Молекулярные мишени биологически активных веществ в организме

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» [17].

 
4. Геометрическая изомерия

4.1. Общая характеристика

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

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^α–C′–N–C^α–) 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.

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.

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-HT₃, работают посредством активации G-белков, которые затем вызывают каскад биохимических реакций, приводящих к определенному результату. Рецептор 5-HT₃ – 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-HT₃ 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 [20].

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 - CH₃(CH₂)₃-(CH₂CH=CH)₂(CH₂)₇COOH.

Рисунок 14. 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 [21], 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 [22, 23]. В дальнейшем ВОЗ рекомендовала сократить потребление транс-жиров до следовых количеств [24], 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-[Pt(NH₃)₂Cl₂], 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 [25], 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 [26], 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 [27].

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 [et all] // 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 [et all] // 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 [et all]. – 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 [et all] // 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 [Electronic Resource] / 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.