Вопрос 12 Проблемы ионизации и липофильности биологически активных соединений. Гипоксантин, урацил, 6-меркаптопурин, 5-фторурацил.

Как видно из вышесказанного, проблемы ионизации и липофильности — весьма важные проблемы для проникновения веществ через различные мембраны и, конечно, они существенны не только для неорганических катионов, но и для всех молекул соединений, рассмат­ривающихся как биологически активные. Очевидно, что степень ионизации органических молекул в растворах определяется их струк­турой. Четвертичные соли, например, ионизированы полностью, вне зависимости от рН окружающей среды. Сильные кислоты и щелочи в растворах также ионизированы стопроцентно. Это, однако, совершен­но нехарактерно для органических (не четвертичных) соединений, являющихся, как правило, достаточно слабыми кислотами и основаниями. Степень ионизации этих соединений характеризуется их константой ионизации Ка: для равновесий типа

рассмотрение проводится одинаково и величина константы ионизации вычисляется для ионизации оснований А, Как

[АН*] для ионизации кислот АН, как

Четвертичные соли-

Липофильность-

Ионизация-

Кислотность-

Основность-

Электронодоноры-

Для удобства кислотность и основность характеризуется величиной

и из приведенных уравнений следует, что чем в большей степени кислота АН диссоциирует на ионы в выбранной среде, тем боль­ше величина Ка и тем меньше величина рКа. В таблицах даны приме­ры величин рКя для различных кислот и оснований и из приведенных данных следует ряд выводов, позволяющих оценить, какие структурные изменения приводят к увеличению (уменьшению) кислотности и ос­новности органических соединений Как видно из таблиц, введение в молекулу органической кислоты электроноакцепторных заместителей приводит к увеличению се кислотности, а электронодонорных — к снижению этого параметра. Для оснований картина соответственно обратная — электроноакцепторы дают снижение, а электронодоноры — повышение основности, Таким образом,

варьируя заместители в кислотах и основаниях, можно управлять степенью их ионизации, т.е. количеством ионизированных форм в растворах, что, зачастую, весьма важно для проявления биологической активности, в частности, за счет изменения проникновения веществ через мембраны и за счет различного взаимодействия с мембранами нейтральных И ионизированных молекул.

Как уже указывалось, молекулы испытывают затруднения при про­никновении через липофильные мембраны, и в тех случаях, когда био­логическое действие осуществляется за мембраной, липофильность молекулы играет весьма значительную роль. Максимальная липофильность особенно важна для наркоза, общих анестетиков. Для веществ, обладающих низким уровнем гидрофильности, например, для сульфамидов при небольшом повышении липофильности активность возрастает, а при дальнейшем повышении падает. Напротив, для пенициллинов и цефалоспоринов активность сначала усиливается при снижении липофильности и падает при дальнейшем ее умень­шении. Понятно, что если бы липофильность была единственным параметром, от которого зависело бы биологическое действие, изыска­ние новых лекарств являлось бы не такой уж сложной проблемой. Од­нако это не так. Существует множество факторов, определяющих био­логическое действие. К ним относятся и электронные свойства заместителей, и стерические характеристики молекулы в целом.

Следует отметить, что изменение липофильности веществ, то есть повышение возможности проникновения через мембраны первого типа (простая диффузия) и поиск соединений, способных к переносу через мембраны с использованием переносчиков — важные пути изыскания биологически активных соединений. Так, информация о транспорте в клетку таких соединений, как гипоксантин, урацил — необходимых блоков для синтеза ксантина и нуклеиновых кислот, явилась основой для получения известных противоопухолевых препаратов 6-меркаптопурина и 5-фторурацила.

Здесь уместно также отмстить, что способность некоторых поверх­ностно активных соединений повреждать цитоплазматические мембра­ны бактерий использована для создания антибактериальных средств в ряду четвертичных аммониевых солей, имеющих гидрофобные замес­тители с длинной алкильной цепью (обычно С12 и более). Например, цетилтриметиламмоний бромид:

Механизм действия подобных соединений связан, по-видимому, с образованием больших пор в мембранах, через которые из клеток вы­ходят крупные молекулы и клетки перестают функционировать.

Необходимо отметить, что при исследовании производных акридина было установлено, что именно максимально ионизированные соединения в этом ряду обладают максимальной бактериостатической активностью. Так, показано, что из исследованных аминоакридинов наивысшей активностью обладает 9-аминоакридин, который при рН 7,3 ионизирован на 99%. Именно концентрация катиона (а не общее количество соединения) определяет бактериостатическое действие производных акридина. Сейчас уже ясно, что производные акридина интеркалируют в ДНК и ингибируют ДНК-полимеразу бактерий путем связывания с матричной ДНК. Оба этих механизма обусловлены возможностью связывания производных акридина с ДНК, которое усиливается ионным взаимодействием, характерным именно для катионов.

Вопрос 13 Депонирование, выведение, метаболизм. Зависимость депонирования от структуры соединения. Способность альбумина связывать лекарственные препараты. Лекарственные средства выводятся из организма в основном тремя главными механизмами: путем метаболизма, депонирования и выведения наружу (экскреция). Значение исследования кинетики веществ с терапевтической точки зрения значительно возросло за последние десять лет. Если раньше на исследования смотрели лишь как на излишество, на роскошь, то:  они представляют собой неотъемлемый элемент при изучении го нового лекарства. Однако на результаты исследования лекарственной кинетики надо смотреть как на нож: с двумя остриями. При разумном использовании они могут иметь исключительное значение и содействовать углубленному толкованию и научному объяснению вызываемых лекарствами биологических реакций. При неправильном использовании фармакокинетические данные могут стать причиной легкомысленного и поверхностного толкования вопросов, которые занимали умы исследователей в этой области в течение десятилетий. Очень легко предположить, что полураспад данного лекарства у человека почти такого же порядка, как и установленный в опытах на крысах, и что печень женщины производит такие же метаболиты (и в тех же количествах!), как и печень крысы. Но как часто это встречается? Это же можно сказать и о резорбции и выведении лекарств. Основным путем элиминирования диазепама и его метаболитов у человека и собаки являются почки. Человек выделяет приблизительно 71% его с мочой и 10% с калом, а собака - 61 % с мочой и 34% с калом. С другой стороны, при внутрибрюшинном введении диазепама онвыделяется через почки крысы только в 22% и 57% с калом. Большинство лекарств подвергается метаболитным трансформациям в организме. Главным местом биотрансформации лекарств являются микросомы печени. Особенность почти всех метаболитных реакций с лекарствами заключается в том, что продукты метаболизма отличаются большей полярностью, чем исходные лекарства. Это имеет значение для ренальной и билиарной экскреции. Вещества с высоким водно-жировым коэффициентом распределения, легко проходящие через мембраны, также легко принимаются обратно канальцевой мочой через клетки канальцев почек, ввиду чего у таких веществ устанавливают низкий почечный клиренс, и они долго задерживаются в организме. Если такое лекарство биотрансформируется в более полярное соединение, его канальцевая реабсорбция сильно редуцируется. Хотя обычно биотрансформация лекарств приводит к сокращению их действия, неправильно ставить знак равенства между метаболизмом и «детоксикацией» лекарств. Нередко продукты метаболизма, в которые превратилось какое-нибудь лекарство, могут быть биологически более активными, чем само лекарство. Часто желательный фармакологический эффект лекарства в сущности является эффектом того или иного его метаболита, а оно само по себе биологически инертно. Подобно этому токсические побочные эффекты некоторых лекарств могут обусловливаться полностью или отчасти их метаболитными продуктами. Основные метаболитные реакции, которым подвергаются лекарства в организме, следующие: окисление, редукция, гидролиз и синтез (конъюгирование). Окислительные реакции включают в себя: алифатическое окисление, ароматическое окисление, N-деалкилирование, О-алкилирование, S-деметилирование, деаминирование, сульфоксидирование, десульфирование, N-окисление и N-гидроксилирование. Окислительный метаболизм многих лекарств, а также и стероидных гормонов осуществляется посредством энзимов, расположенных в микросомной фракции печеночных клеток, а в некоторых случаях принимают в этом участие и энзимные системы, расположенные в митохондриях (каков, например, случай с энзимом моноаминоксидазой). Реакции редуцирования происходят обычно в микросомах печени. Реакции гидролиза протекают как в нервной ткани (например, специфическая холинэстераза), так и в плазме, печени и других тканях (например, неспецифическая холинэстераза). Реакции связывания осуществляются главным образом в микросомах печеночных клеток, но также и в других тканях. Ниже приведем факторы, которые могут изменять активность метаболизирующих лекарства энзимов печени: индивидуальные вариации, генетические факторы, возраст, пол, диета и состояние питания, температура, состояния стресса, беременность, эндокринные заболевания, болезни печени, энзимная индукция, энзимная ингибиция, кровоток в печени, лекарственная доза, суточные колебания и т. д.. Так например, метаболизм лекарств может быть ненормально замедленным в течение первых нескольких недель или месяцев жизни ввиду незрелости некоторых важных энзимных систем. Можно стимулировать метаболизм лекарств под воздействием агентов окружающей среды, включающих в себя известные и повсюду распространенные вещества, как например: кофеин, этанол, табак и хлорированные гидрокарбоновые инсектициды. Установлено, что курение табака во время беременности вызывает видимое индуцирование плацентарной бензипиреновой гидроксилазы, а профессиональное подвержение действию инсектицидов, как ДДТ, стимулирует энзимную активность микросом. Установлено, что средняя поддерживающая доза пентазоцина, необходимая для дополнения N20-миорелаксантной анестезии, значительно выше у курящих, чем у некурящих. Вторым основным путем элиминирования лекарств является депонирование их в определенных тканях. Отложение лекарств в жировых депо, в ретикуло-эндотелиальной системе и в костях играет важную роль в устранении жирорастворимых и коллоидальных веществ, а также и тяжелых металлов. Экскреция почками, желчной системой, кишечником и легкими играет важную роль в выведении многих лекарств из организма. Самое значительное место в выведении лекарств занимают почки. Преобладающее число лекарств претерпевают частичный метаболизм и выводятся из организма в основном неизмененными. Так, с мочой выводятся из организма в большей части неизмененными амфетамин (30%), ампициллин (40%), атропин (20-50%), гванетидин (50%), неостигмин (40%), прокаинамид (50%). Очень важно знать факторы, влиящие на способ выведения лекарств. Их можно распределить в две большие группы. С одной стороны, это физико-химические факторы (молекулярный вес, полярность, структурные и стереохимические факторы) и, с другой, биологические факторы вид, пол, генетические факторы, возраст, метаболизм, связывание с плазменными и тканевыми макромолекулами). Молекулярный вес соединений очень важный фактор. Вообще можно сказать, что лекарства с относительно низким молекулярным весом выводятся в основном через почки, тогда как соединения с более высоким молекулярным весом элиминируются преимущественно желчью. Реакция мочи также имеет большое значение для выведения многих лекарств. Так, при подкислении мочи повышается реабсорбция (следовательно, понижается экскреция) лекарств, характер которых одинаков с характером слабых кислот, и повышается экскреция лекарств с характером слабых щелочей. При подщелачивании мочи налицо обратные эффекты. Экскреция, например, салицилатов (слабые кислоты) усиливается при подщелачивании мочи и замедляется при ее подкислении. Выведение, например, барбитуратов можно ускорить внесением в организм бикарбонатных солей, вызывающих подщелачивание мочи. Лекарства и продукты их метаболизма можно выводить из организма не только путем экскреции, но и секреции. Секреция присуща специализированным железистым органам. Она выполняет особые функции, как например, в случае с секретированием пищеварительных соков слюнными железами, желудочными и кишечными железами. Желчный пузырь имеет двоякую функцию - как секреторную, так и экскреторную. Секреторная функция желчного пузыря играет важную роль при переваривании и резорбции жиров, а экскреторная ее функция служит главным каналом, по которому выводится билирубин, полученный при расщеплении гемоглобина. Элиминирование лекарств путем секреции может иметь также и важное токсикологическое значение. Так, гиперплазия десен при лечении дифенилгидантоином вызывается постоянным контактом лекарства с деснами путем его секретирования слюной. Большое значение для выяснения фармакодинамики данного лекарственного вещества имеет определение отношения свободно циркулирующего в крови лекарства к связанной плазменными протеинами его части, так как активность и экскреция лекарства зависят в основном от их свободно циркулирующих молекул. Сывороточный альбумин синтезируется в печени и составляет большую часть среди всех сывороточных белков. Альбумин, содержащийся в крови человека, называется человеческий сывороточный альбумин, он составляет около 60 % от всех белков, содержащихся в плазме крови.

Поскольку концентрация альбумина высока, а размеры его молекулы невелики, этот белок на 80 % определяет коллоидно-осмотическое давление плазмы.

Общая площадь поверхности множества мелких молекул сывороточного альбумина очень велика, поэтому они особенно хорошо подходят для выполнения функции переносчиков многих транспортируемых кровью и плохо растворимых в воде веществ. К веществам, связываемым сывороточным альбумином, относятся билирубин, уробилин, жирные кислоты, соли желчных кислот, некоторые экзогенные вещества — пенициллин, сульфамиды, ртуть, липидные гормоны, некоторые лекарства, такие как варфарин, фенобутазон, хлофибрат и фенитоин и т. д. Одна молекула альбумина может одновременно связать 25—50 молекул билирубина (молекулярная масса 500). По этой причине сывороточный альбумин иногда называют «молекулы-такси». Соревнования между лекарствами при использовании ими «посадочных мест» на молекуле альбумина может вызвать увеличение их активности и лечебного действия.

На мембранах клеток имеются рецепторы к альбуминам — альбандины.

Наиболее широко используются человеческий сывороточный альбумин и бычий сывороточный альбумин, часто применяемый в медицинских и молекулярно-биологических лабораториях.

Нормальный уровень сывороточного альбумина у взрослых составляет от 35 до 50 г/л. Для детей в возрасте менее 3-х лет нормальный уровень — в пределах 25—55 г/л.

Низкий уровень альбумина (гипоальбуминемия) может возникать из-за болезни печени, нефритического синдрома, ожогов, энтеропатии с потерей белка, недоедания, на поздних сроках беременности, злокачественных новообразований. Приём ретинола (витамина А) в некоторых случаях может повысить уровень альбумина до высоких субнормальных значений(49 г/л). Лабораторные эксперименты показали, что приём ретинола регулирует синтез человеческого альбумина.

Высокий уровень альбумина (гиперальбуминемия) почти всегда возникает в результате обезвоживания.