Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

табл. 15.1-15.3, о которых известно, что их биологическое дей­

ствие структурно неспецифично. Если полученные результаты

сильно различа~тся по выбранному биологическому тесту, Т()

можно_ с высокои_ степенью вероятности утверждать, что испы­

туемыи агент деиствует по специфическому механизму, и для

его установ~ения требуется выполнить большую программу

исследовании. Если же этот тест не покажет существенной раз­

ницы в величинах относительной насыщенности, то это будеr означать наличие структурно неспецифического типа действия► для уточнения этого вывода достаточно более короткой про­

граммы исследований.

За много лет, прошедших с момента появления принципа Фергюсона, несмотря на интенсивную дискуссию, он не был ни

расширен, ни уточнен. Предположение Фергюсона о том, ЧТ()

парциальное давление может быть использовано в качестве­

термоди_намической функции, не было опровергнуто, однако► с другои стороны, Фергюсон не сумел предсказать параболиче­

ского изменения биологического ответа при возрастании коэф­

фициентов распределения [Hansch, 1971]. В настоящее время коэффициенты распределения широко применяют для количест­

венных исследований связи структура - активность, как один

из методов оптимизации поиска новых биологически активных

соединений [Hansch, Fujita, 1964; Hansch, 1971] (см. также­

разд. 3.3 и гл. 16). Однако оба этих метода, основанные на тер­

модинамическом подходе, исключают друг друга.

Б. Ане_стезирующее действие инертных газов. При исследо­

вании деиствия анестетиков было обнаружено, что инертные

газы могут быть такими же биологическими депрессантами, как

и любые другие вещества, в том числе и перечисленные в таб­ лицах 15.1-15.4 (сравнение проводили по термодинамической:

активности). В качестве примера можно привести наличие ане­

стезирующих свойств у азота. Еще более ста лет назад водола­

зы при работе под водой отметили появление головокружений

и потерю ориентации - симптомы, которые связывались с вды­

ханием под давлением азотной компоненты сжатого воздуха

[Unsworth, 1861]. Обследования нескольких водолазов в лабо­

раторных условиях показали, что при дыхании смесями кисло­

рода (20%) с азотом или аргоном или с обоими газами при

атмосферном давлении не наблюдалось никаких нарушений

жизнедеятельности, тогда как при повышенном давлении, соот­

ветствующем погружению на глубину 30-100 м проявлялся

выраженный гипнотический эффект [Behnke, Yarb~ough, 1939]_

Эти два инертных газа липофильны, причем коэффициент рас­

пределения аргона в системе масло - вода выше коэффициента

распределения эфира.

Наркотическое действие инертных газов возрастает с увели­

чением их ОММ. Гелий - самый легкий из инертных газов

этим действием не обладает. Эффект аргона (ОММ 40) выше:

чем азота (ОММ 28). Находясь под водой на глубине примерно

70 м, водолаз работает под давлением, в 7 раз превышающим

то, которое он испытывает на суше. Если при этом используе­ мый для дыхания воздух обогащен азотом, то резко снижается

способность к ясному мышлению и принятию разумных реше­ ний. Для предотвращения «азотного наркоза» в настоящее вре­ мя используют для дыхания смесь кислорода с гелием (1 : 4),

позволяющую работать на глубинах, превышающих 300 м.

Ксенон (ОММ 131) вызывает временную потерю рефлексов у мышей [Lawrence et al., 1946]. В этом эксперименте термо­

динамическая активность газа составляла примерно 0,01, что свидетельствует о весьма сильном депрессантном действии. Для

ответа на вопрос, вызывает ли ксенон анестезию у человека,

не получавшего ранее никаких депрессантов (ни барбитуратов, ни миорелаксантов) больным при операции давали дышать ксе­

ноном, разбавленным воздухом (20%) [Cullen, Gross, 1951].

При этом наблюдали быструю потерю сознания, хорошую ре­

лаксацию мышц и быстрое пробуждение. Анестезия была столь

же глубокой, как и в случае этилена, но слабее, чем при при­ менении эфира. Под таким наркозом была осуществлена орхи­ эктомия и перевязывание фаллопиевых труб. Ксенон был оценен как удовлетворительный легкий анестетик. На основании этих

результатов можно сделать вывод: анестезия инертными веще­

ствами (из которых наиболее предпочтителен ксенон из-за его

высокой эффективности и низкой химической реакционной спо­ собности) наступает после того, как определенная часть неко­ торой фазы нервной клетки заполняется чужеродными моле­

кулами.

В. Место действия снотворных средств. Структурно неспе­

цифичные агенты, по-видимому, накапливаются в каких-то жиз­

ненно важных частях клетки, вызывая тем самым дезорганиза­

цию нормальных метаболических процессов, т. е. они действуют

просто как чужеродные тела. Эти агенты могут аккумулиро­

ваться клетками, благодаря одному физическому свойству, обус­

ловленному их химическим строением и зависящему только от

баланса двух переменных молекулярной структуры, а именно числа гидрофильных и липофильных атомов. Необходимое со­ отношение этих атомов всегда может быть достигнуто в преде­

лах бесчисленных гомологических рядов различных типов хи­

мических соединений.

Какова же природа этой биофазы, столь чувствительной к

а тетикам? Часто в качестве наиболее простой из возможных м де й нервной клетки используют простейшее одноклеточное амебу. iller ( 1927) показал, что амебу можно анестезировать, помести ее в разбавленный раствор депрессанта, но не вводя

•его внутрь клетки. При удалении депрессанта от клетки чувст­ вительность амебы восстанавливалась до нормальной.

У млекопитающих наиболее чувствительной фазой являются

липопротеидные мембраны (митохондриальные, синаптосомаль­

.ные или плазматические), расположенные в ЦНС. Накопление

депрессанта в такой мембране может вызвать ее набухание.

Физика этого явления проста: липофильные вещества способны

встраиваться между углеводородными боковыми цепями белков

и, возможно, липидов в мембране (разд. 5.4.1). Хотя и было

показано, что липопротеидные мембраны несколько растягива­

ются под действием инертных газов [Clemeпts, Wilsoп, 1962].

так же как и мембраны эритроцитов человека под действием

галотана и эфира [Seemaп, Roth, 1972], эти изменения сравни­

тельно незначительны (лишь несколько частей на 1000 при ис­

пользовании концентраций депрессантов, применяющихся в кли­

нике) и, по мнению Fraпks, Lieb (1981), не могут служить осно­

вой для объяснения общей анестезии. Некоторые данные

указывают на то, что депрессанты просто сорбируются чувстви­ тельными областями и тем самым предотвращают открытие

ионных каналов [Fraпks, Lieb, 1982].

Г. В.лияние температуры и дав.ления. При повышении темпе­

ратуры активность газообразных анестетиков понижается из-за

усиления перехода молекул анестетика с места действия в га­ зовую фазу. Этот факт свидетельствует о справедливости гипо­ тезы, связывающей механизм действия общих анестетиков с

простой адсорбцией, и не согласуется с гипотезами: 1) крити­ ческого объема [Miller et al., 1973]; 2) фазового перехода

[Trudell, Hubbell, 1976] и 3) текучести липидного бислоя [Met-

calfe, Seemaп, Burgeп, 1968], согласно каждой из которых ак­

тивность анестетиков должна увеличиваться при повышении

температуры. Гипотеза критического объема ( 1) утверждает.

что анестезия наступает, когда депрессант вызывает расширение

места действия сверх определенного объема, что и приводит к

закрыванию ионных каналов. Гипотеза фазового перехода (2)

оказалась несостоятельной, когда было показано, что два ане­

стетика, имеющие равную активность, сдвигают равновесие

между твердой и жидкой фазой в пр от и в оп о л о ж н ы е

стороны [Priпgle, Browп, Miller, 1981]. Опыты, в которых ис­

пользовали концентрации анестетиков, применяемые в клинике.

не подтвердили гипотезу липидного бислоя (3), основанную на предположении об увеличении текучести под влиянием анесте­

тиков.

Хотя повышение давления может вызвать состояние наркоза. избыточное давление может снять его. Так, анестезия тритонов азотом под давлением 34 атм снималась повышением давления

до 140 атм. Аналогично анестезию тритонов эфиром, rалотаном или пентабарбиталом (без давления) снимали повышением гидростатического давления окружающей ~ы [Lever et al .• 1971]. Этот эффект избыточного давленияпон~лу пытались

объяснить уменьшением критического объема [Miller et al .• [1973]. Однако предпочтительнее более простое объяснение, за­

ключающееся в том, что молекула анестетика, попавшая в ре­

зультате адсорбции в место действия, выдавливается оттуда при

повышении давления [Fraпks, Lieb, 1982].

Д. Опровергнутые гипотезы. Проблема механизма действия депрессантов до конца не решена. Traube (1904) полагал, что

эффекты депрессантов пропорциональны снижению поверхност­

ного натяжения на границе раздела воздух - вода. Warburg ( 1921) считал, что снотворные средства предохраняют окисли­

тельные ферменты подобно тому, как тонкая пленка смазки

защищает железо от ржавления. Обе эти гипотезы были опро­

вергнуты Meyer и Hemmi ( 1935).

Установлено, что в ряду депрессантов нет никакой связи

между анестезирующими дозами и способностью ингибировать

активность ряда ферментов дыхательной цепи [Butler, 1950].

Концентрации депрессантов, необходимые для ингибирования

дыхания в тканях iп vitro, всегда существенно превышали ис­

пользуемые для анестезии в хирургической практике. Таким

образом, вызываемое депрессантами падение клеточного дыха­

ния определяется, вероятнее всего, не непосредственным их воз­

действием, а снижением активности нервной деятельности

[Mcllwain, 1962].

Л. Полинг и С. Миллер независимо друг от друга высказали

мнение о том, что каждая молекула анестетика выступает в ро­

ли стабилизирующего центра, вокруг которого молекулы воды концентрируются в более компактную структуру, что и вызыва­

ет анестезию. Такая структурированная вода может образовы­

вать «футляр» вокруг мембраны нервной клетки, затрудняя

прохождение ионов, что в свою очередь препятствует деполяри­

зации. Одним из существенных доказательств правильности вы­

двинутой гипотезы авторы считали наличие строгой корреляции между парциальным давлением, необходимым для анестезии

различными газами, и парциальным давлением их гидратов,

фактически отношение этих двух величин равно константе

[Pauling, 1961; Miller, 1961] (о структуре воды см. разд. 3.1).

Хотя углеводороды и инертные газы образуют истинные гид­

раты, последние устойчивы лишь при давлении в несколько ат­

мосфер [ер. Stackelberg, 1954]. Согласно гипотезе Полинга,

анестетики подобно пропану образуют клатратные, льдоподоб­

обеспечивает снижение нервной проводимости. Следует отме­

тить, что все изложенные гипотезы имеют общее положение,

а именно: все они связывают действие депрессантов с процес­

сом обратимой дезорганизации. Однако rидратная гипотеза Полинга и Миллера имеет ряд слабых мест.

Для того чтобы определить, вызвано ли структурирование

воды воздействием неполярных групп, Gruпwald и Ralph ( 1967)

измерили константы скорости разрыва водородных связей

между молекулами третичных аминов и воды как RзN-HOH. Здесь R - углеводородная группа, размер которой постоянно

увеличивается. Однако полученные результаты не дали никаких доказательств образования льдоподобной структуры под влия­ нием гидрофобных групп. Противоречит гидратной гипотезе и тот факт, что в полости клатратов льда могут встраиваться лишь сферические молекулы и, следовательно, по мере увели­ чения углеводородного радикала способность к образованию

гидратов должна падать, тогда как активность анестетиков при

этом возрастает. К тому же самый типичный анестетик диэти­ ловый эфир, имеющий довольно плоскую молекулу, напоминаю­ щую по форме бабочку, не образует кристаллических гидратов.

Критерием правильности каждой гипотезы является ее при­

менимость к фторированным углеводородам - наиболее широ­ ко применяемым анестетикам. Эти соединения из-за слабости межмолекулярных связей могут служить оптимальным тестом для проверки гидратной гипотезы. Способность различных ане­ стетиков образовывать гидраты была оценена графически, по

зависимости давления диссоциации гидрата при О 0 С от эффек­

тивности анестезирующего действия. Оказалось, что в концент­ рациях, вызывающих одинаковую степень анестезии, фторсодер­

жащие соединения значительно менее гидратированы, чем дру­

гие анестетики [Miller, Paton, Smith, 1965].

Для сравнения гидратной и липидной гипотез изучали зави­

симость минимальной концентрации, вызывающей анестезию

(МКА), от соответствующих физических свойств для следующих

веществ: тетрафторметана, гексафторида серы, закиси азота,

ксенона, циклопропана, фторексена (трифторэтилвинилового

эфира), диэтилового эфира, енфлурана (см. выше), галотана. хлороформа и метоксифлурана (см. выше) [Eger et al., 1969] (ряд составлен в соответствии с увеличением липофильности).

В результате была получена прекрасная корреляция активности анестетиков с их липофильностью и слабая - со способностью

к образованию гидратов. Так, МКА приведенных анестетиков изменялась в пределах 0,0023-26 атм (т. е. в 11 ООО раз), тогда

как коэффициент распределения варьировался лишь от 1,44 до 2,86, т. е. увеличивался всего в 2 раза. С другой стороны, со­

отношение МКА к давлению, необходимому для диссоциации

гидратов, варьировало от 0,12 до 6,4 атм ( в 53 раза) (при этом надо учитывать, что галотан, эфир, метоксифлуран, фторексен и енфлуран вообще не образуют гидратов).

Смысл сравнения рассматриваемых гипотез механизмов дей­ ствия общих анестетиков заключается в том, что даже наиболее

современная из них, например гипотеза Franks и Lieb ( 1982).

адекватно объясняющая действие снотворных средств, может оказаться слишком упрощенной для общих анестетиков. Послед­

ние должны обладать и снотворным и обезболивающим дейст­

вием (как диэтиловый эфир). Однако в современной практике используют смесь галотана (обладающего в основном снотвор­

ным действием) с закисью азота (проявляющей главным обра­

зом обезболивающий эффект).

Е. Барбитураты. Эти соединения были предложены в 1903 г. в качестве снотворных средств для замены простых алифатиче­ ских амидов и сульфонов. Терапевтический индекс барбитура­ тов со временем был улучшен введением в молекулу боковой

,цепи, способной к биодеградации в организме (по обычным ме­ ханизмам метаболизма ксенобиотиков) в течение нескольких часов после введения (разд. 3.5). Первый снотворный препарат ряда барбитуратов барбитал (веронал) не подвержен метабо­

лическому окислению и выводится из организма очень медленно,

вследствие чего в организме больного создается повышенная

концентрация препарата. Типичным представителем группы

легкоокисляемых барбитуратов является пентобарбитал или нембутал (15.1, а), относительная безопасность которого обус­ ловлена разветвленностью боковой цепи, облегчающей окисле­

ние. Подобный эффект обеспечивает и наличие двойной связи

в боковой цепи.

Для увеличения скорости проявления эффекта препарата

коэффициенты распределения барбитуратов могут быть повы­ шены одним из трех следующих способов: 1) увеличением чис­

ла атомов углерода насыщенной углеводородной боковой цепи;

липофильность барбитурата становится слишком высокой, на­

пример в результате метилирования обоих атомов азота или

при увеличении длины боковой цепи сверх шести атомов угле­

рода, он приобретает способность вызывать судороги. Еще более

липофильные молекулы, например дибензилбарбитуровая кис­

лота, неактивны.

В настоящее время барбитураты, как снотворные применяют

все меньше из-за того, что они вызывают привыкание и даже

через 12 ч после однократного приема обычной дозы препарата

нередко проявляются расстройства мышления и рассеивание

внимания. В настоящее время барбитураты в основном заме­ няют бенздиазепинами (разд. 12.7), которые хотя и вызывают

расстройства, подобные перечисленным, но значительно менее

токсичны (имеют более высокие значения Лдsо). Хроническая

бессонница лучше излечивается психотерапевтическими метода­

ми, чем снотворными средствами.

347

реакций). Этанол усиливает это ненормальное состояние. Более

высокие дозы марихуаны вызывают спутанность сознания со­

.стояния беспокойства и галлюцинации [Thacore, Shulka, 1976].

15.1. Соединения, нарушающие митоз

Многие простые биологические депрессанты неблагоприятно

влияют на митоз. Они не прекращают деления хромосом, но до­ черние хромосомы не расходятся к двум противоположным по­

.люсам веретена, как обычно, а остаются друг около друга. Это

приводит к остановке митоза в метафазе. Из большого числа

инертных веществ, действующих подобным образом, можно упомянуть следующие: гексан и другие алифатические углево­

дороды, спирты, эфир, хлороформ, ацетон, паральдегид, ацет­

.амид, мочевина, ацетофенон, бензофенон ацетанилид бензол

хлорбензол, сульфонал [Ostergren, 1951], 'а также аза; и арго~

под давлением [Ferguson, Hawkins, Doxey, 1950].

Эт.?т эффект, являющийся характерным признаком биологи­

ческои депрессии, исчезает при уменьшении концентрации аген­

"Та. Колхицин относится к другому типу агентов, нарушающих митоз (разд. 5.4.7). Он эффективен при очень низких значениях

"Термодинамической активности, причем даже небольшие изме­

нения молекулярной структуры существенно сказываются на

-его биологическом действии. В заключение следует отметить

что вещества, вызывающие такие грубые и необратимые нару~

шения, как разрывы хромосом (фенолы, кумарины, иприты), резко отличаются по своим физическим свойствам от тех де­

прессантов, биологическое действие которых не связано со

структурой.

Г .лав а 16

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОИСКА

ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ

Биологически активные вещества с оптимальным набором

свойств можно найти, либо используя принцип избирательной

токсичности, либо случайно, либо в результате утомительного скрининга. Обычно активность и избирательность действия та­ ких соединений недостаточно высоки, чтобы считать их пер­

спективными для применения в клинической практике. Однако

при модификации такого соединения можно получить лекарст­

венный препарат. Каким же образом следует искать более из­

бирательно действующие аналоги среди многочисленных про­

изводных? Как можно решить эту задачу, синтезируя и изучая

минимальное число соединений?

Некоторые подходы к этому описаны выше. Например,

в разд. 10.7 идет речь о тесте, позволяющем определить, что является действующим началом - ион или неионизированная молекула. Способность соединения образовывать хелаты с ка­

тионами металлов можно определить по его структуре

(разд. 11.2) в сочетании с быстрым рН-тестом (разд. 11.3). Является ли действие исследуемого соединения структурно не­

специфичным, можно выяснить, сравнив минимальную снотвор­

ную дозу с соответствующими дозами изученных соединений,. таких как хлороформ, или сопоставив их коэффициенты рас­ пределения (разд. 15.0).

Далее пути исследования расходятся. Один из них, в том

виде, в котором он использовался в этой книге до сих пор,

упорное проведение цитологических и биохимических исследо­ ваний и изучение распределения препарата по органам и тка­

ням. Другой путь - построение статистически достоверных кор­

реляций между несколькими физическими свойствами базовой молекулы и ее биологическими эффектами. Следует подчерк­

нуть, что статистика скрадывает неточности экспериментальных

данных и может, в лучшем случае, свидетельствовать о правдо­

подобности этих корреляций. Несмотря на это, статистические

методы применяют очень широко, особенно в промышленности,. и, по-видимому, целесообразно дать здесь краткое описание·

приложения их к обсуждаемой проблеме количественных соот­

ношений «структура - активность» (КССА) химических соеди­

нений.

16.0. Множественный регрессионный ана.лиз

ляется следующее:

log 1/С = - k(log Р)2 +k2(1ogР) +k3crp+ k4Es +k5.

По существу это уравнение регрессии, приведенное в разд. 3.3, но в него введены два дополнительных члена kзар и k4Es. Наи­

более важными переменными в данном уравнении являются:

1) коэффициенты распределения (Р) (в системе этанол - во­

да); 2) а- и р-константы Гаммета, используемые в аналоrvичном упомянутом уравнении, основанном на принципе линеиности

свободных энергий (разд. 17.2), и 3) сте~ические констант;>'

Тафта (Es), позволяющие оценить свободныи объем, оста0ющии­

ся между молекулой и ее рецептором при их взаимодеиствии,

.а также размер заместителей, введение кото~ых в исходную

молекулу не приведет к нарушению взаимодеиствия из-за сте­

рических затруднений (разд. 16.2). Обсудим теперь подробнее

каждый из этих типов дескрипторов.

С - наименьшая концентрация, при которой вещество про­

являет биологическое действие, и Р - коэффициент распреде­ ления см. в разд. 3.3 (т. 1). Коэффициенты распределения

-большого числа соединений определены экспериментально, ве­

личины Р (log Р) несколько тысяч соединений приведены в

<>бзоре Leo и сотр. ( 1971). Если значения Р изучаемого вещест­

ва не известны, лучше определить их экспериментально, напри­

мер методом, описанным в разд. 17.1. Если результаты нужны

-срочно или нет экспериментальных источников, величину Р

можно рассчитать (приблизительно) как сумму констант ее

фрагментов, перечисленных в табл. 17.2. Перед тем как при­

.ступить к расчетам подобного типа, следует точно уяснить гра­

ницы их применимости и случаи, в которых необходимо исполь­

зовать некоторые модификации [Rekker, 1977].

Физический смысл а- и р-констант Гаммета (как и а-кон­ стант Тафта для алифатических соединений) обсуждается в

рованием их а-констант) до тех пор, пока не будет получен

максимально высокий коэффициент корреляции (г) для коэф­

фициента к3 у этих переменных.

Один из основных недостатков а-констант заключается в

-том, что они относительно мало отличаются друг от друга, по-

скольку варьируются в интервале 1,8 логарифмических единиц. Более того, не следует особенно доверять второму знаку после запятой в значениях а-констант, поскольку все они являются результатом вычитания двух логарифмических чисел, сотые доли каждого из которых или их обоих определены недостаточ­

но надежно [Albert, Serjeant, 1984]. Несмотря на эти ограниче­

ния, а-константы наиболее широко используют в регрессионных уравнениях для учета электронных эффектов заместителей - эффектов, во многом определяющих изменения биологической

активности соединений.

Альтернативный подход, по-видимому еще редко использу­

емый, заключается во введении непосредственно в регрессион­

ное уравнение констант ионизации. Это не только позволяет избежать ошибки, возможной при вычитании двух логарифми­

ческих величин (процесс Гаммета), но и дает более точное представление о распределении электронной плотности во всей

молекуле в целом. Для веществ, частично ионизированных при

физиологических значениях рН, степень ионизации может быть

использована в качестве наиболее точного дескриптора. В слу­

чае неионизирующихся веществ можно использовать величины дипольных моментов, рассчитанные, в частности, как сумма

локальных диполей, вычисленных по диаграмме электронной п.тютности на основании расчетов методом Паризера - Парра

[Кier, 1971].

В качестве дескриптора, учитывающего стерические факто­ ры, до сих пор наиболее широко использовали так называемые

стерические константы Es. Эти величины предназначены для

введения в регрессионное уравнение параметров, характеризу­

ющих: 1) объем заместителей и 2) особенности пространствен­

ного строения, которые обеспечивают наличие сродства (для

наиболее важных участков молекулы) и возможность доступа

лекарственного вещества к рецептору. Константа Es представ­ ляет собой стерический параметр, введенный Тафтом и полу­ ченный им на основании большого числа разных экспериментов.

Тафт исследовал состояния равновесия в реакциях соединений,

молекулы которых содержат объемные заместители, так или иначе связанные химическим (но не биологическим) реакцион­ ным центром. Хэнш ввел этот дескриптор в свое уравнение и

часто его использовал. В тех случаях, когда этот параметр не

действует, в качестве альтернативного варианта можно приме­

нять ве.1ичины молекулярной рефракции. Константа Тафта от­ носится к одному заместителю [Taft, 1956], в то время как мо­

лекулярная рефракция может быть отнесена как к одному за­

местите.1ю, так (при суммировании) и ко всей молекуле [Vogel,

1948; Hansch et al., 1973].

Применение какого-либо дескриптора позволяет иногда по­ лучить удовлетворительную корреляцию, однако в большинстве случаев одного дескриптора недостаточно. Таким образом, для

определения свойств молекулы, обусловливающих ее взаимодей-

ствие с рецептором, как правило, необходим набор параметров.

Обычно химики (сознательно или бессознательно) пренебрега­

ют последним (стерическим) членом в урав1:ении Хэнша, со­

храняя его постоянным для серии соединении, пространствен­

ные характеристики которых, по их мнению, изменяются незна­

чительно. Однако уже из огромного различия в биологическом

действии R- и S-стереоизомеров отчетливо видно, что вклад

стерического фактора в уравнение Хэнша может быть наиболее

важным. Следует отметить, что определить величины констант

Es очень трудно. В настоящее время предпринимаютс~ попытки разработать менее сложные спосо~ы количественнои оценки стерических эффектов заместителеи: их обсуждению посвящен

разд. 16.2.

В качестве дополнительного члена в регрессионном уравне-

нии было предложено использовать ст_епень образования водо­

родных связей [Fujita, Nishoika, NakaJima, 1977]; этот и другие

потенциально возможные члены уравнения обсуждаются в ра­

сокой стоимостью компьютерного времени, необходимого для

корреляционного анализа, очень важно, чтобы необработанных

данных было заведомо достаточно для получения результатов.

позволяющих сделать значимые выводы как по качеству, так

и по количеству. Для этого необходимо, во-первых, иметь ста­

тистически достаточное число соединений в обучающей и экза­

менуемой выборках. Обе эти выборки должны состоять, по

крайней мере, из пяти членов для каждого дескриптора, вклю­

ченного в уравнение регрессии. Так, если пространственные ха­ рактеристики молекул в выборках остаются практически неиз­

менными, то каждая выборка должна содержать как минимум

десять соединений: пять для дескриптора - коэффициента рас­

пределения и пять - для констант Гаммета. Таким образом,

в общей сложности необходимо иметь двадцать разных соеди­ нений, хотя и родственных химически и структурно, причем эти

соединения должны содержать заместители, охватывающие

широкий ряд значений двух выбранных дескрипторов. Числен­

ные значения констант Гаммета и логарифмов коэффициентов

распределения для десяти соединений математически обрабаты­

вают на компьютере по методу наименьших квадратов для оп­

ределения величин коэффициентов (k).

Результаты затем выражают через n, s И0 r, где n - число

соединений, равное 10; s представляет собои стандартное ~т­

клонение регрессии, а r - коэффициент корреляции, которыи в

идеальном случае должен быть равен 1,00, но удовлетворитель­

ным считают значения 0,95 и выше. Полученные таким образом

коэффициенты (k) используют для второй выборки из 10 соеди­

нений (для этой половины компьютер для расчета не применя­ ют). Если в результате получают такие же высокие значения г

Рис. 16.1. Взаимосвязь а-констант Гаммета и :rt-констант Хэнша некоторых наиболее распространенных заместителей [Craig, 1971; Redl, Cramer, Berkoff,

19741.

и низкие значения s, то значит задача решена, так как исследо­ вателю ясно, какие именно дескрипторы и в каком соотношении

имеют существенное значение в корреляции структура - актив­

ность данной выборки веществ [Topliss, Costello, 1972; Hansch,

Unger, Forsythe, 1973]. После этого можно переходить к изуче­

нию широкой серии соединений, члены которой значительно

больше отличаются друг от друга, в том числе стерически. Однако, если для экзаменуемой выборки значения величин s и r будут не столь высоки, как для обучающей выборки, то не­ обходимо пересмотреть постановку задачи и начать решать ее

сначала.

При первичном отборе соединений для проведения множест­

венного регресснонного анализа большую помощь может ока­

зать а - л-диаграмма Крэйта (рис. 16.1). Для определения

а/л-области максимальной активности заме ст и тел и в сое­

динениях представленного ряда должны быть выбраны в каж­

дом из четырех квадратов.

При выборе дескрипторов регрессионного уравнения обычно

проводят некоторые предварительные исследования. Если в вы­

борке присутствуют два соединения, имеющие резко отличаю­

щиеся а-величины, но примерно одинаковую степень биологиче­

ской активности ( 1/С), представляется очень удобным исклю­

чить значения а-констант и, следовательно, иметь дело с

меньшей серией соединений. Однако этого не следует делать.

Так, например, при изучении загрязнения озер было установлено

токсическое действие на рыб ряда фенолов, значения рКа ко­ торых изменяются от 11 (слабые кислоты) до 5 (сильные кис­

лоты). Оказалось, что токсичность соединений примерно про­ порциональна log Р, а включение а-констант не улучшает ре­

зультата и не позволяет получить удовлетворительные величины

s и r. Более тщательное исследование показало, что по мере

снижения величины рКа степень ионизации фенола при биоло­

гических значениях рН возрастает, и это приводит к увеличению его токсичности в опытах, где фенолу не требуется преодолевать

биологическую мембрану. Так как ион практически не способен

переходить в неводную фазу, в опытах на интактных рыб~х дв~ эффекта ионизации практически гасили друг друга [Saaпkosk1,

Viluksela, 1982].

Б. Обработка результатов. Для получения стандартного от­

клонения (s) необходимо возвести в квадрат все величины, со­

ответствующие разности между данным значением и средним

арифметическим всех полученных значений. Сум~ма этих квад,:­

ратов делится на число исследуемых соединении. Квадратныи

корень из этой величины представляет ~обой стандартное откло­

нение. В физико-химических экспериментах обычный предел

для стандартного отклонения ±0,02; эта величина так мала

потому, что все выпадающие значения взаимно уничтожаются.

Однако биологические результаты варьируются в значительно

более широких пределах, поэтому в регрессионных уравнениях,

подобных уравнению Хэнша, допускаются значительно большие стандартные отклонения (обычно ±0,15). Значение стандартно­

го отклонения заключается в том, что оно показывает, в каких

пределах варьируется полученный результат по отношению к среднему значению. Стантартное отклонение используется так­

же при расчете коэффициента корреляции (r). Если r=0,9, это

означает, что 81 % всех колебаний х можно отности за счет

из,менений у; аналогично, если r=0,95, то эта величина возрас­

тает до 90%. Подробнее о статистике такого рода см. Crossland

( 1981).

В. Исследования без применения компьютера. Исследовате­

лям, предпочитающим работать без компьютеров и статистиче­

ской обработки, большую помощь может оказать «древо реше­

ний» Топлисса [Topliss, 1972]. Он начинает с рассмотрения се­

рии соединений, в которой основу родоначальной молекулы составляет бензольное кольцо. В этом случае следует рассмот­

реть сначала пара-хлорпроизводное и сравнить его активность

с таковой родоначального соединения. Если активность возрас­

тает, этот рост может быть отнесен за счет констант +:t, +а, или их обеих, вместе взятых (знаки констант заместителеиu мож­

но найти в табл. 17.2 и 17.3). Если активность соединении оди­ накова, то это можно объяснить наличием небольшого положи­

тельного :rt-эффекта (почти все лекарственные вещества обла­ дают небольшим биологически благоприятным :rt-эФФЕ:,ктом),

которому противопоставлено неблагоприятное а-взаимодеиствие. Для проверки этого промежуточного вывода необходимо полу:

чить 4-метилпроизводное, которое должно обладать большеи активностью вследствие +:rt· и -а-эффектов. Пониженная ак­ тивность 4-метилпроизводноrо по сравнению с 4-хлорзамещен­

иым может быть отнесена за счет неблагоприятных стерических

эффектов пара-заместителя. Поэтому далее следует получить

аналоги, содержащие атом хлора и метильную группу в поло­

жении 3. И, наконец, если активность 4-хлорпроизводноrо зна­

чительно ниже активности родоначального вещества, то причи­

на, вероятнее всего, заключается в большем влиянии -а-эф­

фекта, так как влияние -:rt-эффекта проявляется значительно реже. Это следует проверить, получив 4-диметила'\-!инопроизвод­ ное, в котором проявление -а-эффектов будет бо,1ее явным.,­ Топлисс предложил аналогичную процедуру и для боковои

цепи: в этом случае следует начинать с монотонного повышения

величины :rt-константы, сохраняя постоянными стерические эф­

фекты, например, отдавая предпочтение циклобутильным замес­ тителям, а не группам с открытой цепью. Дальнейшее развитие эти положения получили в книге Topliss ( 1977).

Г. Некоторые размышления по поводу регрессионного ана­ лиза. Статистика - это часть математики, и хотя ее роль в ме­

дицюrе огромна, она не может заменить метод «проб и ошибок». Множественный регрессионный анализ наиболее полезен тогда, когда он используется не обособленно, а для того, чтобы на­

править исследования по новым направлениям. Поэтому наи­

более ценным результатом применения регрессионного анализа

может быть выявление этих ранее недооцениваемых направле­ ний. Например, в ряду хинолина с заместителями в гетероцикле химикам было предложено отобрать 20 соединений с альтерна­ тивными заместителями. По окончании работы, по их мнению, был получен представительный ряд. Однако сравнение величин

а-констант еще до начала регрессионного анализа показало,

что одна часть шкалы а-констант Гаммета в этом ряду не пред­ ставлена вовсе. Это произошло потому, что любой метод син­ теза, якобы позволяющий получить бесчисленное множество продуктов, в действительности всегда приводит к образ.?ванию

преимущественно соединений, а-константы заместителеи кото­

рых располагаются в одной части шкалы Гаммета (причина

этого достаточно очевидна - от природы заместителя, т. е. от

его а-константы, существенно зависит направление реакции).

Поэтому для законченного решения поставленной задачи необ­ ходимо применять разные методы синтеза, а если подходящей

реакции не существует, то искать обходные пути.

Безусловно полезна взаимная критическая оценка работ

исследователями, занимающимися множественным регрессион­

ным анализом [например, Cammarata et al., 1970; Martin,

1970]. Всегда следует помнить следующую цитату группы уче­

ных из Pomona School: «Ограниченное пространство не позво­ ляет обсуждать множество примеров, в которых никакая ком­

бинация констант не позволяет получить даже умеренной

корреляции» [Hansch, 1971]. После предостережений по поводу

переоценки статистических критериев в ущерб здравому смыс­

лу Unger и Hansch ( 1973) добавляют: «В отсутствие такой

качественной перспективы исследователь рискует получить не-

Отличаются ли механизмы действия барбитуратов от других

снотворных средств? Действие барбитуратов, по-видимому, ка~

чественно отличается от действия бензодиазепинов (к тому же

оно слабее), несмотря на то, что барбитураты способны адсор­

бироватьс~ на рецепторах ГАМК (разд. 12.7). Фактически по

своему деиствию они настолько напоминают структурно неспе~

цифичные депрессанты, что при клинически эффективных дозах

мость от барбитуратов и симптомы их отмены связаны с систе­

мой ГАМК [Но, Harris, 1981].

Барбитураты, применяемые в качестве снотворных, слабо

ионизируются в организме, и небольшие количества заряженной

формы практически не оказывают влияния на их действие

[Mautner, Clemson, 1970; Hansch, Andersoп, 1967].

Сразу же после ограничения свободной продажи барбитура­

тов на фармацевтическом рынке появились аналогичные бар­

битуратам производные пиперидина (в циклах которых содер­

жится один атом азота), такие как метиприлон (нолудар)

и глутетимид (дориден), избирательность которых не выше та­

Бемеrрид (~.~-метилэтилrлутаримид) (15.3)- мощный ан­

тагонист барбитуратов, оказался очень полезным при лечении

отравлений ими. Структурное сходство этого соединения с бар­

битуратами заметить нетрудно, но его аналептическое действие

не специфично по отношению к барбитуратам. В разд. 7.5.2

(т. 1) было указано, что увеличение размеров алкильных групп

превращает u такие стимуляторы в вещества, обладающие сно­

творным деиствием [Laycock, Shulmaп, 1967], тогда как для

барбитуратов справедливо противоположное. Как было показа­

но с помощью компьютерного графического анализа, простран­

ственная структура барбитуратов ответственна за проявление

ими способности вызывать судороги [Andrews et al., 1983].

Ж. Противоэпилептические препараты. Обладая снотворным

действием, фенобарбитал ( 15.2) к тому же и сильное противо­

эпилептическое средство. Этот эффект обусловлен наличием в

молекуле фенильноrо цикла. Фенильные заместители содержат­

ся и в молекулах таких противоэпилептических препаратов как

дифенин (15.4) (5,5-дифенилгидантоин) и мефенитоин (3.32),

не обладающих в отличие от фенобарбитала снотворным дейст-

вием. Противоэпилептические препараты специфически подав­

ляют высоковольтные, высокочастотные разряды, возникающие

в мозге во время большого эпилептического припадка [Greengard, Mcillwain, 1955]. Дифенин способен специфично ингиби­

ровать изменение натриевой проницаемости мембран в ЦНС~

что, по-видимому, и лежит в основе механизма действия пре­

паратов подобного типа [Perry, МсЮпnеу, De Weer, 1978].

Механизм действия вальпроата (дипропилацетата) натрия иной - он ингибирует фермент, разрушающий ГАМК [Bruni~

Wilder, 1979].

3. Cannabls indica. Л9 -Тетраrидроканнабинол (ТГК) (15.5)-

действующее начало марихуаны, одновременно и похож и от­ личается от биологических депрессантов. Его высокая липо­

фильность (коэффициент распределения в системе октанол -

вода примерно 8000), возможно, определяет специфические

фармакокинетические характеристики, в частности его медлен­

ное распределение по органам и тканям и длительность выве­

дения из организма. Этот препарат приводит к состоянию мяг­

кого наркоза, продолжающегося несколько часов, но не вызы­

вает глубокой анестезии, что напоминает эффект отключения"

обнаруженный при изучении зависимости действия алифатиче­

et al., 1982]. Поскольку существует несколько альтернативных

способов нумерации положений в цикле, следует отметить, что

3' означает замещение в боковой цепи, а 11 - в метильной груп­

пе соединения ( 15.5).

л~е

1

с~ ?н

ме)LХ~

Тетраrидрокаииабииол

(15.5)

При низких дозах седативный эффект, получаемый при ку­

рении марихуаны, подобен тому, который вызывают барбитура­

ты, но с более ярко выраженной эйфорией, сопровождающейся

неконтролируемым потоком мыслей, нарушением восприятия

времени и места. Действие одной сигареты продолжается в те­

чение 2-3 ч, во время которых у курильщика настолько сни­

жается координация, что он неспособен управлять автомобилем

(понижена способность к принятию решений и замедлено время

}{ИХ статистических единорогов - животных, существующих

только на бумаге, а не в действительности. Так, например,

недавно стало очевидно, что можно коррелировать серию зави­

симых переменных, используя случайные числа в качестве не­

зависимых переменных». См. также Topliss и Costello ( 1972).

Подробнее о соотношениях свободных энергий, которые об­

суждались выше, см. Chapman, Shorter ( 1972), а также пере­

чень работ в конце этой главы.

16.1. Альтернативные методы

А. Аддитивный метод Фри - Вильсона. Этот метод пред­

ставляет собой усовершенствованную старую идею о том, что

биолоr~ческая активность - это аддитивное свойство, в которое

каждыи заместитель вносит определенный математический

вклад [Free, Wilson, 1964]. Как отмечал Хэнш [Hansch ( 1971)],

этот подход совершенно не обременен попытками приложения

термодинамики и физической химии. Вместо этого для опреде­

ления констант заместителей методом наименьших квадратов используют компьютер, что позволяет по данным биологической ак:ивности, полученным в стандартных лабораторных тестах, наити «наилучшие положения» каждого заместителя в молекуле

лекарственного вещества. На основании этих констант можно

оценить степень биологической активности при комбинации раз­

ных заместителей в одной молекуле. Преимущество метода

Фри - Вильсона заключается в том, что его можно использо­

вать, когда нет никаких физических данных. Однако в этих

случаях данные для уравнения множественного регрессионного

анализа могут быть взяты из таблиц. Недостаток метода Фри -

Вильсона заключается в том, что необходимо иметь много при­

меров соединений, содержащих данный заместитель, чтобы по­

лучить решение уравнения со множеством неизвестных. Поэтому

этот метод обычно применяют для усовершенствования тех ле­

карственных веществ или пестицидов, для которых можно полу­

чить большое число очень близких по структуре аналогов. Подробнее об этом методе см. James (1974) и Purcell, Bass, Clayton (1973).

Б. Квантово-химические методы. В начале 50-х годов Pullman и Pullman применили квантовую механику для изучения

связи канцерогенности полициклических углеводородов с их

структурой. С тех пор было предпринято немало попыток рас­

ширить метод КССА, используя квантово-химические расчеты.

Основные препятствия для достижения успехов в этой области

это: 1) высокая стоимость компьютерного времени и 2) абст­

рактная природа получаемых дескрипторов, которые трудно

представить химикам-практикам и биологам. Кроме того, в свя­

зи с большим количеством параметров, получаемых для каждо­

го соединения, необходимо, чтобы множество аналогов давали хорошую корреляцию. По-видимому, наиболее успешным можно

считать применение этого метода для корреляции конформаци-

онных параметров с биологической активностью, как, например,

при создании новых антагонистов и агонистов, родственных

природным нейромедиаторам [Weintraub, Hopfinger, 1973].

Информация, получаемая с помощью метода молекулярных

орбиталей, относится в основном к электронным свойствам,

однако в следующем разделе ( 16.2) мы рассмотрим некоторые

попытки использования таких расчетов для изучения простран­

ственного строения лекарственных веществ. Несомненно, что в дальнейшем квантовая химия будет играть важную роль в объ­

яснении и прогнозировании биологических эффектов лекарст­

венных веществ, однако в настоящее время для расчетов ис­ пользуют такое множество разных методов, что очень трудно

провести сравнение результатов, полученных разными авторами.

Подробнее об этом методе см. Rihards (1983), Кier, (1971),

Pшcell, Bass, Clayton ( 1973).

В. Молекулярная связность. В химии нефти давно использу­

ются расчетные методы, учитывающие разветвленность моле­

кул, для предсказания таких физических свойств, как темпера­

тура кипения, вязкость, теплота образования. Было обнаруже­

но, что эти свойства сильно отличаются у разных изомеров и

зависят от степени компактности молекулы. Со временем по­

добный подход был выражен в количественной форме в виде

матриц [Randic, 1974], а Кier нашел ему применение в биологии [Кier, Hall, 1976]. Преимущество этого метода заключается в

том, что расчеты могут быть сделаны быстро с помощью пор­

тативного калькулятора и при этом нет необходимости измерять

физические свойства исследуемых соединений. Этот метод мож­ но применить отдельно для липофильных соединений, причем

получаемые с его помощью результаты совпадают с результа­

тами, получаемыми по методу Хэнша (log Р), что было пока­ зано при изучении общих анестетиков и действия наркотических веществ на головастиков. Для амфифильных соединений этот метод может быть использован с целью приблизительной оценки

объема молекулы; в этом случае его можно комбинировать с экспериментально определенными значениями log Р и констан­

тами Гаммета в уравнении множественного регрессионного ана­ лиза. Однако данный метод обладает серьезным недостатком, так как он не отражает тонких стереохимических различий, на­

пример, между цис- и транс-изомерами, R и S оптическими изо­

мерами или между конформерами, т. е. свойств, от которых

в значительной степени зависит биологическая активность ве­

щества. Другой недостаток этого метода состоит в том, что для

его применения из-за множества вводимых индикаторных пере­

менных1 (по одной на каждый атом в молекуле, кроме водоро­

да) необходимы серии, включающие большое число соединений.

1 В отличие от дескриптора, который может иметь полный набор значе­

ний_, индикаторная переменна я обозначает свойство, которое либо

присутствует, либо отсутствует.

Расчеты методом молекулярной связности начинают с изоб­

ражения структурной формулы в виде связей, не включая в нее

атомы водорода. Атом, находящийся в конце каждой связи или в месте соединения связей, называется вершиной (вертекс)

иему приписывают значение, равное числу связанных с ним

атомов, отличных от водорода. Следовательно, д.'IЯ атома угле­ рода возможны цифры 1, 2, 3 или 4, называемые «вершинные валентности». Затем валентности, располагающиеся на концах

каждой связи, перемножают и получают величину, называемую

«произведением вершин» («вертекс-произведением») или «крае­

вым членом» и обозначаемую буквой «v». Затем рассчитывают

величины, обратные корню квадратному из каждого «краевого

члена». Сумма этих величин представляет собой «индекс связ­ ности» для данного соединения и обозначается как «х». Так,

например, индекс связности % для изомера гептана триметил­

бутана составляет 2,943 или (2ХО,577+3ХО,5+0,289), а дJ1я

нормального гептана 3,414. Различие между этими двумя вели­ "чинами служит мерой раз.1ичий в разветвленности двух мо­

лекул.

Чтобы применить свой метод к большинству .1екарственных веществ, :Кier и Hall вынуждены быJ1и рассчитать «вершинные

валентности» для гетероатомов азота, кислорода, серы, которые

в предыдущих работах не рассматривались. Эти величины

иногда удавалось получить эмпирическим путем, а в некоторых

случаях с помощью регрессионной программы расчета. По­

скольку валентные углы у гетероатомов больше, чем у тетра­

эдрического атома углерода, величины их «вершинных валент­

ностей» выше. Сложности возрастают в случае гетероаромати­

ческих молекул, содержащих больше одного гетероатома.

16.2. Стереохимический подход

:Количественно описать объем и конформацию молекулы в

целом или отдельных ее фрагментов - это пока недостижимая цель для исследователей, занимающихся корреляционным ана­

лизом. С помощью молекулярных моделей легко представить себе, как именно аrонист взаимодействует с рецептором, понять таким образом их пространственное строение. Этот подход, но

в значительно более сложном виде, применен в систе::-,1е цветных

рисунков, созданной Evans и Sutherland (разд. 12.0). С по­

мощью таких наглядных методов можно с достаточной правдо­ подобностью моделировать взаимодействие комплементарных

участков молекул лекарственного вещества и рецептора, допол­

няющих друг друга по липофильным свойствам, электрическим

зарядам и (или) пространственному строению. Так осуществля­

ют визуальный контроль пространственного соответствия, при­

чем в рассматриваемую молекулу или ее фрагмент :-.южет вхо­

дить множество разных атомов. Точно так же можно изучать конформационные изменения молекулы и лекарственного веще­

ства, и рецептора.

Эти представления значительно сложнее выразить матема­

тически и не менее трудно представить зрительно, если они вы­

ражены численно в виде коэффициентов у неопредеJ1енных

дескрипторов. В таком случае химик может синтезировать ана­

логи наиболее активного лекарственного вещества, содержащие объемные заместители в различных положениях. Затем с по­

мощью биологических тестов можно получить информацию о

пространстве, окружающем каждое положение в молекуле.

Поскольку эта работа слишком трудоемка, усилия часто на­

правляются на быстрое достижение цели с помощью расчетов.

Некоторые методы направлены на изучение конфигурации

целой молекулы, определяющей, по-видимому, не1юторые типы биологических ответов. Так, Holan установил, что высокой ин­ сектицидной активностью обладают лишь те аналоги ДДТ и пи­

ретрина, кеторые сохраняют к J1ин о вид п у ю конфигурацию

(и размер) исходной молекулы (клинья подобно :-.1ельчайшим

шипам вскрывают натриевые каналы насекомых) (разд. 7.6.5),

хотя, возможно, что действие большинства агентов определяется главным образом конфигурацией некоторых определенных

участков молекулы. Для таких соединений с помощью описы­

ваемых методов были получены данные для отдельных фр а r -

мент о в молекулы и предприняты попытки определить, какой

именно участок (и почему) определяет биологическую актив­

ность. Применение этих методов объясняется большим желани­

ем исследователей оптимизировать активность уже известных лекарственных соединений.

16.2.1. Подходы, основанные на учете всего объема

молекулы

Биологическое действие хлорированных циклодиеновых ин­

сектицидов резко отличается от действия инсектицидов группы

ДДТ - пиретрина, стерические требования для этих соединений. также совершенно иные. В 1965 r. Soloway исследовал 106 цик­

лодиенов и пришел к выводу, что для проявления биологической.

активности эти соединения должны иметь конфигурацию, близ-­ кую к сферической. Он спроецировал моде.Т/Ь молекулы альдри­

на на плоскость и получил круг с очень неровными краями;.

эффективными инсектицидами являются те вещества, молекулы

которых могут проникнуть в отверстие таких размеров [см. фор­

мулу (6.47) ]. :Кроме того, в молеку.1е обязательно должны

присутствовать два электроноакцепторных заместите.1я (обычно­ атомы хлора).

Полезнее этих общих представлений о конфигурации моле-­

кул был бы метод расчета их ван-дер-ваальсовых объемов, т. е.

объема, занимаемого молекулой с учетом ван-дер-ваальсовых

радиусов краевых атомов (разд. 8.0.4). Обычно его рассчиты­

вают косвенным путем с помощью молекулярной рефракции

(см. ниже). Были предприняты попытки определить этот объем,.,