Мишень - это молекула с центром связывания для лекарства. Эта молекула может содержать мембранные белки, распознающие гормоны или нейротрансмиттеры (рецепторы), а также ионные каналы, нуклеиновые кислоты, молекулы-переносчики или ферменты. Но не все лекарства действуют на рецепторы.

Большинство лекарств 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 лекарств реализуют специфическое действие в определенных тканях, т.е.:

Лекарство, которое оказывает эффект на один тип ткани, может не влиять на другой;
лекарство 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.

Считается, что Пауль Эрлих (1854-1915) самостоятельно разработал теорию рецепторов, наблюдая, как многие органические красители селективно окрашивают специфические компоненты клетки. В 1885 г. он предположил, что у клеток есть «боковые цепи», или «рецепторы», к которым лекарства или токсины могут присоединяться, реализуя свое действие. До сих пор Эрлих известен благодаря своей идее о «волшебной пуле» - химическом соединении, образованном для выявления селективной токсичности, например, инфекционного агента.

Кроме того, Эрлих синтезировал органические производные мышьяка, которые использовали ранее при лечении . Развивая теорию рецепторов, Эрлих был первым, кто показал, что быстрая обратимость действия алкалоидов свидетельствует о непрочных (нековалентных) химических связях между лекарством и рецепторами.

Последние достижения молекулярной биологии раскрывают природу связи лекарство-рецептор на молекулярном уровне. Сегодня под рецептором понимают специфическую молекулярную структуру, которая работает как молекулярная мишень для группы соответствующих лекарств (раньше связывающий центр не был определен отдельно от молекулярной мишени, и весь комплекс в целом рассматривали как рецептор).

Для лекарств , действующих на ферменты, молекулярной мишенью является фермент. Рецептором выступает та часть фермента, которая связывается с лекарством. Для большинства лекарств молекулярными мишенями являются белки, углеводы, липиды и другие макромолекулы, на которые направлено действие препаратов. С этой позиции молекулярные мишени определены более точно, чем другие рецепторы.

Сегодня рецепторы определены и охарактеризованы с помощью методов молекулярной биологии. Действие некоторых типов лекарств легко объяснить без вовлечения молекулярных мишеней человека. К этим типам лекарств относятся антациды (буферы), которые уменьшают кислотность в желудке, формообразующие слабительные и комплексо-образователи. Есть вещества, для механизма действия которых характерно отсутствие четкой химической специфичности. Основным примером являются газообразные и летучие общие анестетики, включая инертный газ ксенон.

Для этих препаратов практически невозможно определить связывающий центр или одну молекулярную мишень. Тем не менее, вероятно, их фармакологические эффекты происходят из-за действия на компонент мембран (например, потенциал- или лиганд-зависимые ионные каналы). Этот компонент и является молекулярной мишенью для анестетиков.

"Московские аптеки", 2003, N 6

ЛОКАЛИЗАЦИЯ И МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ. "МИШЕНИ" ДЛЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Влияние лекарственных веществ на органы, ткани, клетки обусловлено воздействием на биохимические субстраты, от которых зависит та или иная функция. Современные методы исследования позволяют выяснить, где находится субстрат-мишень, с которым взаимодействует лекарственное вещество, т.е. где локализовано его действие. Благодаря современным техническим средствам и усовершенствованным методическим приемам локализацию действия веществ можно установить не только на системном и органном, но и на клеточном, молекулярном и других уровнях.

Например, препараты наперстянки действуют на

сердечно-сосудистую систему (системный уровень), на сердце

(органный уровень), на мембраны кардиомиоцитов (клеточный

+ +

уровень), на Na , K - АТФазу (молекулярный уровень).

Механизм действия - это способ взаимодействия лекарственного вещества со специфическими участками связывания в организме.

Получение одного и того же фармакологического эффекта возможно с помощью нескольких препаратов, обладающих различными механизмами действия.

"Мишенями" для лекарственных средств служат рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные системы и гены.

РЕЦЕПТОРЫ

Рецепторы (от лат. recipere - получать) представляют собой биологические макромолекулы, которые предназначены для связывания с эндогенными лигандами (нейротрансмиттерами, гормонами, факторами роста). Рецепторы могут взаимодействовать также с экзогенными биологически активными веществами, в т.ч. и с лекарственными.

При взаимодействии лекарственного вещества с рецептором развивается цепь биохимических превращений, конечным итогом которых является фармакологический эффект. Рецепторы имеют структуру липопротеинов, гликопротеинов, нуклеопротеинов, металлопротеинов. Рецепторную функцию могут выполнять ферменты, транспортные и структурные белки. В каждом рецепторе имеются активные центры, представленные функциональными группами аминокислот, фосфатидов, нуклеотидов и др.

Взаимодействие "вещество - рецептор" осуществляется за счет межмолекулярных связей.

Ковалентные связи - самый прочный вид межмолекулярных связей. Они образуются между двумя атомами за счет общей пары электронов. Ковалентные связи возникают главным образом при действии токсических доз лекарственных веществ или ядов, и разорвать эти связи во многих случаях не удается - наступает необратимое действие. Основываясь на принципе ковалентной связи, П.Эрлих в 1910 г. впервые создал органические препараты мышьяка и предложил их для лечения сифилиса. Эти соединения вступают в прочную ковалентную связь с SН-группами структурных белков и ферментов микроорганизмов, вследствие чего нарушается их функция и происходит гибель микроорганизмов.

Ионные связи возникают между ионами, несущими разноименные заряды (электростатическое взаимодействие). Этот вид связи характерен для ганглиоблокаторов, курареподобных средств и ацетилхолина.

Ион-дипольные и диполь-дипольные связи возникают в электрически нейтральных молекулах лекарственных веществ, чаще всего имеющих неодинаковые атомы. Пара общих электронов бывает сдвинута в сторону какого-либо одного атома и поэтому создает около него электроотрицательность, а у другого атома в силу этого создается электроположительность. Таким образом возникает полярность молекул.

В молекулах лекарственных веществ, попадающих в электрическое поле клеточных мембран или находящихся в окружении ионов, происходит образование индуцированного диполя. Поэтому дипольные связи лекарственных веществ с биомолекулами являются очень распространенными.

Водородные связи по сравнению с ковалентными являются слабыми, но их роль в действии лекарственных веществ весьма существенна. Атом водорода способен связывать атомы кислорода, азота, серы, галогенов. Для возникновения этой связи необходимо присутствие лекарственного вещества вблизи молекулы-мишени на расстоянии не более 0,3 нм, а реагирующий атом в молекуле лекарственного вещества должен находиться на одной прямой с группой ОН или NН2 в молекуле-мишени.

Вандерваальсовы связи возникают между двумя любыми атомами, входящими в лекарственное вещество и молекулы организма, если они будут находиться на расстоянии не более 0,2 нм. При увеличении расстояния связи резко ослабевают.

Гидрофобные связи возникают при взаимодействии неполярных молекул в водной среде.

Лекарственные вещества, как правило, взаимодействуют с молекулами клеток и жидких сред организма с помощью сравнительно слабых связей, поэтому действие их в терапевтических дозах является обратимым.

Выделяют четыре типа рецепторов:

1. Рецепторы, осуществляющие прямой контроль функции эффекторного фермента. Они связаны с плазматической мембраной клеток, фосфорилируют белки клеток и изменяют их активность. По такому принципу устроены рецепторы к инсулину, лимфокинам, эпидермальному и тромбоцитарному факторам роста.

2. Рецепторы, осуществляющие контроль за функцией ионных

каналов. Рецепторы ионных каналов обеспечивают проницаемость

мембран для ионов. Н-холинорецепторы, рецепторы глутаминовой и

аспарагиновой кислот увеличивают проницаемость мембран для ионов

Na , K , Ca , вызывая деполяризацию и возбуждение функции клеток.

ГАМКА-рецепторы, глициновые рецепторы увеличивают проницаемость

мембран для Cl , вызывая гиперполяризацию и торможение функции

клеток.

3. Рецепторы, ассоциированные с G-белками. При возбуждении

этих рецепторов влияние на активность внутриклеточных ферментов

опосредуется через G-белки. Изменяя кинетику ионных каналов и

синтез вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАГ, Са),

G-белки регулируют активность протеинкиназ, которые обеспечивают

внутриклеточное фосфорилирование важных регуляторных белков и

развитие разнообразных эффектов. К числу таких рецепторов

относятся рецепторы для полипептидных гормонов и медиаторов

(м-холинорецепторы, адренорецепторы, гистаминовые рецепторы).

Рецепторы 1-3 типов локализованы на цитоплазматической мембране.

4. Рецепторы - регуляторы транскрипции ДНК. Эти рецепторы являются внутриклеточными и представляют собой растворимые цитозольные или ядерные белки. С такими рецепторами взаимодействуют стероидные и тиреоидные гормоны. Функция рецепторов - активация или ингибирование транскрипции генов.

Рецепторы, обеспечивающие проявление действия определенных веществ, называют специфическими.

По отношению к рецепторам лекарственные вещества обладают аффинитетом и внутренней активностью.

Аффинитет (от лат. affinis - родственный) - сродство лекарственного вещества к рецептору, приводящее к образованию комплекса "вещество - рецептор". Внутренняя активность - способность вещества при взаимодействии с рецептором стимулировать его и вызывать тот или иной эффект.

В зависимости от выраженности аффинитета и наличия внутренней активности лекарственные вещества разделяют на две группы.

1. Агонисты (от греч. agonistes - соперник, agon - борьба) или миметики (от греч. mimeomai - подражать) - вещества, обладающие аффинитетом и высокой внутренней активностью. Они взаимодействуют со специфическими рецепторами и вызывают в них изменения, приводящие к развитию определенных эффектов. Стимулирующее действие агониста на рецепторы может приводить к активации или угнетению функции клетки. Полные агонисты, взаимодействуя с рецепторами, вызывают максимально возможный эффект. Частичные агонисты при взаимодействии с рецепторами вызывают меньший эффект.

2. Антагонисты (от греч. antagonisma - соперничество, anti - против, agon - борьба) или блокаторы - вещества с высоким аффинитетом, но лишенные внутренней активности. Они связываются с рецепторами и препятствуют действию эндогенных агонистов (медиаторов, гормонов).

Если антагонисты занимают те же рецепторы, что и агонисты, то их называют конкурентными антагонистами.

Если антагонисты занимают другие участки макромолекулы, не относящиеся к специфическому рецептору, но взаимосвязанные с ним, то их называют неконкурентные антагонисты.

Некоторые лекарственные вещества сочетают в себе способность возбуждать один подтип рецепторов и блокировать другой. Их называют агонисты-антагонисты. Так, наркотический анальгетик пентазоцин является антагонистом m- и агонистом d- и k-опиоидных рецепторов.

ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Участками связывания лекарственных веществ могут являться ионные каналы. Эти каналы представляют основные пути, по которым ионы проникают через клеточные мембраны.

Естественными лигандами ионных каналов являются медиаторы:

ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), возбуждающие

аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая, глицин). Увеличение

трансмембранной проводимости определенных ионов через

соответствующие каналы приводит к изменению электрического

потенциала мембраны. Так, ацетилхолин способствует открытию

ионного канала N-холинорецептора, в результате чего Na проходит в

клетку, вызывая деполяризацию мембраны и развитие потенциала

действия. ГАМК способствует открытию ионного канала Cl , что

вызывает гиперполяризацию мембраны и развитие синаптического

торможения.

Важную роль в действии лекарственных веществ играет их способность имитировать или блокировать действие эндогенных лигандов, регулирующих ток ионов через каналы плазматической мембраны.

В середине ХХ в. было установлено, что местные анестетики

блокируют потенциалозависимые Na -каналы. К числу блокаторов

Na -каналов относятся и многие противоаритмические средства. Кроме

того, было показано, что ряд противоэпилептических средств

(дифенин, карбамазепин) также блокируют потенциалозависимые

Na -каналы и с этим связана их противосудорожная активность. Ионы

Са принимают участие во многих физиологических процессах: в

сокращении гладких мышц, в проведении возбуждения по проводящей

системе сердца, в секреторной активности клеток, в функции

тромбоцитов и др. Вхождение ионов Са внутрь клетки через

потенциалозависимые Са -каналы нарушает группа лекарственных

препаратов, получившая название "блокаторы Са -каналов".

Препараты этой группы широко применяются для лечения

ишемической болезни сердца, сердечных аритмий, гипертонической

болезни. Са -каналы гетерогенны, и поэтому интерес представляет

поиск их блокаторов с преимущественным действием на сердце и

сосуды (особенно разных областей: периферических, мозга, сердца и

др.). Так, верапамил оказывает более сильное влияние на ино-,

хронотропную функцию сердца и на атриовентрикулярную проводимость

и в меньшей степени на гладкие мышцы сосудов; нифедипин оказывает

большее воздействие на гладкие мышцы сосудов и меньшее - на

функцию сердца; дилтиазем в равной степени влияет на гладкие мышцы

сосудов и проводящую систему; нимодипин обладает избирательным

цереброваскулярным действием.

В последние годы большое внимание привлекают вещества,

регулирующие функцию К -каналов. Среди лекарственных веществ

имеются как активаторы, так и блокаторы К -каналов.

Активаторы К -каналов участвуют в механизме их открытия и

выхода ионов К из клетки. Если этот процесс происходит в гладких

мышцах сосудов, то развивается гиперполяризация мембраны, тонус

мышц уменьшается и снижается артериальное давление. Такой механизм

гипотензивного действия характерен для миноксидила.

+ +

Блокаторы К -каналов препятствуют их открытию и поступлению К

в клетки. Антиаритмический эффект амиодарона и соталола обусловлен

блокадой К -каналов клеточных мембран миокарда.

Блокада АТФ-зависимых К -каналов в поджелудочной железе приводит к

повышению секреции инсулина. По такому принципу действуют

противодиабетические средства группы сульфонилмочевины

(хлорпропамид, бутамид и др.).

ФЕРМЕНТЫ

Важной "мишенью" для действия лекарственных веществ являются ферменты. В медицине широко применяются группы лекарственных средств, снижающие активность определенных ферментов. Блокада фермента моноаминоксидазы приводит к снижению метаболизма катехоламинов и повышению их содержания в ЦНС. На этом принципе основано действие антидепрессантов - ингибиторов МАО (ниаламида, пиразидола). Механизм действия нестероидных противовоспалительных средств обусловлен ингибированием фермента циклооксигеназы и снижением биосинтеза простагландинов.

В качестве гипотензивных средств используются ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл, периндоприл и др.). Антихолинэстеразные средства, блокирующие фермент ацетилхолинэстеразу и стабилизирующие ацетилхолин, применяются для повышения тонуса гладкомышечных органов (ЖКТ, мочевого пузыря) и скелетных мышц.

ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

Лекарственные средства могут воздействовать на транспортные

системы молекул, ионов, медиаторов. Транспортную функцию выполняют

так называемые транспортные белки, переносящие вышеуказанные

молекулы и ионы через клеточную мембрану. Эти белки имеют

"распознающие участки" - места связывания эндогенных веществ, с

которыми могут взаимодействовать лекарственные средства. Блокада

+ +

Н, К -АТФазы секреторной мембраны париетальных клеток

("протонного насоса") прекращает поступление ионов водорода в

полость желудка, что сопровождается угнетением образования HCl.

Такой механизм действия характерен для омепразола, пантопразола,

которые применяются для лечения язвенной болезни желудка и

двенадцатиперстной кишки.

ГЕНЫ

Перспективной "мишенью" для действия лекарственных средств являются гены. С помощью избирательно действующих лекарственных средств возможно оказывать прямое влияние на функцию определенных генов. Учитывая полиморфизм генов, такая задача достаточно сложна. Тем не менее исследования в области генной фармакологии получают все более широкое развитие.

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.

Введение

Фармакологическая активность целиком и полностью определяется строением лекарственного вещества. Вместе с тем, химическое строение подразумевает под собой не только известную последовательность атомов в молекуле, но и их определенное пространственное расположение. Развитие фармакологического эффекта зачастую обусловлено конформационными изменениями, вызванными влиянием молекулы лекарственного вещества на молекулярную мишень. Активация или ингибирование функции рецепторов, трансмембранных каналов и ферментов находятся под управлением лигандов - специфических соединений, имеющих определенное сродство к соответствующим биологическим структурам. Очевидно, что интенсивность фармакологического эффекта обусловлена комплементарностью взаимодействия, полнота которого подразумевает не только требуемое расположение радикалов, но и форму молекулы, что объясняется необходимостью проникновения к активному центру молекулярной мишени.

Форма молекулы, расположение заряженных и неполярных радикалов детерминирует проникновение через мембраны клеток, ГЭБ и ГМБ, силу и продолжительность действия, а также скорость элиминации из системного кровотока.

Если рассматривать важность пространственного строения для фармацевтической химии, можно отметить, что направленное формирование структуры лекарственного соединения должным образом может улучшить его терапевтический профиль, увеличивая продолжительность действия или нивелируя побочные эффекты. Введение в молекулу гидрофобных фрагментов, например линейных алкильных «якорей» может увеличить сродство соединения к мембранам и возможность проникать соединения в клетку, что было продемонстрировано на примере т.н. «ионов Сукачева».

Введение «якорей» может также способствовать пролонгации действия лекарственного соединения, что обеспечивается повышением депонирования в жировой ткани и снижением метаболизма в печени и почках. Азатиоприн является пролекарством для 6-меркаптопурина, неспецифического цитостатика. В организме азатиоприн медленно метаболизируется с образованием 6-меркаптопурина, что, в конечном итоге, приводит к пролонгации действия.

Модификация молекулы может использоваться и для коррекции органолептических показателей, так, например, левомицетина стеарат, гидролизующийся в пищеверительном тракте до левомицетина, не обладает обжигающе-горьким вкусом, что позволяет сохранять изначальную фармакологическую активность при улучшении вкусовых характеристик.

Многие лекарственные средства, используемые в настоящее время на рынке, прошли долгий путь от изначальной задумки до конечной реализации, в ходе которого преследовалось увеличение целевой активности и снижение частоты и выраженности побочных эффектов, повышение стабильности и времени действия. Пространственное строение целиком и полностью определяет судьбу лекарственного средства в организме - возможность связывания его с молекулярными мишенями, возможность «избежать» нежелательных биотрансформаций, и, напротив, участвовать в необходимых превращениях.

1. Молекулярные мишени биологически активных веществ в организме

Рисунок 1. Типы молекулярных мишеней для действия лекарственных средств .

Рисунок 2. Эффективность по отношению к эндогенному агонисту.

o Суперагонист -- соединение, способное вызывать более сильный физиологический ответ, чем эндогенный агонист.

Классификация лигандов

Рисунок 3. Схема взаимодействия лиганда и молекулярной мишени.

2. Оптическая изомерия

2.1 Общая характеристика

Оптическая изомерия наблюдается у веществ, проявляющих оптическую активность, то есть способных вращать плоскополяризованный световой луч. Вещества, отклоняющие плоскость поляризации луча вправо, называются правовращающими, влево - левовращающими. Для того чтобы вещество было оптически активным, требуется выполнение единственного условия - молекула не должна иметь ни центра, ни плоскости симметрии. В простейшем случае это определяется наличием в молекуле так называемого асимметрического (хирального) атома. Существуют оптически активные молекулы и без асимметрического атома углерода, однако мы их рассматривать не будем. Термин "хиральность" происходит от английского слова "chirality" (от греч. ceir - рука), предложенного Кельвином в конце XIX века .

Рисунок 4. Энантиомеры талидомида.

Талидомид (рисунок 4) представляет собой печально известное лекарственное средство для лечения бессонницы, применявшееся в странах Европы для седации у беременных женщин в период с 1956 по 1962 гг, в результате чего были рождены от 8000 до 12000 тысяч детей с уродствами. Несмотря на то, что механизм действия R-изомера, отвечающего за снотворный эффект неизвестен, причина тератогенности S-изомера в некоторой степени ясна - встраивание молекулы S-талидомида между Г-Ц связями ДНК приводит к нарушению процесса репликации и последующему аномальному развитию плода . На первый взгляд, может быть недостаточно очевидно, почему молекулы, имеющие одинаковый порядок атомов в своем составе, оказывают различный биологический эффект, поэтому проиллюстрируем дальнейшее рассуждение.

Рисунок 5. Энантиомерия как зеркальная симметрия

Вопреки тому, что молекулы аминокислот, приведенных на рисунке 5, имеют идентичную последовательность атомов, они, тем не менее, являются разными веществами, что выражается в невозможности сопоставления их пространственных моделей, что обусловлено наличием тетраэдрического центра асимметрии - атома углерода, имеющего четыре различных заместителя.

Очевидно, что в данном случае лишь одна из молекул энантиомеров может быть лигандом для активного центра молекулярной мишени (рисунок 6), так как вторая молекула энантиомера не будет взаимодействовать с соответствующими участками связывания.

Рисунок 6. Проекция энантиомеров на плоскость.

Действительно, огромное число молекулярных структур человеческого организма обладает сродством к молекулам с определенной хиральностью. Так, в природе преобладают аминокислоты и сахариды только одной конфигурации, а образование их антиподов подавлено. L-аминокислоты являются естественными для человеческого организма, в то время как D-аминокислоты ускоренно метаболизируются при помощи D-оксидаз.

В некоторых случаях разные энантиомеры можно различить и без всяких приборов -- когда они по-разному взаимодействует с асимметрическими рецепторами в нашем организме.

Яркий пример -- аминокислота лейцин: ее правовращающий изомер сладкий, а левовращающий -- горький. Немного отдалившись от темы курсовой работы можно также добавить, что (+)-энантиомер нооткатона имеет в 2200 раз более интенсивный горький грейпфрутовый вкус и характерный запах, чем (-)-энантиомер, а природный (3S, 3aS, 7aR)-изомер винного лактона имеет в 25000000 более интенсивный сладкий запах с кокосовым оттенком, чем соответствующий (3R, 3aR, 7aS)-изомер .

3.1 Влияние оптической изомерии на биологическую активность

Феномен хиральности (стереоизомерия) столь обычен в биологии, что больше половины всех лекарственных соединений являются хиральными молекулами, т. е. имеют пары энантиомеров.

Часто один из энантиомеров (эвтомер) значительно более активен по сравнению с другим, действующим слабее или не действующим вообще (дистомер). Отношение активности эвтомера к дистомеру называется эвдисмическим и является мерой стереоизбирательности данного соединения. Чем больше данное отношение, тем сильнее биологическая активность лишь одного оптического изомера. Особенно отчетливо это видно тогда, когда центр оптической асимметрии находится в том месте молекулы, которое отвечает за ее взаимодействие с рецептором (так называемое правило Пфейффера) .

Изучение активности стереоизомеров на изолированных тканях исключает влияние проникновения и распределения и позволяет оценить эффективность стереоизомерных веществ в их реакции с рецептором. Взаимодействие асимметричной, достаточно сложной молекулы лекарственного вещества с еще более сложной структурой активного центра рецептора, осуществляемое по типу ключ-замок, определяется, несомненно, их контактом в целом ряде точек. При этом в структурах вещества и рецептора могут существовать как точки связи, так и точки взаимного отталкивания. Очевидно, что существование первых обусловливает сродство вещества к рецептору. Наличие вторых может влиять на сродство, поскольку взаимное отталкивание каких-то групп вещества и рецептора может способствовать специфическому изменению конформации последнего.

Если представить себе, что основные силы взаимодействия асимметрично построенной молекулы лекарственного вещества с активным участком рецептора (или фермента) сосредоточены минимум в трех точках, то два оптических антипода вещества могут одинаково ориентировать в отношении данной поверхности только две из трех групп, участвующих в процессе.

Различная ориентация третьей группы лучше всего может объяснить различие в биологической активности оптических изомеров, причем в зависимости от степени участия этой группы в процессе взаимодействия с рецептором влияние оптической изомерии будет выражено в большей или меньшей степени.

Если вещество взаимодействует с рецептором лишь в двух точках, то разницы в биологической активности его оптических изомеров ожидать не приходится. Однако если третья группа в одном изомере пространственно препятствует контакту вещества с рецептором в двух других точках, то и в этом случае различие между оптическими антиподами должно иметь место. Например, из двух оптических изомеров адреналина только у одного все три группы ориентированы таким образом, что они могут соединяться с соответствующими группами рецептора. В этом случае будет наблюдаться максимальная фармакологическая активность, соответствующая D-(-)-адреналину. У L-(+)-адреналина спиртовая гидроксильная группа ориентирована неправильно по отношению к поверхности рецептора, и данная молекула может взаимодействовать с рецептором только в двух точках. Поэтому природный D-(-)-адреналин обладает в десятки раз большей фармакологической активностью, чем синтезированный искусственно L-(+)-изомер .

Биологически активное вещество с двумя асимметричными центрами имеют четыре диастереомера, как например б-блокатор лабеталол. В большинстве случаев один из этих энантиомеров будет более эффективен, чем его зеркальный энантиомер, что связано с лучшей «подгонкой» к рецепторной молекуле. Например, 5(+)-энантиомер парасимпатомиметического лекарственного средства метахолина более чем в 250 раз активнее R(-)-энантиомера. Если представить рецептор в виде перчатки, в которую должна войти молекула лиганда, чтобы вызвать эффект, становится ясно, почему «левосторонние» лиганды будут более эффективны при связывании с рецептором для «левой руки», чем их «правосторонние» энантиомеры.

Более активный энантиомер для одного типа рецепторов может быть менее активным для другого типа рецепторов, например для рецепторов, ответственных за некоторые нежелательные эффекты. Карведилол -- лекарство, взаимодействующее с адренорецепторами, имеет один хиральный центр и, следовательно, два энантиомера. Один из этих энантиомеров, 5(-)-изомер, является активным в-блокатором. R(+)-изомер в 100 раз слабее действует на рецептор. Кетамин относится к внутривенным анестетикам. Его (+)-энантиомер -- более активный и менее токсичный анестетик, чем (-)-энантиомер. Тем не менее в качестве лекарственного средства до сих пор используют рацемическую смесь.

Наконец, в связи с тем, что ферменты обычно стереоселективны, один энантиомер часто имеет большее сродство к ферменту, метаболизирующему лекарственное вещество, чем другой. В результате энантимомеры могут весьма отличаться друг от друга по длительности действия.

К сожалению, большинство исследований клинической эффективности и элиминации лекарственных соединений у человека выполнено с применением рацемических смесей лекарств, а не их раздельных энантиомеров. В настоящее время только около 45 % хиральных ЛС, используемых в клинике, доступны как активные энантиомеры -- остальные продаются только как рацемические смеси. В результате многие больные получают дозы веществ, которые на 50 % или более неактивны или даже токсичны. Однако отмечается повышение интереса, как на научном, так и на законодательном уровнях, к производству хиральных ЛС в виде их активных энантиомеров.

Тем не менее, ряд соединений присутствует на современном фармацевтическом рынке Республики Беларусь в качестве рацематов.

Рисунок 7. S- и R-изомеры ибупрофена.

Так, например, широкораспространенное нестероидное противовоспалительное лекарственное средство ибупрофен (рисунок 7) присутствует в смеси двух изомеров, один из которых ((S)-(+)-ибупрофен) обладает целевой активностью и проявляет себя как анальгетик, антипиретик и оказывает противовосполительное действие, в то время как R-изомер токсичен и может накапливаться в жировых отложения в виде эфира с глицерином. В связи с этим стало коммерчески доступно аналогичное лекарственное средство, представляющее собой энантиомерно чистый (S)-(+)-ибупрофен, т. н. дексибупрофен. В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что в организме человека присутствует изомераза, способная превращать неактивный (R)-(-)-ибупрофен в активный (S)-(+)-ибупрофен .

Рисунок 8. R- и S-изомеры напроксена.

Напроксен - нестероидное противовоспалительное лекарственное средство, производное пропионовой кислоты, также присутствует на рынке в виде рацемической смеси, несмотря на то, что только S-изомер обладает терапевтической активностью, а R-изомер имеет ярко выраженную гепатотоксичность .

S-амлодипин уже более 20 лет используется в лечении артериальной гипертензии (АГ) и стенокардии, в то время как большинство амлодипинсодержащих лекарственных средств представлены рацемической смесью его S- и R-энантиомеров. Установлено, что способность блокировать медленные каналы L-типа в гладкомышечных клетках сосудов, лежащая в основе терапевтического действия данного препарата, присуща только его S-энантиомеру, в то время как его R-энантиомер в этом плане в 1000 раз менее активен, то есть практически лишен таких свойств . В то же время R-изомер не является фармакологически инертным, поскольку, в отличие от S-изомера, способен стимулировать синтез NO эндотелиальными клетками через кининзависимый механизм . Установлено, что чрезмерная дилатация прекапиллярно-артериолярного звена сосудов нижних конечностей, обусловленная избыточным образованием NO, нивелирует реализацию важного физиологического механизма, предупреждающего развитие отеков тканей нижних конечностей при нахождении тела в вертикальном положении - так называемого прекапиллярного постурального вазоконстрикторного рефлекса .

Именно это обстоятельство лежит в основе побочного действия традиционного рацемического амлодипина в виде периферических отеков, развивающихся в дозозависимом порядке по различным данным у 9-32% получающих его пациентов, чаще пожилых . В сравнительном рандомизированном исследовании S-амлодипина и оригинального рацемического амлодипина, выполненном в Украине, частота отеков на фоне 12-недельного лечения в вышеуказанных группах составила 1,6 и 7,8% соответственно, то есть терапия асомексом (торговая марка S-амлодипина, производимая Actavis Group) снижала риск их возникновения в 4,8 раза . Частота появления периферических отеков на фоне лечения S-амлодипином в двух крупных постмаркетинговых исследованиях составила всего 0,75% (14 из 1859 наблюдавшихся) и 0,84% (14 из 1669). При этом по данным 4-недельного наблюдения, антигипертензивная активность S-амлодипина в дозах 2,5 и 5 мг/сут оказалась эквивалентной таковой для амлодипина-рацемата, принимаемого вдвое большими суточными дозами - 5 и 10 мг.

Тем не менее, некоторые лекарственные средства выпускаются в виде оптически чистых соединений. Их получают тремя методами: разделением рацемических смесей, модификацией природных оптически активных соединений (к ним относятся углеводы, аминокислоты, терпены, молочная и винная кислоты и др.) и прямым синтезом. Последний также требует хиральных источников, поскольку любые другие традиционные методы синтеза дают рацемат. Это одна из причин высокой стоимости некоторых ЛС, и не удивительно, что из множества синтетических хиральных препаратов, выпускаемых во всем мире, лишь небольшую часть составляют оптически чистые, остальные -- рацематы.

Возможно также, что каждый энантиомер обладает своим специфическим действием. Так, левовращающий S-тироксин (лекарственное средство левотроид) -- это природный гормон щитовидной железы. А правовращающий R-тироксин («декстроид») понижает содержание холестерина в крови. Некоторые производители придумывают для подобных случаев торговые названия-палиндромы, например «Darvon» для наркотического анальгетика и «Novrad» для противокашлевого препарата.

Как уже отмечалось на примере аминокислоты лейцина, человек -- существо хиральное.

И это относится не только к его внешнему виду. Энантиомерные ЛС, взаимодействуя с хиральными молекулами в организме, например с ферментами, могут действовать по-разному. «Правильное» лекарственное средство подходит к своему рецептору, как ключ к замку, и запускает желаемую биохимическую реакцию. Антиаритмическое средство S-анаприлин действует в сто раз сильнее, чем R-форма. У антигельминтного средства левамизола активен в основном в S-изомер, тогда как его R-антипод вызывает тошноту, поэтому в свое время рацемический левамизол был заменен одним из энантиомеров. В 60-е годы одним из предшественников адреналина в организме -- диоксифенилаланином (L-ДОФА) пытались лечить паркинсонизм.

При этом выяснилось, что это вещество, а также родственные ему дофамин и метилдофа эффективны только в виде S-изомера. В то же время R-ДОФА вызывает серьезные побочные эффекты, в том числе заболевание крови. Фирма «Merck» разработала способ производства гипотензивного препарата метилдофа, включающий самопроизвольную кристаллизацию только нужного энантиомера путем введения в раствор небольшой затравки этого изомера.

Пеницилламин (3,3-диметилцистеин) -- довольно простое производное аминокислоты цистеина. Это вещество применяют при острых и хронических отравлениях медью, ртутью, свинцом, другими тяжелыми металлами, так как оно дает прочные комплексы с ионами этих металлов, и эти комплексы удаляются почками.

Применяют пеницилламин также при различных формах ревматоидного артрита, при системной склеродермии, в ряде других случаев. При этом применяют только S-форму препарата, так как R-изомер токсичен и может привести к слепоте. Недаром на обложке июньского номера американского журнала «Journal of Chemical Education» за 1996 год был помещен вот такой необычный рисунок. Название статьи о лекарственных средствах-антиподах было не менее красноречивым: «Когда молекула смотрится в зеркало» .

4. Геометрическая изомерия

4.1 Общая характеристика

Рисунок 9. Цис- и транс-дихлорэтен.

лекарственный препарат фармакология изомерия

Стереоизомерами называют вещества, имеющие одинаковые химические формулы, молекулы которых различаются только расположением атомов друг относительно друга. В отличие от структурных изомеров, в молекулах стереоизомеров характер и последовательность химических связей совпадают. Важнейшими типами стереомеров являются цис-транс изомеры (E-Z-изомеры), энантиомеры, диастереомеры и конформеры. Последний случай относится к большим молекулам, например белкам, которые при одной и той же первичной структуре могут иметь различные конформации.

Цис-транс изомерия относится к расположению различных атомов или групп относительно выделенной связи, например двойной. В цис-изомере эти атомы находятся по одну сторону от выделенной связи, а в транс-изомере - по разные. Простейшим примером цис-транс изомерии являются соединения типа дихлорэтена (рисунок 10). В более сложных случаях для описания такого рода стереоизомерии используют предложенную ЮПАК номенклатуру: у Z-изомеров группы с наибольшими весами находятся по одну сторону связи, а у E-изомеров - по разные.

4.2 Влияние геометрической изомерии на биологическую активность

Рисунок 10. Иллюстрация заторможенности вращения относительно пептидной связи в белках.

Цис-транс изомеры могут быть образованы и энантиомерами хиральных соединений. Важный пример - пептидная связь в белках, образованная остатками L-аминокислот. Эта связь имеет характер частично двойной связи, поэтому атомы скелета пептидной группы (-C б -C?-N-C б -) расположены в одной плоскости и группа может находиться либо в цис-, либо в транс-конформации (рисунок 11).

Хотя в развернутой полипептидной цепи происходит свободная изомеризация и пептидные группы принимают обе конформации, в нативном белке только одна из 1000 групп имеет цис-конформацию (остальные находятся в транс-конформации). Транс-конформация пептидных групп задается при их синтезе на рибосомах и сохраняется в дальнейшем. Однако если в состав пептидной группы входит остаток пролина (рисунок 12), что в обычных белках бывает редко, то соотношение транс/цис становится равным 3/1. Это значит, что в таком случае изомеризация происходит гораздо быстрее (хотя все равно очень медленно, с постоянной времени около 20, при комнатной температуре), чем в пептидной связи, образованной другими аминокислотными остатками.

Рисунок 11. Молекула L-пролина

При синтезе белка процесс сворачивания полипептидной цепи с образованием нативной конформации (фолдинг) происходит в тысячи раз быстрее цис-транс изомеризации, тем не менее иногда образуется пептидная группа в цис-конформации. В этом случае процесс фолдинга останавливается до тех пор, пока не возникнет правильная конформация, либо прекращается вовсе. Бывает и наоборот, когда для активной формы белка необходима не транс-конформация, которая образуется при синтезе, а цис-конформация, тогда приходится ждать, пока она не образуется. В обоих случаях на помощь приходит специальный фермент - пептидилпролилизомераза, который существенно ускоряет процесс изомеризации, в результате чего синтез таких белков идет без задержек.

Рисунок 12. Молекула серотонина

Не так давно было обнаружено, что цис-транс изомеризация не просто влияет на структуру белка, но такое изменение структуры может играть важную роль в регуляции биохимических процессов. Одним из важнейших нейромедиаторов, ответственных за регуляцию очень большого числа процессов у различных организмов - от нематоды до человека, - является серотонин (5-гидрокситриптамин, рисунок 13). У человека 80-90% серотонина обнаруживается в специальных клетках кишечника, где он используется для регуляции перистальтики. Остальная часть серотонина синтезируется в серотонергических нейронах в центральной нервной системе, где он участвует в регуляции аппетита, сна, хорошего настроения и агрессии. Кроме того, он стимулирует рост клеток, в частности в процессе восстановелния печени после повреждения, регулирует рост и рассасывание костей. Вырабатывается серотонин и у растений и грибов, его содержат некоторые овощи и фрукты.

Разнообразие регуляторных функций серотонина обусловлено наличием в разных клетках различных рецепторов серотонина, которые образуют так называемое суперсемейство серотониновых рецепторов (5-HT-рецепторов). Недостаточная или избыточная продукция серотонина приводит к различным психическим расстройствам. Так, при недостатке серотонина (или дефектах его рецепторов) у человека возникает депрессия. Поэтому многие лаборатории занимаются изучением серотониновой регуляции, в частности механизмов взаимодействия серотонина с различными рецепторами.

Все рецепторы серотонина, кроме 5-HT 3 , работают посредством активации G-белков, которые затем вызывают каскад биохимических реакций, приводящих к определенному результату. Рецептор 5-HT 3 - единственный, который относится к типу управляемых ионных каналов (его ближайший структурный аналог - никотиновый рецептор ацетилхолина). Этот рецептор представляет собой белок, пять раз пронизывающий клеточную мембрану нервной клетки, в котором при связывании с серотонином образуется пора, пропускающая катионы натрия, калия и кальция. Прохождение ионов по открывшемуся каналу приводит к возбуждению нейрона и генерации нервного импульса.

Однако как открывается канал в мембране, было неизвестно. Недавно было установлено, что инициатором структурных перестроек в рецепторе 5-HT 3 является изомеризация одного остатка пролина, находящегося в ключевом для этого типа рецепторов месте (вершина цистеиновой петли). Если пролин находится в транс-конформации, то канал закрыт. Связывание серотонина вызывает изомеризацию пролина, и канал открывается. Пожалуй, это первый случай, когда экспериментально показано, что переключение ионного канала между открытым и закрытым состояниями обусловлено стереоизомеризацией всего одного звена в полипептидной цепи .

Несмотря на меньшую (в сравнении с оптической изомерией) значимость цис-транс изомерии для фармации, надо признать, что свою нишу она, все же, имеет.

Ярким примером различий в свойствах биологически активных соединений в контексте геометрической изомерии является линолевая кислота, представляющая собой одноосновную карбоновую кислоту с двумя изолированными связями - CH 3 (CH 2) 3 -(CH 2 CH=CH) 2 (CH 2) 7 COOH.

Рисунок 13. Линолевая кислота.

Линолевая кислота относится к семейству омега-6 полиненасыщенных жирных кислот и в организме осуществляет регуляцию свойств клеточных и субклеточных мембран. Примечательно то, что только цис-изомер линолевой кислоты может использоваться организмом для синтеза арахидоновой кислоты , в то время как транс-изомеры малоактивены и могут накапливаться в органах и тканях. Линолевая кислота входит во множество лекарственных средств и биологически активных добавок, реализуемых на территории Республики Беларусь. Так, например, линолевая кислота является одним из основных компонентов ЛС «Эссенциале» и «Эссенциале форте Н» (Санофи Авентис), «Эссенцикапс» (МинскИнтерКапс), «Акулайв» (Lysi HF), «Фосфоглиф» (Фармстандарт-Лексредства) и других.

Вместе с тем, далеко не всегда транс-изомеры жирных кислот являются индифферентными. В начале 90-х годов прошлого века появился ряд публикаций, указывающих на связь потребления транс-жиров и риском развития сердечно-сосудистых заболеваний . В дальнейшем ВОЗ рекомендовала сократить потребление транс-жиров до следовых количеств , так как появились сведения, подтверждающие влияние транс-изомеров жирных кислот на возникновение рака, диабета, болезни Альцгеймера и иных, не менее малоприятных заболеваний.

Однако, не только изомеры естественного происхождения проявляют различную биологическую активность. Так, например, цисплатин (цис-, цис-дихлородиамминплатина(II) является алкилирующим цитотоксическим лекарственным средством, представленным, как ясно из названия, цис-изомером. Цисплатин оказывает терапевтическое действие путем связывания с молекулой ДНК и образованием координационного соединения между атомом платины и двумя азотистыми основаниями, что приводит к невозможности дальнейшего считывания и воспроизведения наследственной информации. Исследование показало , что комплекс цисплатин - ДНК более стабилен, чем аналогичный ему комплекс, содержащий транс-изомер. Таким образом обеспечивается развитие более длительного терапевтического эффекта, что, очевидно, и определило вывод на рынок именно цис-изомера. Вместе с тем, существуют исследования , указывающие на наличие комплексных соединений платины, пребывающих в транс-форме, и обладающих активностью, сравнимой с цисплатином. В таком контексте становится очевидно, что рассматривать отдельно взятое соединение без изучение его взаимодействия с молекулярной мишенью не представляется оптимальным.

Обсуждая вопросы геометрической изомерии, нельзя не упомянуть о наших соотечественниках, ведущих разработки ЛС на основе комплексов палладия (II) с N-замещенными тетразолами (Белорусский государственный университет), которые являются эффективными цитостатиками, проявляющими антипрофилеративную активность как в ряду цис-, так и в ряду транс-изомеров .

Заключение

Подводя итоги, можно отметить, что пространственное строение лекарственного соединения во многом определяет его фармакологическую активность. Выраженность биологического эффекта и его направленность зависит от строения лиганда, взаимодействующего с молекулярной мишенью.

На современном этапе развития фармацевтической индустрии огромное внимание уделяется методам компьютерного конструирования лекарственных соединений, что диктуется как экономическими факторами (значительно сокращается время и стоимость разработки), так и этическими факторами - существующие алгоритмы позволяют предсказать возможную токсичность исследуемого соединения и предотвратить трагедии, аналогичные талидомидовой.

На мой взгляд, одним из наиболее примечательных аспектов влияния пространственного строения лекарственного вещества на фармакологическую активность и фармакокинетику является изучение взаимодействия лиганда и рецептора. Изучение структуры биомолекулы, воссоздание ее нативного строения дает возможность получить информацию об активном центре, что в дальнейшем, при использовании докинга, позволяет подобрать именно такую структуру, которая будет производить оптимальный эффект.

Следующим любопытным фактом для меня было существование молекулярных дескрипторов строения - специальных математических параметров, которые могут обобщить пространственное расположение атомов до некоторой исчисляемой величины. Молекулярные дескрипторы в дальнейшем могут использоваться для построения моделей, в которые «закладываются» имеющиеся сведения относительно исследуемого соединения, а в качестве результата «получается» интересующий нас параметр - фармакологическая активность.

Изучение материалов при подготовке курсовой работы было очень интересным, пусть и сложным, ведь адекватное понимание действия лекарственных веществ невозможно без изучения тех механизмов, которые оказываются задействованы при его проникновении в организм. Было приятно узнать, что работы по получению новых лекарственных соединений ведутся не только в абстрактном «зарубежье», но и учеными из стран СНГ, а также Беларуси - в частности, НАН РБ долго и вполне успешно работает над проблемой молекулярного дизайна лигандов к ферментам микросомального окисления.

Так или иначе, проделанная работа показалась мне полезной, быть может не столько для моего профессионального роста как провизора-рецептара, сколько для формирования широкого кругозора и углубленного понимания роли фармацевтической химии как науки.

Литература

1. MedUniver [Электронный ресурс] / Фармакология. - Режим доступа: http://meduniver.com/Medical/farmacologia/25.html. - Дата доступа: 01.05.2013.

2. Клиническая фармакология. Национальное руководство. Под редакцией Ю.Б. Белоусова, В.Г. Кукеса, В.К. Лепахина, В.И. Петрова-М: «ГЭОТАР -Медиа», 2009-965с.

3. Википедия [Электронный ресурс] / Агонист. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Агонист. - Дата доступа: 01.05.2013.

4. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С.Северина. - 3-е изд., испр. - М.: Гэотар-Медиа, 2005. - 784 с.

5. Химическая энциклопедия [Электронный ресурс] / Фумаратгидратаза. - Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4963.html. - Дата доступа: 01.05.2013.

6. Солдатенков А.Т. Основы органической химии лекарственных веществ / А.Т. Солдатенков. -- М.: Химия, 2001.-- 192 с.

7. Tracy, T. S. Metabolic inversion of (R)-ibuprofen. Epimerization and hydrolysis of ibuprofenyl-coenzyme A / T.S. Tracy, S.D. Hall // Drug Metab. Dispos. -- 1992. -- V.20. -- №2. -- P. 322-327.

8. Летучие природные органические соединения [Электронные ресурс] / Режим доступа: http://fen.nsu.ru/posob/pochki/Tkachev.pdf. - Дата доступа: 01.05.2013.

9. Burges, R.A. Calcium channel blocking properties of amlodipine in vascular smooth muscle and cardiac muscle in vitro: evidence for voltage modulation of vascular dihydropyridine receptors / R.A. Burges // J. Cardiovasc. Pharmacol. - 1987; 9 (1):110-119.

10. Laufen, H. Enantioselective disposition of oral amlodipine in healthy volunteer / H. Laufen, M. Leitold // Chirality. - 1994. - V. 6 (7). - P. 531-536.

11. Cogolludo, A. New insights in the pharmacological therapy of arterial hypertension / A. Cogolludo, F. Perez-Vizacaino, J. Tumargo // Curr. Opin. Nephrol. Hypertens. - 2005. - V.14. - P. 423-427.

12. Perna G.P. Efficacy and tolerability of amlodipine in patients with stable angina pectoris. Results of multicenter study / G.P. Perna // Clin. Drug. Invest. - 1997. - V. 13. - P. 149-155.

13. Бобров, В.А. Применение S-амлодипина в лечении больных с мягкой и умеренной артериальной гипертензией / В.А. Бобров [и др.] // Здоров"я України. - 2007. - № 12/1. - С. 1-4.

14. Леенсон, И.А. Левое или правое / И.А. Леенсон // М.: Химия и жизнь. - №5. - 2009. - С. 20-23.

15. Алексеев, В.В. Оптическая изомерия и фармакологическая активность лекарственных препаратов // Соросовский образовательный журнал, 1998, №1, с. 49-55.

16. Яницкий, П.К. Многообразие строения и форм молекул органических соединений / П.К. Яницкий, В. Реверский, В. Гумулка // Новости фармации и медицины. 1991. № 4/5. C. 98-104.

17. Биология [Электронный ресурс] / Роль стереоизометрии в биохимической регуляции. Режим доступа: http://bio.1september.ru/view_article.php?ID=200901701. - Дата доступа: 01.05.2013.

18. Биохимия: Учебник для ВУЗов / Под ред. Е. С. Северина. -- ГЭОТАР-Медиа, 2003. -- С. 371-374

19. Intake of trans fatty acids and risk of coronary heart disease among women / Walter C . - The Lancet. - V. 341. - P. 581--585.

20. Willett, W.C. Trans fatty acids: are the effects only marginal? / W.C. Willet, A. Ascherio American Journal of Public Health. - V. 84 (3). - 1994. - P. 722-724.

21. WHO Scientific Update on trans fatty acids: summary and conclusions / R Uauy // European Journal of Clinical Nutrition. - № 63. - 2009. - Р. 68-75.

22. Nafisi, S. A comparative study on the interaction of cis- and trans-platin with DNA and RNA. / S. Nafisi, Z. Norouzi. // DNA Cell Biol. - V. 28(9). - 2009. - P. 469-477.

23. МГУ им. Ломоносова [Электронный ресурс] / Противоопухолевая активность ацетоксимных и гидроксиламиновых комплексов платины(II). Режим доступа: http://lomonosov-msu.ru/archive/Lomonosov_2007/23/Chemistry/kukushkin_nv.doc.pdf. - Дата доступа: 01.05.2013.

24. Синтез и строение новых комплексных соединений палладия(ii) с n-замещенными тетразолами / Т.В. Серебрянская [и др.] // Минск, «Свиридовские чтения», 2008. - С. 45-53.

25. Todeschini, R. Molecular Descriptors for Chemoinformatics / R. Todeschini, V. Consonni. - Willey-VCH, 2009. - 1265 c.

26. Quantitative Structure-Activity Relationships: Fundamentals and Application of the Hansch Analysis / International Union of Pure and Applied Chemistry. Brasil, 2006. - Mode of access: http://iupac.org/publications/cd/medicinal_chemistry. - Date of access: 20.04.2013.

27. Todeschini, R. Handbook of Molecular Descriptors / R. Todeschini, V. Consonni. - Wiley-VCH, 2000. - 688 с.

Подобные документы

Исследование основных особенностей воспалительного процесса. Характеристика фармакологического действия лекарственных препаратов нестероидных противовоспалительных средств. Изучение показаний и способа применения, противопоказаний, побочных действий.

курсовая работа , добавлен 10.03.2014

Основные показания и фармакологические данные по использованию нестероидных противовоспалительных лекарственных средств. Случаи запрещения их использования. Характеристика основных представителей нестероидных противовоспалительных лекарственных средств.

реферат , добавлен 23.03.2011

Цифровое кодирование лекарственных средств. Влияние различных факторов на потребительные свойства и качество лекарств, способы защиты товаров по этапам жизненного цикла. Фармакологическое действие, показания лекарственных препаратов на основе чаги.

курсовая работа , добавлен 28.12.2011

Характеристика препаратов, применяемых при нарушении секреторной функции желудка, 12-перстной кишки и поджелудочной железы. Анализ групп лекарственных препаратов: их фармакологическое действие, дозы, применение и формы выпуска, нежелательные реакции.

курсовая работа , добавлен 30.10.2011

Место нестероидных противовоспалительных препаратов среди "симптоматических" лекарственных средств при лечении ревматических болезней. Особенности механизма действия, показания к применению и дозирование, побочные эффекты препаратов данной группы.

курсовая работа , добавлен 21.08.2011

Понятие биологической доступности лекарственных средств. Фармако-технологические методы оценки распадаемости, растворения и высвобождения лекарственного вещества из лекарственных препаратов различных форм. Прохождение лекарственных веществ через мембраны.

курсовая работа , добавлен 02.10.2012

Особенности фармацевтического рынка России. Характеристика группы нестероидных противовоспалительных средств. Товароведческий анализ лекарственного препарата на основе лекарственного средства. Маркетинговые исследования продукта, стратегия продвижения.

курсовая работа , добавлен 30.11.2010

Государственное регулирование в сфере обращения лекарственных средств. Фальсификация лекарственных препаратов как важная проблем сегодняшнего фармацевтического рынка. Анализ состояния контроля качества лекарственных препаратов на современном этапе.

курсовая работа , добавлен 07.04.2016

Особенности применения нестероидных противовоспалительных средств при ревматоидном артрите. Лечебный эффект от использования лекарственных препаратов, возможность развития побочных действий, индивидуализация выбора. Факторы риска гастротоксичности.

презентация , добавлен 21.12.2014

Основные задачи фармакологии: создание лекарственных препаратов; изучение механизмов действия лекарственных средств; исследование фармакодинамики и фармакокинетики препаратов в эксперименте и клинической практике. Фармакология синаптотропных средств.

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;

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.