Сочетанное действие ксенобиотиков

Мембранотропные эффекты

В связи с тем, что первичной мишенью взаимодействия химического агента с клеткой является плазматическая мембрана, сформулируем определение мембранотропности (мембранотропного эффекта).

Можно попытаться свести это понятие к экспериментально установленной способности веществ первично (непосредственно) взаимодействовать с биологическими мембранами. Однако это, по-видимому, не совсем оправданное сужение термина. Вторичное (опосредованное) влияние на мембранные функции, определяющие характер биологической активности, во многих случаях может быть существенным.

В этой связи, говоря о мембранотропном действии какого-либо вещества, имеют в виду прямую или косвенную (опосредованную) модификацию мембранных структур, вызываемую соответствующими соединениями, и наступающие в результате этого изменения свойств биологической мембраны, прежде всего транспортных характеристик.

Очевидно, круг относящихся сюда явлений очень широк, и одна из первоначальных задач – построение некоторой рациональной системы описания и классификация на этой основе мембранотропных эффектов.

Часто при обсуждении биологической активности химических соединений используется термин «специфическое» или «неспецифическое» действие. Смысл, вкладываемый в это определение различными исследователями, неодинаков. Ясно, что все мыслимые химические соединения можно подразделить на присущие данному организму эндогенные продукты (а также имитирующие их в функциональном смысле соединения) и на «посторонние» по своей химической природе вещества. Такая классификация не предполагает, очевидно, существования вполне четкой границы между двумя группами веществ, однако она прочно укоренилась в сознании большинства физиологов, токсикологов, фармакологов.

Отнесение каждого вещества к той или иной группе основано в этом случае на «функциональной» аналогии, а не на сходстве структуры молекул эндогенного соединения и аналога, часто далеко не очевидном (белковые нейротоксины змеиного яда – аналоги ацетилхолина, CN – аналог О₂ и т. д.).

Основой проявления действия биологически активных соединений может служить также локализация центров связывания (или характер вызываемых ими функциональных сдвигов).

Соединения, вызывающие изменение каких-либо характеристик биологических мембран, можно разделить на вещества прямого мембранотропного действия и агенты, действующие опосредованно через вмешательство в цитоплазматический метаболизм или иным косвенным путем. Однако и это разделение весьма условно, поскольку очень часто регистрируемый мембранотропный эффект оказывается результатом и прямого, и косвенного действия химического агента на мембрану.

Аналогичное замечание может быть сделано в адрес любой схемы, группирующей мембранотропные агенты по характеру вызываемых ими функциональных сдвигов. Например, соединения, влияющие на транспорт веществ через мембрану, обычно разделяют по их влиянию на пассивный или активный перенос. Поскольку часто оба процесса зависимы, нарушение одного из них сказывается также и на другом.

Только немногие соединения действуют строго избирательно лишь на один «чувствительный» центр связывания; но если даже это и имеет место, то наступающая за этим реакция мембраны почти всегда носит сложный характер, обнаруживая сдвиги, характерные для различных типов мембранотропных эффектов по любой принятой классификации.

Поэтому влияние агента на мембрану редко ограничивается изменением какого-то одного структурного элемента, функции или одной регистрируемой характеристики. В общем случае реакция мембраны должна рассматриваться как некий многомерный показатель. Таким образом, рациональный способ параметризации этой реакции не может быть определен однозначно. Например, степень деструкции мембраны под действием детергента может быть охарактеризована количеством молекул детергента, связанных единицей поверхности мембраны, сдвигом осмотических отношений в системе «клетка – наружная среда», изменениями электрических параметров мембраны и т. д.

Использование каждой из этих характеристик для той или иной цели диктуется зачастую некими субъективными или случайными обстоятельствами – например, экспериментальными возможностями, целями исследования и т. д.

Схематически выделяют следующие типы мембранотропности ксенобиотиков.

Во-первых, мембранная рецепция. Она может считаться доказанной, если установлено, что вещество не проникает внутрь клетки, избирательно накапливается в мембранах или специфически связывается, а также если эффекты отсутствуют в бесклеточных системах, по крайней мере в таких, которые не содержат мембранной фракции. Во всех этих случаях можно говорить о прямой (непосредственной) мембранотропности.

Во-вторых, стимуляция или угнетение биосинтетических процессов, протекающих в мембранах. Под этим подразумевается изменение активности мембранных ферментов, скорости синтеза мембранных белков, липидов и т. д. Первичность или опосредованность эффекта оценивается в каждом случае отдельно.

В-третьих, изменения под влиянием ксенобиотиков барьерно-транспортных свойств мембраны. Мембранотропность такого рода может быть прямой и опосредованной.

В-четвертых, функциональное взаимодействие с веществами, действие которых на уровне мембран можно считать установленным. Экспериментально выявляется стимуляция или угнетение под влиянием ксенобиотиков ряда гормональных веществ, природных соединений, а также аналогичное обратное действие указанных веществ. Интерпретация этих взаимоотношений сложна.

При рассмотрении всякого экзогенного влияния ксенобиотика на биологический объект предполагается, что молекулы эффектора сначала связываются с некими центрами сродства на мембране, инициируя тем самым определенную реакцию клетки (организма). Соответственно такой процесс и его анализ делятся на три части:

а) установление характера и локализация центров связывания;

б) оценка сродства к ним эффектора;

в) исследование развития реакции объекта на образование комплексов центров связывания с молекулами эффектора.

Остановимся на характеристике специализированных мест связывания эффектора и силах, определяющих это взаимодействие.

 

Концепция рецепторов

В настоящее время в биологической литературе широко внедрилось такое понятие или термин, как рецептор. Основные концепции теории рецепторов глубоко проникли в идеологию современных исследователей, занятых изучением механизмов действия биологически активных соединений.

Биологически активные соединения обычно подразделяют на агонисты-вещества, связывающиеся с рецепторами и индуцирующие биологический ответ, и антагонисты-соединения, препятствующие взаимодействию агониста и не вызывающие или ослабляющие биологическую реакцию.

Следует отметить, что ксенобиотик – чужеродное организму вещество. Поэтому, строго говоря, чаще всего ксенобиотик просто взаимодействует с местами связывания на мембране или выполняет роль антагониста.

Не исключено, что среди большого количества ксенобиотиков имеются все же вещества, специфически связывающиеся с мембраной, возможно с рецептором.

Как оказалось, многие антропогенные загрязнители дают гонадо- и эмбриотоксический эффект, связанный с наличием у них гормоноподобных свойств. Поэтому они получили название "гормоноподобные ксенобиотики" (ГПК), или "гормоны внешней среды". Гормоноподобная их активность, как правило, значительно ниже активности эндогенных гормонов.

Гормоноподобное действие этих ксенобиотиков связано с их структурным сходством, например с половыми стероидами животных. Общим для тех и других оказались основа в виде ароматических углеводородов и наличие, как правило, гидроксильных групп, т.е. принадлежность их к фенолам. Сказанное можно проиллюстрировать сравнением структур эстрадиола и синтетического аналога диэтилстильбэстрола (ДЭС). Несмотря на определенное внешнее различие, эстрогенная активность ДЭС, как оказалось, значительно превосходит таковую у эстрадиола. Элементы указанного выше сходства с половыми стероидами обнаруживаются и у ряда других ГПК, в том числе пестицидов и промышленных токсикантов. Эстрогенными свойствами, хотя и менее выраженными, обладают и гормоноподобные соединения растительного происхождения – фитоэстрогены.

ГПК, способные связываться с рецепторами к половым стероидам, чаще всего - с эстрогенными рецепторами, получили название "ксеноэстрогены".

Имеются данные о том, что одни из наиболее распространенных во внешней среде загрязнителей – ПХБ могут модифицировать действие тиреоидных гормонов посредством связывания с рецепторами этих гормонов, с которыми они также имеют структурное сходство

С эстрогенными рецепторами способны связываться другие гормоноподобные, в том числе высокотоксичные соединения, например диоксины. Они получили наименование "диоксиновые рецепторы". Следствием связывания токсикантов с этими рецепторами является, как правило, их антиэстрогенный эффект. Диоксины вносят также значительный "беспорядок" в течение биохимических процессов в клетках, ведущий к образованию токсичных продуктов, изменяющих и повреждающих клеточный метаболизм. С "диоксиновыми рецепторами" могут также связываться некоторые разновидности галогенизированных бифенилов.

С другой стороны, синтетические гормональные препараты в какой-то мере также чужеродны организму. В этой связи и представляется целесообразным рассмотреть некоторые вопросы, касающиеся концепции рецепторов.

Истоки теории рецепторов принято обычно искать в работах Лэнгли и Эрлиха. Последний на рубеже XIX–XX вв сформулировал знаменитый принцип: вещества не действуют, не будучи связанными.

Дальнейшее развитие теория рецепторов получила при изучении действия различных гормонов. Однако достоверно доказать наличие рецепторов на мембранах не так-то просто. Это связано, с одной стороны, с чрезвычайно низкой концентрацией, их лабильностью и неоднородностью. С другой стороны, на поверхности любой клетки имеются мембранные компоненты, неспецифически связывающие тот или иной гормон (эффектор), т. е. не все места, связывающие гормон, могут быть рецепторами.

Вообще, весьма трудно дать точное определение понятию «рецептор». Приведем наиболее распространенные из них.

Первое принадлежит Вуду: «Многие агенты (лекарственные препараты) обладают следующими четырьмя признаками: 1) они действуют в низких (микромолекулярных) концентрациях; 2) их активность в сильной мере зависит от изменений в химической структуре; 3) их активность может подавляться селективными антагонистами (например, атропин может сильно блокировать действие ацетилхолина на восходящую ободочную кишку морской свинки, но не изменяет практически активность гистамина); 4) активность антагонистов также сильно зависит от изменений в химической структуре»1.

Названные признаки указывают на то, что в ткани имеет место специфическая реакция между данным агентом и специализированным центром связывания (рецептором).

В определении, данном Куатреказасом, перечисляются следующие основные признаки рецепторов: «Первое: взаимодействие эффектора с рецептором должно отвечать требованиям определенной пространственной и структурной специфичности. Второе: количество связывающих мест должно быть ограниченным, и, следовательно, связывающие места должны быть насыщаемыми. Третье: связывание эффектора должно иметь тканевую специфичность, соответствующую его биологической специфичности. Четвертое: связывающие места должны обладать высоким сродством к гормону, а их концентрация должна соответствовать физиологической концентрации гормона. Пятое: связывание эффектора рецептором должно быть обратимым».¹

В двух рассмотренных определениях отчетливо видны неточности, например, в таких оборотах, как «сильно зависит от структуры», «обладает высоким сродством» и т. п. Далее, приведенные Куатреказасом второй и пятый признаки просто излишни – очевидно, что количество «связывающих мест» в клетке (органе, ткани) всегда конечно, а любая реакция в принципе обратима. Наконец, признак третий у Вуда: что значит «активность может подавляться антагонистами»? Предположим, антагонисты (вероятно Вуд имеет в виду конкурентные антагонисты) какого-либо белкового гормона неизвестны. В этих условиях спор о том, возможно ли их существование, – это спор убеждений, и проверить приложимость указанного критерия нельзя.

Между тем в интуитивном представлении всякого биохимика мембранные центры связывания, взаимодействуя с которыми гормон инициирует какую-то специфическую реакцию, бесспорно, следует именовать рецептором.

Приведенный пример может подсказать еще одно определение рецептора – как центра связывания агента, выполняющего в организме соответствующую регуляторную функцию, причем такое связывание инициирует специфическую реакцию. Но опять же не понятно, что считать биорегулятором? Как быть с рецепторами не открытых еще биорегуляторов? Опиатные наркотики исследовались фармакологами задолго до того, как стал известен эндогенный биорегулятор, с рецепторами которого они взаимодействуют – энкефалин. Зачастую речь идет о связывании молекул эффектора с несколькими типами центров связывания, часть из которых рецепторами не являются.

Существует расхождение между понятиями термина «рецептор», принятым в биологии и медицине (фармакологии). В частности, некоторые фармакологи склонны считать рецептором любую молекулу, через которую осуществляется действие лекарственного препарата. В этом случае, вероятно, уместнее употреблять термин «молекулярная мишень», а не «рецептор».

Для строгого доказательства наличия рецепторов на мембране лучше всего выделить этот компонент, очистить, затем встроить в искусственную бислойную липидную мембрану или липосому, и показать, что он сохраняет биологическую активность.

Рассмотрим два подхода, которые используются для выделения рецепторов. Первый из них в принципе повторяет обычные методы выделения мембранных белков. Мембранные белки освобождают от липидов (солюбилизируют) с помощью детергента, а затем очищают хроматографическими методами. Особенно эффективной для проведения таких приемов оказывается аффинная хроматография на адсорбентах, содержащих «пришитые» молекулы лиганда.

Второй метод основывается на использовании фотореактивных реагентов (рис. 4.1). Сначала лиганд (гормон) обрабатывают фотореактивным реагентом и связывают (сшивают) с рецептором под действием света. После этого мембрану обрабатывают детергентом и выделяют комплекс лиганд – рецептор, используя радиоактивную метку.

 

Рис. 4.1. Выделение рецепторов с помощью фотореактивных реагентов

 

Выделенные рецепторы оказались гликопротеинами или гликолипидами. Молекула любого рецептора состоит, по крайней мере, из двух частей. Одна из них, наружная, служит для связывания вещества (гормона). Основную роль в этом играют полисахаридные цепи молекулы рецептора. Вторая, менее полярная часть молекулы рецептора, служит для ее закрепления в липидном бислое и передачи принятого сигнала внутрь клетки. Взаимодействие между связывающими и передающими участками осуществляется благодаря конформационным перестройкам, происходящим в результате «посадки» эффектора (агониста) на связывающий участок рецептора.

В этом случае происходят небольшие изменения на отдельных участках мембран, результаты которых передаются внутрь клетки, усиливаясь с помощью определенного («релейного») механизма, и в конце концов определяют течение внутриклеточных процессов. В основе передачи в ряде случаев лежит активация и инактивация фермента – аденилатциклазы (АЦ), расположенного в мембране. Этот фермент отвечает за синтез нуклеотида – цАМФ.

цАМФ получается в организме из АТФ при участии аденилатциклазы, которая расположена на внутренней поверхности мембраны и работает только в присутствии фосфолипидов и ионов магния.

В нормальном состоянии активность аденилатциклазы подавлена. Но при взаимодействии агониста с рецептором Р на поверхности мембраны аденилатциклаза активируется. В результате усиливается синтез цАМФ, увеличивается концентрация последнего внутри клетки и активируется один или несколько ферментов, расположенных внутри клетки. Таким образом, химический сигнал передается от одного посыльного к другому. Первичным посыльным является эффектор (гормон, медиатор), через ГТФ-связывающий G-белок и аденилатциклазу он передает сообщение внутрь клетки (рис.4.2).

Рис. 4.2. Аденилатный путь регуляции внутриклеточных процессов Пояснения в тексте

Вторичные посредники не только способствуют передаче внешнего сигнала во внутриклеточный, но и обеспечивают значительное усиление первоначального сигнала. Каждая молекула рецептора, присоединившая сигнальную молекулу, активирует много молекул аденилатциклазы, которые, в свою очередь, катализируют образование множества молекул цАМФ. В итоге, по всей цепи от рецептора до клеточной реакции происходит усиление сигнала в 10⁷–10⁸ раз. Таким образом, несколько сигнальных молекул гормона или медиатора могут изменять функциональную или метаболическую активность всей клетки.

Однако постоянная активация АЦ не только не нужна, но и небезопасна для клетки. Так, течение одного из особенно опасных заболеваний – холеры – связано с необратимой активацией АЦ. Для нормальной жизнедеятельности клетки ингибирование АЦ может быть не менее важным моментом, чем ее активация. Поэтому внутриклеточный уровень цАМФ регулируется также с помощью фосфодиэстеразы (ФДЭ) циклических нуклеотидов, которые катализируют гидролитическое превращение цАМФ в нециклический АМФ в определенных условиях, чем и поддерживается его постоянный уровень.

Циклический АМФ регулирует внутриклеточные реакции всех изученных прокариотических и эукариотических клеток. Действие его основано на активации специфических ферментов цАМФ зависимых протеинкиназ, которые формируют многие белки, в частности белки рибосом, ряд ферментов, транспортные мембранные белки и др. Фосфорилирование белков – это их активации. В неактивированное состояние они возвращаются путем дефосфорилирования с помощью фосфопротеинфосфотазы (ФПФ).

Гормоны и медиаторы могут проявлять свое действие не только через синтез цАМФ, но и других внутриклеточных посредников. Для некоторых гормонов животных вторичным посредником является цГМФ. Его концентрация в 10 раз меньше, чем цАМФ. Подобно цАМФ, цГМФ действует главным образом через активацию протеинкиназ.

Признанными вторичными мессенджерами являются ионы кальция. Кальций участвует в регуляции внутриклеточных процессов в комбинации с двумя другими вторичными посредниками (рис. 3.3): инозитолтрифосфатом и диацилглицеролом.

Эффектор (медиатор) связывается с рецептором Р, который через ГТФ-связывающие белки (G) активирует фосфодиэстеразу фосфатидилинозитолтрифосфата (ФИФ₂). При ращеплении ФИФ₂ образуется инозитолтрифосфат (ИФ₃) и диацилглицерол (ДАГ). ИФ₃ растворим в воде, поэтому он диффундирует в цитоплазму, где вызывает высвобождение Са²⁺ из внутриклеточного депо – эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Высвобожденный Са²⁺ активирует кальмодулинзависимую протеинкиназу (Са²⁺/КаМ киназа), фосфорилирующую белки-мишени, вызывая клеточный ответ. ДАГ, будучи гидрофобным, остается в мембране, где активирует Са²⁺ – фосфолипидзависимую протеинкиназу, которая фосфорилирует другие белки, вызывая также клеточный ответ. Таким образом, обе ветви фосфоинозитидного пути ведут к фосфорилированию двух различных наборов белков, что приводит к реализации клеточного ответа.

 

Рис. 4.3. Схема регуляции с участием кальция. Пояснения в тексте

 

На поверхности плазматических мембран разных клеток число рецепторов варьирует. Так, на поверхности одной клетки печени имеется 250 000 рецепторов инсулина, тогда как на поверхности клеток щитовидной железы их число не превышает 500. Часть рецепторов может «плавать» в плоскости мембраны, но большее их количество фиксировано системой микрофиламентов и микротрубочек.

К основным критериям, по которым можно судить о наличии рецепторов относят следующие.

Во-первых, высокое сродство, характеризующееся тем, что агент действует при низкой концентрации (10^–9М и ниже); во-вторых, кривая, описывающая процесс взаимодействия эффектора с местами связывания на мембране от концентрации, должна выходить на плато, поскольку количество рецепторов (мест связывания) ограничено; в-третьих, различная биологическая активность пар оптических изомеров (стереоспецифичность) (так, например, право- и левовращающиеся формы атропина, морфина и адреналина сильно отличаются друг от друга по биологической активности); в-четвертых, тканевая специфичность биологического действия веществ (например, адреналин оказывает мощное действие на сердечную мышцу, но очень слабо действует на поперечно-полосатые мышцы). Далее следует отметить, что взаимодействие возможно только при строгом соответствии пространственных и зарядовых геометрий. Необходимо учитывать и то, что связывание эффектора с рецептором должно быть обратимым. Так, одна и та же химическая группа в зависимости от своего химического окружения может обусловливать действие как агониста, так и антагониста; как пример можно привести ацетилхолин и тубокурарин. Эти соединения действуют на один и тот же рецептор, но меньшая молекула (ацетилхолин) точно соответствует участку связывания и активирует рецептор; большая молекула (тубокурарин) перекрывает рецептор и оказывает блокирующее действие. Наглядный пример таких взаимодействий приведен на рис. 4.4.

 

Рис. 4.4. Связывание с молекулой рецептора ауксина (а)

и антиауксина (б):

а – 2,4 D (2,4 – дихлорфеноксиуксусная кислота);

б – 2,6 дихлорфеноксиуксусная кислота

В настоящее время известно много химических рядов, низкие гомологи которых являются агонистами, а их более высокомолекулярные гомологи – антагонистами.

Используемый в дальнейшем нами термин «рецептор» мы будем в ряде случаев применять для избежания повторения громоздких выражений типа «центры связывания», «мембранактивные центры» и т. п. Во всех случаях речь идет о тех центрах связывания, взаимодействие которых с молекулами ксенобиотика инициирует определенную реакцию клеточной мембраны.

 

Типы химических связей

Оказавшись в непосредственной близости от места связывания (рецептора), молекула вещества немедленно вступает во взаимодействие. Длительность и избирательность этого взаимодействия определяется особенностями химической природы вещества и рецептора, а также типом связей между ними.

В прошлом было распространено мнение, что действие одних веществ имеет «физическую» природу, а других – «химическую». Предполагалось также, что физические свойства вещества определяют его способность проникать к месту действия, а затем происходит его химическое взаимодействие с тем или иным рецептором. В этих гипотезах значение слова «химический» почему-то всегда ограничивалось образованием ковалентных связей.

Сейчас такое противопоставление понятий «физический» и «химический» представляется бессмысленным. Лэнгмюр показал четкую взаимосвязь между физикой и химией этих взаимодействий: каждое вещество обладает определенными физическими свойствами, всегда обусловленными химическими особенностями его структуры. Таким образом, нельзя противопоставлять химические и физические свойства вещества – они являются лишь разными проявлениями одной и той же сущности.

Например, повышение температуры воды до точки кипения является, казалось бы, чисто физическим процессом. Однако, как показал Лэнгмюр, на самом деле при этом происходит деполимеризация, сопровождающаяся разрывом бесчисленного множества водородных связей между молекулами воды, т. е. фактически протекает химическая реакция.

Рассмотрим наиболее важные типы химической связи: ковалентные, ионные (электростатические), водородные и ван-дер-ваальсовы. Эти основные типы могут подразделяться на множества отдельных разновидностей. Образование или разрыв любой из этих связей представляет собой истинную химическую реакцию, протекающую с заметным изменением энергии.

Прочность связей, обычно определяемую экспериментально, можно рассчитать, используя квантово-химические методы.

Ковалентная связь образуется за счет обобществления двумя атомами пары электронов, принадлежащих этим атомам. Она обычно значительно прочнее остальных. Прочность химической связи можно оценить по ее энергии. Для ковалентной связи она колеблется в пределах 230–1000 КДж/моль (поделив на 4,18, мы получим ккал/моль). Так, энергия одинарной простой связи между двумя атомами углерода составляет в среднем 350 КДж/моль, двойной углерод-углеродной связи (С=С) – 600 КДж/моль, между атомами кислорода и углерода (С–О) – 350 КДж/моль, двойной связи (С=О) – 750 КДж/моль, простой связи С–N – 300 КДж/моль, двойной С=N – 620 КДж/моль. Следует подчеркнуть, что энергия самой прочной связи, способной расщепляться неферментативно при «биологических» температурах 20–40 ^оС, не превышает 40 КДж/моль.

Действие многих веществ можно прекратить простым отмыванием. Подобная быстрая обратимость означает, что проявление биологического эффекта не связано с образованием ковалентной связи.

Однако если вещество отмывается от ткани с трудом, то это еще не значит, что оно связано с тканью ковалентной связью. В этом случае может происходить физическое включение ее молекул в изгибы молекул биополимера.

Электростатические взаимодействия. Связи, образованные электростатическими силами, играют важную роль при взаимодействии веществ с мембранными структурами, точно так же, как при реакции субстратов с ферментами. Это объясняется тем, что в подобных процессах участвуют силы с большим радиусом действия; в данном случае притяжение атомов происходит на большом расстоянии. Таким свойством обладает только этот тип связей. Другая характерная особенность – легкость обмена ионов. В биологических средах, содержащих много конкурирующих ионов, продолжительность существования таких связей может составлять 10^–5с именно вследствие ионного обмена. Тем не менее электростатическая связь между веществом и рецептором может происходить в течение длительного периода времени, особенно если расстояние между ними способствует образованию еще и короткодействующих связей, таких как водородные и ван-дер-ваальсовы.

Наиболее часто электростатические связи возникают между ионами (отсюда их название «ионные»). Кроме того, они могут существовать и между ионом и диполем или между двумя диполями. Все они образуются за счет чисто электростатических сил. Энергия ионной связи составляет примерно 20 КДж/моль, причем ее прочность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между разноименными зарядами.

Типичный пример соединений с ионной связью – хлорид натрия (Na⁺Cl^–). В водном растворе ион может двигаться почти свободно в поле действия своего противоиона. Другими словами, ионная связь не имеет строгой направленности в пространстве.

Ион-дипольную связь легко представить себе, если вспомнить, что многие неионизированные вещества имеют очень большие дипольные моменты, и поэтому некоторые из составляющих их атомов несут частичный положительный, а другие частичный отрицательный заряды. Такие молекулы могут притягиваться ионами и образовывать с ними связь (с частью молекулы, обладающей зарядом, противоположным по знаку заряду иона). Такие связи несколько слабее, чем чисто ионные связи. Самым общеизвестным примером ион-дипольной связи можно считать присоединение молекул воды ко всем ионам (в водном растворе), за счет чего возникают гидратированные ионы, резко отличающиеся по своим свойствам от негидратированных ионов в кристаллах.

Существуют относительно слабые диполь-дипольные связи, энергия которых обратно пропорциональна третьей степени расстояния между взаимодействующими частицами.

Водородные связи образуются лишь при очень малом расстоянии между взаимодействующими атомами и достаточно строго ориентированы в пространстве, поэтому они обладают высокой избирательностью и направленностью, что очень важно при связывании вещества с рецептором. Кроме того, они играют основную роль в стабилизации конформаций молекул белков и нуклеиновых кислот.

Высокая концентрация положительного заряда в исключительно малом объеме дает возможность атому водорода выступать в роли связующего между двумя электроотрицательными атомами (в основном между О, N и F), например: – О–Н∙∙∙N–. Атом, участвующий в образовании водородной связи, должен обладать октетом валентных электронов, в котором по крайней мере одна пара электронов остается неподеленной. Атомы, связанные водородной связью, могут находиться в одной и той же или в разных молекулах. Энергия связи обычно составляет 12–20 КДж/моль. Для образования водородной связи атомы должны располагаться на одной прямой с группой ОН или NH и на определенном расстоянии от нее (например, для связи О–Н∙∙∙О это расстояние должно быть равным 0,27 нм). Естественно, что они легко разрываются при нагревании.

Чем больше различие в сродстве к электрону у двух атомов, связанных водородной связью (даже если это атомы одного элемента, например азота), тем она прочнее. Этот тип связи зависит от природы атома. Водородные связи с атомом серы слабее, еще слабее водородные связи с атомами галогенов (за исключением фора); водородную связь с атомами углерода с трудом удается обнаружить.

Типичными примерами твердых веществ, механические свойства которых определяются в основном водородными связями, являются лед, бумага, нейлон.

Ван-дер-ваальсовы связи (или «силы» – по другой номенклатуре) могут возникать только в тех случаях, когда геометрия двух молекул дает возможность двум атомам, способным к образованию связи, подойти друг к другу на достаточно близкое расстояние. Многие полагают, что этот тип связи имеет первостепенное значение в соединении веществ с рецептором. Наличие в молекуле ксенобиотика ионизированной группы способствует сближению молекул до расстояния, на котором начинают действовать ван-дер-ваальсовы силы. Примером таких связей может служить взаимодействие между антигеном и его антителом, которое происходит исключительно за счет сил с малым радиусом действия, т. е. ван-дер-ваальсовых и водородных связей.

Ван-дер-ваальсовы связи образуются благодаря тому, что все молекулы обладают энергией, достаточной для колебаний их атомов. Временные диполи, возникшие в атомах за счет этих колебаний, индуцируют диполи в других, соседних молекулах, что в конечном итоге и приводит к возникновению притяжения между ними. Таким образом, в результате тесного контакта может возникнуть очень прочная связь, энергия которой, например, может составлять 20 КДж/моль.

Энергия ван-дер-ваальсовых сил изменяется обратно пропорционально седьмой степени расстояния, этим и объясняется то, что они действуют только на очень коротких расстояниях. (Так, если расстояние между двумя атомами увеличивается в 2 раза, притяжение между ними падает до 1/128 исходной величины; при ионной связи притяжение снизилось бы только до 1/4 начального значения, а величина диполь-дипольного взаимодействия – до 1/8.)

Непосредственно измерить прочность ван-дер-ваальсовых взаимодействий нельзя, однако их значения можно рассчитать. Прочность ван-дер-ваальсовой связи увеличивается с возрастанием относительной атомной массы (ОАМ), она пренебрежимо мала для атомов водорода и составляет примерно 2 КДж/моль для атомов с ОАМ 12–16, что играет важную роль во взаимодействии вещества с рецептором.

Из всех сил межатомных взаимодействий с достаточной достоверностью можно вычислить силы ион-ионного, ион-дипольного и диполь-дипольного взаимодействий. (Понятие «диполь» здесь означает постоянный диполь, величина и ориентация которого известны или могут быть легко определены, в то время как ван-дер-ваальсовы силы действуют между осциллирующими диполями.)

Эрлих первым подчеркнул, что действие лекарственных веществ обусловлено образованием именно нековалентных связей: ионных, водородных и ван-дер-ваальсовых. В случае образования ковалентных связей между агентом и рецептором, что встречается редко, эффект агента практически необратим.

 

Сочетанное действие ксенобиотиков

При рассмотрении механизмов развития биологической реакции под действием двух или нескольких различных ксенобиотиков возможно три ситуации: аддитивность, синергизм и антагонизм.

Аддитивность – отсутствие влияния одного ксенобиотика на характер действия другого, т. е. биологическая реакция является суммой эффектов, вызываемых каждым веществом.

Синергизм – усиление биологического ответа при совместном действии ксенобиотиков по сравнению с эффектами, вызываемыми каждым веществом в отдельности.

Антагонизм – наоборот, ослабление или подавление биологического эффекта при совместном действии по сравнению с влиянием отдельных агентов.

Наибольший интерес с точки зрения развития биологического ответа при взаимодействии ксенобиотиков с мембранами и их влияния на живые системы представляет такое явление, как антагонизм, причем механизмы, лежащие в основе этого эффекта, могут быть самыми разнообразными.

По месту воздействия на цепь событий, начинающихся с применения агониста и заканчивающихся наблюдаемым биологическим эффектом, антагонисты могут быть разделены на несколько классов. Схема такой таксономии приведена на рис. 4.5.

 

 

Рис. 4.5. Схема пояснения различных типов антагонизма

 

Рассмотрим вкратце отдельные типы проявления антагонистического действия ксенобиотиков.

Химический антагонизм, или антагонизм через нейтрализацию, проявляется при непосредственном взаимодействии антагониста с агонистом, приводящим к инактивации последнего. Подобные взаимодействия можно представить в простейшем случае в виде обратимой бимолекулярной реакции образования неактивного комплекса Е:

А + В Е (4.1)

с константой диссоциации К_В = С_А · С_В / С_Е,

где С_А, С_В и С_Е – концентрация агониста, антагониста и продукта реакции соответственно.

Химический антагонизм является конкурентным взаимодействием, снижающим кажущуюся константу диссоциации агонист-рецепторного комплекса вследствие «конкуренции» между антагонистом и рецепторами за связывание с агонистом.

Реакция нейтрализации антагониста может оказаться необратимой (например, используемые препараты содержат ферменты, осуществляющие деградацию агониста).

Конкурентный антагонизм проявляется обычно в тех случаях, когда антагонист взаимодействует с теми же сайтами, что и агонист, но в отличие от последнего антагонист не вызывает биологической реакции.

Выражение для концентрации агонист-рецепторных комплексов (Z_А) в условиях равновесия впервые получено Гаддумом:

QС_А

Z_А =, (4.2)

С_А + (1 + С_В/К_В)К_А

где Q – наличие мест связывания; С_А, С_В – концентрации эффектора; К_А и К_В – константы диссоциации комплексов агониста и антагониста соответственно.

Важным частным случаем взаимодействия двух лигандов с одним типом рецепторов являются конкурентные отношения между частичным и полным агонистами. Пусть лиганд А₂ так же, как и агонист А₁, способен вызывать определенную биологическую реакцию, но обладает более низкой внутренней активностью, т. е. равные концентрации лиганд-рецепторных комплексов Z_А1 и Z_А2 вызывают неравные реакции: ρ (Z_А1) > ρ (Z_А2). Очевидно, что образование дополнительных комплексов Z_А2 усиливает реакцию при относительно низких концентрациях агониста А_1.

Однако при высоких концентрациях полного агониста А₁ реакция снижается вследствие вытеснения А₁ с части мест связывания менее эффективным агонистом А₂. Таким образом, частичный агонист проявляет во взаимодействии с полным агонистом конкурентный дуализм: усиливает влияние низких концентраций полного агониста, а высоких – ослабляет.

Несколько усложняется схема конкурентных отношений агониста и антагониста в рамках модели «двух состояний рецептора». Предполагается, что взаимодействие с агонистом стабилизирует активированное состояние рецептора R*, а образование комплекса с антагонистом стабилизирует неактивное состояние R. Частичные агонисты могут взаимодействовать с различными константами равновесия К_А и К_А* как с одной, так и с другой формой рецептора, стабилизируя то состояние, которое было у рецептора в момент образования комплекса. Внутренняя активность определяется, таким образом, отношением констант К_А и К_А*.

Совместное действие агониста А и агониста В, образующего комплексы с инактивированной формой рецепторов (константа диссоциации К_В) может происходить по схеме:

к₁

R R* (4.3)

+ к₁' +

В А

к₃ ­¯ к₃' к₂ ­¯ к₂'

RВ R*А ¾® ρ.

Неконкурентный антагонизм реализуется по механизму, аналогичному аллостерическим эффектам при ферментативном катализе. Взаимодействие неконкурентного антагониста с собственными рецепторами не приводит к независимому биологическому эффекту, а снижает эффект при образовании комплекса агонист-рецептор. Обычно рассматривают неконкурентный антагонизм, уменьшающий стимул, вызванный образованием агонист-рецепторных комплексов, или снижающий способность эффекторной системы реагировать на данный стимул. Антагонизм, приводящий к уменьшению внутренней активности агониста или обобщенно к изменению форм зависимости ρ(Ζ), называют метакоидным. Возможен, однако, и другой тип неконкурентных отношений, при котором занятие антагонистом неконкурентного центра (рецептора антагониста) вызывает некоторые изменения рецептора агониста, приводящие к снижению его сродства к агонисту. Такой антагонизм называют метаффиноидным.

Функциональный и физический антагонизмы. Функциональный антагонизм характеризуется взаимодействием двух агентов (агонист и антагонист) с независимыми рецепторными системами, причем вызывается противоположное влияние в одной и той же эффекторной системе.

Совершенно сходным образом определяется понятие физического антагонизма, который вызывается противоположным физиологическим действием эффекторов, активирующих полностью независимые рецептор-эффекторные системы.

Пример первого: антагонизм между действием ацетилхолина и норадреналина на гладкую мускулатуру кишечника; второго – влияние на кровяное давление вазодиляторов и лекарств, стимулирующих деятельность сердца (в случае рассмотрения сердечно-сосудистой системы как единой эффекторной системы).

Между физическим и функциональным антагонизмами не существует принципиальных различий. Условное разграничение функционального и физического антагонизмов может основываться на изменении знака наблюдаемого эффекта с увеличением концентрации агониста. Например, при различных сочетаниях концентраций вазодилитатора и сердечного стимулятора может быть в принципе достигнуто как понижение, так и повышение давления крови. Подобная способность агониста изменять знак наблюдаемого эффекта, указывающая на относительную независимость двух рецептор-эффекторных систем, более характерна для физического антагонизма. С другой стороны, в случае функционального антагонизма обычно считают, что эффект, противоположный наблюдаемому (например, сокращение полностью расслабленной мышцы), невозможен.

Функциональный и физический антагонизмы могут быть представлены в виде следующей общей схемы:

Агонист А + R₁ ¾¾® АR₁ ¾¾® ρ_А

ρ_АВ ¾¾® ρ_АВ, (4.4)

Антагонист В + R₂ ¾¾® ВR₂ ¾¾® ρ_В

где R₁ и R₂ – рецепторы агониста и антагониста; ρ_А и ρ_В – результатирующие субэффекты в рецептор-эффекторных цепях А и В; ρ_АВ – первый субэффект, величина которого зависит от стимула в обоих цепях; ρ_АВ – наблюдаемый эффект.

Бесконкурентный антагонизм предполагает инактивацию комплекса агонист-рецептор лигандом, не способным образовывать комплекс с рецептором, не занятым агонистом. Бесконкурентный антагонизм, таким образом, предполагает наличие двух процессов:

к_А

А + АR ¾¾® ρ, (4.5)

к_А'

к_В

АR + B ARB. (4.6)

к_В'

Бесконкурентный антагонист в равной мере снижает количество рецепторов, способных образовывать эффективный комплекс с агонистом (т. е. в отсутствие резерва рецепторов уменьшает максимально достижимую реакцию), и снижает константу диссоциации этого комплекса (т. е. увеличивает сродство агониста к рецепторам, оказывая действие, противоположное конкурентному антагонизму).

Взаимодействие бесконкурентного антагониста с агонист-рецепторным комплексом представляется возможным лишь в том случае, когда агонист и антагонист обладают сродством к различным функциональным группам рецептора.

Убедительных доводов в пользу существования этого типа антагонизма пока не получено.

Смешанный антагонизм представляет собой более общую схему взаимодействия агониста А и антагониста В с рецепторами, допускающую комплексообразование рецепторов с обоими лигандами, а также образование тройного комплекса:

А + R +В В + АR ¾¾® ρ

к_А1

(4.7)

А + RВ АRВ.

к_А2

Смешанный антагонизм формально эквивалентен действию смеси конкурентного и бесконкурентного антагонистов в равных концентрациях.

Выражение для концентрации комплексов (Z_А) имеет вид:

QС_А

Z_А =. (4.8)

(1 + С_В/К_В2) С_А + (1 + С_В/К_В1)К_А1

В случае относительно низкого сродства антагониста к активному комплексу (к_В2 > к_В1) преобладают признаки конкурентного антагонизма, а низкое сродство антагониста к свободным рецепторам (к_В2 < к_В1) способствует проявлению бесконкурентного антагонизма.