Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

однако следует напомнить, что замена только одной /аминокис­

лоты (валина на глутаминовую кислоту) в гемоглifбине приво­ дит к серповидно-клеточной анемии [Pauling

Однако лишь об очень немногих соединениях можно с уве­

ренностью сказать, что они канцерогенные для человека. Это

положение обусловлено двумя факторами: во-первых, большими

трудностями в получении соответствующей информации и, во­

вторых, наличием у человека высокоэффективных механизмов репарации, функционирование которых препятствует получению точных данных. Большую работу по проверке канцерогенности

различных веществ проводит МАИР (одно из подразделений

ВОЗ). С 1982 г. было проверено 585 соединений, подозреваемых

в способности вызывать рак у человека. Из них 147 оказались.

канцерогенными в опытах на лабораторных животных, и только

для 44 были получены доказательства их канцерогенности для

человека в основном при анализе историй болезни рабочих оп­ ределенного производства. Например, у рабочих, занятых на

производстве бензидина (4,4'-диаминобифенил, полупродукт для

получения красителей) после 15-20-летней работы частота воз­

никновения рака мочевого пузыря возрастала от 25 до 75%.

В большинстве развитых стран производство бензидина в насто­

ящее время запрещено. Однако в некоторых странах оно все

еще существует, причем на основе бензидина получают различ­ ные красители, например Прямой черный 38, способный в орга­ низме человека разрушаться с выделением бензидина.

Другой пример: МАИР установило, что из 1000 человек, ра­

использование бензола в качестве растворителя практически

запрещено, но так как он служит исходным соединением в про­

изводстве большинства лекарственных веществ и других ценных

продуктов, его продолжают производить и применять под стро­

гим контролем.

В список других химических соединений, канцерогенных для

человека, входят: а) некоторые неорганические вещества -

мышьяк, асбест (особенно голубой асбест), кадмий, хроматы► гематит (один из видов железной руды), никель (только очи­ щенный); б) некоторые органические полупродукты в производ­ стве красителей и пластмасс - 2-нафтиламин (в настоящее вре­ мя применение запрещено), 4-аминобифенил, винилхлорид (активен его метаболит: оксид хлорэтилена); в) лекарственные вещества - азатиоприн, хлорбутин, циклофосфан, диэтилстиль­ бэстрол, мелфалан, смесь эмбихина, винкристина, прокарбазина

и преднизона. Опасность возникновения рака под действием

химических соединений существует для работающих на произ­

водстве (и ремонте) обуви, производстве резины и мебели.

синтезе бензальдегида из хлорированного толуола и при лю­

бых видах деятельности, где возможен контакт с сажей, смолой

или неочищенными маслами.

Риск'о1аболевания раком возрастает при курении и потребле­

•нии пищи, зараженной продуктом жизнедеятельности грибов -

афлатоксинам. Некоторый риск возникает и при применении

лекарственных веществ, перечисленных выше, однако он неве­

лик, если их применяют под тщательным контролем. Предпола­

гают, что кофеин, синтетические сладкие вещества, формаль­

дегид и хJJорированные углеводороды также обладают канце­

рогенными свойствами, однако доказательств их канцерогенности

не было найдено [The International Agency for Research оп Cancer (JARC), 1982].

Канцерогены вызывают у человека рак лишь через 10-20 лет,

даже после постоянного контакта с ними дома или на работе. Проверка канцерогенных свойств соединений на мышах, продол­ жительность жизни которых около двух лет, требует многих

месяцев. Что же происходит за это время? По двухстадийной теории возникновения злокачественных клеток BerenЫum, у

канцерогенов существует неопределенная фаза активации, но в настоящее время установлено, что большинство этих агентов

должны вступить в несколько химических реакций, прежде чем

превратиться из проканцерогена в истинный (называемый также

проксимальным) канцероген, который и вызывает злокачест­

венные изменения. Этот процесс протекает с увеличением ОММ

и приводит к положительно заряженному продукту [Miller, 1970]. Такие канцерогены являются электрофильными реагента­ ми и (подобно азотистым ипритам) способны образовывать ко­ валентные связи с основаниями в ДНК. Однако они не могут ,сшивать две цепи ДНК, в отличие от азотистых ипритов, и по­

этому лишены полезных свойств в последних [Brookes, 1966].

Поскольку лабораторные крысы и мыши значительно более

подвержены раковым заболеваниям, чем человек, не существует

однозначных критериев для экстраполяции данных, полученных

вэкспериментах на грызунах, на человека, хотя делаются по­

пытки найти формулу для пересчета этих данных (МАИР,

1982). Существуют достаточно обоснованные данные, указы­

вающие на то, что процессы репарации ДНК у человека более эффективны, чем у грызунов. Во всяком случае, наблюдения за

людьми, подвергшимися радиационному облучению, свидетель­

ствуют о том, что поврежденная генетическая информация вос­ станавливается у человека в значительной степени. Постоянные

тщательные наблюдения, проводившиеся за жителями Хиросимы

ц Нагасаки в течение 34 лет, показали, что через 40 лет после

привело к статистически достоверному повышению уровня мута­

ций у потомства (изучались следующие характеристики: небла­

гоприятное протекание беременности, смертность в детском

возрасте, частота хромосомных аберраций у детей, в качестве

контроля была выбрана популяция в областях, не подвергав­

шихся воздействию радиации) [Schul, Otake, Neel, 1981].

/

(

Рассмотрим теперь химические изменения, проис~;ящие с

канцерогенными ароматическими аминами при и~хетаболиче­

ском превращении из проканцерогена в истинныи анцероген в

организме млекопитающих. В общем случае снача а гидроксили­

руется аминогруппа (с образованием гидрокс~амина). Затем

гидроксильная группа переносится на сосед~ий (орто-) ато~

углерода и превращается там в эфир сернои кислоты, которыи

в свою очередь гидролизуется с образованием карбениевого

иона типа (13.52), получающегося из 2-ацетамидофлуорена

[Cramer, Miller, Miller, 1960]. По-видимому, именно эти карбение­

вые ионы и являются истинными канцерогенами. Инъекция неор­

ганического сульфата крысам, получавшим 2-ацетамидо-N-гидро­

ксифлуорен, резко повышает токсичность этого промежуточного

продукта [De Baun et al., 1970]. Аналогичные результаты полу­

чены и для таких канцерогенов, как бензидин и 4-ацетамидоби­ фенил [Mille'r, Miller, Hartmann, 1961], 2-аминонафталин

[Boylaпd, Dukes, Grover, 1963] и 4-гидроксиаминохолин-1-оксид

(полученного биологическим восстановлением 4-нитрохинолин-

1-оксида) [Endo, Ono, Sugimu'ra, 1970]. 4-Диметиламиноазобен­

зол (называемый масляный желтый, так как раньше он приме­

нялся для придания цвета маргарину) метаболизирует до

монометильного аналога, подвергающегося в свою очередь таким

Как было впервые показано Brookes, Lawley ( 1964), канце­

рогенность полициклических углеводородов завиоит от их спо­

собности после серии метаболических изменений связы~аться с

нуклеиновыми кислотами. Видимо, ДНК митохондрии значи­

тельно более чувствительна к их действию, чем ядерная [Nudd, Wilkie, 1983]. Бенз[а]пирен (13.50), загрязняющий воздух в

больших городах, в клетках млекопитающих метаболизирует до

превращение в эпоксид может быт~ решающим для проявления

углеводородом канцерогенных своиств. В то время общепри­

нятой была другая гипотеза: связь углеводорода с мишенью

образуется в «К-области», при этом канцерогенность возр~стает

с увеличением электронной плотности в этой области [Robшson,

1964; PuJ!man, Pullman, 1955]. Примерами «К-областей» в по­

лицикличе~ких молекулах могут служить двойная связь в поло­

жениях 9, lO фенантрена и связь 4, 5 в соединении (13.50). Эта

гипотеза оснqвывалась на известных данных об отсутствии

канцерогенных\свойств у таких полициклических углеводородов,

как 1,2-бензантрацен, приобретающих их, однако, при введении

в соответствующее положение в молекуле метильной группы.

В настоящее время гипотеза «К-области» потеряла свое значе­

ние, тогда как преuдположение о роли эпоксидов в проявлении канцерогенных своиств оправдалось для многих канцерогенных

полициклических углеводородов.

Часть молекулы углеводорода, образующая связь с нуклеино­

выми кислотами, называется «областью ниши»; примером может

служить область между положениями 10 и 11 в молекvле

( 13.50). Чаще всего эпоксидирование протекает именно в этой

области, однако ему могут препятствовать объемные заместите­

ли, расположенные рядом с ней. Хотя антрацены сходны с

канцерогенными фенантренами, в них «область ниши» отсутству­

ет и поэтому они не канцерогенны.

Предполагают, что в основе мутагенного действия некото­ рых лекарственных веществ, большинство из которых явля­ ются антигельминтными препаратами (гикантон, амосканат,

метрифонат, оксамнихин, мебендазол, метронидазол и диазепам), лежат химические изменения, происходящие под

действием бактериальной флоры кишечника. Их можно предот­

вратить, вводя экспериментальным животным такие пищевые

антиоксиданты, как 2-третбутил-4-гидроксианизол и 1,2-дигидро­ кси-2,2,4-триметил-6-этоксихинолин (этоксихин). Применение этих соединений может предупредить действие даже таких кан­

церогенов, как бенз [а] пирен, нитрозамины и уретан. Предпола­

гают, что эти эффекты антиоксидантов связаны с активацией r.11утатион-S-трансферазы и эпоксидгидратазы [Buediпg et al.

(см. предыдущий раздел), обычно алкилируют гуанин в поло­

жении 7. В противоположность этим препаратам, высококанце­

роrенные алкилирующие агенты алкилируют атом кислорода по

окислением см. McBrien, Slate'r ( 1982); вопросы регистрации

лекарственных веществ и пищевых добавок см. Coulston ( 1979).

Проверка на канцерогенность. Эти дорогостоящие исследова­ ния, длящиеся от 2 до 3 лет и требующие большого количества

лабораторных животных для получения статистически достовер-

ных данных, обычно проводят на крысах. Предпочт~тенее те­

менее надежны. В настоящее время большое вним ие привле­

кают тесты на мутагенность, основанные на пр,едположении,

что канцерогенез напоминает мутации, так как различные хи­

мическ~е соединения вызывают разные виды р·,ка, при этом

каждыи вид в дальнейшем репродуцируется без изменений.

Один из таких тестов основан на использовании гистидинзависи­

де подходящего мутагена может произойти мутация со сдвигом

рамки, в результате которой бактерии вновь приобретают спо­

собность синтезировать гистидин [Ames, Sims, Groveг, 1972;

Ames et al., 1973].

Химические соединения, вызывающие обратную мутацию,

.встречаются достаточно часто, например, таким действием обла­

дают многие соединения с жесткой структурой. В известном

тесте Ames используют мутанты безоболочечного типа бакте­

рий, так как углеводная оболочка может мешать свободной диффузии лекарственного вещества. Обычно проводят двойной

тест с использованием S9 микросомальной фракции печени кры­

сы с тем, чтобы проверить возможность образования канцеро­

генных метаболитов при действии на вещество оксидаз со

смешанными функциями (разд. 3.5.1).

Однако этот тест иногда дает и неверные результаты (как

положительные, так и отрицательные). По этому тесту канцеро­

генны два природных вещества, встречающиеся в животных

клетках - цистеин и глутатион, хотя известно, что оба эти сое­

динения играют определенную роль в предотвращении канцеро­

генеза [Glatt, Protic-SaЫjic, Oesch, 1983]. Диоксин, чья ярко

выраженная биологическая активность носит мутагенный харак­ тер (по крайней мере, на чувствительных линиях мышей), по этому тесту не классифицируется как мутаген. Такие отклоне­

ния указывают на то, что тестом Ames следует пользоваться

лишь для первичного отбора, несмотря на высокую степень сов­

падений между мутагенностью, установленной по этому тесту,

иканцерогенностью, определенной в опытах на грызунах.

Внастоящее время предпринимаются попытки совместить тест Амеса со вторым экспресс-тестом, таким как количествен­ ный анализ повреждения хромосом человека с использованием

лимфоцитов, культивированных в крови. При параллельном про­

ведении обоих тестов точный ответ можно получить через 6 нед.

Широко используется альтернативный тест трансформации кле­

ток Styles [Purchase et al., 1976], основанный на биологической

особенности клеток тканей млекопитающих: они не могут расти

на полутвердом агаре, так как эта среда мешает им контактиро­

вать друг с другом, а в таких условиях клетки погибают. Однако если химическое соединение может вызывать трансформацию

клеток (разд. 13.5), то его добавление к среде приводит к росту

изолиро~анных клеток. Для этого теста Syres использовал

клетки печени человека и почек хомяка. В некоторых случаях

результаты этого теста противоположены получаемым по тесту

Ames. Напrимер, п~ тесту Ames 2-аминонафталин канцерогененr

а масляныи желтыи - нет, тогда как по тесту Стайлса - нао­

борот (хотя известно, что оба эти соединения канцерогенны для

человека).

Существует широко распространенное мнение, что каждый

мутаген - это потенциальный канцероген. Однако следует пом­

нить, что мутагенность, определяемая по тесту Ames (способ­

ность вызыва'!ъ эффект сдвига рамки), отличается от мутаген­ ности, которои обладают раковые клетки (неограниченный рост

и ускорение клеточного цикла). Известны серии соединений, в которых при усилении канцерогенных свойств ослабляются

мутагенные и наоборот. Такова, например, серия из 15 производ­ ныхu анилиновых ипритов (13.53) [Leo et al., 1981]. Мутагенные своиства этих соединений определяли по тесту Ames (с инкуба­

цией и без инкубации в S9 микросомальной фракции печени) а

канцерогенные - по способности увеличивать число опухолей в

легкихu У линии мышей, склонных к таким опухолям (шестиме­ сячныи тест). Самым сильным мутагеном и самым слабым кан­ церогеном оказалось 4-феноксипроизводное, тогда как для 3,5-

воположное.

Другие примеры летального синтеза. Среди аналогов пури­

новых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот (разд.

4.0) наиболее эффективны те, которые вызывают в клетке ле­ тальный синтез путем включения в аналоги дезоксирибозидов и

-риботидов, конкурирующих с нормальными нуклеозидами и нуклеотидами. К таким соединениям относятся противораковые

ра~ьныи противо.;рибковый препарuат флуцитозин (4.23). Пер­

выи эффективныи противовирусныи препарат 5-йоддезоксиурн­ дин (4. 1~) встраивается в ДНК организма и поэтому как потен­

циальныи мутаген применяется только наружно. На синтез РНК влия!°т: прот~вораковый препарат 8-азагуанин (4.40) и сельско­ хозяиственныи фунгицид 6-азаурацил (4.41) (разд. 4.0).

13.6. Различные примеры

Фармакологические эффекты на ЦНС резерпина и гидра­

зинов, ингибирующих МАО (разд. 9.4.3), необратимы, что поз­

воляет предполагать образование ковалентной связи при их

проявлении.

/

Гормон, синтезирующий тироксин, по-видимому, пре~тавляет

собой белок с йодсульфенильной группой (-CSI). С,µtтают, что

действие таких серосодержащих гетероциклов, как 2-тиоурацил

( 13.54), и его 6-пропил- и 6-метилпроизводных, применяемых в

клинической практике для лечения тиреотоксикозв, заключается

о

11

"'-.NH

(

N~S

н

2-Тиоурацил

( 13.54)

Четыреххлористый углерод, применявшийся ранее против

кишечного паразита (анкилостомы) и используемый до сих пор

как растворитель и как гаситель пламени, а также как глисто­

гонное средство у крупного рогатого скота, овец и птиц, вызыва­

ет у человека обширные поражения печени. Флавопротеиновый фермент превращает этот агент в свободный радикал СС13

(Slater, 1966]. Реакция сильно подавляется такими ловушками

свободных радикалов, как пропиловый эфир галловой кислоты,

прометазин и N,N'-дифенил-пара-фенилендиамин [Slater, Sawyer, 1971]. Известно, что для инициирования и протекания реак­

ции перекисного окисления липидов необходимы свободные

радикалы. Даже низкие концентрации четыреххлористого угле­

рода могут стимулировать перекисное окисление в гомогенате

печени при 37 °С. Четыреххлористый углерод поражает печень,

вызывая перекисное окисление двойной связи в ~-алифатической

цепи фосфолипидов мембран ЭР, приводящее к необратимому

разрушению этой структуры [Мау, МсСау, 1968]. Более подроб­

но см. McBrien, Slater (1982).

Хлор в элементарном виде может существовать в водных

растворах только при величине рН меньше 2,0. В менее кислых

растворах он превращается в хлорноватистую кислоту:

Cl2+ Н2О = НОС! + н+ + с1-

Величина рК хлорноватистой кислоты равна 7,2, а ее дезин­ фицирующая способность пропорциональна концентрации нейт­ ральной молекулы. Высокая активность хлора, проявляющаяся

даже при его содержании в воде 0,2 м. д., указывает на специ­ фичность его действия. Предполагают, что после превращения в хлорноватистую кислоту, проникающую в клетку в виде нейт­

ральной молекулы, атаке подвергаются сульфгидрильные SН­

группы соответствующего фермента. Альдолаза Е. coli - один

из существенных ферментов гликолиза, чувствительна к хлорно-

ватистой кислоте, чем и объясняется бактерицидное действие

этого вещества [Knox et al., 1948]. Некоторые организмы мож­ но защитить от действия хлорноватистой кислоты тиосульфатом

натрия [Mudge, Smith, 1935].

При реакции хлорноватистой кислоты с аммиаком образует­

ся менее активное соединение хлорамин (H2Cl), часто исполь­

зуемое, когда необходимо длительное действие, например, для

дезинфекции воды в плавательных бассейнах. Точно так же

хлорноватистая кислота образует замещенные хлорамины с ами­

нокислотами и белками как внутри, так и вне клетки. Эти сое­

динения могут действовать и как депо-формы, так как находятся

в равновесии с хлорноватистой кислотой. Наконец, синтетическим

хлорамином, пара-толуолсульфонилхлорамином (хлорамин-Т),

пользуются туристы в качестве дезинфицирующего средства (источника хлорноватистой кислоты).

йод в водных растворах существует в элементарном виде,

и именно элементарный йод обладает спороцидным действием.

При рН 8,5 соотношение йодноватистая кислота - йод составля­

ет 1 : 1, при этом спороцидная активность падает (йодноватистая

кислота имеет рК 10 и относится к слабым кислотам). йод не

образует депо-формы при реакции с аммиаком, но такими свой­

ствами обладает его комплекс с калием (К13). Для связывания

йода в этот комплекс в водных растворах требуется большой

избыток йодида калия [Wyss, Strandskov, 1945].

Считают, что бактерицидное действие формальдегида вызва­

но его способностью связываться с аминогруппами белков, что

приводит к их денатурации. Такие сильные окислители, как пер­

манганат калия и перекись водорода, разрушают любые орга­

нические молекулы. Перекись водорода в присутствии легко­

окисляемых субстратов (например, тиола или аскорбиновой кис­

лоты) и следов катионов тяжелых металлов (например, железа)

может инициировать самоподдерживающуюся цепную реакцию.

Дифторметилорнитин (9.88) и другие необратимые ингиби­

торы ферментов (как НИАЦФ и ФАНИ) обсуждаются в

разд. 9.7.

r лав а 14

ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИИ, МОДИФИКАЦИЯ МЕМБРАН ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Интенсивные цитологические исследования последних двух десятилетий свидетельствуют о том, что клетки, как и большин­

ство содержащихся в них органелл, покрыты липопротеидными

мембранами (разд. 5.4). Совершенно очевидно, что жизнь не­

возможна в отсутствие двухфазных (липофильных внутри и

гидрофильных с обеих поверхностей) мембран, обеспечивающих

разделение реагирующих веществ. Эти мембраны определяют

последовательность протекания реакций в том порядке, который было бы невозможно обеспечить иным путем.

Ферменты, находящиеся обычно внутри мембран (но иногда и на поверхности), обеспечивают последним очень высокую био­

логическую избирательность. Макромолекулы, в том числе фер­

менты и другие крупные белковые молекулы, либо в составе

частиц, либо растворенные в основной фазе, представляют собой

поверхность, на которой протекают реакции. Сыворотка крови

человека, поверхность белка в 1 см3 которой достигает 100 м2,

является весьма наглядным примером того, сколь велика может

быть такая поверхность в «растворах» белков.

14.0. Поверхностные явления in vitro

Короткодействующие ван-дер-ваальсовы силы (разд. 8.0)

обеспечивают взаимное притяжение всех молекул, находящихся в контакте друг с другом. Наличие этих сил в жидкостях стано­ вится особенно очевидным у поверхности. В объеме жидкости они действуют во всех направлениях с одинаковой интенсивно­

стью, тогда как на границе раздела воздух - вода молекулы ис­

пытывают лишь ничтожное воздействие газовой фазы и, следо­ вательно, притяжение их жидкостью (водой) почти не имеет противодействия. В результате расположенные на поверхности молекулы втягиваются внутрь жидкой фазы и поверхность при­ обретает конфигурацию с минимальной возможной площадью - именно этим и объясняется сферическая форма капель жидкости и пузырьков газа (рис. 14.1). Между молекулами растворителя, находящимися в поверхностном слое и внутри основного объема

раствора, происходит постоянный обмен молекулами раство­

рителя.

Воздух

-Q- -Q--Q-

Вода

* *

***Вода

Граница раздела жидкость - жидкость (т. е. поверхность

между двумя несмешивающимися жидкостями) по свойствам

подобна границе раздела воздух - вода, за тем лишь существен­

ным исключением, что разница в силах притяжения каждой из

жидкостей, действующих на молекулы в поверхностном слое, в

этом случае значительно меньше. Во многих случаях поверх­

ностное натяжение у границы раздела жидкость - жидкость

почти не отличается от разности величин поверхностного натя­

жения каждой из жидкостей на ее границе с воздухом.

Амфифильные вещества стремятся сконцентрироваться на

границах раздела. Молекулы этих веществ обычно состоят из

длинных углеводородных цепей, связанных с короткой полярной

«головкой». В большинстве случаев полярность «головки» обус­

ловлена наличием атомов азота или кислорода, неподеленные

пары электронов которых образуют водородные связи с молеку­

лами воды. С другой стороны, для попадания в воду углеводо­

родная цепь должна разорвать водородные связи между моле­

кулами воды, которые энергетически препятствуют этому разры­

ву. Поэтому амфифильные вещества, используя минимум

энергии, располагаются на границе раздела масло - вода таким

образом, что гидрофильная «головка» находится в воде, а липо­

фильные углеводородные цепи размещаются в масле, взаимодей­

ствуя с подобными себе цепями растворителя (см. рис. 14.1, б).

Накопление амфифильного вещества на границе раздела пре­

кращается сразу же после того, как на ней образуется мономо­

лекулярный слой этого вещества. Однако такой монослой всегда

будет местом постоянного турбулентного обмена с другими молекулами амфифильного вещества, стремящимися занять

место в пограничном слое; последний имеет пониженное поверх­ ностное натяжение и легко деформируется. На границе раздела

мицеллы, и, следовательно, все меньшая часть из них способна оказывать дезинфицирующее действие. Дальнейшее повышение

концентрации мыла приводит к усилению дезинфицирующего

действия (третья зона), вызванного токсичностью са маго мыла.

Все фенолы, используемые обычно как дезинфицирующие сред­ ства, в том числе и 4-хлор-мета-крозол, образуют подобные зоны.

Антигельминтное действие фенолов аналогично усиливается

мылами, но и в этом случае необходимо избегать избытка мыла. поскольку мицеллы могут удерживать большую часть фенола

и тем самым препятствовать его действию на глистов ,[Alexander, Trim, 1946]. При концентрациях мыла, не превышающих его

КМК, оно повышает антигельминтный эффект фенола. При этом

само мыло в организм глистов не проникает.

Способность к образованию смешанных мицелл хорошо из­

вестна в физической химuи. Например, концентрация миристата

калия, необходимая для образования мицелл, составляет чет­

верть от той, которая нужна в случае лаурата калия, однако

всего 15% миристата калия, добавленных к лаурату калия, снижают его КМК вдвое благодаря образованию смешанных

мицелл [Кlevens, 1948].

Родственным явлением можно считать связывание сыворо­

точным альбумином лекарственных веществ, обладающих до­

статочно высоким коэффициентом распределения масло/вода

[Brodie, Hogben, 1957] (разд. 3.4). Рассмотрим следующий при­

мер: для роста некоторых видов бактерий необходимо ничтож­

ное количество олеиновой кислоты, незначительное увеличение

которого сразу же подавляет их развитие. Тем не менее в при­

сутствии сывороточного альбумина эти же бактерии оказывают­

ся устойчивыми к действию таких количеств кислоты, в сотни

раз превышающих бактериостатическую концентрацию. Это

объясняется тем, что каждая· молекула сывороточного альбуми­

на способна связывать девять молекул жирной кислоты настоль­

ко прочно, что остающейся кислоты недостаточно даже для

проявления гемолитического действия. Однако смешанные

мицеллы при этом остаются в равновесии со свободной кисло­

той так, что ее оказывается достаточно для питания бактерий

[Davis, 1947].

Разрушающее действие фенола на кожу человека, как впер­

вые было показано Bechhold и Ehrlich ( 1906), ослабляется при введении в бензольное кольцо липофильных заместителей, на­ пример алкильных групп или атомов хлора. Однако получаемые

при этом фенолы вследствие более высоких значений коэффи­

циентов распределения между маслом и водой, значительно лег­

че, чем незамещенный фенол, инактивируются сывороткой за

счет связывания с альбумином. Поэтому растворы такого типич­

ного представителя хлорированных фенолов, как 4-хлор-мета­

крезол, используются для быстрой дезинфекции неповрежденных

кожи и слизистых оболочек, но оказываются вредными при не­

соблюдении этого условия.

Мицеллообразование между фосфолипидами и солями желч­

ных кислот, способствующее их растворению, играет существен­

ную роль в транспорте жиров в кровоток и тонкий кишечник

соответственно.

Более подробно о биологическом значении мицелл см. Elworthy, Flo'rence, Macfarlane (1968).

14.1.2. Плазматические мембраны

Каждая клетка, как и каждая органелла, окружена тонкой

полупроницаемой мембраной, состоящей из ламеллярной, а ча­

стично и мицеллярной мозаики липидов и белков (разд. 5.1).

Проницаемость этих природных мембран обсуждалась в разд.

3.2. Взаимодействие плазматических мембран с диуретиками,

сердечными гликозидами и другие ионофорные эффекты будут

рассмотрены ниже.

Подробнее о мембранах см. Robertson ( 1983).

14.1.3. Диуретики

В основе действия всех диуретиков лежит изменение прони­

цаемости мембран почечных канальцев, приводящее к активи­

зации нормального процесса перекачивания ионов натрия из

мочи в почечные канальцы. До 1957 г. из сильных диуретиков

были известны только ртутьорганические препараты (как мер­ салил), применяемые в форме инъекций. В почках эти препа­

раты выделяют ионы ртути, связывающиеся с меркаптогруппой

пермеазы, осуществляющей транспорт катионов [Clarkson,

более сильным диуретическим действием, чем обнаруженный несколькими годами ранее хлортиазид (14.1, б) [Novello, Sprague, 1957]. Это типичные представители большой группы диуре­

тиков, производных 1,2,4-бензотиадиазин-1, 1-диоксида (обычно называемых «тиазидами»). Они оказывают действие на ди­

стальный сегмент канальцев почек, препятствуя всасыванию

мембранами ионов натрия (а следовательно, пассивно и ионов хлора). Хотя исходно они являются сульфаниламидами, однако

в отличие от ацетазоламида (9.65) они лишь очень слабо влия­ ют на активность карбоангидразы. Тиазиды обладают побочным

эффектом, вызывая у больных утомляемость вследствие повы­

шенного выведения ионов калия. Для предупреждения этого одновременно принимают триамтерен (см. ниже). Основное на­

значение пероральных тиазидов - снижение повышенного дав­

ления крови за счет потери воды (часто единственное лечение,

необходимое в случаях легкой гипертонии).

Несколькими годами позже были открыты «суперактивные» диуретики. Наиболее широко применяемый из них - фуросемид

сердечной мышцы. (Нервный импульс, инициирующий каждое

биение сердца, сопровождается выделением при0мерно 50 мик­

ромолей ионов кальция на килограмм сердечном мышцы.)

Наличие в молекуле сердечных гликозидов лактонного коль­

ца связанного со стероидным циклом, побудило исследовать

ин~тропную активность простейших лактонов. Вслед за пред­

варительными исследованиями Сhеп в 1942 г. Giarmaпп ( 1949)

изучил действие 28 простых нестероидных лактонов и нашел

один, активность которого составляла примерно 5% активности лучших сердечных гликозидов. Однако последующая работа

показала что лактонное кольцо гликозидов может быть заме­

нено нен~сыщенной эфирной или нитрильной группами без

потери биологической активности [Thomas, Boutagy, Gelbart,

1974].

Лактонное кольцо может быть замещено разными группи­

ровками, но обязательным требованием uк последним является

необходимость их расположения в однои плоскости. Так, лак­

или алкилом, но не большим, чем метокси-группа. Активность

таких аналогов полностью исчезает, как при восстановлении этиленовой группировки, так и при увеличении цепи сопряже­

видимому, не являются их химическими аналогами. Однако

боковые цепи этих соединений соответствуют предложеннои

выше модели рецептора. В каждом случае наличие объемного ядра может играть существенную роль, сдержива~ конформа­

ционные изменения рецептора, связанные с работои катионного насоса. У стероидов такой эффект связывают с липофильносп,ю

поверхности а-кольца [Thomas, 1981].

Нерешенным остается важный вопрос: почемуu столь высоха

специфичность сердечных гликозидов к сердечнои мышце, если в организме они распределяются кровотоком и в почки, и в пе­

чень, и в другие органы, богатые АТФазой?

Уровень безопасности применения сердечных гликозидов

очень низок, и вполне возможно, что если бы они были вновь

открыты в наше время, не получили бы рекомендации "!!-клини­

ческому применению. Тем не менее множество люден, в том

числе пожилых и болезненных, продлили свою жизнь на много

лет, благодаря разумному применению этих лекарств, и траги­

ческие случаи редки. И все же открытие новых более избира­

тельных типов лекарств, предпочтительно не содержащих сте­

роидного ядра, было бы чрезвычайно желательным.

.318

14.2. Ионофоры

Липидный бислой природных мембран представляет собой непроницаемый барьер для свободной диффузии ионов, обла­

дающих низкой липофильностью из-за сильной гидратации.

Ионофоры предназначены для того, чтобы облегчить транспорт

ионов через эти мембраны. Существуют два типа ионофоров: подвижные и стационарные. Последние («ионные насосы»)

представляют собой пронизывающие бислой каналы, наполнен­ ные водой. Многое из того, что известно о ионофорах, установ­

лено при изучении подвижных типов ионофоров, выделенных из

микробов (например, валиномицин, грамицидин). Такие экзо­

генные ионофоры, если они эффективны, высокотоксичны для

клеток млекопитающих, но не в низких дозах.

Хотя диуретики и сердечные гликозиды так или иначе свя­

заны с переносом ионов, их не следует рассматривать как ионо­

форы. Даже Na,K-A ТФаза осуществляет лишь вспомогательное

действие. Так, в натриевом насосе этот фермент, связанный с

мембраной, используется для выведения натрия и введения ка­

лия в клетку. Энергия, необходимая для протекания этого про­ цесса, выделяется при гидролизе АТФ. Фермент связывает и высвобождает катионы на разных стадиях цикла работы ионно­

го насоса. Конформационные изменения во время цикла приво­

дят к тому, что катион, войдя с одной стороны мембраны, вы­ деляется на противоположной. Частично механизм заключается

в следующем: гидролиз АТФ вызывает натрийзависимое фос­

форилирование аспартильной группы фермента, сопровождаю­

щееся калийзависимым переносом этой фосфорильной группы фосфатазой от аспартата в воду. Существует мнение о том, что по крайней мере у некоторых видов ванадат-анион, конкури­

рующий с АТФ за места связывания, принимает участие в фи­

зиологической регуляции этого фермента. Родственный фермент

Ca,Mg-A ТФаза выступает в роли совершенно аналогичного

насоса, нагнетающего катионы магния в клетку и выводящего

кальций. Природа ионофоров подвижного типа у млекопитаю­ щих изучена слабо.

Впротивоположность процессу хелатирования (разд. 11) ,.

при котором атом водорода лиганда замещается неорганиче­

ским катионом, транспорт последних ионофорами нуждается лишь в постадийном замещении ионофорам молекул воды, включенных в координационную сферу катиона. Энергия де­

сольватации компенсируется энергией связывания ионофора.

В процессе теплового движения сольватированный катион сна­

чала сталкивается с полярными группами лиганда-ионофора,

который затем обволакивает катион, и образующийся комплекс,

имеющий липофильную внешнюю сторону, поглощается цито­

плазматической мембраной. Конформационные изменения, со­

провождающие захват катиона, протекают очень быстро, но,

могут быть обнаружены (для валиномицина) с помощью релак-

319'

сационных методов (например, быстрых температурных скачков

или поглощения звуковых волн) [Grell, Eggers, Funck, 1972].

Некоторые метаболиты грибов повышают пассивный захват

калия. Одни из них, например ионактин и монактин ( 14.6), от­ носятся к классу макротетролидов (мноrозвенных циклических

сложных эфиров), другие (валиномицин)- к классу депсипеп­

тидов. Валиномицин ( 14.7) (из Streptomyces fulvissimus) пред­

ставляет собой 36-членный макроцикл, включающий по три остатка L-валина, D-валина, L-молочной кислоты и остаток а-D-гидроксиизовалериановой кислоты, связанных сложноэфир­

ными и амидными связями [Shemyakin et al., 1963]. Он раст­

ворим в липидах и нерастворим в воде. Периметр этой плоской молекулы липофилен, тогда как внутренняя часть кольца выст­

лана незаряженными гидрофильными группами. В результате

конформационных изменений, вызванных захватом катиона ка­

лия, молекула приобретает браслетообразную форму. Валиномицин способствует проникновению ионов калия в

эритроциты, митохондрии [Moore, Pressman, 1964] и через бак­

териальные плазматические мембраны [Harold, Baarda, 1967],

но почти не влияет на проникновение ионов натрия, лития и во­

дорода. Нонактин обладает подобным действием, а моноактин,

кроме того, слегка повышает проницаемость для ионов натрия

[Henderson, McGivan, Chappell, 1969]. Валиномицин проявляет

противоопухолевые свойства (на мышах) [Carter, Sakurai,

Umezawa, 1981].

Ме QJ;.o'(Q

~о - м~--<

оо

Ме

а) Ноиактии (R•H\

б) Монаитин (R~Me)

(14,6)

Рентгеноструктурный анализ показал, что ионы калия коор­

динируют с четырьмя эфирными и четырьмя карбонильными

атомами кислорода нонактина [DoЫer, Duпitz, Кilbourп, 1969]

и с шестью атомами кислорода карбонильных групп валиноми­

цина. Таким образом, ранее гидратированный ион калия при­

•обретает внешнюю липофильную оболочку и поэтому способен

Валиномицин

,(14,?}

достаточно легко проникать в клеточные мембраны. При столк­

новении этого комплекса с наружной границей между мембра­

ной и водой часть ионов калия проходит через нее, а другая

часть обменивает молекулу нонактина на воду (медленная ста­

дия пенетрации). В этом движении анион (например, CI-)

должен сопровождать К+, но на небольшом расстоянии и по­ стоянно подвергаясь обмену. Предпочтительность захвата но­ накти~ом иона~ калия, а не натрия, определяется скорее более

ни~кои энерrиеи дегидратации первого, чем размерами внутрен­

неи полости циклической молекулы [Prestegard, Chan, 1970].

С помощью аламетицина - линейного пептида, выделенного

из грибов Trichoderma viride, можно установить, как образуют­

ся калиевые каналы. Этот пептид, кроме терминального L-фе­

нилаланинола, содержит 20 аминокислотных остатков в том

числе восемь остатков а-аминомасляной кислоты, а другие -

обычные аминокислоты, входящие в состав белков. Данные

рентгеноструктурного анализа кристаллов этого соединения

свидетельствуют о том, что гидрофильные фрагменты направ­

лены в одну сторону, а липофильные- в другую.