Связь между структурой и биологической активностью

Ксенобиотиков

Выявление связи между химической структурой соединения и его физико-химическими свойствами, с одной стороны, и характеристиками биологической активности, с другой стороны, позволяет в какой-то степени прогнозировать и предсказывать последствия при его попадании в организм, в биосферу и способствует целенаправленному синтезу веществ с заданными свойствами.

Ценность таких прогнозов весьма велика, поскольку они экономят большие средства, необходимые для установления соответствующих свойств экспериментальным путем.

Решение задач подобного рода – прогнозирование с помощью ЭВМ биологической активности соединений на основе его структурной формулы – стало сегодня одной из надежд быстрого прогресса в области фармакологии (за рубежом исследования этого направления получили название драгдизайна – проектирование лекарств).

Что же следует иметь в виду, говоря о связи структура – активность? Структура означает строение вещества, определяющее все его физические и химические свойства (как вытекающие из химической формулы, так и определяемые экспериментально). Активность – это взаимодействие вещества с центрами-мишенями, которое может быть связано длинной цепью событий с наблюдаемым физиологическим эффектом. Поэтому о влиянии строения вещества на биологическую активность уместно говорить только тогда, когда рассматривается действие его на конкретную мишень (место связывания).

Для анализа связи между структурой вещества и их биологической активностью используются различные физические и химические характеристики вещества.

Среди параметров веществ, изучаемых при установлении соотношения структура–активность, можно отметить такие, как молекулярная масса, плотность, молекулярный объем, критическое давление, коэффициент теплопроводности, теплоемкость, поверхностное натяжение, вязкость и т. д.

В подавляющем большинстве биологическая активность ксенобиотиков коррелирует с его способностью определенным образом распределяться между липидной и водной фазами. Естественно, что такая корреляция наблюдается с теми физическими и химическими показателями, которые по природе своей связаны с коэффициентом распределения.

Для оценки биологической активности ксенобиотика по его физико-химическим свойствам широко применяются методы, основанные на поиске корреляционных связей между этими показателями и биологической активностью. В данном случае могут быть получены соотношения, передающие зависимости между структурой и активностью вещества. Это можно проиллюстрировать на примере сопоставления скоростей разрушения (СР) ряда третичных аминов с величинами рК_а и коэффициентом распределения (К_р). Для измерения скорости N-диметилирования использовали микросомные препараты печени крысы:

 

R₁R₂NCH₃ ^[o] ® R₁R₂NH +CH₂O. (2.6)

 

Изучались скорости разрушения 18 соединений. С помощью множественного регрессионного анализа было выведено соотношение зависимости логарифма СР от логарифма коэффициента распределения (величина рК_а для упрощения расчетов принималась равной 9,5):

 

lg СР = а lgК_р – в lgК_а – с (2.7)

 

(показатели а, в, с имеют численные значения).

Более 80 % наблюдаемых изменений скорости реакций можно было связать с изменениями рК_а и lgК.

Положительные значения множителя перед lgК_р указывают на то, что с увеличением коэффициента распределения СР повышается. Соединения с более высокими значениями К_р в микросомной мембране более легко достигают ферментативной системы, осуществляющей реакцию деметилирования.

В противоположность этому отрицательное значение множителя перед рК_а указывает на то, что при увеличении рК_а скорость деметилирования снижается. Такая зависимость обусловлена способностью вещества распределяться в мембране, а также механизмом реакции деметилирования. При рН меньше рК_а соединения существуют в основном в положительно заряженной форме. Поэтому при рК_а выше рН физиологических растворов (рН 6–8) доля амина, находящегося в нейтральной форме, заметно снижается. Поскольку незаряженная форма распределяется в мембране более легко, повышение рК_а может привести к снижению скорости реакции вследствие уменьшения потока вещества к активным местам.

Так как реакция деметилирования проходит в непосредственной близости от атома азота, она, несомненно, зависит от электронной плотности на этом атоме. Более высокие значения рК_а отвечают повышению электронной плотности на атоме азота, так как протон сопряженного основания диссоциирует менее легко. Поэтому можно прийти к заключению, что повышение электронной плотности на атоме азота может влиять на скорость реакции.

Введение в соотношение (2.7) дополнительного члена – (–рК_а)², учитывающего влияние электронной плотности, обеспечивает более высокую точность расчета (позволяет объяснять свыше 90 % наблюдаемых изменений скоростей реакции).

Однако тот факт, что большинство изменений скоростей для изученной группы веществ можно связать с рК_а и коэффициентом распределения, указывает на то, что в этом случае стерические эффекты не имеют особого значения. Такое наблюдение интересно тем, что размер молекул изученных веществ изменялся в широком диапазоне.

Найденные соотношения углубляют понимание протекающих реакцией и дают основу для предсказания поведения еще не изученных ксенобиотиков (в ряду новых лекарственных препаратов, пестицидов и т. д.).

Многие соединения ранее испытывались на предмет обнаружения у них того или иного рода биологической активности – одни более основательно, другие – в меньшей мере. Представляется возможным поиск неких аналогий в строении молекулы нового соединения и молекул, биологическое действие которых уже охарактеризовано.

Такой подход можно продемонстрировать на примере данных, относящихся к группе соединений, близких по строению гамма-аминомасляной кислоте (Н₃N⁺–CH₂–CH₂–CH₂–COO^–) – агенту, играющему важную роль в механизмах передачи нервного импульса. Ряд соединений может имитировать гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), влияя аналогичным образом на мембрану нервной клетки, однако их действие выражено несколько слабее, т. е. для достижения того же эффекта требуется большая концентрация вещества. Молекула гамма-аминомасляной кислоты содержит две ионогенные группы: Н₃N⁺ и COO^–Все аналогии, имитирующие ее действие, также обязательно содержат пару разноименно заряженных групп.

Поскольку каждая из таких групп взаимодействует с противоположно заряженным центром на поверхности рецептора ГАМК, то биологическая активность ее аналогов окажется функцией расстояния между этими группами.

В рассматриваемом случае под расстоянием между ионогенными (заряженными) группами понимается реальное расположение последних в пространстве, которое соответствует устойчивым конформациям молекул в среде.

Точки, соответствующие на графике отдельным аналогам ГАМК (названия опущены), ложатся на колоколообразную кривую, в вершине которой расположена сама ГАМК (рис. 2.6).

 

 

Рис. 2.6. Зависимость биологической активности ГАМК и ее аналогов от расстояния между заряженными группами

Так что если необходимо предсказать активность некоторого неизвестного соединения, близкого по структуре ГАМК, то следует рассчитать на основе его формулы расстояния между заряженными группами и сравнить с графиком. Например, вычисленное расстояние больше, чем в случае аналога 2, но меньше, чем у аналога 3; следовательно, велика вероятность того, что активность нового соединения будет иметь промежуточное значение.

Когда приходится рассматривать не один признак (расстояние между заряженными группами), а несколько, задача значительно усложняется, но часто только в том смысле, что для ее решения надо привлечь сложные вычислительные процедуры. На помощь приходят методы так называемой теории распознавания образов.

В приведенном примере с ГАМК анализировалась зависимость между особенностями структуры родственных ей соединений и их биологической активностью в узком смысле как способность имитировать саму ГАМК в некотором физиологическом процессе. Следовательно, такой анализ возможен тогда, когда задан характер потенциальной активности.

В идеальном случае для предсказания биологического эффекта неизвестного соединения следовало бы сравнить структуру его молекулы со строением молекул всех важнейших веществ, обладающих заданной нами активностью (или токсичностью). Однако на практике, вероятно, это невозможно осуществить. Поэтому к анализу привлекаются лишь некоторые основные, обладающие характерным проявлением биологической активности.

Известно, что наиболее эффективные яды – это соединения, являющиеся аналогами природных биорегуляторов. Например, распространенный гербицид 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусная кислота)

 

О – СН₂–СООН

 

Cl Cl

 

близок в структурном отношении по расположению карбоксильной группы относительно ароматического кольца гормону – индолилуксусной кислоте (ИУК),

 

регулирующему ростовые процессы у растений. Попадая на листья, 2,4-Д легко поглощается, вызывая регуляторные расстройства, приводящие, если концентрация его достаточно высока, к гибели растения. Поскольку злаковые (вообще однодольные) оказались устойчивее к действию 2,4-Д, чем двудольные, его и стали применять для борьбы с сорняками.

В приведенной паре соединений структурное сходство достаточно очевидно: оба они – производные уксусной кислоты, содержащие ароматический заместитель.

Не всегда, однако, способность соединения имитировать какой-то «естественный» метаболит обусловлена столь выраженной близостью молекулярного строения.

Возьмем другой класс пестицидов – фосфорорганические инсектициды. Соединения этой группы «работают под ацетилхолин»

СН₃

СН₃ — N⁺ — СН₂ — СН₂ — С — О — СН₃,

СН₃

осуществляющий передачу импульса между нервными клетками или нервной и мышечной клетками. Молекулы ацетилхолина (отработавшие) расщепляются ферментом холинэстеразой

(СН₃)₃N — (СН₂)₂ОС(О)СН₃ → (СН₃)₃ N⁺(СН₂)₂ОН + СН₂СООН. (2.8)

Молекула холинэстеразы очень велика; она состоит из тысяч атомов, но в катаболическом акте наиболее важную роль играет определенная гидроксильная группа, к которой на мгновение присоединяется эфирная группа ацетилхолина:

[холинэстераза] — СН₂ — ОН

 

(СН₃)₃N⁺ — (СН₂)₂ОС (О)СН₃. (2.9)

После завершения расщепления молекулы ацетилхолина продукты реакции отделяются от фермента.

Многие фосфорорганические соединения вида

О

║

Х — Р — Z

║

Y

также способны взаимодействовать с тем же гидроксилом, но они образуют с ними прочную, не поддающуюся расщеплению связь:

 

Х О

║

[холинэстераза]–СН₂–ОН+О=Р–Z→[холинэстераза]–СН₂–ОН–Р–Х+НZ

 

Y Y

Модифицированный таким образом фермент не может уже выполнять свою функцию – гидролиз ацетилхолина, что вызывает в конечном счете блокирование передачи нервных импульсов – паралич.

Усмотреть элементы структурного сходства между ацетилхолином и каким-нибудь фосфорорганическим инсектицидом, например популярным хлорофосом, довольно трудно.

О

║

(СН₃О)₂РСН(ОН)ССl₃. (2.10)

Однако зная, что хлорофос является сильным нервно-паралитическим ядом по отношению к насекомым, можно со значительной долей уверенности предположить, что таким действием будет обладать, к примеру, и соединение

О

║

(CH₃O)₂ РОСН=ССl₂ (2.11)

(дихлорофос).

 

При оценке «близости» структуры и свойств нового соединения с каждым из исследованных соединений необходимо:

– определить более точно характер действия (наличие или отсутствие которого должно быть предсказано);

– располагать сведениями о проявлении соответствующего характера действия соединений известной структуры.

Существует очень много способов выбора меры этой близости с учетом особенностей валентного строения, наличия электрических зарядов на атомах, объема заместителей и т. п. Все они довольно произвольны, но испытание биологического действия нового соединения чаще всего обнаруживает активность, сходную с активностью тех из ранее исследованных веществ, которые наиболее близки ему по принятым условным оценкам.

Следует отметить, что предсказание потенциальной биологической активности химических соединений с известной структурой и физико-химическими свойствами – проблема довольно сложная. Наиболее простой случай – это когда мы имеем дело с рядом соединений с близкой структурой.

Естественно, что физические, химические и физико-химические свойства таких соединений будут близки. Если характеристики выбраны достаточно удачно, а биологическая активность для данного ряда соединений известна, то такие соединения могут образовывать стандартный ряд (обучающую выборку). Подобный пример иллюстрирует рис. 2.7. За основу классификации взяты спектральные характеристики флуоресценции: нормированные значения максимума (Гi) и полуширины (`l) в спектре флуоресценции, получаемые путем специальной обработки.

 

 

1 – стероидные гормоны

2 – нейролептики

3 – нуклеотиды

4 – адаптогены

5 – канцерогены (конденсированные углеводороды)

6 – регуляторы обмена веществ

7 – снотворные барбитураты

 

Рис. 2.7. Разделение некоторых биологически активных веществ с известной биологической на группы по данным люминисцентного анализа

Биологическая активность в этом случае может быть представлена по попаданию нового тестируемого соединения в один их кластеров, объединяющих соединения со сходными видами активности. Однако надо иметь в виду, что при таком подходе вероятность ошибки предсказания активности может быть очень велика. Например, отсутствие у стероидов метильной группы у С₁₈, лишающее их активности, практически не скажется на спектрах поглощения в ближней УФ-области.

При исследовании закономерностей изменения биологической активности в ряду аналогов некоторого вещества обычно модификации, вызывающие сдвиг биологической активности, разделяют на две группы: модификации, связанные с изменением сродства молекулы к мембранактивным структурам (рецептору), и модификации, нарушающие развитие реакции системы на образование комплекса вещество–рецептор.

Сродство молекулы любого вещества к рецептору (активному центру) очевидным образом связано с определенными элементами ее пространственной структуры, обеспечивающими взаимную комплементарность рецептора и агониста.

С другой стороны, внутренняя активность определяется преимущественно природой функциональных групп (присутствием в некоторых положениях ароматического радикала, кислотной группы, гидрофобной группы и т. п.).

Следовательно, говоря о корреляции между параметрами, характеризующими пространственную структуру молекулы, и ее биологической активностью, в качестве меры биологической активности используют ряд показателей, например lg LD₅₀, хотя, несомненно, нельзя исключить аналогичной связи и в отношении показателя внутренней активности.

Далее, следует считаться с тем обстоятельством, что молекулы многих веществ имеют в растворе несколько стабильных конформаций, причем для осуществления акта взаимодействия с активным центром необходима лишь одна или немногие из них.

Поэтому наряду с определением спектра стабильных конформаций молекулы ксенобиотика возникает необходимость выявления так называемой «биологически активной» конформации.

Под конформацией молекул следует понимать различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных ее частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связи и т.д.

Благодаря использованию данных рентгеноструктурных исследований и методов теоретического конформационного анализа свое дальнейшее развитие получило установление молекулярных закономерностей структура–активность в ряду аналогов и отдельных веществ в попарно-аддитивном приближении (предполагают, что внутримолекулярная энергия есть сумма энергий попарных взаимодействий атомов молекулы) и системе атом-атомных потенциалов.

В основе расчетов лежит нахождение таких структур, которым соответствуют минимумы суммарной энергии внутримолекулярного взаимодействия всех пар атомов.

Накопленные к настоящему времени результаты позволяют утверждать, что на основании этих подходов возможно не только дать качественное объяснение многим закономерностям проявления биологической активности веществ, но и прогнозировать последнюю.

В самом кратком виде можно отметить некоторые особенности показателей связи между структурой веществ и их биологической активностью.

– Немалую роль играет гидрофобность (липофильность), определяемая соотношением в структуре молекулы гидрофобных и гидрофильных групп. Для организмов существенное значение имеет не столько сама гидрофобность, сколько сочетание двух свойств: гидрофобности и стабильности молекул в воде.

– Ионизация (или другой показатель распределения электронов).

– Существенное значение имеет содержание галогенов в молекуле ксенобиотика. Замена атомов водорода в молекуле вещества на атомы галогенов увеличивает устойчивость данного соединения.

– В большой мере на биологическую активность влияет конформация молекул. Например, структура изадрина и его эпоксипроизводного – эльдрина легче атакуется ферментами, чем конформационно несколько иначе «вывернутая» структура альдрина и его эпоксидопроизводного – диэльдрина. Именно этим, вероятно, можно объяснить то, что у млекопитающих эльдрин метаболизируется быстрее, чем альдрин.

- Замена двойной связи в молекуле на эпоксигруппу приводит к увеличению биологической активности вещества и в ряде случаев повышает его персистентность.