Связь процессов ионизации молекул ксенобиотиков с их биологической активностью.

В зависимости от степени ионизации ксенобиотики обладают различной биологической активностью и их можно разделить на три большие группы:

1) ксенобиотики, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии;

2) ксенобиотики, более активные в неионизированном состоянии;

3) ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул.

Вещества, обладающие большей биологической активностью в ионизированном состоянии. В начале XX в. было обнаружено, что многие органические катионы обладают антибактериальной активностью. Так алифатические амины, существующие при рН 7 главным образом в виде катионов, проявляют бактерицидное действие в отличие от ароматических аминов, которые существуют при рН 7 в основном в виде неионизированных молекул и таким действием не обладают.

Тогда антибактериальная активность подобных антисептиков объяснялась щелочностью их водных растворов. Однако при этом не учитывалось то обстоятельство, что те же основания, находящиеся в забуференном растворе, также обладают бактерицидными свойствами.

Ксенобиотики, более активные в неионизированнот состоянии. Неионизированные вещества могут обладать очень сильным физиологическим действием (эфир, хлороформ и др.).

В 1921 г. Вермст обнаружил, что многие слабые кислоты наиболее полно проявляют физиологическую активность в наименее ионизированном состоянии. Исследования проводились в интервале рН от 5 до 8. Степень (количество) ионизированных молекул растет в направлении увеличения рН. Оказалось, что кислота наиболее активна при рН 5. В этом случае количество неионизированной салициловой кислоты (рК_а 3,0) составляет 0,99 %, что значительно больше, чем при остальных исследуемых значениях рН. Самое простое объяснение заключается в том, что нейтральные молекулы, а не анионы, салициловой кислоты ингибируют деление клеток.

При изучении действия слабых кислот на биологические объекты доказано, что количество вещества, необходимое для достижения эффекта, остается постоянным независимо от рН среды при условии, что рН по меньшей мере на одну единицу ниже, чем рК_а; в этом случае не происходит ионизации токсического агента.

В других опытах было также доказано, что эффективность слабых оснований возрастает с повышением рН, т. е. пропорционально снижению их ионизации, эффективность слабых кислот повышается при уменьшении рН, что также связано с уменьшением ионизации.

Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул. Многие вещества, особенно со значениями рК_а в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в виде неионизированных молекул, проявляют свое биологическое действие как ионы.

Ряд азотсодержащих гетероциклов, ионизирующихся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе. Однако было обнаружено, что при слишком высокой степени ионизации активность этих соединений теряется полностью. Это явление объясняется проникновением ингибиторов через мембрану в виде неионизированных молекул, а затем действием их как анионов. Такой механизм характерен для некоторых гербицидов.

Большинство алкалоидов имеют рК_а около 8, поэтому при рН 7,3 примерно 16 % этих соединений остаются неионизированными. Они проникают в клетки в виде неионизированных молекул, а биологическое действие осуществляют в виде катионов.

Обнаружено, что у большинства веществ, наиболее активных в неионизированном состоянии, ионы, тем не менее, обладают некоторой активностью. Примером может служить фунгицидное действие 2,4-динитрофенола (рК_а 4,0) на грибы Trichoderma viride при различных значениях рН.

При изучении биологической активности слабой кислоты обычно оказывается, что для получе­ния стандартной реакции необходимо одинаковое количество ксенобиотика при любых значениях рН, которые на единицу и более ниже значения рК_а. В этих условиях кислота слабо ионизирована и ее биологическая активность определяется прежде всего ионизированными молекулами (рисунок 6).

Таким образом, среди последней группы ксенобиотиков следует различать вещества, проявляющие биологическую активность в виде ионов и неионизированных молекул, и вещества, проходящие через мембрану в неионизированном состоянии и вызывающие биологический эффект внутри клеточного компартмента в виде ионов.

Рисунок 6 –Влияние рН на концентрацию бензойной кислоты, необходимую для ингибирования роста гриба Мисоr. Верхняя кривая относится ко всему препарату в целом (ионы + неионизированные молекулы), нижняя – к неионизированным молекулам

На взаимодействие ксенобиотиков с мембраной оказывает влияние и ионизация мест связывания. Катионные препараты связываются с анионными центрами, которые могут иметь значения рК_а от 2 до 7 (при наличии фосфатных групп), от 2 до 6 (при наличии карбоксильных групп) или 10 (в присутствии остатков тирозина, пиримидина, цистеина). Катионные центры должны иметь значения рК_а 4 (аденин), 7 (гистидин), 10 (лизин), 13 (аргинин).