Для эффективного функционирования многоклеточного организма необходимо точное координированное взаимодействие между различными биологическими молекулами, надмолекулярными и субклеточными структурами, клетками и органами, которые представляют собой функционально единую целостную систему. Физиологические функции органа, системы органов и организма в целом невыполнимы обособленными специализированными клетками и, тем более, субклеточными образованиями. Одним из ключевых этапов эволюции живого явилось приобретение способности макромолекул к обратимому, специфическому межмолекулярному взаимодействию, приводящему к изменению их функциональной активности, что в итоге предопределило регулируемость физиологических процессов на различных уровнях организации биологической системы - молекулярном, надмолекулярном, субклеточном, клеточном, органном и, наконец, в организме в целом. Биохимические процессы внутри клеток многоклеточного организма согласованы и, одновременно, адекватны возможностям отдельной клетки, ее способности участвовать в работе целостного организма. Подобный характер клеточного поведения в многоклеточном организме обусловлен способностью клеток вступать в регулируемые как со стороны клетки, так и со стороны организма, межклеточные, матрикс-клеточные и гуморально-клеточные взаимодействия посредством специализированных структур пептидной природы - рецепторов. Посредством межклеточных, матрикс-клеточных и гуморально-клеточных взаимодействий из клеток различной физиологической специализации, в которых осуществляется согласованная регуляция метаболической активности, позволяющая им выполнять физиологические функции, присущие органу/системе органов формируется функционально единая структура ткани, органа, организма в целом.
Структуры цитоплазматической мембраны многоклеточного организма в ходе эволюции формировались на основе уже существующих внутриклеточных структур пептидной природы 1 . Модификация соответствующих генов и эволюционный отбор обеспечили как сохранение определенных доменов белковой молекулы, получивших название эволюционно-консервативных, так и способствовали появлению новых, призванных выполнять специализированные функции. Наличие эволюционно-консервативных доменов в молекулах пептидной природы различного функционального назначения значимо, в числе прочего, для регуляции их функциональной активности по единым принципам, едиными воздействиями.
Домены молекул пептидной природы , обогащенных остатками серы в составе цистеина, принадлежат к эволюционно-консервативным компонентам молекулярной структуры. Обогащенные цистеином эволюционно-консервативные домены обнаружены в составе внеклеточных и внутриклеточных транспортных, регулирующих, сенсорных, исполнительных, структурных и других, по функциональному назначению, молекул пептидной природы
Рецепторные тирозинкиназы имеют эволюционно консервативный внеклеточный домен, обогащенный остатками цистеина. Сульфгидрильные группы остатков цистеина в составе поверхностно-клеточных доменов рецепторов чувствительны к действию окисляющих реагентов, приводящих к образованию внутримолекулярных и межмолекулярных дисульфидных сшивок (связей) , изменяющих функциональный статус поверхностно-клеточного домена (например, повышение тропности и/или специфичности в отношении агониста или агонистов) и/или инициирующих активность рецепторной тирозинкиназы 2 .
Остатки серы в составе цистеина эволюционно-консервативных доменов молекул пептидной природы являются одними из важнейших точек приложения факторов, влияющих на конформацию молекул пептидной природы 3 4 .
Возможность обратимого, регулируемого изменения конформации внеклеточных и внутриклеточных молекул пептидной природы (включая рецепторы, мембранные транспортеры, ионные каналы, ферменты и другие специализированные молекулы пептидной природы ), сопряженная с их способностью к выполнению физиологических функций, сделала конформационные перестройки на уровне третичной и четвертичной структур одним из эффективных универсальных механизмов воздействия на активность различных белков, включая молекулы, ответственные за межклеточные, матрикс-клеточные, гуморально-клеточные взаимодействия, обмен ионами и субстратами, организацию структуры клетки и ее метаболическую активность 5 6 7
Регуляторное воздействие на остатки серы в составе цистеина эволюционно-консервативных доменов структурных и функциональных молекул пептидной природы внеклеточного и внутриклеточного пространств определяется, в числе прочего, окислительно-восстановительным (редокс) окружением. Редокс-окружение отражает уровень соотношения взаимопревращаемых окисленной и восстановленной специфической редокс-пары. Редокс-окружение, образуемое взаимосвязанными редокс-парами в биологических жидкостях внеклеточного пространства, цитозоля и органелл клеток определяется суммированием в них восстановительного потенциала и восстановительной емкостью этих редокс пар.
Восстанавливающие эквиваленты преобладают как во внутриклеточном пространстве, так и вне клетки, но величина их отношения к окисляющим формам вне клетки и в ряде органелл несколько ниже внутриклеточного значения в цитозоле. Вследствие этого окружающая клетки среда и среда ряда внутриклеточных органелл характеризуется большей окисляющей способностью в сравнении с цитозолем 8 9 10
Функционально-активные конформации молекул внутриклеточного и внеклеточного пространства адаптированы к эволюционно сложившимся особенностям окислительно-восстановительных условий. Как отмечалось выше, остатки серы в составе цистеина структурных и регуляторных молекул пептидной природы являются одними из важнейших точек приложения эффекторных молекул, осуществляющих редокс-модуляцию. Цистеин сосредоточен в эволюционно-консервативных доменах структурных и функциональных молекул пептидной природы. Остатки цистеина эволюционно консервативных доменов регуляторных, структурных, каталитических молекул пептидной природы , редокс-модуляция связи серы которых приводит к изменению конформации и/или функциональной активности, получили обозначение «горячих цистеинов». Сульфгидрильные группы цистеина принимают участие в большинстве реакций в виде меркаптидного иона RS?. Меркаптидные ионы белков более реакционоспособны и легче подвержены окислению, чем недиссоциированные сульфгидрильные группы. Значение рК а (константы ионизации) у SH-групп белков варьирует в широких пределах и в значительной степени определяется их взаимодействием с соседними функциональными группами в молекуле. Наличие положительно заряженной группы в непосредственной близости от SH-группы понижает ее константу ионизации. Значение рК а большинства SH-групп в активных центрах ферментов составляет приблизительно 8,5 11 12 . Следовательно, при физиологическом значении рН в клеточном микроокружении и клетке (~7,4) существующие сульфгидрильные группы большинства молекул пептидной природы остаются неионизированными из-за высокого значения рК а, поэтому они устойчивы к окислению. «Горячие цистеины» эволюционно консервативных доменов окружены близлежащими положительно заряженными группами, вследствие чего их рК а колеблется от 4,7 до 5,4. Таким образом, сульфгидрильная группа в их составе ионизирована даже при физиологическом значении рН и легко подвергается окислительной модификации. Функционально активная конформация основной массы внутриклеточных молекул пептидной природы формируется при восстановлении остатков серы в составе «горячих цистеинов» до сульфгидрильных групп 13 14 15 16 . Напротив, функционально активная конформация основной массы внеклеточных молекул пептидной природы формируется при образовании дисульфидной связи между остатками серы «горячих цистеинов» 17 18 19 20 .
Восстановленный (GSH) и окисленный глутатион (GSSG) представляют одну из основных биохимических пар биологических пространств, значение соотношения которых (GSH/GSSG) определяет величину окислительно-восстановительного потенциала соответствующего физиологического пространства 21 22 . Физиологически необходимое значение соотношения GSH/GSSG регулируется и формируется соответствующими биохимическими системами, отслеживается молекулярными редокс-сенсорами в структуре поверхностно-клеточных рецепторов, ионных каналов, биорегуляторов, ферментов, транспортеров цитоплазматической мембраны и других молекул пептидной природы внутриклеточного и внеклеточного пространств 23 24 . Следствием реакции молекулярного редокс-сенсора на изменение величины редокс-потенциала является формирование регуляторного сигнала, влияющего на биохимические процессы или процесс, клеточную реакцию или реакции 25 26 , определяющие, с одной стороны, клеточный ответ, с другой - восстановление физиологически адекватной величины редокс-потенциала. В этой связи, факторы, влияющие на величину соотношения между восстановленным и окисленным глутатионом (активные формы кислорода 27 , активные формы азота 28 29 30 , монооксид углерода 31 , органические перекиси 32 ), способны модулировать биохимические процессы и клеточные реакции посредством изменения величины редокс потенциала и величины соотношения в системе восстановленный/окисленный глутатион.
Рисунки 2 и 3 на примере биорегуляторов и их рецепторов иллюстрируют принцип молекулярного механизма участия сульфгидрильных групп эволюционно консервативных цистеин-содержащих доменов, восстановленного (GSH) и окисленного (GSSG) глутатиона в контроле функциональной активности молекул пептидной природы внеклеточного пространства.
Рис.2. Воздействие с участием восстановленного глутатиона (GSH) на дисульфидные сшивки (связи) в структуре функционально активных внеклеточных и/или их поверхностно-клеточных рецепторов приводит к формированию пула молекул, конформация которых ограничивает их физиологически адекватные взаимодействия.
Рис.3. Воздействие на сульфгидрильные (SH) группы в структуре функционально неактивных внеклеточных биорегуляторов пептидной природы и/или их поверхностно-клеточных рецепторов, обусловленное снижением величины редокс-потенциала вследствие увеличения количества окисленного глутатиона (GSSG), приводит к формированию пула молекул, конформация которых адекватна характеру ситуационно обусловленных физиологических взаимодействий.
Необходимо отметить, что активные формы кислорода, активные формы азота, органические перекиси способны непосредственно осуществлять окислительную модификацию сульфгидрильных групп до сульфенатов. Однако, физиологический характер такого воздействия будет реализован, если после образования сульфената с участием GSH образуется смешанный дисульфид с глутатионом (реакция глутатионилирования) и далее будет осуществлен упорядоченный ферментативный процесс формирования правильной дисульфидной сшивки или восстановления остатка серы в составе цистеина 33 . В противном случае может произойти необратимое окисление остатка серы в составе цистеина до цистин-сульфоновой кислоты (Cys-SO 3 H) и, как следствие, утрата возможности регулировать функцию белка.
Фармакодинамика - раздел клинической фармакологии, изучающий механизмы действия, характер, силу и длительность фармакологических эффектов ЛС, используемых в клинической практике.
Пути воздействия ЛС на организм человека
Большинство ЛС, связываясь с рецепторами или другими молекулами-мишенями, образуют комплекс «ЛС-рецептор», при этом происходит запуск определённых физиологических или биохимических процессов (или количественное их изменение) в организме человека. В таком случае говорят о прямом действии ЛС. Структура ЛС прямого действия, как правило, аналогична строению эндогенного медиатора (однако при взаимодействии ЛС и медиатора с рецептором нередко регистрируют различные эффекты).
Группы лекарственных средств
Для удобства примем величину эффекта эндогенного медиатора, связывающегося с рецептором, равной единице. Существует классификация ЛС, созданная на основе данного предположения.
Агонисты - ЛС, связывающиеся с теми же рецепторами, что и эндогенные медиаторы. Агонисты производят эффект, равный единице (или больше единицы).
Антагонисты - ЛС, соединяющиеся с теми же рецепторами, что и эндогенные медиаторы; не оказывают никакого действия (в таком случае говорят о «нулевом эффекте»).
Частичные агонисты или агонисты-антагонисты - ЛС, связывающиеся с тем же рецепторами, что и эндогенные медиаторы. Эффект, регистрируемый при взаимодействии частичного агониста с рецептором, всегда больше нуля, но меньше единицы.
Все естественные медиаторы - агонисты своих рецепторов.
Нередко отмечают опосредованное действие, заключающееся в изменении активности молекул-мишеней под влиянием ЛС (воздействует таким образом на различные метаболические процессы).
Молекулы-мишени ЛС
ЛС, связываясь с молекулой-мишенью, принадлежащей клетке (или расположенной внеклеточно), модифицирует её функциональный статус, приводя к усилению, ослаблению или стабилизации филогенетически детерминированных реакций организма.
Рецепторы.
- Мембранные (рецепторы I, II и III типов).
- Внутриклеточные (рецепторы IV типа).
Нерецепторные молекулы-мишени цитоплазматической мембраны.
- Цитоплазматические ионные каналы.
- Неспецифические белки и липиды цитоплазматической мембраны.
Иммуноглобулиновые молекулы-мишени.
Ферменты.
Неорганические соединения (например, соляная кислота и металлы).
Молекулы-мишени обладают комплементарностью к эндогенным медиаторам и соответствующим ЛС, заключающейся в определён- ном пространственном расположении ионных, гидрофобных, нуклеофильных или электрофильных функциональных групп. Многие ЛС (антигистаминные препараты I поколения, трициклические антидепрессанты и некоторые другие) могут связываться с морфологически близкими, но функционально отличающимися молекуламимишенями.
Виды связей лекарственных средств с молекулами-мишенями
Самые слабые связи между ЛС и молекулой-мишенью - ван-дерваальсовые связи, обусловленные дипольными взаимодействиями; наиболее часто определяют специфичность взаимодействия препарата и молекулы-мишени. Гидрофобные связи, характерные для ЛС стероидной структуры, более сильные. Гидрофобные свойства глюкокортикостероидных гормонов и липидного бислоя плазматической мембраны позволяют таким ЛС легко проникать через цитоплазматическую и внутриклеточную мембраны внутрь клетки и ядра к своим рецепторам. Ещё более сильные водородные связи образуются между атомами водорода и кислорода соседних молекул. Водородные и вандер-ваальсовые связи возникают при наличии комплементарности ЛС и молекул-мишеней (например, между агонистом или антагонистом и рецептором). Их сила достаточна для образования комплекса ЛС-ре- цептор.
Наиболее сильные связи - ионные и ковалентные. Ионные связи формируются, как правило, между ионами металлов и остатками сильных кислот (антациды) при поляризации. При соединении ЛС и рецептора возникают необратимые ковалентные связи. Антагонис-
ты необратимого действия связываются с рецепторами ковалентно. Большое значение имеет образование координационных ковалентных связей. Стабильные хелатные комплексы (например, соединение ЛС и его антидота - унитиола* с дигоксином) - простая модель координационной ковалентной связи. При формировании ковалентной связи обычно происходит «выключение» молекулы-мишени. Этим объясняют формирование стойкого фармакологического эффекта (антиагрегантный эффект ацетилсалициловой кислоты - результат её необратимого взаимодействия с циклооксигеназой тромбоцитов), а также развитие некоторых побочных эффектов (ульцерогенное влияние ацетилсалициловой кислоты - следствие образования неразрывной связи между данным лекарственным веществом и циклооксигеназой клеток слизистой оболочки желудка).
Нерецепторные молекулы-мишени плазматической мембраны
Препараты, используемые для ингаляционного наркоза - пример ЛС, связывающихся с нерецепторными молекулами-мишенями плазматической мембраны. Средства для ингаляционного наркоза (галотан, энфлуран*) неспецифически соединяются с белками (ионными каналами) и липидами плазматической мембраны центральных нейронов. Существует мнение, что в результате такого связывания препараты нарушают проводимость ионных каналов (в том числе натриевых), приводя к увеличению порога потенциала действия и уменьшению частоты его возникновения. Средства для ингаляционного наркоза, соединяясь с элементами мембран центральных нейронов, вызывают обратимое изменение их упорядоченной структуры. Данный факт под- тверждён экспериментальными исследованиями: анестезированные животные быстро выходят из состояния общего наркоза при помещении их в гипербарическую камеру, где происходит восстановление мембранных нарушений.
Нерецепторные плазматические структуры (потенциал-зависимые натриевые каналы) также выполняют функции молекул-мишеней местных анестетиков. ЛС, связываясь с потенциал-зависимыми натриевыми каналами аксонов и центральных нейронов, блокируют каналы, и, таким образом, нарушают их проводимость для ионов натрия. В результате происходит нарушение деполяризации клетки. Терапевтические дозы местных анестетиков блокируют проводимость периферических нервов, а токсические их количества угнетают и центральные нейроны.
У некоторых ЛС отсутствуют свои молекулы-мишени. Однако такие препараты выполняют функцию субстратов для многих метаболических реакций. Существует понятие «субстратного действия» ЛС:
их применяют для восполнения недостатка различных необходимых организму субстратов (например, аминокислоты, витамины, витаминно-минеральные комплексы и глюкоза).
Рецепторы
Рецепторы - белковые макромолекулы или полипептиды, нередко соединённые с полисахаридными ветвями и остатками жирных кислот (гликопротеины, липопротеины). Каждое ЛС можно сравнить с ключом, подходящим к своему замку - специфическому рецептору данного вещества. Однако только часть молекулы рецептора, называемая сайтом связывания, представляет «замочную скважину». ЛС, соединяясь с рецептором, потенцирует формирование в нём конформационных изменений, приводящих к функциональным изменениям других частей рецепторной молекулы.
Типичная схема работы рецепторов включает четыре этапа.
Связывание ЛС с рецептором, расположенным на клеточной поверхности (или внутриклеточно).
Образование комплекса ЛС-рецептор и, следовательно, изменение конформации рецептора.
Передача сигнала от комплекса ЛС-рецептор к клетке через различные эффекторные системы, многократно усиливающие и интерпретирующие этот сигнал.
Клеточный ответ (быстрый и отсроченный).
Выделяют четыре фармакологически значимых типа рецепторов
Рецепторы - ионные каналы.
Рецепторы, сопряжённые с G-белками.
Рецепторы, обладающие тирозинкиназной активностью.
Внутриклеточные рецепторы. Мембранные рецепторы
Рецепторы I, II и III типов встроены в плазматическую мембрану - трансмембранные белки по отношению к клеточной мембране. Рецепторы IV типа расположены внутриклеточно - в ядре и других субклеточных структурах. Кроме того, выделяют иммуноглобулиновые рецепторы, представляющие гликопротеиновые макромолекулы.
Рецепторы I типа имеют вид и строение ионных каналов, обладают сайтами связывания со специфическим ЛС или медиатором, индуцирующим открытие ионного канала, образованного рецептором. Один из представителей I типа рецепторов - N-холинорецептор - гликопротеин, состоящий из пяти трансмембранных полипептидных субъединиц. Выделяют четыре вида субъединиц - α, β, γ и δ тип. В состав гликопротеина входят по одной субъединице β, γ и δ типа и
две α субъединицы. Трансмембранные полипептидные субъединицы имеют вид цилиндров, пронизывающих мембрану и окружающих узкий канал. Каждый тип субъединиц кодирует собственный ген (однако гены обладают значительной гомологией). Участки связывания ацетилхолина локализуются на «внеклеточных концах» α-субъединиц. При связывании ЛС с этими участками наблюдают конформационные изменения, приводящие к расширению канала и облегчению проводимости ионов натрия, а следовательно, к деполяризации клетки.
К I типу рецепторов, кроме N-холинорецептора, относят также ГАМК А -рецептор, глициновые и глутаматные рецепторы.
Рецепторы, сопряжённые с G-белками (II тип) - самая многочисленная группа рецепторов, обнаруженных в организме человека; выполняют важные функции. С рецепторами II типа связываются большинство нейромедиаторов, гормонов и ЛС. К наиболее распро- странённым клеточным рецепторам этого типа относят вазопрессиновые и ангиотензиновые, α-адренорецепторы, β-адренорецепторы и м-холинорецепторы, опиатные и дофаминовые, аденозиновые, гистаминовые и многие другие рецепторы. Все вышеперечисленные рецепторы - мишени ЛС, составляющих обширные фармакологические группы.
Каждый рецептор второго типа представляет полипептидную цепь с N-концом (расположен во внеклеточной среде) и С-концом (локализован в цитоплазме). При этом полипептидная цепь рецептора семь раз пронизывает плазматическую мембрану клетки (имеет семь трансмембранных сегментов). Таким образом, структуру рецептора II типа можно сравнить с нитью, поочерёдно прошивающей ткань с обеих сторон семь раз. Специфичность различных рецепторов второго типа зависит не только от аминокислотной последовательности, но и от длины и соотношения «петель», выпячивающихся наружу и внутрь клетки.
Рецепторы второго типа образуют комплексы с мембранными G-белками. G-белки состоят из трёх субъединиц: α, β и γ. После связывания рецептора с ЛС образуется комплекс ЛС-рецептор. Затем в рецепторе происходят конформационные изменения. G-белок, связываясь одной или двумя субъединицами со своими «мишенями», активирует или ингибирует их. Аденилатциклаза, фосфолипаза С, ионные каналы, циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)-фосфодиэстераза - мишени G-белка. Как правило, активированные ферменты передают и усиливают «сигнал» через системы вторичных посредников.
Рецепторы с тирозинкиназной активностью
Рецепторы с тирозинкиназной активностью (III тип) - рецепторы пептидных гормонов, регулирующих рост, дифференцировку и
развитие. К пептидным гормонам относят, например, инсулин, эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов. Как правило, связывание рецептора с гормоном активирует тирозиновую протеинкиназу, представляющую цитоплазматическую часть (домен) рецептора. Мишень протеинкиназы - рецептор, обладающий способностью к аутофосфорилированию. Каждый полипептидный рецептор имеет один трансмембранный сегмент (домен).
Однако, как показали исследования, не тирозиновая протеинкиназа, а гуанилатциклаза, катализирующая образование вторичного посредника цГМФ, выполняет функции цитоплазматического домена рецептора предсердного натрийуретического пептида.
Внутриклеточные рецепторы
К внутриклеточным рецепторам (IV тип) относят рецепторы глюкокортикостероидных и тиреоидных гормонов, а также рецепторы ретиноидов и витамина D. В состав группы внутриклеточных рецепторов входят рецепторы, не связанные с плазматической мембраной, локализованные внутри ядра клетки (это главное отличие).
Внутриклеточные рецепторы представляют растворимые ДНК-связывающие белки, регулирующие транскрипцию определённых генов. Каждый рецептор IV типа состоит из трёх доменов - гормон-связывающего, центрального и N-терминального (домен N-конца молекулы рецептора). Эти рецепторы качественно и количественно регулируют уровень транскрипции определённого «набора» генов, специфичного для каждого рецептора, а также вызывают модификацию биохимического и функционального статуса клетки и её метаболических процессов.
Эффекторные системы рецепторов
Существуют различные способы передачи сигналов, формирующихся в процессе функционирования рецепторов, клетке. Путь передачи сигнала зависит от типа рецептора (табл. 2-1).
Главные вторичные посредники - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), ионы кальция, инозитолтрифосфат и диацилглицерол.
Иммуноглобулины (иммуноглобулиновые рецепторы)
С помощью иммуноглобулиновых рецепторов клетки имеют возможность «узнавать» друг друга или антигены. В результате взаимодействия рецепторов происходит адгезия клетки с клеткой или клетки с антигеном. К рецепторам этого типа относят и антитела, свободно циркулирующие во внеклеточных жидкостях и не связанные с клеточными структурами. Антитела, «маркируя» антигены для последующего фагоцитоза, отвечают за развитие гуморального иммунитета.
Таблица 2-1. Эффекторные системы рецепторов
Тип рецептора Пример рецептора Способы передачи сигналов
К типу иммуноглобулинов принадлежат рецепторы, выполняющие функцию «сигнализации» при формировании различных видов и фаз иммунного ответа и иммунной памяти.
Основные представители рецепторов иммуноглобулинового типа (суперсемейства).
Антитела - иммуноглобулины (Ig).
Т-клеточные рецепторы.
Гликопротеины МНС I и МНС II (Major Histocompatibility Complex - главный комплекс гистосовместимости).
Гликопротеины клеточной адгезии (например, CD2, CD4 и CD8).
Некоторые полипептидные цепи комплекса CD3, ассоциированного с Т-клеточными рецепторами.
Fc-рецепторы, расположенные на различных типах лейкоцитов (лимфоциты, макрофаги, нейтрофилы).
Функциональная и морфологическая обособленность иммуноглобулиновых рецепторов позволяет выделить их в отдельный тип.
Ферменты
Многие ЛС, связываясь с ферментами, обратимо или необратимо ингибируют или активируют их. Так, антихолинэстеразные средства усиливают действие ацетилхолина, блокируя расщепляющий его фермент - ацетилхолинэстеразу. Ингибиторы карбоангидразы - группа диуретиков, опосредованно (под влиянием карбоангидразы) уменьшающих реабсорбцию ионов натрия в проксимальных канальцах. НПВС - ингибиторы циклооксигеназы. Однако ацетилсалициловая кислота, в отличие от других НПВС, необратимо блокирует циклооксигеназу, ацетилируя остатки серина (аминокислота) в молекуле фермента. Существует два поколения ингибиторов моноаминоксидазы (МАО). Ингибиторы МАО - ЛС, относящиеся к группе антидепрессантов. Ингибиторы МАО первого поколения (например, фенелзин и изокарбоксазид) необратимо блокируют фермент, окисляющий такие моноамины, как, норадреналин* и серотонин (их недостаток обнаруживают при депрессии). Новое поколение ингибиторов МАО (например, моклобемид) обратимо ингибирует фермент; при этом отмечают меньшую выраженность побочных эффектов (в частности, «тираминового» синдрома).
Неорганические соединения
Существуют ЛС, направленно нейтрализующие или связывающие активные формы различных неорганических соединений. Так, антациды нейтрализуют избыток соляной кислоты желудочного сока, умень-
шая её повреждающее действие на слизистую оболочку желудка и двенадцатиперстной кишки.
Хелатообразующие вещества (комплексоны), соединяясь с опре- делёнными металлами, образуют химически инертные комплексные соединения. Этот эффект используют при лечении отравлений, вызванных приёмом внутрь (или ингаляционно) веществ, содержащих различные металлы (мышьяк, свинец, железо, медь).
Молекулы-мишени, расположенные на чужеродных организмах
Механизмы действия антибактериальных, антипротозойных, антигельминтозных, противогрибковых и противовирусных ЛС очень разнообразны. Приём антибактериальных препаратов, как правило, приводит к нарушению различных этапов синтеза клеточной стенки бактерий (например, к синтезу дефектных белков или РНК в бактериальной клетке) или изменению других механизмов поддержания жизнедеятельности микроорганизма. Подавление или эрадикация возбудителя инфекции - главная цель лечения.
Механизм бактерицидного действия β-лактамных антибиотиков, гликопептидов и изониазида - блокада различных этапов синтеза клеточной стенки микроорганизмов. Все β-лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы) обладают сходным принципом действия. Пенициллины производят бактерицидный эффект, связываясь с пенициллинсвязывающими белками бактерий (выполняют функции ферментов на завершающем этапе синтеза основного компонента клеточной стенки бактерий - пептидогликана). Общность механизма действия β-лактамных антибиотиков заключается в создании препятствий для образования связей между полимерными цепями пептидогликанов с помощью пентаглициновых мостиков (часть структуры антибактериальных препаратов напоминает D-аланил-D-аланин-пептидную цепь клеточной стенки бактерий). Гликопептиды (ванкомицин и тейкопланин*) нарушают синтез клеточной стенки другим способом. Так, ванкомицин оказывает бактерицидное действие, соединяясь со свободной карбоксильной группой пентапептида; таким образом, возникает пространственное препятст-
вие элонгации (удлинения) пептидогликанового хвоста. Изониазид (противотуберкулёзное ЛС) ингибирует синтез миколевых кислот - структурного компонента микобактериальной клеточной стенки.
Механизм бактерицидного действия полимиксинов состоит в нарушении целостности цитоплазматической мембраны бактерий.
Аминогликозиды, тетрациклины, макролиды и левомицетин* угнетают синтез белка бактериальных клеток. Рибосомы бактерий (50S- субъединицы и 30S-субъединицы) и рибосомы человека (6OS-субъеди- ницы и 40S-субъединицы) имеют различную структуру. Этим объясняют избирательное влияние названных групп лекарственных веществ на микроорганизмы. Аминогликозиды и тетрациклины соединяются с 30S-субъединицей рибосомы и ингибируют связывание аминоацилтРНК с А-участком этой тРНК. Кроме того, аминогликозиды нарушают процессы считывания мРНК, блокируя синтез белка. Левомицетин * изменяет процесс транспептидации (перенос растущей аминокислотной цепи на рибосоме с Р-участка на А-участок к вновь приносимым тРНК аминокислотам). Макролиды связываются с 50S-субъединицей рибосомы и ингибируют процесс транслокации (перенос аминокислотной цепи с А-участка на Р-участок).
Хинолоны и фторхинолоны угнетают ДНК-гиразы (топоизомеразу II и топоизомеразу IV) - ферменты, способствующие скручиванию бактериальной ДНК в спираль, необходимую для нормального её функционирования.
Сульфаниламиды ингибируют дигидроптероатсинтетазу, тем самым блокируя синтез предшественников пуринов и пиримидинов (дигидроптеровой и дигидрофолиевой кислот), необходимых для построения ДНК и РНК. Триметоприм угнетает дигидрофолатредуктазу (сродство к бактериальному ферменту очень высоко), нарушая образование тетрагидрофолиевой кислоты (предшественника пуринов и пиримидинов) из дигидрофолиевой. Итак, сульфаниламиды и триметоприм действуют в синергизме, блокируя разные стадии одного процесса - синтеза пуринов и пиримидинов.
5-Нитроимидазолы (метронидазол, тинидазол) оказывают избирательное бактерицидное действие в отношении бактерий, ферментные системы которых способны восстанавливать нитрогруппу. Активные восстановленные формы этих ЛС, нарушая репликацию ДНК и синтез белка, ингибируют тканевое дыхание.
Рифампицин (противотуберкулёзный препарат) специфически угнетает синтез РНК.
Противогрибковые и противовирусные средства обладают некоторым сходством механизмов действия. Производные имидазола и триазола ингибируют синтез эргостерола - главного структурного компо-
нента грибковой клеточной стенки, а полиеновые антибактериальные препараты (амфотерицин, нистатин) связываются с ним. Флуцитозин (противогрибковое ЛС) блокирует синтез грибковой ДНК. Многие противовирусные ЛС (например, ацикловир, идоксуридин, зидовудин - аналоги нуклеозидов) также угнетают синтез вирусных ДНК и
N-холинорецепторы нервно-мышечных синапсов гельминтов - молекулы-мишени таких противогельминтных ЛС, как, пирантел и левамизол. Стимуляция данных рецепторов вызывает тотальный спастический паралич.
Характер, сила и длительность действия ЛС
Длительность, силу и способ взаимодействия ЛС и молекулы-мишени характеризует фармакологический ответ (как правило, обусловлен прямым действием препарата, реже - изменением сопряжённой системы, и только в единичных случаях регистрируют рефлекторный фармакологический ответ).
Основным действием ЛС считают эффект вещества, используемый при лечении данного больного. Другие фармакологические эффекты рассматриваемого ЛС называют второстепенными (или неосновными). Функциональные нарушения, вызванные приёмом препарата, рассматривают как нежелательные реакции (см. главу 4 «Побочные эффекты лекарственных средств»). Один и тот же эффект в одном случае может быть основным, а в другом - второстепенным.
Выделяют генерализованное или локальное (местное) действия ЛС. Местные эффекты наблюдают при использовании мазей, присыпок или ЛС, принимаемых внутрь, не всасывающихся в ЖКТ, либо, наоборот, хорошо всасывающихся, но концентрирующихся в одном органе. В большинстве случаев при проникновении ЛС в биологические жидкости организма его фармакологический эффект может сформироваться в любой точке организма.
Способность многих ЛС воздействовать при монотерапии на различные уровни регуляции и процессы клеточного метаболизма одновременно в нескольких функциональных системах или органах доказывает полиморфизм их фармакологического эффекта. С другой стороны, столь большое многообразие мишеней на всех уровнях регуляции объясняет одинаковый фармакологический эффект ЛС, имеющих различную химическую структуру.
Хаотическое движение молекул позволяет ЛС оказаться вблизи оп- ределённого участка (при высоком аффинитете к рецепторам); при этом необходимого эффекта достигают даже при назначении низких концентраций ЛС. При увеличении концентрации молекул ЛС,
они вступают в реакцию с активными центрами других рецепторов (к которым у них меньший аффинитет); в результате возрастает число фармакологических эффектов, а также исчезает их селективность. Например, β 1 -адреноблокаторы в небольших дозах ингибируют только β 1 -адренорецепторы. Однако при увеличении дозы β 1 -адреноблокаторов, их селективность исчезает, при этом отмечают блокаду всех β-адренорецепторов. Подобную картину наблюдают и при назначении β-адреномиметиков. Таким образом, при увеличении дозы ЛС наряду с некоторым усилением клинического эффекта всегда регистрируют, и значительно, увеличение количества побочных эффектов.
Состояние молекулы-мишени (как в основной, так и в сопряжён- ной системе) необходимо учитывать при прогнозировании и оценке эффективности действия ЛС. Нередко преобладание побочных эффектов над основным действием обусловлено нарушением физиологического баланса вследствие характера заболевания или индивидуальных особенностей пациента.
Более того, сами ЛС могут изменять чувствительность молекул-мишеней, варьируя скорости их синтеза или деградации или индуцируя формирование различных модификаций мишеней под действием внутриклеточных факторов, - всё это приводит к изменению фармакологического ответа.
По фармакологическим эффектам ЛС можно разделить на две группы - вещества, обладающие специфическим и неспецифическим действием. К ЛС неспецифического действия относят препараты, вызывающие развитие широкого спектра фармакологических эффектов путём влияния на различные системы биологического обеспечения. В эту группу ЛС входят, в первую очередь, субстратные вещества: витаминные комплексы, глюкоза и аминокислоты, макроэлементы и микроэлементы, а также растительные адаптогены (например, женьшень и элеутерококк). В связи с отсутствием чётких границ, определяющих основной фармакологический эффект данных ЛС, их назначают большому количеству пациентов при разных заболеваниях.
Если ЛС действует (как агонист или антагонист) на рецепторный аппарат определённых систем, его влияние рассматривают как специфическое. К этой группе ЛС относят антагонисты и агонисты различных подтипов адренорецепторов, холинорецепторов и т.д. Органное расположение рецепторов не влияет на эффект, производимый препаратами специфического действия. Поэтому, несмотря на специфичность действия данных ЛС, регистрируют различные фармакологические ответы. Так, ацетилхолин вызывает сокращение гладких мышц бронхов, пищеварительного тракта, увеличивает секрецию слюнных желёз. Атропин производит противоположный эффект. Избиратель-
ность или селективность действия ЛС отмечают только при изменении активности системы только в определённой её части или в одном органе. Например, пропранолол блокирует все β-адренорецепторы симпатоадреналовой системы. Атенолол - селективный β 1 -адреноблокатор - блокирует только β 1 -адренорецепторы сердца и не влияет на β 2 -адренорецепторы бронхов (при использовании небольших доз). Сальбутамол избирательно стимулирует β 2 -адренорецепторы бронхов, оказывая незначительное действие на β 1 -адренорецепторы сердца.
Избирательность (селективность) действия ЛС - способность вещества накапливаться в ткани (зависит от физико-химических свойств ЛС) и производить требуемый эффект. Избирательность обусловлена также сродством к рассматриваемому морфологическому звену (с учё- том строения клеточной мембраны, особенностей клеточного метаболизма и т.д.). Большие дозы селективно действующих ЛС чаще всего оказывают влияние на всю систему, но вызывают фармакологический ответ, соответствующий специфическому действию ЛС.
Если основная масса рецепторов взаимодействует с ЛС, то отмечают быстрое наступление фармакологического эффекта и его большую выраженность. Процесс происходит только при высоком аффинитете ЛС (его молекула может иметь строение, сходное со структурой естественного агониста). Активность ЛС и длительность его действия в большинстве случаев пропорциональны скорости образования и диссоциации комплекса с рецептором. При повторном введении ЛС иногда регистрируют снижение эффекта (тахифилаксию), т.к. не все рецепторы освободились от предыдущей дозы препарата. Уменьшение выраженности эффекта происходит и в случае истощения рецепторов.
Реакции, регистрируемые при введении лекарственных средств
Ожидаемый фармакологический ответ.
Гиперреактивность - повышенная чувствительность организма к используемому ЛС. Например, при сенсибилизации организма пенициллинами повторное их введение может привести к возникновению реакции гиперчувствительности немедленного типа или даже к развитию анафилактического шока.
Толерантность - снижение чувствительности к применяемому ЛС. Например, при бесконтрольном и длительном приеме β 2 -адреномиметиков, толерантность к ним возрастает, а фармакологический эффект уменьшается.
Идиосинкразия - индивидуальная чрезмерная чувствительность (непереносимость) к данному препарату. Например, причиной идиосинкразии может быть генетически обусловленное отсутс-
твие ферментов, метаболизирующих данное вещество (см. главу 7 «Клиническая фармакогенетика»).
Тахифилаксия - быстро развивающаяся толерантность. К некоторым ЛС, например к нитратам (при непрерывном и длительном их применении), толерантность развивается особенно быстро; при этом препарат заменяют или увеличивают его дозу.
Оценивая время действия ЛС, необходимо выделять латентный период, максимальное действие, время удержания эффекта и время последействия.
Время латентного периода ЛС, особенно при ургентных ситуациях, определяет их выбор. Так, в одних случаях латентный период составляет секунды (сублингвальная форма нитроглицерина), в других - дни и недели (аминохинолин). Длительность латентного периода может быть обусловлена постоянным накоплением ЛС (аминохинолин) в месте его воздействия. Нередко длительность латентного периода зависит от опосредованного механизма действия (гипотензивный эффект β-адреноблокаторов).
Время удержания эффекта - объективный фактор, определяющий кратность назначения и длительность применения ЛС.
Подразделяя ЛС по фармакологическим эффектам, необходимо учитывать, что в основе одного и того же симптома лежат различные механизмы действия. Примером служит гипотензивное влияние таких ЛС, как диуретики, β-адреноблокаторы, блокаторы медленных кальциевых каналов (различные механизмы действия производят один и тот же клинический эффект). Этот факт учитывают при выборе ЛС или их комбинации при проведении индивидуальной фармакотерапии.
Существуют факторы, влияющие на скорость наступления эффекта, его силу и продолжительность при применении лекарственных веществ.
Скорость, способ введения и доза ЛС, взаимодействующего с рецептором. Например, внутривенное струйное введение 40 мг фуросемида производит более быстрый и выраженный диуретический эффект, чем 20 мг препарата, введённого внутривенно или 40 мг диуретика, принятого внутрь.
Тяжёлое течение заболевания и связанные с ним органические поражения органов и систем. Большое влияние на функциональное состояние основных систем оказывают и возрастные аспекты.
Взаимодействие используемых ЛС (см. главу 5 «Взаимодействие лекарственных средств»).
Важно знать, что применение некоторых ЛС оправдано лишь при условии первоначального патологического изменения системы или акцепторов мишени. Так, жаропонижающие ЛС (антипиретики) снижают температуру только при лихорадке.
Рисунок 1. Типы молекулярных мишеней для действия лекарственных средств .
Молекулярная мишень -- это молекула или молекулярный ансамбль, имеющий специфический центр связывания для биологически активного соединения. Молекулярная мишень может быть представлена мембранными белками, распознающими гормоны или нейротрансмиттеры (рецепторы), а также ионными каналами, нуклеиновыми кислотами, молекулами-переносчиками или ферментами. Как видно из Рисунка 2, не все лекарственные соединения воздействуют на рецепторы. Большинство лекарственных средств должны связаться с молекулярной мишенью, чтобы произвести эффект, но существуют и исключения. Уже в первых исследованиях эффектов лекарств на тканях животных в конце XIX в. стало ясно, что большинство ФАВ реализуют специфическое действие в определенных тканях, т.е. соединение, которое оказывает эффект на один тип ткани, может не влиять на другой; одно и то же вещество может оказывать совершенно разные эффекты на разные ткани. Например, алкалоид пилокарпин, как и нейротрансмиттер ацетилхолин, вызывает сокращение гладких мышц кишечника и тормозит частоту сердечных сокращений. С учетом этих феноменов Сэмуэль Лэнгли (1852-1925) в 1878 г., основываясь на изучении эффектов алкалоидов пилокарпина и атропина на слюноотделение, предположил, что «существуют некие рецепторные вещества... с которыми оба могут образовывать соединения». Позже, в 1905 г., изучая действие никотина и кураре на скелетные мышцы, он обнаружил, что никотин вызывает сокращения, когда действует на определенные небольшие участки мышц. Лэнгли заключил, что «рецепторная субстанция» для никотина находится в этих участках и что кураре действует путем блокады взаимодействия никотина с рецептором .
Рисунок 2. Эффективность по отношению к эндогенному агонисту.
Таким образом, очевидно, что действие некоторых соединение может быть обусловлено не столько развитием биологического ответа на связывание с молекулярной мишенью, сколько препятствием связыванию эндогенного лиганда. Действительно, если рассматривать взаимодействие лиганда и рецептора, можно отметить, что существующие в настоящее время лекарственные соединения могут играть роль как агониста, так и антагониста. На Рисунке 3 можно увидеть более подробную классификацию лигандов по отношению к эффектам, ими обусловленными. Агонисты различаются по силе и направлению физиологического ответа, вызываемого ими. Данная классификация не связана с аффинностью лигандов и опирается лишь на величину отклика рецептора. Таким образом, можно выделить следующие классы агонистов:
o Суперагонист -- соединение, способное вызывать более сильный физиологический ответ, чем эндогенный агонист.
o Полный агонист -- соединение, вызывающее такой же отклик, как эндогенный агонист (например, изопреналин, агонист в-адренорецепторов).
o В случае меньшего отклика соединение называют частичным агонистом (например, арипипразол -- частичный агонист дофаминовых и серотониновых рецепторов).
o В случае если у рецептора имеется базальная (конститутивная) активность, некоторые вещества -- обратные агонисты -- могут уменьшать её. В частности, обратные агонисты рецепторов ГАМК A обладают анксиогенным или спазмогеннымдействием, однако могут усиливать когнитивные способности .
Рассматривая механизм связывания лиганда и рецепторной молекулы, можно увидеть, что специфичность и сила связывания обусловлена особенностями строения обоих компонентов. В частности, важную роль играет активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении ("кармане"), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.
Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными. Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует "рельеф" активного центра.
Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют "ансамблем" аминокислот.
Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.
Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т.е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.
В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например присоединение О 2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О 2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе тема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.
Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер 177 , Гис 40 , Асп 85).
Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы (при её фосфорилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в "ловушке", что облегчает его дальнейшее фосфорилирование.
Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.
Классификация лигандов
· Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;
· существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);
· существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О 2 , транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).
В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла (кофактор) или органическая небелковая молекула (кофермент). Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют"простатическая группа". Миоглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу - гем, содержащий железо.
Соединение протомеров в олигомерном белке - пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него.
Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими лигандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са 2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность .
Важным понятием в теории взаимодействия лиганда и активного центра биологической мишени является «комплементарность». Активный центр фермента должен определенным образом соответствовать лиганду, что отражается в некоторых требованиях, предъявляемых к субстрату.
Рисунок 3. Схема взаимодействия лиганда и молекулярной мишени.
Так, например, ожидаемо, что для успешного взаимодействия необходимо соответствие размеров активного центра и лиганда (см. 2 положение на рисунке 3), что позволяет повысить специфичность взаимодействия и оградить активный центр от заведомо неподходящих субстратов. Вместе с тем, при возникновении комплекса «активный центр-лиганд» возможны следующие виды взаимодействий:
· вандерваальсовы связи (положение 1, рисунок 3), обусловленые флуктуациями электронных облаков вокруг противоположно поляризованных соседних атомов;
· электростатические взаимодействия (положение 3, рисунок 3), возникающие между противоположно заряженными группами;
· гидрофобные взаимодействия (положение 4, рисунок 3), обусловленные взаимным притяжением неполярных поверхностей;
· водородные связи (положение 5, рисунок 3), возникающие между подвижным атомом водорода и электроотрицательными атомами фтора, азота или кислорода.
Несмотря на относительно малую силу описанных взаимодействий (в сравнении с ковалентными связями), не стоит недооценивать их важность, отражающуюся в повышении аффинности связывания.
Обобщая вышесказанное, можно отметить, что процесс связывания лиганда и молекулярной мишени представляет собой высокоспецифический процесс, контролируемый как размером лиганда, так и его строением, что позволяет обеспечить селективность взаимодействия. Тем не менее, возможно взаимодействие между белком и не свойственным ему субстратом (т.н. конкурентное ингибирование), которое выражается в связывании с активного центра со схожим, но не целевым лигандом. Стоит отметить, что конкурентное ингибирование возможно как в естественных условиях (ингибирование малонатом фермента сукцинатдегидрогеназы, ингибирование фумаратгидратазы пиромеллитовой кислотой ), так и искусственно, во время приема лекарственных средств (ингибирование моноаминооксидазы ипрониазидом, ниаламидом, ингибирование дигидроптероатсинтетазы сульфаниламидами - структурными аналогами пара-аминобензойной кислоты, ингибирование ангиотензинпревращающего фермента каптоприлом, эналаприлом).
Таким образом, существует возможность целенаправленного изменения активности многих молекулярных систем при помощи синтетических соединений, имеющих строение, схожее с естественными субстратами.
Тем не менее, поверхностное понимание механизмов взаимодействия лигандов и молекулярных мишеней может быть чрезвычайно опасно и, зачастую, приводить к трагическим последствиям. Наиболее известным случаем можно считать т.н. «талидомидовую трагедию», которая привела вследствие приема беременными женщинами недостаточно изученного лекарственного соединения талидомида к рождение тысяч детей с врожденными уродствами.
A. A. Тарасов
Мишени воздействия и зависимости между структурой и активностью антибиотиков
Институт кибернетики им.
Глушкова НАН Украины,
Харьковский институт микробиологии и
иммунологии им. И. И. Мечникова
Для выяснения механизмов действия лекарств на молекулярном уровне необходимо выявить минимальные условия узнавания как основу понимания того, как разнообразный набор химических структуp может активировать один и тот же рецептор. Молекулярное узнавание решающим образом зависит от трехмерного распределения электронной плотности в молекуле, и логической целью попыток вывести условия узнавания является определение конформации лекарства в комплексе с рецептором. Ниже на примере хорошо известных антибиотиков - производных триметоприма и b-лактамных препаратов - кратко затронуты вопросы, в какой степени понятна сейчас связь между структурой и активностью на уровне молекулярных мишеней взаимодействия и как зависимости активности от структурных особенностей могут быть использованы для конструирования перспективных противомикробных препаратов.
Антимикробная активность всех беталактамов обусловлена двумя обстоятельствами: высокой реакционной способностью беталактамного кольца - при его раскрытии ацилируются ОН- или NH- группы, и сходством консервативной части молекулы беталактамного антибиотика с одним из переходных состоянии конформации D-аланил-D-аланинового фрагмента пептидных цепочек пептидогликана, попадающего в активный центр транспептидаз и D-аланинкарбоксипептидаз. Все внедренные в клинику беталактамы подавляют синтез пептидогликана за счет инактавации транспептидаз, участвующих в синтезе полимера. Однако множественность этих ферментов обуславливает и множественность мишеней для беталактамов в структурах. Среди энзимов - объектов воздействия триметоприма и b-лактамных препаратов - пространственная структура изучена только у двух: дигидрофолатредуктазы кишечной палочки и карбоксипептидазы/тpaнcпeптидазы Streptomices R 61 (Cpase/TRase S. R 61). Наибольший прогресс достигнут в изучении пространственной структуры дигидрофолатредуктазы, являющейся объектом воздействия триметоприма, что находит теперь практическое применение и при конструировании лекарств. Сравнительно хорошо проанализирована также и структура мишеней воздействия b-лактамных препаратов. Среди них в качестве модельного энзима подробно изучена карбоксипептидаза/транспептидаза Streptomices R 61. В качестве энзимов, вступающих в реакцию с b-лактамом, кроме карбоксипептидазы/транспептидазы, известна также b-лактамаза. Все эти энзимы имеют в активном центре серин. Третьим от серина вдоль аминокислотной цепи всегда следует лизин, во многих случаях за лизином следует фенилаланин. Сходный характер первичной структуры является также общим для многих пенициллинсвязывающих белков, что дает основание предположить генетическую общность энзимов, вступающих в реакцию с b-лактамом.
Следует отметить, что энзим карбоксилпептидаза/транспептидаза Streptomiсes R 61 является производимым вне клетки растворимым белком, который сравнительно легко кристаллизуется и потому может быть исследован с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако этот энзим является модельной системой, а не подлинной мишенью, подлежащей уничтожению b-лактамным препаратом. Подлинные же энзимы - объекты воздействия b-лактамных препаратов - ввиду их низкой растворимости и большой молекулярной массы, пока не удается закристаллизовать, а следовательно и расшифровать их с помощью рентгеноструктурного анализа. Таким образом, прямые экспериментальные исследования структуры мишеней воздействия антибиотиков пока что крайне ограничены. Отсутствие детальных данных о пространственной структуре молекулярных мишеней существенно сдерживает процесс выявления зависимостей структура-активность и последующее конструирование лекарств. В этой ситуаций возрастает роль исследований структуры мишеней путем воздействия на них ряда химических соединений известной структуры и последующего анализа связей структура-уровень бактерицидного действия. Выявление таких связей позволяет составить определенное представление о структуре мишеней и, основываясь на такой гипотетической модели структуры мишени, осуществить синтез перспективных лекарственных средств.
Активность антибиотиков почти во всех случаях измеряется величиной бактерицидного действия, а именно - минимальной ингибирующей концентрацией - МИК (или МІС). Этот показатель зависит не только от способности препарата воздействовать на мишень, но также и от влияния таких факторов, как проницаемость мембраны для препарата, его активация ферментами и др. При осуществлении поиска эффективных лекарственных препаратов МИК имеет первостепенное значение. Однако для того, чтобы по силе бактерицидного действия можно было судить об эффективности воздействия антибиотика непосредственно на мишень (то есть о воздействии как акте бимолекулярного узнавания); влияние барьера проницаемости и инактивирующих ферментов должно быть учтено. Действительно, как показали сравнительные исследования зависимостей между сродством b-лактамных препаратов с ПСБ и величиной их бактерицидного действия в отношении обычного штамма Е. соli (штамм LD 2) и штамма мутанта (штамм PG 12), лишенного b-лактамазы и барьера проницаемости, в первом случае имела место слабая корреляция (r = 0,613) между МИК и І50 (концентрацией, обеспечивающей 50-процентное ингибирование ПСБ 1, 2 и 3), тогда как во втором случае, у штамма PG 12, взаимосвязь этих параметров оказалась очень сильной: коэффициент корреляции r составил 0,941 (рис. 1). Обращает на себя внимание интересный факт, иллюстрируемый последней зависимостью. Как известно, цефалоспорины подвергались постоянному улучшению путем модификации его химической структуры, и теперь имеется несколько поколений этого препарата. Если рассматривать этот процесс с точки зрения сродства препарата к ПСБ, то оказывается, что сродство цефазолина, представителя первого поколения, относительно низко (показатель І50 составляет около 1 мкг/мл). У препаратов второго поколения, например, у цефуроксима, сродство на порядок выше. Что касается препаратов третьего поколения (например цефотаксим), то их сродство еще на порядок выше. Таким образом, усиление бактерицидного действия препаратов цефалоспоринового ряда в отношении грамотрицательных бактерий вызывается повышением сродства к ПСБ - параметра, отражающего именно структурные особенности, необходимые для эффективного молекулярного взаимодействия. А значит сила бактерицидного действия в общем может быть объяснена ингибированием ПСБ. Однако детальное содержание этого взаимодействия на молекулярном уровне все еще остается не выясненным. Можно полагать, что, благодаря прогрессу в области генной инженерии, гены, отвечающие за синтез ПСБ, станет возможным подвергать клонированию и что отдельные из ПСБ удастся закристаллизовать. Тот факт, что была осуществлена кристаллизация ПСБ 1В кишечной палочки - белка с молекулярной массой около 90 000 - дает основания рассчитывать на дальнейший прогресс в этой области. Можно ожидать, что и рентгеноструктурный анализ белковых структур, благодаря совершенствованию методов расшифровки и распространению суперкомпьютеров, значительно ускорится.
Фармакодинамика - раздел фармакологии, занимающийся изучением фармакологических эффектов, вызываемых лекарственными веществами, а также изучением механизмов возникновения этих эффектов.
Лекарственные вещества, действуя на организм, вызывают различные изменения деятельности органов и, систем (например: усиление сокращений сердца, расширение просвета бронхов, понижение артериального давления, снижение температуры тела и т. д.).
Такие изменения в деятельности организма под влиянием лекарств обозначаются термином фармакологические эффекты. Для каждого лекарственного препарата характерны определенные эффекты, но с лечебными целями используют только некоторые, их называют основными фармакологическими эффектами, остальные, неиспользуемые, а иногда и нежелательные, называют побочными.
Механизмами действия называют способы, которыми лекарственные вещества вызывают указанные эффекты. Вопрос об изучении механизмов действия лекарственных препаратов является одним из наиболее сложных в фармакологии. Механизмы действия многих лекарственных препаратов, применяемых уже не одно столетие, изучены далеко не полностью. Примером может служить такой анальгетик, как морфин. Хотя механизмы действия многих препаратов еще окончательно не изучены, сегодня можно уже говорить о некоторых типовых механизмах действия.
По механизму действия все лекарственные вещества можно разделить на три группы:
Лекарственные препараты, в основе действия которых лежат физические или физико-химические механизмы. Примером могут служить: различные адсорбенты, многие присыпки, некоторые мази, некоторые слабительные (вазелиновое масло).
Лекарственные вещества, механизм действия которых обусловлен химическим взаимодействием вне клеток. Например, действие антацидов, нейтрализующих соляную кислоту желудка.
Лекарственные препараты, первично влияющие на метаболизм клеток. Так действует большинство лекарств.
Влияние лекарств на метаболизм клеток осуществляется, главным образом, за счет их взаимодействия с рецепторами. Под рецептором, в широком смысле слова, подразумевают ту структуру клетки, с которой взаимодействует препарат и тем самым меняет ее функцию.
Знание механизмов действия лекарственных препаратов очень важно и для правильного их применения и для предупреждения их нежелательных эффектов. Это приводит к тому, что фармакологи много внимания уделяют изучению механизмов действия не только новых, но и уже давно известных лекарственных препаратов.
9.1. Основные мишени действия лекарственных веществ.
Для более точного представления о механизме действия и фармакодинамике лекарственных веществ очень важное значение имеет учет специфичности, чувствительности, нейрогуморальной регуляции, рецепторов, синапсов, биологических мембран, называемых мишенями действия лекарственных веществ.
Чувствительность в широком понятии - способность животного организма реагировать на разные эндогенные и экзогенные раздражители. Во врачебной практике чаще всего о чувствительности говорят в более узком смысле, а именно как о способности анализаторов реагировать на раздражитель. Это свойство присуще всем живым организмам, но оно усложняется и совершенствуется как в филогенезе, так и в онтогенезе.
Анализаторами, по предложению И. П. Павлова, называют сложные анатомо-физиологические системы, обеспечивающие восприятие и анализ всех раздражителей, действующих на животных.
Принято учитывать чувствительность абсолютную, или минимальный порог раздражения (способность реагировать на минимальную величину раздражителя), и дифференциальную (способность реагировать на изменения интенсивности раздражения).
Различают также чувствительность протопатическую и эпикрическую. Протопатическая чувствительность есть примитивный вид чувствительности, воспринимающий только сильные механические и термические раздражения. В отличие от этого чувствительность эпикрическая более тонкая и дифференцированная.
У животных бывают очень различные нарушения чувствительности, а чаще всего:
1) гиперестезия (повышение разных видов чувствительности с понижением порога соответствующей чувствительности);
2) гиперпатия (повышенная чувствительность - болевая, температурная, тактильная) с изменением качества ощущения, с нарушением локализации и дифференциации его;
3) полиэстезия - когда одиночные раздражения воспринимаются как множественные;
4) аллоэстезия - раздражения ощущаются в другом месте;
5) аллохейрия - раздражение ощущается в симметричном участке другой стороны. Иногда извращается ощущение раздражения, например, болезненное ощущение холода или тепла.
Чувствительность сильно изменяется при разных изменениях в организме и в первую очередь при изменении состояния центральной нервной системы и симпатической иннервации. Ее можно существенно изменить фармакологическими веществами - повысить или ослабить, можно восстановить нарушенное состояние их, можно и профилактировать нарушения.
Постоянство состава внутренней среды организма и функции физиологических систем регулируются и координируются нервной системой и биологически активными веществами, содержащимися в крови, лимфе и тканевой жидкости; обычно это называется нейрогуморальной регуляцией, а активные вещества нервными и гуморальными интеграторами. В нейрогуморальной регуляции участвуют очень различные специфические и неспецифические продукты обмена веществ, в том числе медиаторы, нейрогормоны, гистамин, простагландины, олигопептиды и др.
Биологически активные вещества с током крови разносятся и вступают во взаимодействие только с соответствующими рецепторами (адрено-, холино-, серотонин-, гистамин- и др.) реактивных структур в тех или иных клетках и часто называемых «клетками-мишенями», а так как клетки разных органов имеют сходное строение, то можно говорить о действии биологически активных веществ на «орган-мишень».
Влияние биологически активных веществ обычно осуществляется через разные промежуточные соединения вторичных передатчиков, из которых очень важную роль играют аденозин-3-5-монофосфат (3-5-цАМФ - универсальный передатчик действия катехоламинов) и циклический гуанидин-З-5-монофосфат (цГМФ - посредник действия ацетилхолина, инсулина, а также многих других трофотропных веществ).
Участие вторичных передатчиков в проявлении эффекта довольно сложное, происходящее через ряд этапов. Прежде всего, они образуются и в обычных условиях жизни клетки, а под влиянием фармакологических агентов активизируются или подавляются. Необходимые условия для этого чаще всего касаются изменения тканевого обмена и активизации некоторых ферментов (аденилатциклады, фосфодиэтилэстеразы и др.). Образовавшееся биологически активное вещество передает соответствующую информацию в центральную нервную систему, т. е. в определенных условиях выполняет функцию звена рефлекторной дуги (рис. 2). Это вызывает ответную реакцию наиболее чувствительных отделов ЦНС, в результате чего изменяется поток нервных импульсов, передаваемых в рабочие органы.
Рефлекторная дуга (в ранее принятом понятии) усложняется включением гуморальных связей и поэтому представляется состоящей из звеньев, имеющих высокую специфическую чувствительность к различным фармакологическим веществам. Значение нейрогуморальных рефлекторных дуг усиливается наличием в центральной нервной системе специальных медиаторных нейронных систем (норадреналиновые, дофаминовые, серотониновые, ацетилхолиновые, гистаминовые и др.). Благодаря этим системам ЦНС не только осуществляет рефлекторную связь, но и продуцирует высокоактивные химико-фармакологические вещества типа медиаторов (пептиды, катехоламиды, ацетилхолин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота и др.), регулирующие деятельность и мозга и всех физиологических систем. В фармакологии нейрогуморальной регуляции больше внимания теперь уделяется контролю за чувствительностью регулирования синаптической передачи, состоянием рецепторов и активностью медиаторов.
Медиаторы (нейротрансмиттеры, синаптические передатчики) - химические передатчики нервного импульса на клетки физиологических систем или на другие нервные клетки. Место передачи получило название синапсов, а химические структуры, с которыми взаимодействует медиатор, реактивными (холинергические, адренергические). Значительная часть медиаторов является биогенными аминами (декарбоксилированные производные ароматических аминокислот). Из катехоламиновых производных хорошо изучен дофамин, известный медиатор интернейронов синаптических ганглиев.
Дофаминергические нейроны имеются в лимбической системе среднего мозга, а также в гипоталамической области и в сетчатке. Норадреналин вырабатывается в мозговом веществе надпочечников, в скоплениях вненадпочечниковой хромафинной ткани, в головном мозге и в постганглионарных окончаниях симпатических нервов. Он является медиатором симпатических нейронов.
Серотонин (производное индола) - медиатор нервных сплетений кишечника; он активно влияет на дыхание и кровообращение, положительно ино- и хронотропно на сердце, возбуждает гладкие мышцы.
Ацетилхолин - уксуснокислый эфир холина - медиатор постганглионарных окончаний холинергических нервов и очень широкого влияния.
Некоторые медиаторы являются аминокислотами: глицин, глутаминовая, гамма-аминомасляная, аспарагиновая и др.
Образование медиаторов является обязательной частью нормального хода обмена веществ в пресинаптической зоне. Например, а-тирозин под влиянием фермента тирозин-3-гидроксилазы преобразуется в L-дофа, а она под воздействием дофа-декарбоксилазы переходит в дофамин. Под воздействием дофамин-гидроксилазы дофамин превращается в норадреналин, а он под воздействием фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы - в адреналин.
Рецепторы - специфические концевые образования чувствительных нервов, воспринимающие раздражения и трансформирующие энергию внешнего раздражения в процесс нервного возбуждения. Они информируют головной мозг животного о состоянии и изменениях внутренней и внешней среды.
Рецепторы, обеспечивающие основное действие лекарств, называют специфическими.
Сродство вещества к рецептору, приводящее к образованию с ним комплекса, обозначается термином аффинитет. Способность вещества при взаимодействии с рецептором вызывать тот или иной эффект, называется внутренней активностью вещества.
Лекарства, вызывающие при взаимодействии с рецептором биологический эффект, называют агонистами. Возможно связывание двух различных агонистов с разными участками макромолекулы рецептора. Это явление носит название аллостерического взаимодействия. В этом случае одно вещество может повышать или снижать аффинитет другого. Например, сибазон аллостерически повышает аффинитет ГАМК к соответствующим рецепторам.
Вещества, не вызывающие эффекта при взаимодействии с рецепторами, но уменьшающие или устраняющие эффекты агонистов, носят название антагонистов.
Кроме специфических рецепторов существуют еще неспецифические, с ними могут связываться многие лекарственные вещества, не вызывая при этом никаких эффектов. Примером могут служить рецепторы белков плазмы крови.
Фармакологические рецепторы, включенные в мембраны клеток, называют мембранными рецепторами, а рецепторы, находящиеся в цитоплазме, называют цитоплазматическими.
Клеточные рецепторы воспринимают всю информацию из окружающей среды и одновременно являются тригерными (пусковыми) механизмами, запускающими деятельность клетки.
К воспринимающим приборам относятся рецепторы всех органов чувств (осязание, обоняние, вкус, слух, зрение) и специальные рецепторные образования в органах и тканях.
Характерным для любых рецепторов является восприятие только определенных видов (и даже в очень незначительной силе) раздражения. Разнообразие раздражителей рецепторов привело к сложности строения и большой дифференциации этих биологических структур, к образованию множества типов сенсорных органов.
Различают рецепторы - воспринимающие раздражения из внешней среды (экстерорецепторы), из внутренних органов (интерорецепторы), а также из скелетных мышц и сухожилий (проприорецепторы).
В зависимости от особенностей раздражителя различают механорецепторы, хеморецепторы, терморецепторы, а также рецепторы, воспринимающие боль, свет, звук, вкус, запах и др.
Высокая чувствительность анализаторов, как полагают, обеспечивается наличием в рецепторах специальных сенсибилизаторов или структур, обеспечивающих трансформацию энергии раздражения в возбудительный процесс.
Реакция анализаторов на лекарственное вещество тем значительнее, чем выше концентрация его и чем больше площадь контакта с тканями. Изменение возбудителей рецептора и порог его неодинаковы при воспалении, а также при разном состоянии центральной нервной системы и адренергической иннервации.
При воздействии на экстерорецепторы фармакологическими веществами чаще всего изменяют чувствительность (болевую, тактильную и температурную). При воздействии на интерорецепторы вызывают изменение состояния их во внутренних органах, сосудах и др. (горечи, сладкие, ароматические, местноанестезирующие, слизистые, вяжущие, слабительные вещества и др.).
Для действия на проводящие пути практически применяют местноанестезирующие вещества. На принципе раздражения рецепторов афферентных нервов основано слабительное влияние гипертонических растворов солей, действие горьких и сладких веществ, эмодина и хризофановой кислоты. Для действия на центры, воспринимающие импульсы от рецептора, используются в зависимости от потребности все вещества, влияющие на центральную нервную систему.
К наиболее изученным холинорецепторам относят прежде всего М-холинорецепторы. Установлено, что в них есть три центра, реагирующие с функциональными группами ацетилхолина:
1 - анионный центр (реагирует с катионным центром медиатора),
2 - центр кислородный (реагирует с эфирным кислородом медиатора)
3 - центр карбонильно-кислородный (реагирует е карбонильным кислородом ацетилхолина или с соответствующими ему активными группами (рис. 3).
Все эти три центра находятся в рецепторе в очень точном взаиморасположении и только в этих условиях они воспринимают ацетилхолин. Структура рецепторов очень различна.
Большой научный и практический интерес представляет открытие рецепторов мозга. Примером этого могут быть новые данные об опиатных рецепторах. Известно, что антагонистом опиатов является налоксон. Эксперименты с этим препаратом показали, что в гомогенате мозга крыс опиаты тормозят способность налоксона активно связываться с тканями мозга. Было высказано предположение, что опиаты и налоксон связываются с одними и теми же рецепторами. Основанием для этого было также то, что связывание налоксона разными опиатами коррелировано с их анальгезируюшей активностью. Последующие эксперименты в разных направлениях подтвердили наличие опиатных рецепторов в тканях мозга. Наибольшее количество их обнаружено в лимбической системе - в стриатуме, гипоталамусе, миндалинах и очень мало в мозжечке и спинном мозге.
Рис. 2. Схематическое изображение медиаторных путей в головном мозге:
НА - норадреналиновые пути;
ДА-дофаминовые пути (левая половина рисунка);
С - серотониновые пути (правая половина рисунка);
1 - лимбический отдел переднего мозга;
2 - неостриатум;
3 - новая кора;
4 - палеостриатум;
5 - зрительный бугор;
6 - гипоталамус;
7 - средний мозг;
8 - варолиев мост;
9 - продолговатый мозг;
10 - спинной мозг.
Доказано, что опиатоподобное вещество мозга состоит из двух пентапептидов, названных энкефалинами. Один (мет-ЭНК) - Н-тирозин-глицин-глицин-фенил-аланин-метидин-ОН, второй (лей-ЭНК) - Н-тирозин-глицин-глицин-фенил-аланин-лейцин-ОН. Природные и синтетические энкефалины по анальгезирующему эффекту, по механизму действия и по отношению к налоксону имеют много сходного с опиатами, а по химическому составу - с некоторыми пептидами мозга, в частности у них такая же последовательность аминокислот (61- 65), как и в гормоне гипофиза бета-липотропине.
Современное изучение бета-липотропина и разных частей его молекулы показало, что опиатоподобной активностью обладает ряд полипептидов, выделенных из задней доли гипофиза и гипоталамуса. Этим пептидам дано название эндорфины (эндогенные морфины). Более того, установлено, что некоторые эндорфины активнее энкефалинов.
Изучение биологической роли энкефалинов и эндорфинов привело к предположению, что их влияние проявляется не только в регулировании процессов боли и обезболивания, но и эмоциональных процессов. Установлено, что эндорфины, помимо анальгетического влияния, оказывают выраженное седативное и каталептическое действие подобно нейролептикам.
Синапсы - специализированные нервные образования, где происходит контакт между возбудимыми клетками (рис. 4). Они необходимы для осуществления функции передачи и преобразования сигналов. Иными словами, они обеспечивают проявление активности нервной системы и интегративную деятельность мозга.
Рис. 3. Схема строения М- и Н-холинорецепторов и взаимодействие с ними ацетилхолина
А - М-холинорецептор;
I
II - центр реакции холинорецептора с эфирным кислородом АХ;
III - центр реакции холинорецептора с карбонильным кислородом АХ;
IV- центр реакции холинорецептора с гидроксилом кислотной части холинолитика.
Заштрихованные участки- места связи (по типу связи Ван-дер-Ваальса) холинорецептора с М-холинолитиками;
Б - Н-холинорецептор;
I - анионный центр, взаимодействующий с положительно заряженным атомом азота («катионная головка») АХ;
II - центр с частично отрицательным зарядом, реагирующий с эфирным кислородом АХ;
III - дополнительный анионный центр.
Заштрихованные участки - места связи (по типу связи Ван-дер-Ваальса) холинорецептора с Н-холиноблокаторами;
штриховыми линиями обозначены места связи центров холинорецептора с активными группами АХ.
Передача в синапсах осуществляется при посредстве медиаторов. Медиаторы не только осуществляют передачу импульса на рецепторы постсинаптических мембран, но и изменяют проницаемость мембран для ионов, вызывают генерацию местного нерегенеративного потенциала. Граница соприкосновения осуществляется через две мембраны - пресинаптическую и постсинаптическую, а пространство между ними принято называть синаптической щелью.
Пресинаптическая мембрана является завершающейся частью поверхностной мембраны оксонального окончания; она имеет сложную проницаемость (некоторые даже считают, что у нее есть отверстия для выделяемого медиатора). Постсинаптическая мембрана не имеет отверстий, но она избирательно проницаема для медиатора с пресинаптической мембраны.
Синапсы пресинаптических окончаний имеют синаптические пузырьки, наполненные медиатором высокой концентрации. Эти медиаторы под влиянием нервного импульса выходят из пузырьков в местах перерыва мембраны, проникают в синаптическую щель и контактируют с постсинаптической мембраной. Фармакологическое воздействие на синапсы очень простое - ускорить или замедлить введение в действие как возбуждения, так и угнетения заключается в том, что нервный импульс, проходящий в пресинаптическое окончание, вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны, изменяет ряд свойств ее, в том числе увеличивает проницаемость ионов кальция.
Ионы кальция в пресинаптической мембране ускоряют освобождение медиатора из пузырьков. Медиатор легко диффундирует, проходит через синаптическую щель и реагирует с рецепторами постсинаптической мембраны; этот процесс ярко выражен, так как в это же время происходит генерация потенциала постсинаптического и увеличение проницаемости синаптических мембран для одного или нескольких ионов. При возбуждении синапсов увеличивается натриевая проводимость (а часто, одновременно с ней, и калиевая) (рис. 5).
Этот процесс сопровождается деполяризацией и возбуждением мембраны постсинаптической клетки. Под влиянием медиаторов тормозящих увеличиваются проницаемость постсинаптических мембран для ионов хлора и явления гиперполяризации. В ряде случаев медиатор, кроме указанных процессов, влияет на метаболизмы постсинаптического нейрона и тогда фармакологический эффект усложняется.
Рис. 4. Схема нервно-мышечного синапса и фазы передачи возбуждения в нем
А - состояние покоя;
Б - состояние возбуждения;
В - восстановление исходного состояния
1 - окончание нервного волокна;
2 - ацетилхолин;
3 - пресинаптическая мембрана;
4 - постсинаптическая мембрана;
5 - холинорецептор;
6 - мышечное волокно.
Очень важная часть синапсов - своеобразные везикулы, расположенные в основной массе в аксональных окончаниях в непосредственной близости от синаптической мембраны. Везикулы проходят в синаптическую щель и контактируют с постсинаптической мембраной.
Рис. 5.
А. Мембранный потенциал покоя основан на движении наружу некоторого количества ионов калия; меньшее количество ионов натрия проникает в клетку, но концентрации обоих ионов внутри поддерживаются натриевым насосом.
Б. Нервный импульс характеризуется направленным внутрь движением большого количества ионов натрия.
В. Во время наступающего вслед за этим рефрактерного периода проницаемость для ионов натрия снова уменьшается, а затем заметное движение ионов калия наружу восстанавливает состояние покоя.
Освобождающийся медиатор вступает в соединение с хеморецептивным веществом, обусловливая деполяризацию мембраны и сильно повышая проницаемость ее для ионов. Одновременно с этим возникает постсинаптический потенциал, в постсинаптической мембране появляется ток действия мышечного волокна, ток проходит по волокну, и оно сокращается.
Основной функцией синапсов является передача возбуждения, но в них происходит также перестройка и трансформация проходящих импульсов. И этот процесс регулируется центральной нервной системой, превращением премедиаторов и др.
Биологические мембраны - гибкие, лабильные, постоянно обновляющиеся образования, часто называемые мембраной плазмолитической или цитоплазматической. Нужно иметь в виду, что они функционально очень активные поверхностные структуры клеток. Внутри клетки имеются мембраны для всех ее структур - митохондриальные, лизосомальные, ядерные и др.
Мембраны обеспечивают ограничение цитоплазмы и внутриклеточных структур, образуют единую систему канальцев, складов и замкнутых положений в клетке. Они выполняют разные сложные функции жизнедеятельности: формирование клеточных структур, содержание внутриклеточного гомеостаза, участие в процессах возбуждения и проведения нервного импульса, фото-, механо- и хеморецепцию, всасывание, секрецию и газообмен, тканевое дыхание, запасание и трансформацию энергии и т. п.
Совершенно ясно, что все эти функции нарушаются при разных патологических состояниях. Они существенно изменяются под воздействием лекарственных веществ. Роль мембран в механизме действия лекарственных вешеств раскрывается все больше и больше, и для уяснения этого необходимо полнее представлять основы их строения и влияния на физиологические процессы.
Биологические мембраны имеют сложное строение. Содержание липидов в них составляет 25-70%.
Липидный состав очень богатый и легко изменяется; общим является наличие липидов, проявляющих одновременно гидрофильные и гидрофобные свойства.
Разнообразны по составу и белки. Все они частично или полностью пронизывают липидный слой; из белков особое функциональное значение имеют ферменты и белки транспортных систем.
Очень важной является транспортная функция мембраны, обеспечивающая поддержание внутриклеточного гомеостаза, возбуждение и проведение нервного импульса, трансформацию энергии, процессы метаболизма и др.
Транспорт происходит очень быстро, движение ионов происходит как активно, так и пассивно. Функцию активной резорбции осуществляют специфические липопротеиновые структуры, пронизывающие мембрану. Эти структуры выполняют роль ионных каналов, и селективную активность их обусловливают конфигурация протоков, электрический заряд структур. Важной особенностью для пассивного продвижения ионов натрия и калия является зависимость от количества кальция в клетке (чем она больше, тем легче продвигаются и натрий, и калий).
Активный транспорт хорошо изучен в отношении ионов натрия, калия, кальция и водорода. Для примера можно привести натриево-калиевый насос, функционирующий за счет энергии АТФ.
Предполагают, что натриево-калиевый насос обусловлен липопротеиновой глобулой с двумя белковыми субъединицами, у которой на внутренней стороне мембраны имеются центры связывания АТФ, фосфата и натрия, а на наружной - центры связывания калия.
В результате конформационных перестроек ионосодержащего фосфорилированного фермента ионы натрия и калия освобождаются и транспортируются.
Структура глобулы кальциевого насоса, находящаяся в мембранах саркоплазматического ретикулума, функционирует сходно с натриевым. Основным компонентом насоса является кальцийзависимая АТФ-аза; механизм переноса иона кальция и АТФ-азной реакции включает образование фосфорилированного промежуточного продукта и последующий гидролиз его.
Активный транспорт ионов водорода происходит в сопрягающихся мембранах, где он обеспечивается энергией АТФ-аз.
Перенос неэлектролитов (органических веществ) осуществляется разными механизмами. Он часто совпадает со свободной диффузией, но происходит в 30-50 раз быстрее и поэтому обозначается как облегченная диффузия. В принципе этот транспорт должен выравнивать трансмембранные коэффициенты. И он очень часто изменяется, в связи с тем, что разные неэлектролиты активно включаются в обменные процессы, а от этого количество их быстро меняется.
Полагают, что облегченная диффузия обусловлена прежде всего специфическим узнаванием транспортируемого вещества, связыванием его переносчиком (транспортным белком), затем перенос через мембрану.
В заключение происходит диссоциация транспортированного комплекса. Очень часто процесс облегченной диффузии используется для повышения концентрации транспортируемого вещества. В этих случаях мобилизуется энергия не за счет АТФ, а в виде электрохимического градиента ионов, создаваемого ионными насосами.
Так же сложно, как транспортирование, осуществляется генерация биоэлектрических потенциалов, проведение возбуждения по нервным и мышечным клеткам, а также в местах синаптических окончаний.
Любое лекарственное вещество вызывает несколько изменений функции разных физиологических систем и хода биохимических процессов. И каждое из изменений имеет свои предпосылки или причины, называемые в фармакологии механизмом действия.
Механизмы действия это по существу теории действия, подкрепленные экспериментом.
Любое действие лекарственного вещества начинается с взаимодействия его с определенными структурами клеток или физиологических систем организма. В итоге этого изменяются взаимоотношения, состав или свойства вступившей в реакцию с лекарственным веществом структуры клетки, а как следствие, изменяются взаимоотношения этой структуры с разными органами и системами.
Четкое понимание механизмов действия лекарственных веществ в тех или иных направлениях имеет большое значение для определения наиболее ценного препарата.
