Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

,с хлоридином (9.31) при лечении токсоплазмоза [Wettingfeld, Rowe, Eyler, 1956]. В этой комбинации сульфазин блокирует

включение ПАБ в молекулу диrидрофолиевой кислоты, а хло­

ридин тормозит реакцию восстановления диrидрофолиевой кис­ лоты в тетраrидрофолиевую (разд. 9.3.2 и 9.3.3). Еще в 1959 r. Hurly обнаружил, что сульфазин и хлоридин настолько усили­

вают действие друг друга, что применение их комбинации при

малярии, вызванной Pl. falciparum, позволяет добиться полного

излечения. Так, менее 0,1 м. э. д. (минимальная эффективная доза) хлоридина и 0,25 м. э. д. сульфазина вместе так же эффек­ тивны, как 1 м. э. д. каждого препарата в отдельности. В на­

рость выведения). Такую замену можно считать большой удачей, так как эта разновидность паразитов вызывает наибольшее чис­ ло заболеваний с летальным исходом. Другая комбинация для лечения этого вида малярии методом последовательного блоки­

рования, фансидар, предста,вляет ,собой е,месь хлоридина и суль­

фадоксина (9.84) N'-5,6-диметоксипиримидин-4-илсульфанил­

амид). Хлоридин имеет большой период полураспада в орга­ низме - 4 дня (что значительно дольше, чем у циклогуанила), поэтому во всех сочетаниях серосодержащий компонент дол­

жен также обладать низкой скоростью выведения. Подробнее

об эффективности применения подобных комбинаций при лече­

нии устойчивой к лекарственным препаратам малярии см.

WHO (1973а). К. сожалению, в настоящее время появились

-виды, устойчивые как к действию хингамина, так и к последо­

вательным комбинациям. В таких случаях применяют хинин

(довольно токсичный для организма-хозяина) или, в крайнем

случае, мефлокин.

Су.%фадоксии (анион)

(9.84)

Аналогичные комбинации весьма успешно применяют при

.лечении болезней домашней птицы, вызванных простейшими

Eimeria.

Применение метода последовательного блокирования позво­ лило получить практические результаты и в противобактери­ альной химиотерапии. Синерrический эффект совместного при-

'64

топрима и сульфазина при лечении мышей, инфицированных Proteus vu!- garis. Указаны дозы препаратов,

обеспечивающие выживание макси­

мум 50% мышей; каждая точка иа графике представляет собой комби­

нацию дробных частей этих доз (для

сульфазина эта доза О, 14 мг, для

триметоприма - 4 мг на мышь) [Hit-

chings, Burchal!, 1965].

Сульфазин

менения триметоприма (9.32) и сульфазина наглядно иллюстри­

рует рис. 9.5. Наиболее интересные и важные клинические

результаты были получены в результате отбора сульфанилами­

да с таким же характером распределения и устойчивостью, как у диаминопиримидина, а именно триметоприма. Таким образом,

был выбран сульфаметоксазол (9.11), 3- (4-аминофенилсульфа­

мидо)-5-метилизоксазол, и создана комбинация его с тримето­

примом - бактрим. Препараты в таком сочетании последова­ тельно блокируют сначала синтез, а затем восстановление ди­ rидрофолиевой кислоты. Бактрим широко применяют в клинике

при лечении бактериальной дизентерии, бронхитов, инфекцион­

ных заболеваний мочевых путей, вызванных Е. coli, Proteus mi-

rabllis, Neisseria gonorrhoeae, Юebsiella, Streptococcus и Staphylococcus [Cattell et al., 1971].

Подробнее о химиотерапии, основанной на применении ме­

тода последовательного блокирования процессов метаболизма

фолиевой кислоты, см. Нitchiпgs (1983).

9.7. Аналоги метаболитов, образующие ковалентные связи

9.7.1. Необратимые ингибиторы активного центра

ферментов (НИАЦФ)

Известны случаи, когда аналог метаболита сначала притя­

гивается ферментом, с которым обычно взаимодействует при­

родный метаболит, а затем образует с этим ферментом кова­ лентную связь. Так, пенициллин (разд. 13.1), который, по-види­

мому, является антагонистом D-алаиил-D-аланина, хотя и не

конкурирует с ним при взаимодействии с транспептидазой, но

необратимо связывается с этим ферментом ковалентной связью.

К.роме того, метйодид пиридин-2-альдоксима (13.37) благода­

ря наличию в молекуле четвертичной аммониевой группы взаи­

,модействует с тем участком АХЭ, который обычно предназнача­

,ется для четвертичной аммониевой группы АХ. Если же этот

фермент инактивирован фосфорилированием, то при действии

антидота (13.27) его активность восстанавливается в резуль­

тате переноса фосфоршльного остатка на гидроксильную группу

антидота (разд. 13.3).

Одним из путей создания других ценных лекарственных средств является синтез аналогов метаболитов, обладающих способностью адсорбироваться на ферменте и содержащих в молекуле такой заместитель, который может образовывать ковалентную связь с ферментом и тем самым необратимо инак­ тивировать его. Б. Бейкер, используя в качестве модели лактат­ дегидрогеназу, обнаружил, что алкилирующие ингибиторы можно разделить на два типа: ингибиторы первого типа алки­ лируют в ферменте активный центр, который обычно связывает

нормальный субстрат, а ингибиторы второго типа ингибируют

смежные с ним центры. Эти два типа ингибиторов получили

название эндо- и экзоалкилирующих агентов соответственно.

Исследуя ингибиторы экзотипа, Бейкер обнаружил, что салици­

и обратимым), и синтезировал 4-йодацетамидсалициловую кис­ лоту (9.87). Это соединение необратимо ингибирует не только

лактатдегидро-, но и L-глутаматдегидрогеназу. В противопо­ ложность незамещенному йодацетамиду его производное (9.87) ингибирует эти ферменты, поскольку благодаря структурному

сходству с салициловой кислотой этот ингибитор концентриру­

ется на ферменте [Baker et al., 1962]. Это ингибирование необ­

ратимо, так как происходит отщепление йодистого водорода и

образование ковалентной связи между ферментом и ингиби­

тором. Этот ингибитор способен различать даже изоферменты.

Так, он ингибирует лактатдегидрогеназу скелетной машины, но не действует на тот же фермент сердца. Родственное соедине­

ние, 5- (феноксикарбониламино) салициловая кислота, необрати­ мо ингибирует изофермент сердца, но не действиет на фермент

скелетной мышцы, а его 4-изомер оказывает прямо противопо­

ложное действие [Baker, Patel, 1964; Baker, 1967].

Более подробно о необратимых ингибиторах активных цент­

ров фермента см. Baker (1967).

9.7.2. Ферментативно-активируемые необратимые

ингибиторы (ФАНИ)

Этот новейший тип ингибиторов отличается от других тем,

что прежде, чем образуется ковалентная связь с ферментом

(как это происходит с НИАЦФ), они под действием этого фер-

мента должны превращаться в истинно активный аге1п, т. е.

все ингибиторы этого типа являются пролекарствами (разд. 3.6).

Их называют «ферментативно-активируемыми необратимыми

ингибиторами» (ФАНИ) или «IrreversiЫe Mechanism - Based Inhibltors» (IMBI). Иногда в шутку, но не совсем правильно

их называют «ингибиторами-самоубийцами». Широкий интерес к исследованию подобных ингибиторов возник после появления

обзора Abeles, Maycock (1976); впервые действие ФАНИ слу­

чайно наблюдал К.. Блох [Morisaki, Bloch, 1972]. Для создания

лекарственных препаратов такого типа необходимо, основы­

ваясь на результатах изучения кинетики, установить механизм

действия выбранного фермента. Этот механизм, например, мо­

жет заключаться: а) в отщеплении атомов водорода и образо­

вании сопряженной двойной связи в молекуле субстрата или

б) в превращении субстрата в электрофильное соединение про­

тонированием или окислением.

До настоящего времени наиболее распространенным из из­

вестных типов реакции между ферментом и ФАНИ является конденсация Михаэля. Поэтому пролекарство должно под дей­ ствием фермента превращаться в акцептор Михаэля. Такой

акцептор [Michael, 1887] обязательно содержит двойную связь,

поляризованную (а следовательно, активированную) наличием

электроноакцепторного заместителя [Bergmann, Ginsburg, Рар­

ро, 1959].

К.ак правило, молекула ФАНИ содержит активирующую

группу, например, фторметильную, кетонную, сложноэфир­

ную или нитрильную, а фермент выполняет свою обычную

функцию - создание двойной связи. К.онечно, молекула ФАНИ

должна иметь характеристическую группу нормального субстра­

та, так как в противном случае она не будет взаимодействовать с ферментом, который должна блокировать.

Удачным примером ФАНИ такого типа может служить

2-дифторметилорнитин (9.88) - лекарственное вещество, необ­ ратимо ингибирующее орнитиндекарбоксилазу. Этот фермент

с помощью кофермента миридоксаля декарбоксилирует орнитин,

превращая его в путресцин (эта реакция имеет большое значе­

ние для некоторых простейших, а также для раковых клеток).

Пролекарство, очень близкое по структуре к орнитину, кова­

лентно связывается с коферментом-пиридоксалем. Таким обра­

зом, аминогруппа в положении 2 молекулы ФАНИ и альдегид­

ная группа пиридоксаля (9.90) образуют азометин (основание

Шиффа) аналогично тому, как это происходит с орнитином.

На этой стадии фермент обычно отщепляет атом водорода от

молекулы орнитина или атом фтора, близкий по размеру атому

водорода (см. табл. 9.1), но обладающий значительно большей

электроотрицательностью. Отщепляя атом фтора от молекулы

ФАНИ, фермент превращает его в акцептор Михаэля (9.89).

Таким образом, ФАНИ становится истинным лекарственным

веществом, способным атаковать донор Михаэля в молекуле

фермеита (предполагают, что это SН-группа) и необратимо его·

ингибировать [Prakash et al., 1980].

Дифторметилорнитин (9.88) имеет высокий терапевтическип

индекс и показал хорошие результаты при клинических испы­

таниях (лечение лейкоза и малярии). К. сожалению, короткий

период полупревращения этого препарата в организме человека

создает трудности в поддержании терапевтических доз.

H2CF

1,

H2N<..:H--C02H

3-Фтораланин

(9.91)

Аналогичный механизм действия характерен для антибакте­

риального ФАНИ, D-3-фтораланина (9.91), который проходит_ клинические испытания. Это соединение необратимо ингибирует аланинрацемазуфермент, который поставляет О-аланин, необ­

ходимый для синтеза клеточных стенок бактерий [Wang, Walsh;

1978].

К.лассическими донорами Михаэля являются карбанионы, полученные из активированной метиленовой группы (например,

в диэтилмалонате). Однако в молекулах ферментов донорами М.ихаэля чаще всего являются анионы либо NН-группы имида­ зола (как в оригинальной работе К.. Блоха), либо гидрокси­ группы серина или меркаптогруппы цистеина. Для активации

можно использовать также винильный или этинильный заме" ститель. Такие соединения были получены для повышения кон-­

центрации ГАМК. (12.91) в мозге. ГАМК.-это тормозной ней­ ромедиатор. Однако при инъекционном введении она не обла­

дает противосудорожным действием, так как не способна

проникать через ГЭБ. При периферическом введении мышам

4-амино-5-гексеновой кислоты (4-винилпроизводного ГАМК.)

содержание ГАМК. в мозге повышается втрое. Это происходит

вследствие ингибирования трансаминазы 4-аминомасляной кис­

доксалем, образует азометин, от которого фермент отрывает протон, что приводит к образованию двойной связи, т. е. к по­ лучению акцептора Михаэля, способного необратимо дезактиви­

ровать ГАМК.-разрушающий фермент [Lippert et al., 1977J.

Этот ФАНИ не взаимодействует с коферментом, находящимся

в форме пиридоксамина, и обладает значительной . специфич­

ностью, так как не действует на ГАМК.азу бактерий. К.роме

того, он не взаимодействует с некоторыми другими, требующи­ ми пиридоксаль ферментами: глутаматдекарбоксилазой и аспа­ ртатаминотрансферазой млекопитающих. Последняя тем не ме­ нее ингибируется винилглицином (2-амино-3-бутеновая кисло­

та) [Rando, 1974].

Аналог 4-амино-5-гексиновая кислота (9.93) также повы­ шает уровень ГАМК. в мозге мышей [Jung, Metcalf, 1975]. Бо­ лее того, при внутрибрюшинных инъекциях 4-амино-5-фторвале­ риановой кислоты мышам уровень ГАМК. в мозге понижается в 16 раз [Silverman et al., 1981]. Установлено, что механизм

действия этого вещества аналогичен описываемому выше, за

исключением того, что кофермент находится в форме пиридок­

самина [Silvermaп, Levy, 1981]. В этом случае отщепление фто­

ра происходит при алкилировании аминогруппы кофермента

с помощью ФАНИ, а затем фермент отрывает протон, что при-

водит к образованию акцептора Михаэля. -

Образование акцептора Михаэля может происходить и дру­

гим путем - при окислении ФАНИ ферментом. Так, например,

паргилен (3.45) под действием МАО, первого фермента биосин­ теза катехоламинов, окисляется в имин (PhCH2. N+Me=CH-

C =СН). Таким же образом осуществляется превращение гид­

роксиацетилена в кетоацетилен. Продукт превращения паргиле­ на присоединяется к донору Михаэля, которым, как известно,

является атом азота центрального цикла кофермента рибофла­

вина [Abeles, Maycock, 1970]. Транилципромин (9.47) N-(1-ме­

тилциклопропил) бензиламин, ФАНИ, относящийся к наиболее

распространенным антидепрессантам, окисляется под действием

МАО с образованием реакционноспособного циклопропиминие­

вого ион-радикала, который, по-видимому, атакует кофермент

рибофлавин [Silverman, Hoffmaп, 1981].

Другие подходы применяются при создании ФАНИ для фер­

ментов, не способных инициировать реакции Михаэля, но име­

ющих тенденцию образовывать электрофильные соединения.

Так, например, диазокетон под действием фермента может про-

1онироваться и превращаться в ион диазония, который затем

алкилирует активный центр фермента. Антибиотик азасерин

(9.48), подобно глутамину (9.49), связывается с ферментом

формилглицинамидаминотрансферазой и инактивирует его. Это

препятствует превращению амидной группы субстрата (формил-

глицинамидрибонуклеотида) в амиднновую группу и, таким

образом, ингибирует биосинтез пуринов. Глутамин в этой реак­

ции является кофактором (источником аммония (Buchanan, 1978]. Азасерин, вероятно, наиболее известный ФАНИ, так как

он применяется в иссле-,цованнях и лечении ра·ка с 1954 г.

Существуют ферменты, способные превращать пролекарство

в электрофильное соединение введением атома кислорода. Так, оксндазы со смешанными функциями из ЭР (разд. 3.5) окисля­

ют дифторметилпроизводные нормального субстрата с образо­

ванием ацилфторида, ацилирующеrо активный цеитр фермента.

Ароматаза, например, представляет собой фермент, ответствен­

ный за синтез эстрона из андрост-4-ен-3,17-диона. 19,19-Диф­ торпроизводное этого субстрата действует в качестве ФАНИ и,

как уже описывалось выше, необратимо связывается с фермен­

том в положении 19 [Marcotte, Roblnson, 1982]. Возможно, этот

лекарственный препарат окажется полезным при лечении рака

молочной железы.

Подобным же образом действуют ферменты, способные ак­

тивировать а;-цианоана.лог субстрата и окислять его до гидрок­

сикетенамина: NC-CH 2R-+ HN=C=C (OHfR. Примерам мо­

жет служить 4-гидрокснбензилцианид- ФАНИ, ингибирую­

щий дофамин ~-rидрокснлазу. Блокирование этого фермента

снижает количество синтезируемого адреналина, поэтому пред·

полагают, что 4-гндроксибензилцианид может оказаться полез­

ным для понижения симпатического тонуса [Baldoni, Villafran-

ca, Mallette, 1980].

Подробнее о ФАНИ см. Penning (1983) и Seiler, Jung, KochWeser (1978).

9.8.Особые случаи взаимосвязи между агонистами

иантагонистами

Антиметаболиты - это не обязательно аналоги метаболитов. Существуют соединения, не обнаруживающие никакого сход­ ства с метаболитами, но тем не менее способные взаимодейство­ вать с апоферментом, ферментом, субстратом или разрушать их

[Fildes, 1940). Единственное, что для этого необходимо, - это

наличие выраженного сродства, что часто приводит к образова­

нию ковалентной связи. Эти антагонисты не вытесняются суб­

стратом. Примером такого антагониста может служить порфи­ рин, гемин, тиамин, расщепленный на две части, из которых одна включает пиримидиновый, а другая - тиазольный цикл.

Поэтому у животных, употребляющих в пищу рыбу, в избытке

содержащую это вещество, развиваются признаки недостаточ­

ности тиамина [Woolley, 1952].

Наличие конкурентного антагонизма между двумя вещества­

ми еще не означает, что одно из них непременно является мета­

болитом. Например, сильные сокращения кишечника, вызывае­ мые хлоридом бария, конкурентно ингибируются сульфатом

натрия, так как между этими двумя веществами происходит

химическая реакция, в результате которой токсический ион ба­

рия осаждается в виде нерастворимого сульфата. Очевидно,

прежде чем отнести какое-либо вещество к группе метаболитов,

нужно доказать, что оно встречается в природе, а также выяс­

нить его происхождение и функции. Примером пары соедине­

ний, конкурирующих друг с другом, хотя ни один из них природ­

ным метаболитом не является, могут служить морфин и аллил­

норморфин [Unna, 1943] (разд. 7.3). Точно так же антагониста­

ми можно назвать 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту, искусст­ венный регулятор роста растений, и ее искусственный аналог -

2,4-дихлорофенилтиоизомасляную кислоту [Griffits et al., 1966]. Это примеры классического эффекта «терапевтической интер­

ференции» (разд. 6.6).

Исследованиям действия лекарственных веществ, вступаю­

щих в антагонистические отношения друг с другом, способст­

вовало введение Schild (1947) в употребление величины рАх.

Это отрицательный логарифм молярной концентрации антагони­ ста, при которой эффект, полученный от х-кратной дозы лекар­ ственного вещества, уменьшается до эффекта, получаемого от

одной дозы. Удобно при этом пользоваться значениями х, рав­ ными 2 и 10. Смысл этой величины заключается в следующем: предполагается, что агонисты, действующие на одни и те же рецепторы, будут иметь одинаковые величины рАх по отноше­

нию ко всем конкурентным антагонистам, что является следст­

вием закона действующих масс и применимо к агонистам лю­

бой эффективности и сродства.

Значения рАх могут быть использованы для классификации

.лекарственных веществ, поскольку только вещества, действую­

щие на одни и те же рецепторы, будут иметь одинаковые зна­ чения рАх по отношению к данному конкурентному антагонисту. Так, например, был изменен антагонистический эффект 2,4-ди­ фенилгидрамина (9.56) по отношению к двум агонистам, вызы­

вающим сокращения подвздошной кишки у морских свинок, -

гистамину и 2- (2-пиридил) этиламину (9.94). Для них были получены одинаковые величины рАх, что доказывает, что оба агониста действуют на один и тот же рецептор.

(~

N CH2 CH2NH2

2-(2-пиридил)этиламии

(9.94)

Более того, одинаковые значения величин рАх для рецепто­

ров в разных тканях, полученные для данной пары лекарствен­

ное вещество - антагонист, с большой вероятностью указывают

на сходство этих рецепторов. Так, одинаковые величины рАх

были получены для антагонистического эффекта АХ в таких

разных образцах, как сердце лягушки, амнион зародыша цып­

ленка, кишечник крысы и легкие морских свинок [Arunlakshana,

Schild, 1959].

9.9. Фармакогенетика

При исследовании ингибиторов ферментов всегда следует

учитывать, что наборы ферментов у отдельных индивидуумов

могут отличаться от того, что характерно для популяции в це­

лом. Так, у многих людей, особенно в странах Африки и Сред­

него Востока, отмечается дефицит глюкозо-6-фосфатдегидроге­ назы. Такой биохимический дефект не проявляется до тех пор,

вается гемолитическая анемия, вызванная биохимическим де­ фектом, наследуемым вместе с неполностью доминантным ге­

ном [Beutler, 1959; Fraser, Vessell, 1968]. Причина анемии -

гемолиз, вызванный хинонам, образующимся на первой стадии

метаболита; фермент, который обычно разрушает это вещество,

отсутствует.

Вариабельность реакций ацетилирования - хорошо изучен­

ное фармакогенетикое явление. Оно влияет на ацетилирование N-ацетилтрансферазой как в печени, так и в тонкой кишке. У человека различают два фенотипа - быстрые и медленные

ацетиляторы, причем соотношение этих фенотипов для разных

стран неодинаково [Karim, Elfellah, Evans, 1981]. Около 90%

японцев и китайцев относятся к генетически быстрым N-ацети­ ляторам изониазида (6.13), в то время как для населения США

черной или белой расы эта цифра составляет только 40% [Kalow, 1962]. Медленные ацетиляторы должны применять боль­

шие дозы, а следовательно, накапливать более высокий уровень лекарственного вещества в крови, чем быстрые ацетиляторы.

Однако при применении изониазида ситуация осложняется тем,

что у быстрых ацетиляторов происходит образование ацетил­

гидразина, вызывающего поражение печени [Mitchell, Thorgeirs-

sen, Black, 1975].

Таким же образом генетически контролируются процессы

ацетилирования (дезактивации) антибактериальных сульфа­

ниламидов, антиаритмических лекарственных препаратов, ново­

каинамида (7.56) [Woosley et al., 1978], гипотензивного препа­

рата апрессина (11.47) и амина, образующегося при метабо­ лизме седативного средства нитразепама (12.98). В каждом из этих случаев быстрое ацетилирование приводит к снижению

эффекта лекарственного препарата. Однако у медленных аце­

тиляторов апрессин может вызывать системную красную вол­

чанку с артритоподобными симптомами [Batchelor et al., 1980]. Фермент алкогольдегидрогеназа также может быть двух ти­ пов - быстрый и медленный, что наследуется генетически.

Быстрый тип характерен для жителей Востока, у которых

вследствие быстрого высвобождения ацетальдегида отмечается

покалывание и прилив крови к лицу [Propping, 1978]. Дебризо­

хин (9.95) - гипотензивный лекарственный препарат, действую­

щий подобно октадину (7.55), превращается в неактивное

4-гидроксипроизводное, причем это более характерно для жите­

лей Кавказа, чем Востока [Kalow et al., 1980].

CCN-C-~:2

Дебризохии

( 9. 95)

Другим нежелательным фармакогенетическим эффектом яв­

ляется повышение внутриглазного давления при введении в глаз

глюкокортикоидов. Такую реакцию наблюдали у 5% жителей

Кавказа. Установлено, что этот эффект наследуется, так же как

иналичие атипичной малоактивной холинэстеразы в плазме, что

приводит к пролонгированию действия дитилина (7.29) на таких

больных во время операций [Kalow, 1962].

Подробнее о фармакогенетике см. Kalow (1962, 1980)

иWorld Health Orgaпization (1973б).

Глав а 10

ИОНИЗАЦИЯ

Алифатические четвертичные аммониевые основания, такие как АХ, полностью ионизированы при всех значениях рН. Это обусловлено их структурой: у них нет протона, способного от­

щепляться, а атом азота может образовывать не более четырех

ковалентных связей. Однако большинство биологически актив­

ных веществ - это с л абы е кислоты или основания и поэтому

степень их ионизации зависит от рН. Константы ионизации этих

веществ (а следовательно, и степень ионизации при определен­

ном рН) можно варьировать в широких пределах, внося незна­

чительные изменения в их химическую структуру. Степень иони­ зации можно менять двумя путями: во-первых, можно использо­

вать одно и то же вещество при различных рН и, во-вторых,

брать несколько родственных веществ (с разными константами

ионизации) при фиксированном рН. Эти два способа очень

важны для исследования, поскольку ионы и незаряженные мо­

лекулы весьма различны по свойствам. Так, например, ионы и

незаряженные молекулы вступают в разные химические реак­

ции, по-разному проникают через мембраны и адсорбируются

на различных типах веществ.

10.0. Природа ионизации

Многие вещества при растворении в воде не повышают ее

электропроводности. Это так называемые неэлектролиты (при­

мерами могут служить хлороформ и сахароза), они понижают

температуру замерзания воды пропорционально их молярной

концентрации. С другой стороны, кислоты, основания и соли

повышают электропроводность воды. Большинство биологически

активных веществ представляют собой кислоты, основания и соли, а следовательно, являются электролитами. Все электро­

литы понижают температуру замерзания воды в значительно

большей0степени, чем можно было бы ожидать, исходя из их

молярнои концентрации. В разбавленных растворах соляной

кислоты, гидроксида натрия и хлорида натрия это понижение

оказалось в два раза больше ожидаемого. Это послужило швед­

скому химику Аррениусу основанием для создания теории иони­

74

натрияиа катионы натрия и анионы гидроксила (Na+ и ОН-), хлорид натрия - на катионы натрия и анионы хлора (Na+ и

Cl-). В случае сульфата натрия понижение температуры замер­

зания воды оказалось в три раза больше ожидаемого, и это

объясняется тем, что вместо одной молекулы Na2S04 в раство­

ре присутствуют три иона, а именно два катиона натрия и один

анион сульфата (S0 42-).

Соли. Как правило, соли в разбавленных растворах полно­

стью ионизированы. Исключения из этого правила немногочис­

ленны: наиболее известные из них - галогениды ртути, кадмия

и свинца. Вследствие полной ионизации солей их биологичес­

кие свойства целиком определяются свойствами составляющих

их ионов. Так, физиологическое действие хлорида кальция опре­

деляется действием, свойственным ионам кальция и ионам хлора. Однако эта простая концепция оказывается неверной в тех случаях, когда соль образована слабой кислотой или сла­

бым основанием, так как в результате гидролиза происходит высвобождение некоторого количества незаряженных частиц,

биологическое действие которых суммируется с эффектами,

вызванными ионами.

Вообще физиологическое действие полностью ионизирую­ щейся соли не может быть больше или меньше суммы действия ее ионов. Так, например, Hata, исследуя на мышах токсичность

3,6-диамино-10-метилакридинийхлорида (6.5) и соответствую­

щего йодида, установил, что йодид в два раза менее активен,

чем хлорид (при одинаковых по весу дозах. Сравнение дейст­

вия этих веществ на мышах, инфицированных стрептококками,

показало, что йодид и в этом случае вдвое менее активен. Так

как оба аниона биологически инертны при использованных кон­ uентрациях, то активность должна быть пропорциональна ко­ личеству катионов в исследуемых соединениях, которые в ней­

тральных растворах полностью ионизированы [Albert, 1966}.

ОММ этих соединений 260 и 351 соответственно, поэтому актив­ ность йодида должна составлять 74 % активности хлорида.

Результаты биологических исследований при различных разбав­

лениях соответствуют приведенному расчету. Поэтому такие

эксперименты позволяют только сравнить биологическое дей­

ствие катиона диаминометилакридиния с его незаряженной

молекулой. Изучение антибактериальных свойств некоторых

акридиниевых солей (сульфатов, нитратов, гидрохлоридов и гид­

ройодидов) показало, что, как и предполагалось, анион не вно­

сит практически никакой специфики в биологическое действие

[Browning et al., 1922}.

Кислоты и основания. В отличие от солей кислоты и основа­ ния не обязательно должны быть полностью ионизированы

в растворе. Сильные кислоты (например, соляная) и сильные основания (например, гидроксид натрия) полностью ионизиро­ ваны при значениях рН от О до 14, в то время как слабые кис­ лоты и основания в этих пределах рН имеют разную степень

75

иониз~ции. Даже небольшие отклонения рН в любую сторону

от неитрального значения (рН 7 ) могут существенно повлиять

на ионизацию таких лекарственных средств, как барбитураты,

алкалоиды, местные анестетики и антигистаминные препараты.

Рассмотрим несколько примеров.

Соли слабых кислот (или слабых оснований) в растворе

частично гидролизованы до исходных, малодиссоциированных

кислот (или оснований). Реально степень диссоциации в раство­

ре определяется только двумя факторами: рН раствора и рК.а

кислоты (или основания). Последняя из этих величин (она бу­ дет охарактеризована ниже) является константой для любой кислоты и основания. Поэтому при определенной величине рН степень ионизации зависит только от природы кислоты (или ос­ нования), при этом не важно, были они предварительно ней­ трализованы или нет. Так, отношение концентрации ионов атро­

пина к концентрации его неионизированных молекул остается

неизменным независимо от того, добавляется ли к буферному

раствору при рН 7 атропин или его гидрохлорид или сульфат.

При повышении рН раствора количество ионов атропина умень­

шится, но новое соотношение также не будет зависеть от того

в какой форме находится добавляемый атропин. Во избежани~

путаницы при употреблении терминов «свободные» или «неиони­

зированные» кислоты и основания обычно применяют термин

«молекула» или «нейтральная частица» для обозначения всех

незаряженных форм.

В 194J г. американские бактериологи опубликовали работу,

.в которои было показано, что бактерицидное действие 9-амино­ акридина (10.8) (по отношению к Pneumococcus типа III, выра­

щенных на бульоне с глюкозой) в 64 раза сильнее, чем дейст­

вие его гидрохлорида. Авторы не указывают, обладала ли ис­ пользованная ими среда буферными свойствами. Если был использован буфер, то в обоих случаях должен получиться один и тот же результат и, следовательно, их методика была невер­

на. Если же среда не была буферной, то количественные дан­

ные не имеют смысла вследствие большой разницы в рН раст­

воров сильного основания (РКа 10,0) и его солей. Значительное

повышение антибактериальной активности акридинов при уве­

ния ионного равновесия. Так, уксусная кислота (СН3СООН) -

это слабая кислота, ионизирующаяся в воде с образованием не­

.которого количества ионов водорода (Н+) и ацетат-ионов

Величина Ка уксусной кислоты была определена эксперимен­

тально, она равна l,75Xl0- 5 (при 25°С).

Иногда выражение «константа диссоциации» используют вместо константы ионизации. Последнее название точнее, так

как многие комплексы, например системы ферментов, «диссоци­

ируют» на составляющие, а мицеллы - на мономеры. Устанав­

ливающееся при этом равновесие можно выразить через кон­

станты диссоциации, также выведенные из закона действия

масс, но эти константы не являются константами ионизации.

Состояние ионизации слабых оснований также может быть

охарактеризовано константами кислотности. Например, амми­

акслабое основание, которое может присоединять ионы водо­

рода с образованием ионов аммония. В таком случае ион NH4+

можно рассматривать как слабую кислоту, ионизированную

в воде на ионы водорода (Н+) и молекулы аммиака (NНз).

Тогда константа ионизации может быть соотношением:

В 1929 г. Бренстед предложил использовать константы кис­

лотности для описания ионизации оснований, так как это позво­

ляет применить одну и ту же шкалу для ионизации и кислот,

и оснований, так же как единая шкала рН используется для

измерения кислотности и щелочности.

До этого для оснований применяли отдельную шкалу и кон­

станту основности выражали соотношением:

Экспериментальное значение такой константы 1,8Х 10- 5 (при

25°С). Уравнение 111 нереально, так как соединения, содержа­

щие азот с пятью ковалентными связями, например NH4OH,

существовать не могут. Уравнения I и II показывают, что кис­

лота отщепляет ионы водорода, а основание их присоединяет.

Таким образом, и кислоту, и основание можно характеризо­

вать количественно одной величиной - сродством к иону водо­

рода. Это позволяет применять константы кислотной ионизации как для кислот, так и для оснований.

А. Определение р Ка. Величины констант ионизации слишком

малы, поэтому значительно удобнее пользоваться их отрица-

тельны~и логарифмами (обозначенными как рК2). Так, рКа уксуснои кислоты 4,76, а аммиака 9,26. В более ранней литера~ туре для оснований часто встречаются только значения рКь (на­

пример, 4,74 для аммиака). Зная эту величину, можно перейти к значениям рКа; для этого из отрицательного логарифма ион­

вание ионизированы наполовину. эквивалентно их рКа. Если рН

на одну единицу ниже, чем рКа, то кислота ионизирована на

9%, а основание-на 91% (разд. 17.0).

Любая частично нейтрализованная кислота или основание

представляет собой эффективный буфер в пределах от рН=

=рКа-1 до PKa+l. Поэтому биологи имеют возможность под­

бирать буфер для каждого конкретного эксперимента. Если для исследуемой системы необходимы катионы металлов, то анион­ ные буферы (например, цитратный и фосфатный) обычно не ис­

пользуются, так как они способны образовывать комплексы

с катионами. В качестве примера можно привести фосфатный

буфер, ингибирующий действие изоцитратдегидрогеназы

(в сердце свиньи) за счет удаления марганца [Lotspeich, Peters. 1951]. Вместо анионных буферов часто применяют катионные, такие как N-этилморфолин (рН от 7,0 до 8,2), «Трис» (трисгид­ роксиметиламинометан) (рН от 7,5 до 8,7) и цвиттерионы («Ге­

величины рКа некоторых наиболее распространенных кислот

иоснований. Данные таблицы следует запомнить; это позволит

сравнивать те новые величины рКа, с которыми можно столк­ нуться при чтении, с приведенными в ней значениями. Кислоты

иоснования равной силы расположены в таблице друг против

.друга.

Величина РКа около 5 (ер. с рКа уксусной кислоты) типична

для большинства монокарбоновых кислот, как алифатических.

так и ароматических. Величина рКа 10 типична для фенолов.

Кислоты, РКа которых выше 7, практически не изменяют цвета

нейтральной индикаторной бумаги, а выше 1О - не имеют даже

кислотного вкуса.

Величина рКа 11 (как, например, у этиламина) типична для

алифатических оснований, а значение рКа 5 - для ароматиче­

ских, которые гораздо слабее алифатических. Величины рКа

представляют собой десятичные логарифмы, следовательно, ос­

новность этиламина и анилина различается в миллион раз

(т. е. антилогарифм 6). Многие алкалоиды и другие биологиче­

ность и усиливает кислотность. Сведения об электронных свой­

ствах различных заместителей приведены в разд. 17.2. Влияние

заместителей на кислотность и основность в настоящее время

настолько хорошо изучено, даже количественно, что соответст­

вующие константы ионизации могут быть рассчитаны еще до

синтеза соединения [Perrin, Dempsey, Serjeant, 1981]. Это по­

зволяет экономить большое количество времени, которое могло

бы быть затрачено на синтез соединений с нежелательными кис­

лять истинную константу ионизации.

Подобные практические указания по определению констант

ионизации экспериментальным путем даны в справочнике Al-

bert, Serjeant (1984).

В. Расчет степени ионизации. Степень ионизации любого ос­

нования в водном растворе можно рассчитать с помощью урав-

79

вия неионизированные молекулы поставляют новые ионы в со­

ответствии с законом действия масс (уравнение 1)?

Однако следует помнить, что ионы не образуют с рецептора­

ми ковалентных связей, а следовательно, могут легко отрывать­

ся. Поэтому для поддержания рецептора в насыщенном состоя­

!НИИ необходимо, чтобы в растворе, окружающем рецептор,

!!Остоянно находился избыток данных ионов. Например, кри­

сталлический фиолетовый [N, N', N"-гексаметилпроизводное соединения (10.5)] оказывает бактериостатическое действие на

Е. coli при разбавлении 1 : 10 ООО, но не 1 : 20 ООО, хотя оба рас­

твора окрашены в интенсивный фиолетовый цвет. Фиолетовая

окраска указывает на присутствие катионов, являющихся актив­

JЮЙ формой этого антибактериального препарата (неионизиро-

13анные молекулы бесцветны).

Объяснить это явление помогают уравнения (V) и (VI). Из

уравнения (V) видно, что величина Ка (константа ионизации)

определяет соотношение числа катионов (ВН+) к числу неиони­

зированных молекул (В) при любой заданной концентрации

ионов водорода [Н+]. Аналогичным образом уравнение (VI)

определяет величину Ks, представляющую собой константу ус­ тойчивости ионной пары (АВН), образующейся путем присоеди­

нения катиона лекарственного вещества (ВН+) к уязвимому

анионному участку бактерии (А-). Этот комплекс существует

за счет ионного связывания, обычно усиленного водородными

}!ЛИ ван-дер-ваальсовыми связями:

Если величины Ка и Ks сравнимы, то недостаток катионов

в растворе будет пополняться не только за счет неионизирован­ ного лекарственного препарата (В), но и за счет комплекса лекарственное вещество - бактерия (АВН). В этих условиях

константа ионизации лекарственного вещества становится ли­

митирующим фактором, определяющим возможности использо­

вания этого препарата: ионы должны не просто присутствовать,

а находиться в избытке. Из этого вовсе не следует, что кислоты,

содержащиеся в рецепторах, должны быть слабыми. Дело в том, что время существования комплекса адсорбированный катион -

рецептор (если ионная связь не приобретает дополнительную

прочность за счет водородных связей или ван-дер-ваальсовых

.сил) очень коротко вследствие обмена с ионами натрия или ка­

.лия, присутствующими в окружающем солевом растворе.

Многие бактерии значительно более чувствительны к кри­

.сталлическому фиолетовому, чем Е. coli. Так, например, Strep-

82

Staphylococcus aureus. Эти отличия могут быть обусловлены

различиями в местах потерь, однако известно, что константы

стабильности различаются для разных организмов и для раз­ ных тканей одного организма-хозяина. Это и создает основу

для избирательного действия катионных лекарственных средств.

Ионизация может способствовать проявлению избиратель­

ности действия и в тех случаях, когда место действия лекарст­

венного вещества имеет необычное значение рН, как, например,

в желудочном соке или моче. В разд. 4.2 уже отмечалось, что­ опухолевые клетки имеют аномально низкие величины рН. Bisker (1974) предсказывал, что глюкурониды цитостатических

фенолов и амидов должны обладать избирательным действием

на раковые клетки, так как для действия ~-глюкуронидазы оп­

тимальная величина рН 5.2. Тем не менее использование разли­

чий в рН нормальных и опухолевых клеток не должно зависеть

от процесса обнаружения и гидролиза пролекарства ферментом.

4-Додецилпиридин (10.1) (РКа 5,5) циркулирует в токе крови

мыши и не является токсичным для этого организма-хозяина

при внутрибрюшинных инъекциях в дозе 0,5 г/кг-1 • Тем не ме­ нее патогенные клетки вследствие повышенной кислотности по­ глощают катион этого соединения, который обладает выражен­

ными поверхностно-активными свойствами и может воздейство­

вать на эти вредные клетки [Firestone, Pisano, Bonney, 1979j.

Другие типы избирательного действия зависят от свойств,

отличающих ионы от неионизированных молекул. Эти разли­

чия, рассматриваемые ниже, могут быть подразделены на три группы: а) ковалентная реакционная способность (образование и разрыв ковалентных связей); б) адсорбция на поверхности и в) проникновение через мембраны.

А. Ковалентная реакционная способность. Нитрование неза­

ряженной молекулы анилина происходит в орто- и пара-поло­

жениях, в то время как его катион нитруется в основном в ме­

та-положении. Таким образом, изменяя кислотность нитрующей смеси, можно контролировать соотношение образующихся изо­

меров. С точки зрения биохимии большой интерес представляет аскорбиновая кислота ( 10.2), дианион которой легко окисляется

на воздухе, тогда как моноанион и неионизированиая молеку­

ла (любая из этих форм может стать основной при соответст­