Взаимодействие лекарств с рецепторами — различия между версиями
Admin (обсуждение | вклад) |
(нет различий)
|
Версия 11:39, 21 марта 2011
Комплексообразование лекарственных веществ с рецепторами.
Известно, что вторичная фармакологическая реакция развивается вследствие взаимодействия лекарственного вещества с рецептором. Поскольку рецептор представляет собой определенную молекулярную структуру, следовательно, и взаимодействие должно определяться молекулярной сущностью лекарственного вещества и рецептора. Если физико-химические свойства лекарственных веществ в большинстве случаев хорошо изучены, то этого еще нельзя сказать о рецепторах.
В работах П. Эрлиха, К. Бернара, Н. П. Кравкова и других авторов впервые сформулированы оригинальные гипотезы о фармакологической рецепции. В частности, П. Эрлих указывал на определенные группы макромолекул, с которыми могут взаимодействовать химические вещества. В последующем некоторые ученые изучали механизм действия ацетилхолина, адреналина и нор-адреналина, гистамина, М - и Н-холиномиметиков, М- и Н-холинолитиков на изолированных органах, мышечных тканях, синаптических пластинках и других объектах (Кларк, Ариенс, Стефенсон, Пейтон, Инг, Мак Кей и др.).
Общность этих теорий заключается в том, что была сделана попытка проанализировать механизм действия фармакологических препаратов, исходя из концепции, что фармакологический ответ развивается вслед за адсорбцией его на рецепторе. Считают, что в основе действия фармакологически активных веществ лежит физический процесс адсорбции со всеми вытекающими отсюда последствиями. Анализ изотерм адсорбции Ленгмюра и применение основных уравнений, с помощью которых описывается изотерма, позволили получить количественные характеристики адсорбции.
Приложение закона действующих масс к сложной равновесной системе может быть представлено следующим образом:
Следует отметить, однако, что названные закономерности в известной степени усложняются из-за метаболизма лекарственных веществ, дополнительного перераспределения и других причин. Попытаемся вкратце рассмотреть основные гипотезы о механизме действия лекарственных веществ.
1. Простая оккупационная теория была предложена Кларком. По его мнению, эффект, вызванный каким-либо лекарственным веществом, пропорционален величине поверхности рецепторов, занятых этим веществом. Максимальный эффект достигается тогда, когда все рецепторы заняты лекарственным веществом.
2. Сложная оккупационная теория разрабатывалась Ариенсом. Пытаясь восполнить неувязки теории Кларка, Ариенс выдвинул положение о том, что лекарственное вещество должно обладать двумя независимыми характеристиками, а именно, сродством к рецептору и внутренней или собственной активностью. Для некоторых фармакологических препаратов достаточно только сродства к рецептору, в то время как для других необходимо, чтобы они обладали внутренней активностью. Внутренняя активность, по терминологии Ариенса, является мерой способности такого комплекса вызывать положительную биологическую реакцию.
3. Дальнейшая разработка названных положений имела место в работах Стефансона. Он утверждал, что в ряде случаев активность фармакологических препаратов непропорциональна числу занятых рецепторов. Лекарственные вещества, которые вызывают максимальную для данного органа биологическую реакцию при очень малом числе рецепторов рассматриваются как высокоэффективные.
4. Оригинальной представляется концепция Пейтона, основным тезисом которой является скорость образования комплекса лекарственное вещество — рецептор. Степень насыщения рецептора лекарственными веществами при этом не имеет существенного значения. На основании своих исследований Пейтон считает, что если лекарственное вещество долго не задерживается на рецепторе, то оно является стимулятором функций, а если фармакологический препарат медленно диссоциирует из комплекса с рецептором, то он — антагонист.
5. В последующих работах Инг высказал предположение, что комплекс лекарственное вещество — рецептор может находиться в активированном переходном состоянии, которое и определяет фармакологическое действие. Такие активированные комплексы, образующиеся в различных реакциях, характеризуются высоким уровнем энергии и, следовательно, недолговечны. Они либо быстро диссоциируют, либо превращаются в комплексы (устойчивые) с небольшим запасом энергии, которые ингибируют рецепторы.
6. Представляет большой интерес наблюдение об активации транспорта Са2+ при взаимодействии агонистов с рецепторами (Hurwitz et al., 1972). Авторы считают, что одной из реакций при взаимодействии агонистов с рецепторами является активация транспортной системы кальция в зависимости от числа занятых рецепторов.
Применение математического аппарата с целью анализа результатов экспериментов позволило заключить, что взаимодействие ацетилхолина или норадреналина с адрено- или холинорецепторами приводит к активации транспорта Са2+ в соответствии с числом занятых рецепторов. Полагают, что комплекс рецептор — медиатор или формирует поры для Са2+, или является переносчиком Са2+ через биологическую мембрану.
Поскольку кальций принимает участие в мышечном сокращении, а также ответственен за структурную целостность биологических мембран, то эти данные весьма важны для анализа функции холино- и адренорецепторов.
Эти концепции, безусловно, в определенный период развития фармакологической науки были полезны и дали много ценной информации, касающейся органных взаимоотношений при воздействии с лекарственными веществами. Были выявлены закономерности связи химической структуры с биологическим действием в ряду хо-линомиметиков, холинолитиков и других препаратов.
Выделение рецептора в чистом виде, определение его химической структуры и функциональных групп является первейшей задачей в исследовании комплементарных взаимоотношений с фармакологическими препаратами. "Разборка" и последующая "сборка" рецептора с восстановлением его функций — один из важных моментов в цепи доказательств фармакологической рецепции. В этих условиях удается выяснить роль того или иного компонента (если рецептор не мономолекулярный) во взаимодействии с фармакологическим партнером и создать модель первичной фармакологической реакции, которая может быть подвергнута строгому количественному контролю с привлечением математического аппарата.
Одним из необходимых условий взаимодействия лекарственного вещества с рецептором является оптимальное расстояние между молекулами, когда могут действовать межмолекулярные силы. Эти силы действуют на относительно коротком расстоянии и их действие исчезает в случае превышения расстояния 12 А, т. е. можно считать, что межмолекулярные силы действуют на расстоянии, равном диаметру 1—2 молекул. Для исследования транспорта веществ в радиусе их столкновения определяют скорость лимитированных реакций. Снижение этой величины указывает на стерические и энергетические затруднения в комплексообразовании. Математическая теория диффузионно-лимитированных реакций была разработана Смолуховским, который изучал кинетику коагуляции коллоидов электролитами. Автор вычислял скорость диффузии молекул в полости сферы с помощью следующей формулы:
где константа столкновения:
В случае, если реакция идет между подвижными лекарственными препаратами и структурно-фиксированным рецептором, то можно принять Dk за константу свободной диффузии препарата. Эту константу удобно определять из уравнения Стокса—Энштейна:
В случае, если комплекс лекарственное вещество — рецептор занимает большой объем, то можно считать, что г0 = RD, так как имеет место пространственное соответствие фармакологического препарата комплементарному участку на молекуле рецептора. Для относительно больших молекул, как например, полипептидов, это не всегда так, поскольку только часть молекулы принимает участие в комплексообразовании. Для этого случая kt = 2,5*109 л-моль-1с-1 при температуре 37 °С.
Универсальная зависимость константы скорости от вязкости представляет определенный интерес.
Эту зависимость необходимо учитывать при анализе температурнозависимых реакций ассоциации. Поскольку вязкость разбавленных растворов понижается на 20 % при снижении температуры на каждые 10 °С, величина константы скорости, соответственно, будет увеличиваться на 25—30 % при адекватном подъеме температуры. В химической кинетике изменение скорости от температуры обычно выражают уравнением Аррениуса:
Эта энергия отражает эффект замкнутого пространства, поскольку каждая молекула растворенного вещества плотно окружена молекулами растворителя. Для освобождения молекулы растворенного вещества необходима кинетическая энергия, которая представляет собой тот минимум энергии активации, который необходим для освобождения и комплексообразования.
Расчет энергии активации и зависимости ее от вязкости — важный и необходимый элемент оценки диффузионно-лимитированных реакций. Вязкость растворов, как известно, значительно увеличивается при введении высокополимерных соединений, таких, как белков, нуклеиновых кислот, декстрина, поливинилпирролидона. Однако представляется маловероятным, чтобы они влияли на скорость диффузионно-лимитированных реакций.
Образование комплекса фармакологического препарата с рецептором зависит от комплементарное™ обоих партнеров, обусловленной межмолекулярными силами. Все вместе они создают большое силовое поле на поверхности рецепторов, которое притягивает диффундирующую молекулу лекарственного вещества. Сила рецепторного поля детерминирует разную скорость "бомбардировки" рецептора фармакологическим препаратом, и в случае, когда рецептор будет иметь сродство к лекарственному препарату, скорость взаимодействия его с препаратом будет возрастать. При наличии сил отталкивания скорость образования комплекса будет снижаться. Этот эффект может быть кооперативным и рассчитывается по уравнению Фика:
Решение этого уравнения позволяет связать константу скорости k выведенную из уравнения Смолуховского, с фактором f, который вычисляется по следующему уравнению:
Числовое значение f зависит от двух факторов: величины U, измеряемой при разных расстояниях молекул препарата от молекул рецептора, и абсолютного значения U, измеренного при равном расстоянии всех молекул лекарственного вещества от рецепторной поверхности. При этом зависимость межмолекулярных сил от расстояния между молекулами может быть выражена уравнением
Ионные силы имеют р=3 и вызывают процесс диэлектрической поляризации, образуя ионную оболочку. Для дипольных сил р =3/6, а для дисперсионных взаимодействий р = 6 (точнее от 4 до 8). Для ван-дер-ваальсовых сил р = 9/12, а для гидрофобных взаимодействий р=2/4.
Силы притяжения поля вносят небольшой вклад в скорость столкновения партнеров. Однако силы отталкивания могут иметь значительно больший эффект для торможения взаимодействия рецептора с фармакологическим препаратом. В частности, ионные силы отталкивания между соответствующими группами в молекулах лекарственного вещества и рецептора, величина которых при равновесном состоянии равна 5 ккал-моль-1, будут понижать скорость столкновения в 100 раз. Поскольку взаимодействие фармакологического препарата с рецептором включает большое число связей и комплементарных участков, можно считать, что для полной реализации процесса необходимо, чтобы препарат целиком располагался вдоль силового поля рецептора. Оптимальные условия полного взаимодействия можно исследовать следующим образом. Энштейн, проанализировав броуновское движение частиц, показал, что вращение сферических молекул в растворе может быть выражено уравнением
Это уравнение вращательной диффузии можно сравнить с уравнением диффузии перемещения:
Если в молекуле известны все параметры, то
Р = 0,86 x/(2πr)
Для многих лекарственных препаратов сбудет изменяться, так как молекулы благодаря вращению заместителей вокруг валентных связей могут иметь различные конформации. Из этих конформаций лишь одна может иметь максимальное количество связей с рецепторной поверхностью, поэтому для оценки комплексообразования фармакологического препарата с рецептором очень важно знать конформационные эффекты молекул лекарств.
В соответствии с теорией антагонизма лекарственных препаратов, если рецептор занят, то он не может присоединить молекулу другого вещества. Это правило не без исключения. Однако если отдельные участки в молекуле лекарственного вещества или рецептора имеют сродство для распространенных низкомолекулярных компонентов биологического раствора (с неорганическими ионами или молекулами воды), то молекулы фармакологического препарата и рецептора не смогут взаимодействовать по этим занятым участкам. Если лекарственный препарат представляет собой катионы, а анионный участок представлен на рецепторе, то в случае оккупации анионного участка ионами щелочного металла, например Na+, доступ к рецептору будет стерически затруднен, поскольку присутствие ионов Na+ вызовет электростатическое отталкивание лекарственного препарата — катиона. Это классическое положение теории элекролитов, в частности теории формирования ионных пар. Небольшие одновалентные ионы радиусом приблизительно 2 А при концентрации 0,15 М имеют степень ассоциации, равную 10 %. Вероятно, это положение может быть распространено и на молекулы лекарств с оговоркой, что относительно большие молекулы последних снизят степень ассоциации в ионные пары. Не представляется возможным, однако, интерпретировать это правило на рецептор.
Вероятность нахождения фармакологического препарата в пределах силового поля рецептора может быть рассчитана по закону Больцмана. Если допустить, что молекула препарата движется однозначно либо к рецептору, либо от него, то она будет передвигаться до тех пор, пока ее собственная кинетическая энергия будет сбалансирована с потенциальной энергией новой локализации. Фармакологический препарат имеет возможность выйти за пределы силового поля рецептора лишь в том случае, если его кинетическая энергия будет больше потенциальной энергии поля. Частоту движения молекул можно рассчитать по кинетической энергии из уравнения Больцмана.
Представив значение u= —10 ккал моль-1, получаем возможность выхода молекулы из силового поля, равную 10-7 по отношению к вероятности ее возвращения в силовое поле.
Эти взаимоотношения определяют энергетику комплекса лекарство — рецептор и скорость его диссоциации. Абсолютная скорость диссоциации равна скорости свободной диффузии, умноженной на коэффициент вероятности. Относительная продолжительность существования молекул лекарств в силовом поле рецептора указывает на образование эффективных комплексов. Расчет времени реализации всех конформациоиных перестроек в комплексе лекарство — рецептор лает результат 4—10-9 с. Время образования дополнительных связей составляет 10-9—10-11 с. Если свободную энергию при равновесном состояний комплекса и правильной конформации примем за —10 ккал-моль-1, а снижение ее при искаженной конформации за —2 ккал/моль, тогда продолжительность жизни комплекса будет составлять 10-8с (при условии, что скорость ассоциации будет определять возможность максимальной диффузии). В действительности скорость ассоциации меньше, а продолжительность жизни комплекса дольше. Исключение составляют случаи, когда рецептор глубоко замаскирован в расщелинах рецепторной поверхности или когда фармакологический препарат является сильно асимметричной молекулой. В этом случае сродство между партнерами реакции нарушается.
Была сделана попытка сопоставить результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными (Burgen, 1966). Удалось вычислить, что половина времени диффузии атропина от рецептора, равное размерам радиуса одной его молекулы, составляет 3*10-10 с. При этом константа скорости диссоциации равняется 2,3-109с-1. Реальная константа может быть получена умножением этой величины на константу вероятности Больцмана, т. е. будет равна 1,02-10-9. Значение к2 будет равно 2,3 с-1. Это значение намного превышает экспериментальный результат. Причиной такого несоответствия может быть низкая скорость ассоциации соединений в комплексе или обусловленность снижения эффективности столкновения ввиду гидратации и ионной оккупации рецепторных участков, а также геометрическими особенностями молекулы, ограничивающими диффузию. В первом случае свободная энергия комплексообразования увеличивается, так как она будет соотноситься к эффективной концентрации вещества в разбавленном растворе, а не к фактической концентрации. Энергия активации при этом будет эквивалентна увеличению свободной энергии активации —4,5 ккал-моль-1. Фактор Больцмана будет равен 7,2*10-3, величина к, = 1,65*10-3 с, что очень близко к экспериментальным значениям. Сопоставление результатов наблюдений приводит к выводу, что диффузия лимитирует как ассоциацию, так и диссоциацию комплексов.
Геометрические затруднения (помехи), судя по результатам экспериментов, выражены слабо. Безусловно, стерические трудности препятствуют диффузии лекарств по направлению к рецептору и от рецептора. Коэффициент затрудненности рассчитывается следующим образом:
К/2,5*109
Умножив полученные результаты на величину k2 получим истинные значения к2 для данного комплекса.
Таким образом, скорость ассоциации фармакологических препаратов с рецепторами равна 2,5*109 л-моль-1*с-1. При этом общая энергия активации составляет 3—4 ккал-моль-1. Скорость ассоциации существенно не изменяется при увеличении притяжения между молекулами фармакологических препаратов и рецепторов и понижается при наличии сил отталкивания между ними. Скорость имеет тенденцию к снижению в присутствии связанной с рецептором воды или ионов за счет возрастания энергии активации, требуемых для комбинационных перестроек и затрудненности доступа препарата к рецептору. Освобождение препаратов из комплекса происходит в случае приобретения ими кинетической энергии, превосходящей по величине потенциальную энергию силового поля. Скорость диссоциации комплекса равна по величине скорости угасания свободной диффузии, умноженной на фактор Больцмана. Продолжительность жизни комплекса фармакологический препарат—рецептор достаточна для различного рода неблагоприятных столкновений комплекса с другими соединениями и конформационных перестроек.
Особый интерес представляют субстратные рецепторы для фармакологических препаратов. Разработка этих вопросов является также "ключом" для понимания метаболизма лекарственных средств.
