Описание процессов связывания молекул ксенобиотиков с активными сайтами биологических мембран в отсутствии диффузионных ограничений.

Модели Биофазы.

Рецепторная концепция действия ксенобиотиков на клетку или орган предполагает, что в его основе лежит реакция вещества с рецептором. Принято выделять две токсикометрические характеристики ксенобиотика: аффинность и эффективность. Афинность отражает степень сродства токсиканта к рецептору данного типа. Эффективность характеризует способность веществ вызывать определенный эффект после взаимодействия с рецептором.

Развитие реакции биологического ответа на химический раздражитель обычно рассматривается как некоторая функция количества образованных комплексов.

При рассмотрении взаимодействия ксенобиотика с биологическими мембранами важным фактором является доступность мембраноактивных центров для эффектора (рисунок 9). Обычно для анализа кинетических зависимостей используются соотношения, соответствующие случаю отсутствия диффузионных ограничений, т. е. процессы диффузии осуществляются быстрее в сравнении с раз­витием реакции.

 

Рисунок 9 – Концентрационная зависимость связывания эффектора с мембранактивным центром (1)и диссоциация комплекса при удалении эффектора (2). Стрелкой указан момент удаления лиганда

 

1) Рецепторы локализованы прямо на поверхности мембраны (простейший случай). Предполагается, что образование комплекса лиганд (ксенобиотик) – мембраноактивный центр происходит при отсутствии диффузионных ограничений со стехиометрией 1:1 и независимости мест связывания друг от друга. Реакция связывания лиганда А с местом связывания (рецептором) R запишется в виде

где k, k' – константы скоростей прямой и обратной реакций соответственно.

Отношение констант k' / k = К называется константой равновесия комплекса. Она равна концентрации эффектора, вызывающей половинное насыщение мест связывания:

 

 

где Q – общая концентрация мест связываня; Z – скорость изменения концентрации комплексов лиганд – рецептор.

Скорость образования комплексов во времени будет тем большей, чем выше концентрация эффектора. Скорость же распада от нее не зависит.

2)Рецепторы располагаются внутри мембраны. Кривая развития процесса образования комплекса эффектор – рецептор имеет S- образную форму (рисунок 10).

 

Рисунок 10 –Концентрационная зависимость связывания эффектора с мембранактивными центрами

 

Для интерпретации рассматриваемых зависимостей используется ряд подходов. Один из них – это описание на базе балансовых уравнений (так, как это принято в фармакологии и токсикологии). Вводится понятие биофазы – компартмента, содержащего рецепторы и находящегося в контакте со сре­дой.

В простейшем случае, рассмотренном Р. Е. Фурхготтом, биофаза находится в непосредственном контакте с компартментом, являющимся источником эффектора (рисунок 11).

Решения ряда уравнений с различными приближениями приводят к описаниям кривых, характеризующихся наличием лаг-фазы.

 

 

Рисунок 11 –Схема процесса взаимодействия эффектора с рецепторными структурами (модель биофазы)

Допускается существование комплексов лиганд – рецептор с любыми стехиометрическими коэффициентами. Могут, например, существовать многовалентные места связывания (рецепторы), образующие комплексы RA_n путем последовательного присоединения лигандов.

Если присоединение каждой последующей молекулы лиганда зависит от количества ранее связанных с активным центром (рецептором) молекул, то имеют место кооперативные эффекты (например, связывание каждым рецептором двух молекул). Кооперативность бывает:

– отрицательной, если присоединение каждой последующей молекулы затрудняется вследствие «посадки» предыдущей (рисунок 12);

– положительной, если присоединение каждой последующей молекулы облегчается вследствие «посадки» предыдущей.

 

Рисунок 12 –Скэтчардовские графики связывания эффектора с мембранактивными центрами: положительная (1) и отрицательная (2) кооперативность

 

Пример положительной кооперативности: каждая из субъединиц молекулы гемоглобина (состоит из четырех субъединиц: двух α- и двух β-цепей) может связывать одну молекулу кислорода, при этом сродство к кислороду отдельного центра связывания (гема) тем выше, чем больше других центров связывания уже занято молекулами кислорода.

Основные этапы: связывание молекул эффектора с мембранактивными (рецепторными) структурами и «пострецепторное» развитие реакции; условия доступа и взаимодействия эффектора с активными центрами, стехиометрия и кооперативность связывания. Модель биофазы.