Учебное пособие для вузов (Краткий курс лекций)
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
Взаимодействие биологически активных веществ с рецепторами. Типы связей. Первоочередной задачей химика-синтетика является изыскание возможности построить такую структуру, которая была бы способна к взаимодействию с теми участками биологической системы, которые отвечают за определенные физиологические эффекты. С этой точки зрения, в первую очередь следует рассмотреть некоторые свойства таких систем, которые в общем виде можно определить как рецепторные системы. На сегодняшний день существует несколько определений того, что следует называть рецептором: 1. по П.Эрлиху рецептор – это небольшой химически определенный участок (на большой молекуле протоплазмы, в которой находится живое содержимое клетки), в норме участвующий в питании и метаболизме клетки и способный, кроме того, связывать специфические антигены («ярлыки», позволяющие опознать клетку – белки, с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями, играющими роль «антенн») или лекарственные вещества; 2. по А.Альберту рецептором называют активную группировку в молекуле протоплазмы, к которой присоединяется чужеродная группа; 3. по П.В.Сергееву и Н.Л.Шимановскому рецепторы – это генетически детерминированные мобильные, лабильные, главным образом белковые структуры, функции которых заключаются в «узнавании» химического сигнала и последующей его трансформации в адекватный ответ клетки. Другими словами, эти рецепторы представляют собой материальные субстраты чувствительности и реактивности клеток. Наличие в организме высокоспецифических участков (рецепторов), связывающих лекарственные вещества, подтверждается многими фактами: 1. высокое разбавление, при котором сохраняется биологическая активность (специфический контакт соединения с «местами связывания», обусловленный возможностью энергетически выгодного взаимодействия молекул препарата с комплементарной частью клеточной структуры); 2. различная биологическая активность оптических изомеров, обладающих идентичными химическими свойствами; 3. высокая специфичность биологического действия. Совершенно очевидно, что для субстрат-рецепторного взаимодействия необходимо выполнение целого ряда условий, заключающихся в «подобии» их структур, наличии группировок, способных к связыванию друг с другом, стерического соответствия. Одной из причин различной физиологической активности является оптическая изомерия лекарственных препаратов. Необходимо знать, что каждый рецептор клеточной мембраны обладает характерной пространственной структурой и при взаимодействии с активным веществом эти структуры должны соответствовать друг другу по принципу ключ-замок. Известны стереоспецифические транспортные 50 мембранные системы, при действии которых концентрация L-аминокислот внутри клеток повышается примерно в 500 раз по сравнению с окружающей средой. D- аминокислоты этими системами не транспортируются. Левовращающая форма сарколизина активна при лечении опухолей, правовращающая - неактивна: HOOCCHCH 2 N(CH 2 CH 2 Cl) 2 NH 2 Ñàðêî ëè çè í Процессы поглощения и связывания лекарственных веществ тканями также являются в своей основе стереоспецифичными, хотя в меньшей степени, чем прямое действие вещества на рецептор. Так, при действии на поверхность изолированного сердца крысы равными концентрациями изомеров адреналина соотношение (-)-изомера к его (+)-изомеру внутри сердца составило уже 11 к 1: HO HO CH OH CH 2 NHCH 3 Àäðåí àëè í На пути к рецептору лекарственное вещество может взаимодействовать с ферментами, также действующими стереоизбирательно. Так, например, L-гиосциамин полностью расщепляется с помощью фермента, содержащегося в плазме и некоторых органах кролика. В то же время данный фермент, получивший название L- гиосциаминэстеразы, не влияет на D-изомер гиосциамина: N O H 3 C C O CHCH 2 OH Ãè î ñöè àì è í (àòðî ï è í ) Из обширной группы растительных опиоидных анальгетиков выраженной стереоселективностью обладает морфин, в котором содержится пять асимметрических атомов углерода и теоретически допускается существование 32 оптических изомеров: HO O N HO CH 3 3 2 1 4 11 10 9 14 8 7 6 5 12 13 Ì î ðô è í 51 Однако ограничения, которые налагаются мостиковой этиламиновой цепочкой, приводят к тому, что морфин существует лишь в виде 16 оптических изомеров. Все эти изомеры были получены и исследованы. В морфиновых алкалоидах определена не только конфигурация всех центров асимметрии, но также и знаки вращения последних. Анализ показал, что С 5 , С 6 и С 9 являются левовращающими центрами, а С 13 и С 14 – правовращающими. Морфин же, содержащийся в растительном сырье, является одним из левовращающих изомеров. Синтезированный правовращающий изомер морфина полностью лишен каких бы то ни было анальгетических и наркотических свойств. Таким образом знание влияния стерических особенностей на физиологическую активность молекулы позволяет с помощью стереоспецифических методик синтеза получать лекарственные препараты, обладающие наибольшей эффективностью и наименьшей токсичностью. Американским ученым А. Кларком установлено, что связывание вещества с рецептором количественно описывается законом действия масс и взаимодействие лекарство-рецептор, как правило, не обусловлено образованием прочных ковалентных связей. Ковалентные связи образуются в довольно редких случаях, такое взаимодействие необратимо и не может быть нивелировано добавлением других соединений, способных к образованию только относительно «слабых» связей. Все же примеры ковалентного связывания известны. Так, производные пенициллина, действуя на мембранно-связанную транспептидазу (пептидогдикотранспептидазу) цитоплазматической мембраны бактерий, необратимо ингибируют ее путем ацилирования за счет раскрытия бетта-лактамного кольца. В общем виде это можно представить следующим образом: Ðåöåï òî ð-ÕÍ RHN S O COOH Me Me Me HN S COOH Me Ðåöåï òî ð -Õ O Необратимые эффекты, связанные с образованием ковалентных связей, наблюдаются также при воздействии фосфорорганических соединений на ацетилхолинэстеразу. Однако значительно более частыми и значительными для рецепции являются более слабые связи, обусловленные образованием координационных связей, ион- ионного и ион-дипольного взаимодействия, водородных и Ван-дер-Ваальсовых связей, образованием комплексов с переносом зарядов. Энергия этих связей порядка 5 ккал/моль, в то время как ковалентные связи – это около 50 ккал/моль (отметим, что неферментативное разщепление связей при 20 о – 40 о С требует энергии около 40 ккал/моль). Для ясности ниже приведены примеры указанных типов взаимодействия: Êî î ðäè í àöè î í í àÿ ñâÿçü È î í í àÿ ñâÿçü N H N X Äè ï î ëü-ä è ï î ëüí î å âçàè ì î äåé ñòâè å Ñ O -------N C O Ñ O -------H O H X Âî äî ðî äí àÿ ñâÿçü Êî ì ï ëåêñ ñ ï åðåí î ñî ì çàðÿäà 52 Что касается связей Ван-дер-Ваальса, следует указать, что они возникают благодаря тому, что все молекулы обладают достаточной энергией для обеспечения колебания атомов и эти колебания создают возможность для образования временных диполей – отсюда возникает притяжение. Следует иметь в виду, что с расстоянием энергия этого взаимодействия резко падает, так как она обратно пропорциональна седьмой степени расстояния. Ферменты – белковые специфические катализаторы биохимических реакций В любой клетке человеческого тела содержатся тысячи ферментов. Они катализируют многочисленные химические реакции, протекающие здесь при температурах, совместимых с жизнью (от 5 до 40 о С). Чтобы эти реакции с той же скоростью осуществлялись вне организма, потребовались бы высокие температуры и резкие изменения других условий, что было бы губительно для клетки. Ферменты можно определить как биологические катализаторы, поскольку без них реакции в клетке протекали бы слишком медленно и не могли бы поддерживать жизнь. Вещество, превращения которого катализирует данный фермент, называют субстратом этого фермента. Соединяясь с субстратом, фермент образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс. В таком комплексе шансы на то, что реакция произойдет, значительно возрастают. По завершении реакции фермент- субстратный комплекс распадается на продукт и фермент. Фермент в реакции не изменяется и может опять вступать в реакции с новой молекулой субстрата: Ñ Ñóáñòðàò Ôåðì åí ò Ôåðì åí ò ñóáñòðàòí û é êî ì ï ëåêñ (ES) (S) (E) + + Êî ì ï ëåêñ ô åðì åí ò ï ðî äóêò (EP) Ôåðì åí ò (Å) Ï ðî äóêò (Ð) - - Обычно субстрат превращается в продукт через ряд промежуточных соединений, в образовании которых принимают участие несколько ферментов, действующих последовательно один за другим. Такая последовательность реакций составляет так называемый метаболический путь. Ферменты характеризуются следующими основными свойствами: 1. Все они представляют собой глобулярные белки; 2. Информация о них, как и о других белках, закодирована в ДНК; 3. Ферменты действуют как катализаторы; 4. Их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечного продукта реакции; 5. Ферменты высокоспецифичны, то есть катализируют обычно только одну реакцию; 6. Катализируемая ферментом реакция обратима; 7. Активность ферментов меняется в зависимости от рН и температуры, а также от концентрации участников процесса; 8. Ферменты снижают энергию активации катализируемой реакции; 9. В молекуле фермента есть активный центр, который вступает в контакт с субстратом. Этот активный центр имеет особую форму щели или кармана; 10. Ферменты действуют чрезвычайно эффективно, то есть очень малое количество фермента вызывает превращение больших количеств субстрата. В среднем 53 ферменты способны катализировать около 1000 реакций в секунду. Без катализаторов реакции протекали бы в миллионы раз медленнее. Например, одна молекула каталазы за 1 секунду при температуре тела способна разложить на воду и кислород около 600 000 молекул пероксида водорода! Первоначально – на заре биохимии - ферментам давали названия, образуемые путем добавления окончания – аза к названию субстрата, на который данный фермент действует. Так, ферменты, гидролизующие крахмал (амилон), были названы амилазами; ферменты, гидролизирующие жиры (липос), - липазами; ферменты, гидролизующие белки (протеины), - протеиназами. Позднее ферментам, катализирующим сходные по типу реакции, стали давать название, указывающее тип соответствующей реакции – дегидрогеназы, оксидазы, декарбоксилазы, ацилазы и т.д. На сегодняшний день известно примерно 2000 ферментов. Разработанная система классификации учитывает реакционную и субстратную специфичности ферментов. Номенклатура, введенная Международным биохимическим союзом (IUB), на первый взгляд кажется сложной и громоздкой, но зато она является однозначной. Главный ее принцип состоит в том, что ферменты называют и классифицируют в соответствии с типом катализируемой химической реакции и ее механизмом. Необходимо отметить, что реакции и ферменты, которые их катализируют, подразделяются на шесть классов, в каждом из которых имеется несколько подклассов (от 4-х до 13-ти) и каждый фермент имеет кодовый номер по классификации ферментов (КФ), состоящий из четырех цифр. Первая цифра указывает на принадлежность к одному из шести главных классов. Следующие две определяют подкласс и подподкласс, а последняя цифра номер фермента в данном подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет номер КФ 1.1.1.27 (класс 1, оксидоредуктазы; подкласс 1.1, донор электрона – СН-ОН; подподкласс 1.1.1, акцептор – НАДФ + , то есть окисленной формы никотинамидадениндинуклеотидфосфата). В каждом из шести главных классов объединены ферменты, обладающие одинаковой реакционной специфичностью. Очень важно, что эта строгая классификация ферментов, учитывает особенности реакций, ускоряемых этими биокатализаторами. 1 класс - оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции - перенос электронов или атома водорода; 2 класс – трансферазы переносят ту или иную функциональную группу от одной молекулы к другой; 3 класс – гидролазы также участвуют в переносе групп, однако акцептором здесь всегда является молекула воды - гидролиз; 4 класс – лиазы катализируют расщепление или образование химических соединений, при этом образуются или исчезают двойные связи по негидролитическому механизму 5 класс – изомеразы перемещают группы в пределах молекулы без изменения общей брутто-формулы субстрата - перестройка каркаса молекул – изомеризация (взаимопревращения оптических, геометрических и позиционных изомеров). 6 ласс – лигазы (синтазы) катализируют соединение двух молекул – энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие сопряжено с гидролизом нуклеозидтрифосфата (чаще всего АТФ). В этот класс включены ферменты, катализирующие реакции, в ходе которых образуются связи С-О, C-S, C-N, и C-C. Особенно хорошо изучены на сегодняшний день методом рентгеноструктурного анализа металлосодержащие ферменты, которых насчитывается около 30 % от всех известных ферментов. Например, Zn входит в состав активных центров более 100 ферментов: 54 Изомеразы и синтазы Гидролазы Оксидоредуктазы Карбоксипептидазы Оксигеназы (Fe) Гидрогеназы (Fe) Нитрогеназы (Fe) Оксидазы (Fe, Mo, Cu) Редуктазы (Fe, Mo, Cu) Супероксиддисмутазы (Mo, Cu, Zn) (Zn) Фосфатазы (Zn, Cu, Mg) Аминопептидазы (Mg, Mn) Аконитаза (Fe) Витамин В 12 ( Со) Ì åòàëëî ñî äåðæàù è å ô åðì åí òû Àëêî ãî ëüäåãè äðî ãåí àçà (Zn) Ëè àçû Êàðáî àí ãè äðàçû (Zn) Метаболизм лекарственных веществ В каждой клетке протекают сотни химических реакций, совокупность которых носит название обмен веществ – метаболизм. Участвующие в обмене веществ химические соединения называются метаболитами. Вне клетки почти все эти превращения протекали бы очень медленно и не направленно. Упорядоченные последовательности химических реакций, проходящие с высокой продуктивностью, так называемые метаболические пути, возможны только благодаря присутствию в клетке специфических ферментов. Побочный эффект химиотерапевтических препаратов сводится к нарушению естественного метаболизма клетки, поэтому важным этапом в создании лекарств является тщательное изучение всех деталей их метаболизма. Английский биохимик Артур Хэрден (1865-1940) был первооткрывателем процессов метаболизма (от греч. metabole – перемена, превращение). Он изучал энзимы (от греч. en zyme – внутри закваска) дрожжевой вытяжки и в 1905 году отметил, что эта вытяжка разлагает сахар и быстро вырабатывает двуокись углерода. Немецкий биохимик Отто Фритц Мейергоф (1884-1951) показал, что при мускульном сокращении исчезает гликоген (крахмал), а в соответствующих количествах появляется молочная кислота. Английский биохимик Ханс Адольф Кребс (1900-1981) хорошо известен своими работами в данной области. К 1940 году он разработал основные этапы разложения молочной кислоты до двуокиси углерода и воды, именно поэтому, последовательность реакций часто называют циклом Кребса. Он также установил этапы образования мочи из аминокислот. Сейчас мы уже знаем, что в живых клетках протекает огромное число ферментативных процессов (фермент в переводе с лат. fermentum – закваска, брожение), которые объединены общим понятием метаболизм, представляющий систему превращений не только веществ, но и энергии, в результате чего осуществляется биосинтез живой материи. Продукты последовательных превращений, объединяемых в метаболический путь, называют метаболитами. Различают две главные стадии метаболизма – обмена веществ: 1.Катаболизм – фаза, в которой имеет место расщепление сложных органических молекул (углеводы, жиры, белки распадаются в итоге до углекислого газа, аммиака и воды) и которая сопровождается выделением свободной энергии, заключенной в этих молекулах. 2.Анаболизм или биосинтез – фаза, в которой из малых строительных блоков образуются макромолекулы, что требует потребления энергии. Поступающие в организм лекарства, как и все другие питательные вещества, включаются в общие процессы метаболизма. При этом необходимо иметь в виду, что по 55 пути следования лекарства в организме неизбежна его частичная потеря по различным причинам. Лекарственные вещества задерживаются в различных местах – депонируются, причем место депонирования зависит от структуры соединения. Так, нейтральные молекулы депонируются в липидах, катионы – в основном, в рибонуклеиновых кислотах и гликопротеинах, анионы – в альбумине. В жировых клетках, например, накапливаются такие высоколипофильные соединения, как тиобарбитураты. Рибонуклеиновые кислоты обладают сродством к основаниям, и некоторые производные акридина, имеющие основные центры, накапливаются в РНК. Способность связывать лекарства характерна для целого ряда белков. Наиболее важен в этом отношении альбумин – белок, содержащий 109 катионных и 120 анионных групп. Несмотря на преобладание анионных фрагментов, основная функция связывания альбумина – депонирование анионов, возможно потому, что катионные группировки белка стерически более доступны. Поэтому альбумин связывает, например, сульфамидные препараты и пиразолоновые анальгетики. Очень важно при практическом применении лекарств знать соотношение, в котором различные лекарства способны связываться с альбумином. Например, совместное применение антикоагулянта фенилина и аспирина весьма опасно, так как аспирин вытесняет фенилин из альбуминового депо, концентрация фенилина растет, что чревато кровотечением: O O Ph Ôåí è ëè í (Ôåí è ëè í äàí äè î í ) COOH OCOMe Àñï è ðè í (Àöåòè ëñàëè öè ëî âàÿ êè ñëî òà) Понятно, что одним из путей потерь лекарственного препарата в организме является его выведение – нужно сказать, что этот процесс весьма индивидуален, зависит от типа и структуры препарата. Как правило, в неизменном виде препараты выводятся из организма лишь частично – перед выведением наиболее часто имеет место трансформация препаратов за счет гидролиза, окисления, различных ферментативных процессов. Для некоторых препаратов подобные превращения нехарактерны. Например, известный ноотропный препарат пирацетам, в основном, выводится из организма в неизменном виде. Однако, для большинства ксенобиотиков химическая инактивация – метаболизм – является важнейшим направлением потерь в организме. Многие лекарственные препараты превращаются в печени, почках, кишечнике в глюкурониды и эфиры серной кислоты, липофильные вещества всасываются в почечных канальцах, затем накапливаются в мембранной органелле – эндоплазматическом ретикулуме печени, где и протекают основные процессы метаболической трансформации. В такой деградации участвуют различные ферментные системы (о них будет рассказано позднее), превращающие исходный препарат в более гидрофильные соединения, которые, естественно, легче выводятся из организма. Весьма значительное участие в этих процессах принимает цитохром Р-450, представляющий собой набор гемопротеиновых ферментов, регулирующих скорость выведения химических веществ из организма и инактивирующих, в частности, ксенобиотики. В числе наиболее значимых в обсуждаемом отношении ферментативных процессов находятся окислительные процессы, относящиеся к N- и S-окислению, дезаминирование, гидроксилирование с образованием спиртов (С-гидроксилирование алифатических соединений) и фенолов (С-гидроксилирование ароматических систем), О- и N-дезалкилирование и др. В качестве примера можно привести важный и широко 56 распространенный в организме процесс дезаминирования под действием окислительных ферментов – моноаминооксидазы (МАО) и диаминооксидазы (ДАО). В общем виде действие МАО может быть представлено следующей схемой: RCH 2 NH 2 + + + + H 2 O O 2 RCHO H 2 O 2 NH 3 В качестве другого примера получения гидрофильных соединений можно привести образование глюкуронида и эфира серной кислоты из известного препарата парацетамола: O C HO NH CH 3 O NHCOCH 3 O OH COOH OH HO NHCOCH 3 OSO 2 OH Ï àðàöåòàì î ë (ï àðà Àöåòî àì èí î ô åí î ë) Следует отметить, что в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) печени могут протекать и другие процессы – дехлорирование (окислительное и восстановительное), образование первичных аминов с участием таких ферментов, как нитроредуктаза и азоредуктаза. Галогенсодержащие соединения в печени образуют связи по меркаптогруппе глутатиона. Еще один важнейший процесс связан с окислением первичных и вторичных спиртов под действием алкогольдегидрогеназы с превращением их в карбонильные соединения. Например: H H H C H C H O H Àëêî ãî ëü äåãè äðî ãåí àçà Ýòàí î ë O H C H H H C Ýòàí àëü Àëüäåãè ä äåãè äðî ãåí àçà O O C H H H C H Óêñóñí àÿ êè ñëî òà Основным местом метаболической трансформации этанола является печень, в этом процессе может также принимать участие эпителий желудка. Этанол дегидрируется алкогольдегидрогеназой в этаналь, а затем альдегиддегидрогеназой переводится в уксусную кислоту. Затем уксусная кислота под действием тиокиназы в присутствии АТФ, превращается в ацетил-КоА. Скорость трансформации этанола лимитируется главным образом алкогольдегидрогеназой. Как было сказано выше, большинство процессов метаболизма лекарств в организме - это процессы инактивации. Однако существует и много примеров, касающихся образования высокоактивных соединений при метаболизме. Известно, что болезнь Паркинсона развивается при недостатке дофамина в мозге; в то же время использование самого дофамина в качестве лекарственного средства практически невозможно, так как он не проникает через гематоэнцефалический барьер (мембрана, защищающая мозг от действия ксенобиотиков). В то же время аминокислота L-ДОФА, проникающая через эту мембрану по механизму активного транспорта, может декарбоксилироваться (ферментативно), превращаясь в «активную» форму – дофамин: 57 OH OH NH 2 COOH CO 2 OH OH NH 2 Äî ô àì è í L ÄÎ ÔÀ Таким образом, знание процессов метаболизма очень важно для создания новых эффективных лекарственных препаратов. |