Фармакодинамика - раздел фармакологии, занимающийся изучением фармакологических эффектов, вызываемых лекарственными веществами, а также изучением механизмов возникновения этих эффектов.

Лекарственные вещества, действуя на организм, вызывают различные изменения деятельности органов и, систем (например: усиление сокращений сердца, расширение просвета бронхов, понижение артериального давления, снижение температуры тела и т. д.).

Такие изменения в деятельности организма под влиянием лекарств обозначаются термином фармакологические эффекты. Для каждого лекарственного препарата характерны определенные эффекты, но с лечебными целями используют только некоторые, их называют основными фармакологическими эффектами, остальные, неиспользуемые, а иногда и нежелательные, называют побочными.

Механизмами действия называют способы, которыми лекарственные вещества вызывают указанные эффекты. Вопрос об изучении механизмов действия лекарственных препаратов является одним из наиболее сложных в фармакологии. Механизмы действия многих лекарственных препаратов, применяемых уже не одно столетие, изучены далеко не полностью. Примером может служить такой анальгетик, как морфин. Хотя механизмы действия многих препаратов еще окончательно не изучены, сегодня можно уже говорить о некоторых типовых механизмах действия.

По механизму действия все лекарственные вещества можно разделить на три группы:

Лекарственные препараты, в основе действия которых лежат физические или физико-химические механизмы. Примером могут служить: различные адсорбенты, многие присыпки, некоторые мази, некоторые слабительные (вазелиновое масло).

Лекарственные вещества, механизм действия которых обусловлен химическим взаимодействием вне клеток. Например, действие антацидов, нейтрализующих соляную кислоту желудка.

Лекарственные препараты, первично влияющие на метаболизм клеток. Так действует большинство лекарств.

Влияние лекарств на метаболизм клеток осуществляется, главным образом, за счет их взаимодействия с рецепторами. Под рецептором, в широком смысле слова, подразумевают ту структуру клетки, с которой взаимодействует препарат и тем самым меняет ее функцию.

Знание механизмов действия лекарственных препаратов очень важно и для правильного их применения и для предупреждения их нежелательных эффектов. Это приводит к тому, что фармакологи много внимания уделяют изучению механизмов действия не только новых, но и уже давно известных лекарственных препаратов.

9.1. Основные мишени действия лекарственных веществ.

Для более точного представления о механизме действия и фармакодинамике лекарственных веществ очень важное значение имеет учет специфичности, чувствительности, нейрогуморальной регуляции, рецепторов, синапсов, биологических мембран, называемых мишенями действия лекарственных веществ.

Чувствительность в широком понятии - способность животного организма реагировать на разные эндогенные и экзогенные раздражители. Во врачебной практике чаще всего о чувствительности говорят в более узком смысле, а именно как о способности анализаторов реагировать на раздражитель. Это свойство присуще всем живым организмам, но оно усложняется и совершенствуется как в филогенезе, так и в онтогенезе.

Анализаторами, по предложению И. П. Павлова, называют сложные анатомо-физиологические системы, обеспечивающие восприятие и анализ всех раздражителей, действующих на животных.

Принято учитывать чувствительность абсолютную, или минимальный порог раздражения (способность реагировать на минимальную величину раздражителя), и дифференциальную (способность реагировать на изменения интенсивности раздражения).

Различают также чувствительность протопатическую и эпикрическую. Протопатическая чувствительность есть примитивный вид чувствительности, воспринимающий только сильные механические и термические раздражения. В отличие от этого чувствительность эпикрическая более тонкая и дифференцированная.

У животных бывают очень различные нарушения чувствительности, а чаще всего:

1) гиперестезия (повышение разных видов чувствительности с понижением порога соответствующей чувствительности);

2) гиперпатия (повышенная чувствительность - болевая, температурная, тактильная) с изменением качества ощущения, с нарушением локализации и дифференциации его;

3) полиэстезия - когда одиночные раздражения воспринимаются как множественные;

4) аллоэстезия - раздражения ощущаются в другом месте;

5) аллохейрия - раздражение ощущается в симметричном участке другой стороны. Иногда извращается ощущение раздражения, например, болезненное ощущение холода или тепла.

Чувствительность сильно изменяется при разных изменениях в организме и в первую очередь при изменении состояния центральной нервной системы и симпатической иннервации. Ее можно существенно изменить фармакологическими веществами - повысить или ослабить, можно восстановить нарушенное состояние их, можно и профилактировать нарушения.

Постоянство состава внутренней среды организма и функции физиологических систем регулируются и координируются нервной системой и биологически активными веществами, содержащимися в крови, лимфе и тканевой жидкости; обычно это называется нейрогуморальной регуляцией, а активные вещества нервными и гуморальными интеграторами. В нейрогуморальной регуляции участвуют очень различные специфические и неспецифические продукты обмена веществ, в том числе медиаторы, нейрогормоны, гистамин, простагландины, олигопептиды и др.

Биологически активные вещества с током крови разносятся и вступают во взаимодействие только с соответствующими рецепторами (адрено-, холино-, серотонин-, гистамин- и др.) реактивных структур в тех или иных клетках и часто называемых «клетками-мишенями», а так как клетки разных органов имеют сходное строение, то можно говорить о действии биологически активных веществ на «орган-мишень».

Влияние биологически активных веществ обычно осуществляется через разные промежуточные соединения вторичных передатчиков, из которых очень важную роль играют аденозин-3-5-монофосфат (3-5-цАМФ - универсальный передатчик действия катехоламинов) и циклический гуанидин-З-5-монофосфат (цГМФ - посредник действия ацетилхолина, инсулина, а также многих других трофотропных веществ).

Участие вторичных передатчиков в проявлении эффекта довольно сложное, происходящее через ряд этапов. Прежде всего, они образуются и в обычных условиях жизни клетки, а под влиянием фармакологических агентов активизируются или подавляются. Необходимые условия для этого чаще всего касаются изменения тканевого обмена и активизации некоторых ферментов (аденилатциклады, фосфодиэтилэстеразы и др.). Образовавшееся биологически активное вещество передает соответствующую информацию в центральную нервную систему, т. е. в определенных условиях выполняет функцию звена рефлекторной дуги (рис. 2). Это вызывает ответную реакцию наиболее чувствительных отделов ЦНС, в результате чего изменяется поток нервных импульсов, передаваемых в рабочие органы.

Рефлекторная дуга (в ранее принятом понятии) усложняется включением гуморальных связей и поэтому представляется состоящей из звеньев, имеющих высокую специфическую чувствительность к различным фармакологическим веществам. Значение нейрогуморальных рефлекторных дуг усиливается наличием в центральной нервной системе специальных медиаторных нейронных систем (норадреналиновые, дофаминовые, серотониновые, ацетилхолиновые, гистаминовые и др.). Благодаря этим системам ЦНС не только осуществляет рефлекторную связь, но и продуцирует высокоактивные химико-фармакологические вещества типа медиаторов (пептиды, катехоламиды, ацетилхолин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота и др.), регулирующие деятельность и мозга и всех физиологических систем. В фармакологии нейрогуморальной регуляции больше внимания теперь уделяется контролю за чувствительностью регулирования синаптической передачи, состоянием рецепторов и активностью медиаторов.

Медиаторы (нейротрансмиттеры, синаптические передатчики) - химические передатчики нервного импульса на клетки физиологических систем или на другие нервные клетки. Место передачи получило название синапсов, а химические структуры, с которыми взаимодействует медиатор, реактивными (холинергические, адренергические). Значительная часть медиаторов является биогенными аминами (декарбоксилированные производные ароматических аминокислот). Из катехоламиновых производных хорошо изучен дофамин, известный медиатор интернейронов синаптических ганглиев.

Дофаминергические нейроны имеются в лимбической системе среднего мозга, а также в гипоталамической области и в сетчатке. Норадреналин вырабатывается в мозговом веществе надпочечников, в скоплениях вненадпочечниковой хромафинной ткани, в головном мозге и в постганглионарных окончаниях симпатических нервов. Он является медиатором симпатических нейронов.

Серотонин (производное индола) - медиатор нервных сплетений кишечника; он активно влияет на дыхание и кровообращение, положительно ино- и хронотропно на сердце, возбуждает гладкие мышцы.

Ацетилхолин - уксуснокислый эфир холина - медиатор постганглионарных окончаний холинергических нервов и очень широкого влияния.

Некоторые медиаторы являются аминокислотами: глицин, глутаминовая, гамма-аминомасляная, аспарагиновая и др.

Образование медиаторов является обязательной частью нормального хода обмена веществ в пресинаптической зоне. Например, а-тирозин под влиянием фермента тирозин-3-гидроксилазы преобразуется в L-дофа, а она под воздействием дофа-декарбоксилазы переходит в дофамин. Под воздействием дофамин-гидроксилазы дофамин превращается в норадреналин, а он под воздействием фенилэтаноламин-N-метилтрансферазы - в адреналин.

Рецепторы - специфические концевые образования чувствительных нервов, воспринимающие раздражения и трансформирующие энергию внешнего раздражения в процесс нервного возбуждения. Они информируют головной мозг животного о состоянии и изменениях внутренней и внешней среды.

Рецепторы, обеспечивающие основное действие лекарств, называют специфическими.

Сродство вещества к рецептору, приводящее к образованию с ним комплекса, обозначается термином аффинитет. Способность вещества при взаимодействии с рецептором вызывать тот или иной эффект, называется внутренней активностью вещества.

Лекарства, вызывающие при взаимодействии с рецептором биологический эффект, называют агонистами. Возможно связывание двух различных агонистов с разными участками макромолекулы рецептора. Это явление носит название аллостерического взаимодействия. В этом случае одно вещество может повышать или снижать аффинитет другого. Например, сибазон аллостерически повышает аффинитет ГАМК к соответствующим рецепторам.

Вещества, не вызывающие эффекта при взаимодействии с рецепторами, но уменьшающие или устраняющие эффекты агонистов, носят название антагонистов.

Кроме специфических рецепторов существуют еще неспецифические, с ними могут связываться многие лекарственные вещества, не вызывая при этом никаких эффектов. Примером могут служить рецепторы белков плазмы крови.

Фармакологические рецепторы, включенные в мембраны клеток, называют мембранными рецепторами, а рецепторы, находящиеся в цитоплазме, называют цитоплазматическими.

Клеточные рецепторы воспринимают всю информацию из окружающей среды и одновременно являются тригерными (пусковыми) механизмами, запускающими деятельность клетки.

К воспринимающим приборам относятся рецепторы всех органов чувств (осязание, обоняние, вкус, слух, зрение) и специальные рецепторные образования в органах и тканях.

Характерным для любых рецепторов является восприятие только определенных видов (и даже в очень незначительной силе) раздражения. Разнообразие раздражителей рецепторов привело к сложности строения и большой дифференциации этих биологических структур, к образованию множества типов сенсорных органов.

Различают рецепторы - воспринимающие раздражения из внешней среды (экстерорецепторы), из внутренних органов (интерорецепторы), а также из скелетных мышц и сухожилий (проприорецепторы).

В зависимости от особенностей раздражителя различают механорецепторы, хеморецепторы, терморецепторы, а также рецепторы, воспринимающие боль, свет, звук, вкус, запах и др.

Высокая чувствительность анализаторов, как полагают, обеспечивается наличием в рецепторах специальных сенсибилизаторов или структур, обеспечивающих трансформацию энергии раздражения в возбудительный процесс.

Реакция анализаторов на лекарственное вещество тем значительнее, чем выше концентрация его и чем больше площадь контакта с тканями. Изменение возбудителей рецептора и порог его неодинаковы при воспалении, а также при разном состоянии центральной нервной системы и адренергической иннервации.

При воздействии на экстерорецепторы фармакологическими веществами чаще всего изменяют чувствительность (болевую, тактильную и температурную). При воздействии на интерорецепторы вызывают изменение состояния их во внутренних органах, сосудах и др. (горечи, сладкие, ароматические, местноанестезирующие, слизистые, вяжущие, слабительные вещества и др.).

Для действия на проводящие пути практически применяют местноанестезирующие вещества. На принципе раздражения рецепторов афферентных нервов основано слабительное влияние гипертонических растворов солей, действие горьких и сладких веществ, эмодина и хризофановой кислоты. Для действия на центры, воспринимающие импульсы от рецептора, используются в зависимости от потребности все вещества, влияющие на центральную нервную систему.

К наиболее изученным холинорецепторам относят прежде всего М-холинорецепторы. Установлено, что в них есть три центра, реагирующие с функциональными группами ацетилхолина:

1 - анионный центр (реагирует с катионным центром медиатора),

2 - центр кислородный (реагирует с эфирным кислородом медиатора)

3 - центр карбонильно-кислородный (реагирует е карбонильным кислородом ацетилхолина или с соответствующими ему активными группами (рис. 3).

Все эти три центра находятся в рецепторе в очень точном взаиморасположении и только в этих условиях они воспринимают ацетилхолин. Структура рецепторов очень различна.

Большой научный и практический интерес представляет открытие рецепторов мозга. Примером этого могут быть новые данные об опиатных рецепторах. Известно, что антагонистом опиатов является налоксон. Эксперименты с этим препаратом показали, что в гомогенате мозга крыс опиаты тормозят способность налоксона активно связываться с тканями мозга. Было высказано предположение, что опиаты и налоксон связываются с одними и теми же рецепторами. Основанием для этого было также то, что связывание налоксона разными опиатами коррелировано с их анальгезируюшей активностью. Последующие эксперименты в разных направлениях подтвердили наличие опиатных рецепторов в тканях мозга. Наибольшее количество их обнаружено в лимбической системе - в стриатуме, гипоталамусе, миндалинах и очень мало в мозжечке и спинном мозге.

Рис. 2. Схематическое изображение медиаторных путей в головном мозге:

НА - норадреналиновые пути;

ДА-дофаминовые пути (левая половина рисунка);

С - серотониновые пути (правая половина рисунка);

1 - лимбический отдел переднего мозга;

2 - неостриатум;

3 - новая кора;

4 - палеостриатум;

5 - зрительный бугор;

6 - гипоталамус;

7 - средний мозг;

8 - варолиев мост;

9 - продолговатый мозг;

10 - спинной мозг.

Доказано, что опиатоподобное вещество мозга состоит из двух пентапептидов, названных энкефалинами. Один (мет-ЭНК) - Н-тирозин-глицин-глицин-фенил-аланин-метидин-ОН, второй (лей-ЭНК) - Н-тирозин-глицин-глицин-фенил-аланин-лейцин-ОН. Природные и синтетические энкефалины по анальгезирующему эффекту, по механизму действия и по отношению к налоксону имеют много сходного с опиатами, а по химическому составу - с некоторыми пептидами мозга, в частности у них такая же последовательность аминокислот (61- 65), как и в гормоне гипофиза бета-липотропине.

Современное изучение бета-липотропина и разных частей его молекулы показало, что опиатоподобной активностью обладает ряд полипептидов, выделенных из задней доли гипофиза и гипоталамуса. Этим пептидам дано название эндорфины (эндогенные морфины). Более того, установлено, что некоторые эндорфины активнее энкефалинов.

Изучение биологической роли энкефалинов и эндорфинов привело к предположению, что их влияние проявляется не только в регулировании процессов боли и обезболивания, но и эмоциональных процессов. Установлено, что эндорфины, помимо анальгетического влияния, оказывают выраженное седативное и каталептическое действие подобно нейролептикам.

Синапсы - специализированные нервные образования, где происходит контакт между возбудимыми клетками (рис. 4). Они необходимы для осуществления функции передачи и преобразования сигналов. Иными словами, они обеспечивают проявление активности нервной системы и интегративную деятельность мозга.

Рис. 3. Схема строения М- и Н-холинорецепторов и взаимодействие с ними ацетилхолина

А - М-холинорецептор;

I

II - центр реакции холинорецептора с эфирным кислородом АХ;

III - центр реакции холинорецептора с карбонильным кислородом АХ;

IV- центр реакции холинорецептора с гидроксилом кислотной части холинолитика.

Заштрихованные участки- места связи (по типу связи Ван-дер-Ваальса) холинорецептора с М-холинолитиками;

Б - Н-холинорецептор;

I - анионный центр, взаимодействующий с положительно заряженным атомом азота («катионная головка») АХ;

II - центр с частично отрицательным зарядом, реагирующий с эфирным кислородом АХ;

III - дополнительный анионный центр.

Заштрихованные участки - места связи (по типу связи Ван-дер-Ваальса) холинорецептора с Н-холиноблокаторами;

штриховыми линиями обозначены места связи центров холинорецептора с активными группами АХ.

Передача в синапсах осуществляется при посредстве медиаторов. Медиаторы не только осуществляют передачу импульса на рецепторы постсинаптических мембран, но и изменяют проницаемость мембран для ионов, вызывают генерацию местного нерегенеративного потенциала. Граница соприкосновения осуществляется через две мембраны - пресинаптическую и постсинаптическую, а пространство между ними принято называть синаптической щелью.

Пресинаптическая мембрана является завершающейся частью поверхностной мембраны оксонального окончания; она имеет сложную проницаемость (некоторые даже считают, что у нее есть отверстия для выделяемого медиатора). Постсинаптическая мембрана не имеет отверстий, но она избирательно проницаема для медиатора с пресинаптической мембраны.

Синапсы пресинаптических окончаний имеют синаптические пузырьки, наполненные медиатором высокой концентрации. Эти медиаторы под влиянием нервного импульса выходят из пузырьков в местах перерыва мембраны, проникают в синаптическую щель и контактируют с постсинаптической мембраной. Фармакологическое воздействие на синапсы очень простое - ускорить или замедлить введение в действие как возбуждения, так и угнетения заключается в том, что нервный импульс, проходящий в пресинаптическое окончание, вызывает деполяризацию пресинаптической мембраны, изменяет ряд свойств ее, в том числе увеличивает проницаемость ионов кальция.

Ионы кальция в пресинаптической мембране ускоряют освобождение медиатора из пузырьков. Медиатор легко диффундирует, проходит через синаптическую щель и реагирует с рецепторами постсинаптической мембраны; этот процесс ярко выражен, так как в это же время происходит генерация потенциала постсинаптического и увеличение проницаемости синаптических мембран для одного или нескольких ионов. При возбуждении синапсов увеличивается натриевая проводимость (а часто, одновременно с ней, и калиевая) (рис. 5).

Этот процесс сопровождается деполяризацией и возбуждением мембраны постсинаптической клетки. Под влиянием медиаторов тормозящих увеличиваются проницаемость постсинаптических мембран для ионов хлора и явления гиперполяризации. В ряде случаев медиатор, кроме указанных процессов, влияет на метаболизмы постсинаптического нейрона и тогда фармакологический эффект усложняется.

Рис. 4. Схема нервно-мышечного синапса и фазы передачи возбуждения в нем

А - состояние покоя;

Б - состояние возбуждения;

В - восстановление исходного состояния

1 - окончание нервного волокна;

2 - ацетилхолин;

3 - пресинаптическая мембрана;

4 - постсинаптическая мембрана;

5 - холинорецептор;

6 - мышечное волокно.

Очень важная часть синапсов - своеобразные везикулы, расположенные в основной массе в аксональных окончаниях в непосредственной близости от синаптической мембраны. Везикулы проходят в синаптическую щель и контактируют с постсинаптической мембраной.

Рис. 5.

А. Мембранный потенциал покоя основан на движении наружу некоторого количества ионов калия; меньшее количество ионов натрия проникает в клетку, но концентрации обоих ионов внутри поддерживаются натриевым насосом.

Б. Нервный импульс характеризуется направленным внутрь движением большого количества ионов натрия.

В. Во время наступающего вслед за этим рефрактерного периода проницаемость для ионов натрия снова уменьшается, а затем заметное движение ионов калия наружу восстанавливает состояние покоя.

Освобождающийся медиатор вступает в соединение с хеморецептивным веществом, обусловливая деполяризацию мембраны и сильно повышая проницаемость ее для ионов. Одновременно с этим возникает постсинаптический потенциал, в постсинаптической мембране появляется ток действия мышечного волокна, ток проходит по волокну, и оно сокращается.

Основной функцией синапсов является передача возбуждения, но в них происходит также перестройка и трансформация проходящих импульсов. И этот процесс регулируется центральной нервной системой, превращением премедиаторов и др.

Биологические мембраны - гибкие, лабильные, постоянно обновляющиеся образования, часто называемые мембраной плазмолитической или цитоплазматической. Нужно иметь в виду, что они функционально очень активные поверхностные структуры клеток. Внутри клетки имеются мембраны для всех ее структур - митохондриальные, лизосомальные, ядерные и др.

Мембраны обеспечивают ограничение цитоплазмы и внутриклеточных структур, образуют единую систему канальцев, складов и замкнутых положений в клетке. Они выполняют разные сложные функции жизнедеятельности: формирование клеточных структур, содержание внутриклеточного гомеостаза, участие в процессах возбуждения и проведения нервного импульса, фото-, механо- и хеморецепцию, всасывание, секрецию и газообмен, тканевое дыхание, запасание и трансформацию энергии и т. п.

Совершенно ясно, что все эти функции нарушаются при разных патологических состояниях. Они существенно изменяются под воздействием лекарственных веществ. Роль мембран в механизме действия лекарственных вешеств раскрывается все больше и больше, и для уяснения этого необходимо полнее представлять основы их строения и влияния на физиологические процессы.

Биологические мембраны имеют сложное строение. Содержание липидов в них составляет 25-70%.

Липидный состав очень богатый и легко изменяется; общим является наличие липидов, проявляющих одновременно гидрофильные и гидрофобные свойства.

Разнообразны по составу и белки. Все они частично или полностью пронизывают липидный слой; из белков особое функциональное значение имеют ферменты и белки транспортных систем.

Очень важной является транспортная функция мембраны, обеспечивающая поддержание внутриклеточного гомеостаза, возбуждение и проведение нервного импульса, трансформацию энергии, процессы метаболизма и др.

Транспорт происходит очень быстро, движение ионов происходит как активно, так и пассивно. Функцию активной резорбции осуществляют специфические липопротеиновые структуры, пронизывающие мембрану. Эти структуры выполняют роль ионных каналов, и селективную активность их обусловливают конфигурация протоков, электрический заряд структур. Важной особенностью для пассивного продвижения ионов натрия и калия является зависимость от количества кальция в клетке (чем она больше, тем легче продвигаются и натрий, и калий).

Активный транспорт хорошо изучен в отношении ионов натрия, калия, кальция и водорода. Для примера можно привести натриево-калиевый насос, функционирующий за счет энергии АТФ.

Предполагают, что натриево-калиевый насос обусловлен липопротеиновой глобулой с двумя белковыми субъединицами, у которой на внутренней стороне мембраны имеются центры связывания АТФ, фосфата и натрия, а на наружной - центры связывания калия.

В результате конформационных перестроек ионосодержащего фосфорилированного фермента ионы натрия и калия освобождаются и транспортируются.

Структура глобулы кальциевого насоса, находящаяся в мембранах саркоплазматического ретикулума, функционирует сходно с натриевым. Основным компонентом насоса является кальцийзависимая АТФ-аза; механизм переноса иона кальция и АТФ-азной реакции включает образование фосфорилированного промежуточного продукта и последующий гидролиз его.

Активный транспорт ионов водорода происходит в сопрягающихся мембранах, где он обеспечивается энергией АТФ-аз.

Перенос неэлектролитов (органических веществ) осуществляется разными механизмами. Он часто совпадает со свободной диффузией, но происходит в 30-50 раз быстрее и поэтому обозначается как облегченная диффузия. В принципе этот транспорт должен выравнивать трансмембранные коэффициенты. И он очень часто изменяется, в связи с тем, что разные неэлектролиты активно включаются в обменные процессы, а от этого количество их быстро меняется.

Полагают, что облегченная диффузия обусловлена прежде всего специфическим узнаванием транспортируемого вещества, связыванием его переносчиком (транспортным белком), затем перенос через мембрану.

В заключение происходит диссоциация транспортированного комплекса. Очень часто процесс облегченной диффузии используется для повышения концентрации транспортируемого вещества. В этих случаях мобилизуется энергия не за счет АТФ, а в виде электрохимического градиента ионов, создаваемого ионными насосами.

Так же сложно, как транспортирование, осуществляется генерация биоэлектрических потенциалов, проведение возбуждения по нервным и мышечным клеткам, а также в местах синаптических окончаний.

Любое лекарственное вещество вызывает несколько изменений функции разных физиологических систем и хода биохимических процессов. И каждое из изменений имеет свои предпосылки или причины, называемые в фармакологии механизмом действия.

Механизмы действия это по существу теории действия, подкрепленные экспериментом.

Любое действие лекарственного вещества начинается с взаимодействия его с определенными структурами клеток или физиологических систем организма. В итоге этого изменяются взаимоотношения, состав или свойства вступившей в реакцию с лекарственным веществом структуры клетки, а как следствие, изменяются взаимоотношения этой структуры с разными органами и системами.

Четкое понимание механизмов действия лекарственных веществ в тех или иных направлениях имеет большое значение для определения наиболее ценного препарата.

A. A. Тарасов

Мишени воздействия и зависимости между структурой и активностью антибиотиков

Институт кибернетики им. Глушкова НАН Украины,
Харьковский институт микробиологии и иммунологии им. И. И. Мечникова

Для выяснения механизмов действия лекарств на молекулярном уровне необходимо выявить минимальные условия узнавания как основу понимания того, как разнообразный набор химических структуp может активировать один и тот же рецептор. Молекулярное узнавание решающим образом зависит от трехмерного распределения электронной плотности в молекуле, и логической целью попыток вывести условия узнавания является определение конформации лекарства в комплексе с рецептором. Ниже на примере хорошо известных антибиотиков - производных триметоприма и b-лактамных препаратов - кратко затронуты вопросы, в какой степени понятна сейчас связь между структурой и активностью на уровне молекулярных мишеней взаимодействия и как зависимости активности от структурных особенностей могут быть использованы для конструирования перспективных противомикробных препаратов.

Антимикробная активность всех беталактамов обусловлена двумя обстоятельствами: высокой реакционной способностью беталактамного кольца - при его раскрытии ацилируются ОН- или NH- группы, и сходством консервативной части молекулы беталактамного антибиотика с одним из переходных состоянии конформации D-аланил-D-аланинового фрагмента пептидных цепочек пептидогликана, попадающего в активный центр транспептидаз и D-аланинкарбоксипептидаз. Все внедренные в клинику беталактамы подавляют синтез пептидогликана за счет инактавации транспептидаз, участвующих в синтезе полимера. Однако множественность этих ферментов обуславливает и множественность мишеней для беталактамов в структурах. Среди энзимов - объектов воздействия триметоприма и b-лактамных препаратов - пространственная структура изучена только у двух: дигидрофолатредуктазы кишечной палочки и карбоксипептидазы/тpaнcпeптидазы Streptomices R 61 (Cpase/TRase S. R 61). Наибольший прогресс достигнут в изучении пространственной структуры дигидрофолатредуктазы, являющейся объектом воздействия триметоприма, что находит теперь практическое применение и при конструировании лекарств. Сравнительно хорошо проанализирована также и структура мишеней воздействия b-лактамных препаратов. Среди них в качестве модельного энзима подробно изучена карбоксипептидаза/транспептидаза Streptomices R 61. В качестве энзимов, вступающих в реакцию с b-лактамом, кроме карбоксипептидазы/транспептидазы, известна также b-лактамаза. Все эти энзимы имеют в активном центре серин. Третьим от серина вдоль аминокислотной цепи всегда следует лизин, во многих случаях за лизином следует фенилаланин. Сходный характер первичной структуры является также общим для многих пенициллинсвязывающих белков, что дает основание предположить генетическую общность энзимов, вступающих в реакцию с b-лактамом.

Следует отметить, что энзим карбоксилпептидаза/транспептидаза Streptomiсes R 61 является производимым вне клетки растворимым белком, который сравнительно легко кристаллизуется и потому может быть исследован с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако этот энзим является модельной системой, а не подлинной мишенью, подлежащей уничтожению b-лактамным препаратом. Подлинные же энзимы - объекты воздействия b-лактамных препаратов - ввиду их низкой растворимости и большой молекулярной массы, пока не удается закристаллизовать, а следовательно и расшифровать их с помощью рентгеноструктурного анализа. Таким образом, прямые экспериментальные исследования структуры мишеней воздействия антибиотиков пока что крайне ограничены. Отсутствие детальных данных о пространственной структуре молекулярных мишеней существенно сдерживает процесс выявления зависимостей структура-активность и последующее конструирование лекарств. В этой ситуаций возрастает роль исследований структуры мишеней путем воздействия на них ряда химических соединений известной структуры и последующего анализа связей структура-уровень бактерицидного действия. Выявление таких связей позволяет составить определенное представление о структуре мишеней и, основываясь на такой гипотетической модели структуры мишени, осуществить синтез перспективных лекарственных средств.

Активность антибиотиков почти во всех случаях измеряется величиной бактерицидного действия, а именно - минимальной ингибирующей концентрацией - МИК (или МІС). Этот показатель зависит не только от способности препарата воздействовать на мишень, но также и от влияния таких факторов, как проницаемость мембраны для препарата, его активация ферментами и др. При осуществлении поиска эффективных лекарственных препаратов МИК имеет первостепенное значение. Однако для того, чтобы по силе бактерицидного действия можно было судить об эффективности воздействия антибиотика непосредственно на мишень (то есть о воздействии как акте бимолекулярного узнавания); влияние барьера проницаемости и инактивирующих ферментов должно быть учтено. Действительно, как показали сравнительные исследования зависимостей между сродством b-лактамных препаратов с ПСБ и величиной их бактерицидного действия в отношении обычного штамма Е. соli (штамм LD 2) и штамма мутанта (штамм PG 12), лишенного b-лактамазы и барьера проницаемости, в первом случае имела место слабая корреляция (r = 0,613) между МИК и І50 (концентрацией, обеспечивающей 50-процентное ингибирование ПСБ 1, 2 и 3), тогда как во втором случае, у штамма PG 12, взаимосвязь этих параметров оказалась очень сильной: коэффициент корреляции r составил 0,941 (рис. 1). Обращает на себя внимание интересный факт, иллюстрируемый последней зависимостью. Как известно, цефалоспорины подвергались постоянному улучшению путем модификации его химической структуры, и теперь имеется несколько поколений этого препарата. Если рассматривать этот процесс с точки зрения сродства препарата к ПСБ, то оказывается, что сродство цефазолина, представителя первого поколения, относительно низко (показатель І50 составляет около 1 мкг/мл). У препаратов второго поколения, например, у цефуроксима, сродство на порядок выше. Что касается препаратов третьего поколения (например цефотаксим), то их сродство еще на порядок выше. Таким образом, усиление бактерицидного действия препаратов цефалоспоринового ряда в отношении грамотрицательных бактерий вызывается повышением сродства к ПСБ - параметра, отражающего именно структурные особенности, необходимые для эффективного молекулярного взаимодействия. А значит сила бактерицидного действия в общем может быть объяснена ингибированием ПСБ. Однако детальное содержание этого взаимодействия на молекулярном уровне все еще остается не выясненным. Можно полагать, что, благодаря прогрессу в области генной инженерии, гены, отвечающие за синтез ПСБ, станет возможным подвергать клонированию и что отдельные из ПСБ удастся закристаллизовать. Тот факт, что была осуществлена кристаллизация ПСБ 1В кишечной палочки - белка с молекулярной массой около 90 000 - дает основания рассчитывать на дальнейший прогресс в этой области. Можно ожидать, что и рентгеноструктурный анализ белковых структур, благодаря совершенствованию методов расшифровки и распространению суперкомпьютеров, значительно ускорится.

Основная задача фармакодинамики - выяснить, где и каким образом действуют лекарственные средства, вызывая те или иные эффекты. Благодаря усовершенствованию методических приемов эти вопросы решаются не только на системном и органном, но и на клеточном, субклеточном, молекулярном и субмолекулярном уровнях. Так, для нейротропных средств устанавливают те структуры нервной системы, синаптические образования которых обладают наиболее высокой чувствительностью к данным соединениям. Для веществ, влияющих на метаболизм, определяется локализация ферментов в разных тканях, клетках и субклеточных образованиях, активность которых изменяется особенно существенно. Во всех случаях речь идет о тех биологических субстратах-«мишенях», с которыми взаимодействует лекарственное вещество.

«Мишени» для ЛС

В качестве «мишеней» для лекарственных средств служат рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные системы и гены.

Рецепторами называют активные группировки макромолекул субстратов, с которыми взаимодействует вещество. Рецепторы, обеспечивающие проявление действия веществ, называют специфическими.

Выделяют следующие 4 типа рецепторов (рис.

I. Рецепторы, осуществляющие прямой контроль за функцией ионных каналов. К этому типу рецепторов, непосредственно сопряженных с ионными каналами, относятся н-холинорецепторы, ГАМКА-рецепторы, глутаматные рецепторы.

II. Рецепторы, сопряженные с эффектором через систему «G-белки - вторичные передатчики» или «G-белки-ионные каналы». Такие рецепторы имеются для многих гормонов и медиаторов (м-холинорецепторы, адренорецепторы).

III. Рецепторы, осуществляющие прямой контроль функции эффекторного фермента. Они непосредственно связаны с тирозинкиназой и регулируют фосфорилирование белков. По такому принципу устроены рецепторы инсулина, ряда факторов роста.

IV. Рецепторы, контролирующие транскрипцию ДНК. В отличие от мембранных рецепторов I-III типов, это внутриклеточные рецепторы (растворимые цитозольные или ядерные белки). С такими рецепторами взаимодействуют стероидные и тиреоидные гормоны.

Рассматривая действие веществ на постсинаптические рецепторы, следует отметить возможность аллостерического связывания веществ как эндогенного (например, глицин), так и экзогенного (например, анксиолитики бензодиазепинового ряда) происхождения. Аллостерическое взаимодействие с рецептором не вызывает «сигнала». Происходит, однако, модуляция основного медиаторного эффекта, который может как усиливаться, так и ослабляться. Создание веществ такого типа открывает новые возможности регуляции функций ЦНС. Особенностью нейромодуляторов аллостерического действия является то, что они не оказывают прямого действия на основную медиаторную передачу, а лишь видоизменяют ее в желаемом направлении.

Важную роль для понимания механизмов регуляции синаптической передачи сыграло открытие пресинаптических рецепторов. Были изучены пути гомотропной ауторегуляции (действие выделяющего медиатора на пресинаптические рецепторы того же нервного окончания) и гетеротропной регуляции (пресинаптическая регуляция за счет другого медиатора) высвобождения медиаторов, что позволило по-новому оценить особенности действия многих веществ. Эти сведения послужили также основой для целенаправленного поиска ряда препаратов (например, празозина).

Сродство вещества к рецептору, приводящее к образованию с ним комплекса «вещество-рецептор», обозначается термином «аффинитет». Способность вещества при взаимодействии с рецептором стимулировать его и вызывать тот или иной эффект называется внутренней активностью.

"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.