Н. Наука о боли. М.: Наука, 1975.

6. Литвицкий П. Ф. Боль. Патофизиология. М.: ГЭОТАР-МЕД, 2002.

7. Послеоперационная боль: Руководство / под ред. Ф. М. Ферранте, Т. В. Бонкора. М.: Медицина, 1998.

8. Шухов В. С. Боль: механизмы формирования, иссле­дование в клинике. М.: Союзмединформ, 1990.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ

И. А. Оршанский

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биоинформатики и биоинженерии

ВВЕДЕНИЕ

Ученые изучают биологические процессы самых разных типов. Можно наблюдать за ростом расте­ния, полетом птицы, образованием загара на коже. Все процессы, которые доступны для исследования без использования специальных приборов, называ­ют макроскопическими. Большинство из них доста­точно хорошо описаны.

Гораздо тяжелее изучать процессы, происходя­щие с отдельными клетками живых организмов: де­ление клеток дрожжей, перемещение бактерий в капле воды; а также процессы, идущие внутри кле­ток, взаимодействие отдельных ее частей. Но в современной науке эта проблема решается — созда­ются все более и более мощные микроскопы, разра­батываются новые технологии окрашивания клеток и т. п.

Но практически невозможно наблюдать самые ба­зовые процессы, лежащие в основе как макро-, так и микроскопических явлений. Речь идет о взаимодей­ствии молекул. Ведь именно молекулы, являясь структурными кирпичиками организмов, обеспечи­вают все процессы в мире живого. Хотя на данном этапе развития современной науки существуют такие устройства, как туннельные микроскопы, позволяю­щие разглядеть отдельные атомы, и ЯМР^спектро-

¹ ЯМР — ядерно-магнитный резонанс, один из наиболее современных и информативных методов изучения строения и поведения молекул.

метры, способные определять положение атомов в мо­лекуле, они не дают нам полной картины. Эти техно­логии требуют долгой и сложной подготовки образцов и применимы далеко не для всех молекул.

И здесь на помощь ученым приходят методы мо­лекулярного моделирования. Исследуя не сами мо­лекулы, а их модели, построенные достаточно точ­но, можно получить много полезной информации, которую в дальнейшем возможно проверить и при­менить на практике. К основным методам молеку­лярного моделирования относят моделирование по гомологии, метод Монте-Карло, а также метод моле­кулярной динамики.

Главным объектом молекулярного моделирова­ния являются белки, поскольку именно с ними свя­зано осуществление большинства функций клетки и организма в целом.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПО ГОМОЛОГИИ

Часто случается так, что с помощью различных биохимических методов становится ясной первич­ная структура (последовательность аминокислот) неизвестного белка. Но для того чтобы понять меха­низм его работы, этой информации недостаточно: нам необходимо также знать, какую пространствен­ную структуру (конформацию) образует белок. В том случае, если по своей аминокислотной последова­тельности белок похож на один или несколько бел­ков с известными свойствами, становится возмож­ным применить метод моделирования по гомологии.

Суть этого метода заключается в том, что трех­мерная структура неизвестного белка строится по подобию (гомологии) со сходными белками. Это про­цесс довольно сложный и происходит в несколько этапов.

Выравнивание последовательностей

Для выполнения выравнивания используют ами­нокислотные последовательности исследуемого бел­ка и белков с известной трехмерной структурой.

Сравнение производят с помощью специальных компьютерных программ по выравниванию последо­вательностей. Но для того чтобы можно было прово­дить сравнение, нужно иметь эти известные после­довательности. Чтобы не приходилось заново опре­делять аминокислотные последовательности (что требует много времени и использования сложного дорогостоящего оборудования), были придуманы банки данных белковых последовательностей. В них хранятся аминокислотные последовательности мно­гих тысяч белков. Все эти банки данных доступны для любого человека через Интернет. Самой извест­ной и самой обширной является швейцарская база данных SwissProt. Она доступна по адресу www.ebi.ac.uk/swissprot/access.html.

Программа сравнивает аминокислотные последо­вательности и находит в них участки с одинаковым порядком аминокислот.

Аминокислоты по их свойствам можно разделить на несколько групп:

• нейтральные неполярные алифатические (гли­цин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин);

• нейтральные неполярные ароматические (фе-нилаланин, тирозин, триптофан);

• нейтральные полярные (серин, треонин, цисте-ин, аспарагин и глутамин);

• положительно заряженные (лизин, аргинин и гистидин);

• отрицательно заряженные (аспарагиновая и глутаминовая кислоты).

Отдельно выделяют аминокислоту пролин.

Программа, осуществляющая выравнивание, срав­нивая аминокислоты, разделяет их на три части: оди­наковые аминокислоты, аминокислоты, относящиеся к одной группе, и разные аминокислоты.

Примерное построение модели

Как известно, первичная структура белка полно­стью определяет его трехмерное строение. На осно­вании этого и проводится построение модели.

Используя части последовательностей, попавшие в первую или вторую группу, строится примерная модель, основанная на координатах атомов. Затем на эту модель как бы надевается аминокислотная по­следовательность самого белка. При этом между ку­сками с совпадающей структурой непременно будут располагаться участки, состоящие из «неправиль­ных» аминокислот. В этом случае используют лишь координаты атомов, общих для любых аминокис­лот, а именно атомов углерода и азота, образующих пептидную связь — ковалентную связь между двумя соседними аминокислотами. Другие же атомы ами­нокислот (входящие в состав радикалов) располага­ются так, как они располагались бы в отдельной аминокислоте.

Оптимизация модели

Полученная пространственная модель молекулы белка в общем отражает реальную структуру в тех участках, которые построены по гомологии. Но рас­положение атомов «неправильных» аминокислот может существенно отличаться от реального. Поэто­му для построения адекватной модели требуется ее оптимизация, или улучшение.

Для оптимизации применяют различные подхо­ды, но наиболее часто используют методы Монте-Карло и молекулярной динамики.

НЕСКОЛЬКО СЛОВ О КОНФОРМАЦИЯХ И ЭНЕРГИИ

Трехмерную пространственную структуру како­го-нибудь полимера, например белка, называют кон-формацией. Одни конформации более стабильны, другие — менее. Основной характеристикой, опреде­ляющей стабильность конформации, является энер­гия белка в данном состоянии. Белок, как и любая молекула, всегда стремится принять конформацию с минимальной энергией. Такое поведение легко по­нять на примере камня или другого тяжелого пред­мета, брошенного в воду. Камень постепенно погру­жается на дно и, достигнув его, приобретает мини­мальную потенциальную энергию.

У каждого из биополимеров может быть несколь­ко конформаций. Если рассмотреть тот же пример с камнем, то, в случае неровного дна, он может сва­литься в разные ямы, тем самым оказаться на раз­ной глубине. Различным конформациям соответст­вуют разные состояния белка. Например, для бел­ков-каналов, встроенных в мембраны клеток, одна конформация может соответствовать открытому, а другая — закрытому состоянию. Стабильность моле­кулы определяется не только уровнем энергии раз­ных состояний, но и высотой так называемого энер­гетического барьера между ними. Вернемся опять к примеру с камнем. Допустим, что камень неболь­шой, а в водоеме периодически пробегают волны, ко­торые задевают камень. Если он лежит в пологой ложбинке, то какая-нибудь волна может подхватить его и, перекинув через холмик, бросить в другую ямку. Если та окажется глубже, то достать камень будет сложнее.

В терминологии молекулярного моделирования «дно» называют поверхностью потенциальной энер­гии, «углубления» в нем — потенциальными ямами, «холмики» — потенциальными барьерами. Переход из одной потенциальной ямы в другую, приводящий к изменению конформации, называют конформаци-онным переходом.

Чаще всего построенная по гомологии молекула напоминает камень, который положили на один из холмиков очень неровного дна. Методы молекуляр­ной динамики и Монте-Карло позволяют нам найти наиболее «глубокие» потенциальные ямы, соответ­ствующие конформациям с минимальной энергией.

МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО

Чтобы представить себе, что такое метод Монте-Карло, придется опять обратиться к аналогиям. Представим себе разветвленную цепочку, состоя­щую из шариков, соединенных между собой жестки­ми стержнями. Это и будет простейшая модель моле­кулы. Если поместим эту цепочку в вязкую среду, плотность которой будет равна плотности цепочки, то она займет в этой среде некий объем, образовав трехмерную структуру — конформацию. Поворачи­вая части «молекулы» вдоль стержней, мы будем из­менять конформацию. Если теперь мы сможем, не­важно каким образом, измерять энергию нашей «молекулы» после каждого поворота, то получим иллюстрацию метода Монте-Карло.

Идеальным вариантом для определения самой низкоэнергетической конформации был бы пере­бор всех возможных вариантов (поворотов вокруг стержней), измерение энергии в каждом случае и в итоге — выбор нужной конформации. Однако на данный момент с такой задачей не могут справиться даже сверхмощные компьютеры. Чтобы объяснить, почему это так, сделаем оценку временных затрат на проверку всех конформаций.

Допустим, мы будем поворачивать части молеку­лы вокруг каждой связи на 3,6 градуса (это очень большое значение — часто для молекул могут быть важны даже десятые доли градуса). Тогда, чтобы сделать полный оборот, нам потребуется ³⁶⁰/_{3 6} = = 100 поворотов. Если у нас связей хотя бы сто (даже в небольшом белке их число измеряется тысячами), то всего нам потребуется 100¹⁰⁰ поворотов. Если на каждый поворот компьютер тратит около 10^-20 с (минимальное время для одной операции), то на про­верку всех конформаций уйдет 100⁹⁰ с, или около 3 х 10¹⁷² лет. Понятно, что мы не можем позволить себе тратить столько времени на каждую молекулу. Для облегчения нашей задачи как раз и используют метод Монте-Карло.

В основе метода Монте-Карло лежит процесс слу­чайных изменений структуры. За один шаг часть молекулы случайным образом поворачивается во­круг одной из связей на небольшой угол. Если энер­гия полученной конформации меньше, то она счита­ется подходящей, и на следующем шаге мы будем опираться уже на нее. В таком случае говорят, что конформация «принимается». Если же энергия но­вого состояния выше, чем исходного, то мы возвра­щаемся к предыдущему состоянию и на следующем шаге уже делаем поворот вокруг другой связи. В данной ситуации говорят, что конформация «от­вергается». Такой способ можно сравнить с блужда­нием в горах во тьме. Допустим, что человеку нужно спуститься как можно ниже. Он делает шаг, а потом по специальному прибору определяет, выше или ни­же предыдущей точки он оказался (в случае с моле­кулой — выше или ниже энергия у нового состояния относительно предыдущего). Если он оказывается ниже, то он останавливается и делает следующий шаг (конформация принимается). Если же он ока­зался выше, то он возвращается на исходную точку и делает шаг в другую сторону (конформация отвер­гается).

Такой метод позволяет многократно сократить время расчетов, так как мы рассматриваем не все возможные конформации, а лишь идем неким путем по поверхности потенциальной энергии в поисках самой низкоэнергетической конформации.

Вернемся к примеру с путешествием в горах в темноте. Описанный метод очень неплох при одном условии — если склоны гор ровные. Если же на склонах присутствуют небольшие углубления (по­тенциальные ямы с довольно высокой энергией и низким потенциальным барьером), то человек (мо­лекула) может попасть в ближайшую из них и, сле­дуя алгоритму, застрянет там навсегда, так и не до­бравшись до нижней точки (низкоэнергетической конформации).

Чтобы справиться с данной проблемой, использу­ют так называемый критерий Метрополиса. Его суть такова: для каждой температуры и каждой вновь по­лученной энергии молекулы изменение энергии («шаг вверх») сравнивают с определенной критиче­ской величиной. Если изменение энергии больше та­кой критической величины, то конформация отвер­гается; если нет — то принимается.

Но даже при использовании метода Монте-Карло с критерием Метрополиса мы не застрахованы от ошибок. Нельзя утверждать, что в течение одного эксперимента система (модель белковой молекулы) сможет попасть именно в самый глубокий минимум. Для решения этой проблемы привлекают статисти­ку. Если мы запустим один эксперимент, то нельзя уверенно говорить, попали ли мы в так называемый глобальный минимум — самую глубокую потенци­альную яму. Но, если мы создадим несколько исход­ных, сильно различающихся между собой конфор-маций, то они с большой долей вероятности попадут в разные потенциальные ямы (если их несколько). При проведении достаточно большого количества экспериментов можно утверждать, что мы охватили все глубокие потенциальные ямы. Самая глубокая из них почти наверняка будет глобальным миниму­мом.

Кроме того, множественные эксперименты могут дать массу полезной информации, помимо данных о конформации молекулы в глобальном минимуме. Можно, к примеру, определить, сколько всего у мо­лекулы состояний с низкой энергией. Если молекула является ферментом, то одно из низкоэнергетиче­ских состояний будет соответствовать его активной, а другое — неактивной конформации. Однако данные о величине барьера между конформациями, а следо­вательно, и об энергии перехода из неактивного со­стояния в активное, метод Монте-Карло дать не мо­жет. В этом случае наибольший эффект достигается при использовании метода молекулярной динамики.

МЕТОД МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Описание взаимодействия атомов. Силовые поля

В методе молекулярной динамики каждый атом рассматривают как шарик, не имеющий внутренней структуры. Для того чтобы этот шарик приобрел свойства атома, необходимо определить множество параметров: его размер, массу, взаимодействие с другими атомами и т. д. Задавать эти параметры для каждого конкретного атома — довольно трудоемкая задача, и потому при расчетах пользуются так назы­ваемыми силовыми полями.

Силовое поле — это набор типов атомов, где каж­дый тип подробно охарактеризован. Так, существует более десятка «досье» атома углерода — в зависимос­ти от того, с какими другими атомами он контакти­рует. При описании структуры молекулы просто ука­зывается тип атома, а его параметры считываются из файла силового поля. Так как атомы в молекулярной динамике не имеют внутреннего строения, то они как бы не содержат электронов. Это приближение способ­но внести серьезные искажения. Для их исправления параметры силового поля подбирают таким образом, чтобы поведение атомов и молекул наиболее соответ­ствовало реальным условиям. Силовые поля не уни­версальны, так как тонкие электронные взаимодей­ствия оказывают неодинаковое влияние в разных системах. К примеру, перекрытие электронных обла­ков в линейной цепочке существенно отличается от молекул, содержащих ароматические кольца. Су­ществует некоторое количество стандартных сило­вых полей, каждое из которых было разработано для того, чтобы наиболее соответствовать некой системе или группе систем. Существуют поля, специально разработанные для молекулярной динамики белков, нуклеиновых кислот, небиологических полимеров. Есть даже отдельные силовые поля для описания по­ведения молекул воды.

Типы взаимодействий в молекуле

Внутри молекулы существует целый комплекс взаимодействий. Для удобства их описания в файле силового поля каждый тип взаимодействия выделя­ют и описывают отдельно.

1. Валентные связи между атомами. Если атомы со­единены между собой валентной связью, то они ока­зывают друг на друга сильное влияние. Длина связи между атомами имеет некоторое равновесное значе­ние. Если атомы удаляются от него, то на них начи­нает действовать сила притяжения, если же они ока­зываются ближе, чем нужно, — сила отталкивания. Таким образом, длина связи слегка колеблется с низкой частотой вокруг некоторого равновесного значения.

2. Валентные углы. Углы, образованные двумя свя­зями, соединяющими данный атом с двумя другими атомами. Любые атомы 1, 2 и 3 в молекуле, соеди­ненные последовательно, т. е. первый со вторым, а второй с третьим, образуют валентный угол. Ам­плитуды и частоты колебаний валентных углов не­сколько выше, чем таковые у длин связей.

1. Торсионные углы. Если взять четыре атома, по­следовательно соединенные между собой валентны­ми связями, то двугранный угол, образованный пере­секающимися плоскостями, одна из которых содер­жит атомы 1,2и3,а вторая — 2, 3и4 (соот­ветственно, пересекутся они по линии, на которой ле­жат атомы 2 и 3), будет торсионным углом вращения вокруг связи 2—3. Амплитуды и частоты вращения торсионных углов выше, чем у валентных.

2. Невалентные взаимодействия. Сюда относят все специфические взаимодействия, не попадающие ни в одну из вышеперечисленных категорий. Приме­ром невалентных взаимодействий являются куло-новские, описывающие взаимодействие заряжен­ных атомов.

Определение масс и зарядов. Параметрический файл

Если молекула состоит из отдельных блоков (что характерно, например, для биологических полиме­ров: белки состоят из аминокислот, нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов), имеет смысл создать описание этих блоков, чтобы потом пользоваться ими при построении молекул и описании их свойств. Для этого используются так называемые параметриче­ские файлы. Важно и то, что кроме описания струк­туры каждого блока в молекуле, в этих файлах нахо­дятся массы атомов и заряды на них. В реальных условиях в молекуле распределение парциальных (частичных) зарядов идет за счет перераспределения электронной плотности между атомами. Но у атомов в молекулярной динамике как бы нет электронов. Поэтому заряды рассчитывают для каждого конкрет­ного блока или нестандартной молекулы с помощью методов квантовой химии. Полученные значения за­рядов и записывают в параметрический файл.

Алгоритм расчета молекулярной динамики

Расчет молекулярной динамики происходит по алгоритму численного интегрирования. Сущность его заключается в том, что сначала задают началь­ные параметры для всей системы. Координаты ато­мов берут из файла с описанием трехмерной струк­туры, заряды — из файла параметров. Начальные скорости атомов в простейшем случае задают равны­ми и вычисляют, исходя из заданной начальной температуры.

Зная скорости атомов, производят расчет новых координат для каждого из них по формуле:

новая координата = старая координата + скорость х х время

(время — это исходно определяемая величина, на­зываемая «шаг интегрирования»; обычно эта вели­чина не превышает 10¹⁵ с).

Затем, используя описание всех взаимодействий, производят расчет сил, действующих на каждый атом. На основании полученных величин и второго закона Ньютона получают ускорения для каждого атома. Зная ускорение, вычисляют скорости на сле­дующем шаге. После того как известны скорости и координаты всех атомов молекулы в следующий мо­мент времени, шаг численного интегрирования за­вершен. Дальше все начинают сначала, уже для но­вых скоростей и координат.

Таким образом, метод численного интегрирования позволяет проследить только дискретное, пошаговое изменение конформации молекулы. Это в какой-то мере напоминает кино — если мы смотрим на бегу­щего человека, то видим непрерывное его перемеще­ние. Если тот же процесс заснять на пленку, то на каждом кадре будет отдельная дискретная картинка. Но благодаря тому, что кадры сменяются через не­большой промежуток времени, нам кажется, что на экране движение такое же непрерывное, как и в жиз­ни. То же и в молекулярной динамике — благодаря маленькому шагу интегрирования мы получаем как бы непрерывную динамику системы, т. е. описание процесса, приближенное к реальности.

О термостатах

Несмотря на то, что динамика системы похожа на непрерывный процесс, она все же состоит из множе­ства дискретных моментов. Так как при моделиро­вании мы делаем ряд упрощений и приближений, то возможно возникновение ошибок. Эти ошибки мо­гут быть несерьезными и незначительными в мас­штабах одного шага, но в процессе интегрирования ошибка накапливается. Даже если все параметры подобраны идеально, ошибка может возникнуть. Как же это может произойти? Все очень просто: чис­ла в компьютерных расчетах имеют ограниченное количество знаков после запятой. Обычно применя­ют числа одинарной точности, содержащие 8 знаков после запятой, или числа двойной точности, содер­жащие 16 знаков. В процессе деления чисел проис­ходит округление результата до последней значащей цифры. Таким образом, ошибка может составлять 0,5 х 10^-8 (для чисел с одинарной точностью) или 0,5 х 10¹⁶ (для чисел с двойной точностью). Эти чис­ла могут показаться очень маленькими, но учиты­вая, что число шагов в траектории может быть боль­ше, чем 10⁹, даже единственная ошибка может до­стигать достаточно больших значений. А ошибки эти могут возникать в каждом результате деления.

В результате в процессе интегрирования система все больше отклоняется от реальной траектории. Кроме того, из-за накопления ошибок возможно рез­кое повышение или снижение скоростей молекул, что способно привести к значительным изменениям температуры системы (температуру в молекулярной динамике вычисляют исходя из средней скорости движения молекул в системе). Система может «за­мерзнуть», т. е. остановиться и замереть в одном со­стоянии, или же, наоборот, «разогреться». Второй вариант встречается чаще и приводит к плачевным результатам — после повышения температуры ато­мы в системе начинают быстрее двигаться, связи между ними колеблются с большой амплитудой, возникают резкие колебания энергии в системе. Это может привести к тому, что произойдет разрыв час­ти связей и система развалится — часть атомов уст­ремится в бесконечность.

Для того чтобы избежать этого, был придуман на­бор специальных математических приемов, получив­ших название термостатов. Название использовано по аналогии с настоящими термостатами — реальны­ми физическими приборами, поддерживающими по­стоянную температуру в исследуемой системе.

Первый математический термостат называют тер­мостатом Берендсена. Суть его заключается в регу­лировании скорости движения молекул с помощью введения знакопеременного вязкого трения — коэф­фициента, который входит в состав формулы для расчета ускорения. Если температура падает ниже необходимой, то трение принимают отрицательным и системе добавляют дополнительное ускорение, атомы разгоняются. Если же система начинает разо­греваться, то трение становится положительным и уменьшает скорости движения атомов. Примерно по такому же принципу устроены и большинство дру­гих используемых в расчетах термостатов.

Управляемая молекулярная динамика

Часто в системе существует необходимость моде­лирования воздействия внешних сил. Ион идет по каналу за счет градиента концентрации, каналы в мембране закрываются и открываются под действи­ем электрического поля и т. д. Чтобы реализовать эти параметры в системе, используют метод управ­ляемой молекулярной динамики.

Сущность метода заключается в том, что кроме сил, получаемых в результате расчета взаимодейст­вий, записанных в файле силового поля, на отдель­ные части системы накладывается дополнительное воздействие. Это может быть как сила, приложен­ная к отдельному атому или их группе, так и поле, воздействующее на всю систему в целом. Первый ва­риант часто применяется в ситуации, когда нам нужно, например, наблюдать за движением иона по каналу, второй — когда мы изучаем некое комп­лексное влияние поля на систему, например умень-

шение толщины мембраны или структурные из­менения в мембранных белках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной статье были освещены основные методы компьютерного моделирования молекул. Несмотря на то, что каждая итоговая модель несет в себе неко­торые упрощения, при грамотном использовании данных методов можно получать результаты, для достижения которых другими методами потребова­лось бы гораздо больше времени и ресурсов. Кроме того, некоторые результаты можно получить исклю­чительно с помощью моделирования. Моделирова­ние играет большую роль во многих отраслях совре­менной промышленности. К примеру, в фармаколо­гии оно позволяет сэкономить до 50% средств при разработке лекарственных препаратов. Методы мо­лекулярного моделирования очень разнообразны. Кроме рассмотренных методов построения по гомо­логии, Монте-Карло и молекулярной динамики, су­ществуют еще и методы молекулярной механики, квантовой химии и т. д. Несмотря на успешные ре­зультаты, полученные различными методами моде­лирования, сами методы имеют ряд ограничений, поэтому постоянно совершенствуются. На данном этапе основным ограничителем является мощность (быстродействие) компьютеров. В дальнейшем, при повышении их работоспособности, будет возможно моделирование различных систем с гораздо более высокой точностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Материалы сайта Proteins.Ru : http://proteins.ru

2. Материалы сайта «Молекулярная динамика»: http:// www.moldyn.org

3. Хмельков И. Биоконструкторы. Молекулярное моде­лирование и конструирование // Журн. компьютера. 2003. № 8.

4. Шайтан К. В., Терешкина К. Б. Молекулярная дина­мика белков и пептидов. М.: Ойкос, 2004.

СОДЕРЖАНИЕ

Л. В. Гарибова, С. Н. Лекомцева. Грибы 4

Г. А. Белякова. Малярийный плазмодий —

паразитическая водоросль? 40

A. М. Рубцов. Какие биохимические процессы

лежат в основе оцепенения

и зимней спячки 55

Е. В. Дубинина. Мышление животных 72

B. А. Ткачук, Ж. А. Акопян. Кровеносные сосуды

человека 86

И. А. Соколова. Кровоток в микрососудах —

течение или движение? 100

В. Б. Кошелев. Дефицит кислорода:

лекарство или яд? 115

А. В. Граф. Лимфоциты 132

А. В. Граф. Электрокардиограмма: в норме

и при патологии 145

М. Л. Семенова, Н. В. Кошелева. Развитие человека

in vivo и in vitro 157

Д. М. Иванова. Боль и болевая чувствительность . . 190

И. А. Оршанский. Компьютерное моделирование

биологических молекул 205

1 Овальные узелковые скопления лимфоидной ткани, рас­полагающиеся в толще слизистой оболочки и в подслизистой основе тонкой кишки.

0