Литература / Albert_Izbiratelnaya_toxichnost_Tom_2_1989

'Таблиц а 10.3. Расчет степени ионизации для случаев, когда величины

рК. и рН близки

'!'абл. 10.4, видно, что при уменьшении рН скорость окисления

снижается пропорционально падению концентрации дианиона

имало зависит от концентрации двух других форм.

Вприсутствии ионов меди аутоокисление аскорбиновой кис­

лоты происходит значительно быстрее, но в этом случае меня­

-ется механизм реакции, так как скорость реакции пропорцио­

нальна концентрации моноаниона, а не концентрации дианиона

или неионизированной молекулы (табл. 10.4, нижняя часть).

Разрыв ковалентных связей ферментами сильно влияет на

действие избирательно токсичных агентов, так как при этом они

могут превращаться в более активные или, наоборот, инертные

вещества. Однако, поскольку скорости реакции с ионами и мо­

лекулами различаются очень сильно, изменения рКа внутри се­

рии веществ могут привести к существенным различиям.

Б. Адсорбция на поверхности. Существуют два вида адсорб­ ции - неспецифическая и специфическая. Неспецифическая ад­ сорбция характерна для амфифильных веществ, имеющих кон­

цевую гидрофильную группу, связанную с относительно боль­

шим гидрофобным остатком. Примером подобных соединений

может служить обыкновенное мыло. Следует напомнить, что

молекулы воды связаны друг с другом водородными связями

и вещества растворяются в воде только благодаря их способ­

ности разрывать некоторые из них и образовывать новые связи

с молекулами воды. Амфифильные молекулы, растворенные

в воде, находятся в состоянии подвижного равновесия, так как их углеводородная часть непрерывно вытесняется молекулами воды, стремящимися соединиться друг с другом.

84

Эти свойства воды лежат в основе неспецифической адсорб­ ции, поскольку такие вещества занимают любую доступную им

поверхность, независимо от ее химической природы. Например,

в сосуде, содержащем мыльный раствор, мыло накапливается

не только на поверхности раздела воздух - вода, но и на по­

верхности раздела стекло - вода. Кроме того, если в мыльный

раствор погружать различные предметы, то мыло адсорбирует­

ся также и на их поверхности. Это пример типичной неспецифи­

ческой адсорбции, при которой нейтральные молекулы адсорби­

руются сильнее, чем ионы. Так, олеиновая кислота адсорби­

руется сильнее, чем олеат натрия. Это происходит потому, что

ион гидратируется сильнее, чем соответствующие неионизиро­ ванные молекулы, и поэтому последние легче вытесняются

из воды.

С п е ц и ф и ч е с к а я ад с о р б ц и я играет более важную роль при действии лекарственных веществ. Она свойственна

гидрофильным веществам, которые стремятся выйти из воды и разместиться на поверхности, имеющей химически комплемен­ тарный характер. Простейшим примером такой комплементар­

ности может служить притяжение аниона к положительно за­

ряженному участку поверхности, а катиона - к отрицательно

заряженному. В таких случаях ион будет адсорбироваться силь­

нее, чем неионизированная молекула. Наибольший интерес пред­ ставляют фосфорилированные витамины группы В, накаплива­

ющиеся на комплементарных поверхностях ферментных систем

с поразительной быстротой и эффективностью, несмотря на то

что они хорошо растворяются в воде и содержатся в пище в ма­

лых количествах.

В. Проникновение через мембраны. Каждая живая клетка окружена полупроницаемой мембраной, толщина которой со-

ставляет две-четыре молекулы. Такая мембрана (обычно липо­

протеидной природы) имеет высокий заряд и практически не­

проницаема для ионов. Трудность прохождения ионов через мембрану обусловлена следующими причинами: 1) ионы имеют относительно большую величину вследствие гидратации и 2) за­ ряд ионов либо аналогичен по знаку той части белковой поверх­ ности, к которой он приближается (что приводит к отталкива­

нию), либо противоположен (что приводит к его фиксации). Незаряженные молекулы обычно легко проникают через

мембраны при условии, что они имеют не более трех гидро­

фильных групп и их ОММ не превышает 150 (разд. 3.2). При­

мер ионизационного контроля проницаемости через мембраны

представлен на рис. 10.11. Синтезированы новые амины, содер­ жащие 123 1, с такими величинами рКа, что они могут использо­ вать градиент рН, существующий между кровью (рН 7,4) и моз­ гом (рН 7,0). Эти соединения проникают в мозг в виде неиони­

зированных молекул и попадают в цитоплазму с более низким

рН, вследствие чего доля катионов, не способных к диффузии.

значительно повышается [Tramposch, Kung, Blau, 1983J.

Однако не следует считать, что ионы вообще не способны

проникать через нейтральные мембраны. Во-первых, существу­

ют особые механизмы поглощения для каждого из тех ионов.

которые необходимы клетке. Так, поглощение ионов холиния происходит по механизму «Тип 2» (см. разд. 3.2.2), а ионов.

Na+ и к+ - по механизму «Тип 3», требующему затрат энер­ гии (разд. 3.2.3). Кишечник человека легко пропускает ионы

натрия и хлора, несколько хужецитрат- и ацетат-ионы; что

касается ионов Са2+, Mg 2 +, Fe 2+ и фосфат-иона, то для них

существует специфический механизм з.ахвата, характеризующий­ ся быстрым насыщением, по которому поглощаются только

следы этих ионов, необходимых организму; сульфат- и тартрат­

анионы практически не поглощаются. Во-вторых (это особенно

относится к синтетическим лекарственным препаратам), ионы,

не обладающие способностью проникать через мембрану, могут

приобретать эту способность при введении липофильной груп­ пы. Атом хлора и другие липофильные заместители, присутст­

вующие в молекулах противомалярийных препаратов мепакрина

(атебрин) и хлорохина, способствуют их проникновению в эрит-

роциты.

Теперь перейдем к рассмотрению другого аспекта влияния

ионизации на проникновение препаратов через мембраны. Эф­

фективность лекарственного средства безусловно зависит от способности его проникновения к рецептору. Если значение р.К.а

данного агента между 6 и 8, то при физиологическом значении

рН 7 его молекулы всегда находятся в равновесии, по крайней мере с 10% самой минорной ионной формы (см. табл. 10.2). Такой агент может войти в соприкосновение с мембраной, через

которую смогут проникнуть только незаряженные молекулы. Но

пройдя через мембрану, они, вероятно, попадут в среду с тем

же значением рН, где будут вновь образовывать ионы, пока по

обе стороны мембраны не установится равная степень иониза­

ции для данного агента. Величины рКа многих лекарственных

средств находятся в пределах 6-8, хотя известны агенты с р.К.а,

сильно отличающимися от этих величин, и поэтому они имеют

другой характер распределения и иной тип действия.

Г. Псевдооснования. Время, необходимое для создания ион­

ного равновесия в растворе, настолько мало (например, 10- 1 с),

что ионные реакции можно считать мгновенными. Однако суще­ t:твуют немногочисленные виды катионов, которые медленно об­

разуют ковалентную связь с гидроксилионами, давая неиониз~­

рованные вещества, известные под названием псевдоосновании.

При действии кислоты из псевдооснования может быть снова

выделен исходный катион. В разных случаях для установления

равновесия может потребоваться различное время, от минуты

до недели. Две наиболее известные группы псевдооснований - это гетероароматические четвертичные соединения и трифенил­

метановые красители. Методы расчета равновесных констант

ионизации (обозначаемых как pKaEq) и констант скорости уста­

новления этого равновесия были предложены Goldacre, Phillips (1949) для четвертичных соединений и Cigen (1958) - для про­

изводных трифенилметана.

Основание

Кислота

никновению вещества через мембраны, поэтому следует рас­

смотреть химизм этого процесса. Катион 5-метилфенантридиния

(10.3), такой как содержащийся в хлориде N-метилфенантриди­

ния, может служить примером четвертичных аммониевых осно­

ваний, у которых атом азота' гетероцикла имеет двойную связь

Т а б л и ц а 10.5. Равновесие между четвертичными катионами и соответст­

вующими псевдооснованнямн [Bunting, Meathrel, 1972]

Четвертичные катионы

(катионы соответствующих третичных аминов не образуют псев~

дооснований). Азот не может иметь более четырех ковалентных связей и, следовательно, в соединении (10.3) он обладает мак­

симальной валентностью; кроме того, метильная группа не так

подвижна, как ион водорода, поэтому неионизированной моле­

кущ,1, соответствующей иону ( 10.3), не существует. Таким об­

разом, можно было бы предположить, что это соединение оста"

ется ионизированным при любом рН. Однако этот ион медленно, реагирует с ионом гидроксила (реакция обратима), в резуль­

тате чего образуется ковалентная связь и возникает неионизиро­

ванная молекула (10.4) [Magrath, Phillips, 1949]. Этот вторич­

ный спирт представляет собой псевдооснование соединения (10.3). Псевдооснования обладают гораздо большей раствори­

мостью в липидах, чем соответствующие катионы, из которых

они образованы, возможно, эти ионы проникают в клетки имен­

но в форме псевдооснований. Трипаноцидное действие четвер­

тичных гетероциклических соединений (разд. 10.3.5) можно,

ложнением гетероциклического ядра. Так, если для катиона 1-метилпиридиния образование псевдооснований совершенно не

характерно, а ионы 1-метилхинолиния и 2-метилизохинолиния

превращаются в псевдооснования только при очень высоких

значениях рН, то при дальнейшем аннелировании (например. как в 10-метилакридинии) реакция протекает значительно лег­

че. Такое же действие оказывает и введение в цикл электроно­

акцепторного заместителя (такого, как группа N0 2) или второ­ r о атома азота с двойной связью, как в катионах хиноксалиния

и хиназолиния. Некоторые примеры приведены в табл. 10.5, где pl(Roн обозначает то значение рН, при котором концентрации

псевдооснования и четвертичного катиона равны. Формально,

величина pI<Roн аналогична величине pI<a, с той лишь разницей,

что равновесие в этом случае у,станавлива,ется значительно

на типичного трифенилметанового красителя, медленно реаги­

ру~щеrо с гидроксил-ионами с образованием псевдооснования

(10.6). Псевдооснования обоих типов (10.4) и (10.6) быстро реагируют со спиртами, образуя бесцветные эфиры. Поэтому

при количественном определении красителя (колориметричес­

ким методом), поглощаемого биологическими объектами, сле­

дует избегать экстракции спиртом.

Ц в и т те р и о н ы обычно довольно инертны с точки"зрени~

фармаколога. Так, например, гистидин, представляющии соб~и

цвиттерион, не обладает теми важными физиологическими свои­

ствами, которые характерны для родственного е~у катионного соединения гистамина. При окислении винильнои группы хи­

нина в молекуле появляются карбоксильная группа, придающая

свойства цвиттериона, при этом соединение т:ряет противома­

лярийную активность. При этерификации этои кислоты (ките­

нин) соединение теряет цвиттерионную природу, становится

положительно заряженным и вновь приобр_етает противомаля­

рийную активность [Goodsoп, Непrу, MacF1e, 1930]. Аналогич­

ные примеры встречаются и в серии производных акридина

(разд. 10.3.1).

10.3. Вещества, обладающие большей биологической

активностью в ионизированном состоянии

Только во второй четверти нашего столетия было обнаруже­

но, что многие органические катионы обладают антибактериаль­

ной активностью. Ранее было известно, что алифатические ами­

ны существующие при рН 7 главным образом в виде катионов,

пр~являют бактерицидное действие в отличие от ароматических

аминов которые существуют при рН 7 в основном в виде неио­

низиро~анных молекул и этого действи~ не проявляют. Однако

тогда не связывали антисептическое деиствие с наличием орга­

нических катионов; предполагалось, что антибактериальная

активность зависит от «наличия гидроксильных ионов, высво­

бождаемых при ионизации гидроксидов алкиламмония, образу­

ющихся при взаимодействии аминов с водой» [Моr~ап, Cooper, 1912]. Иными словами, наличие бактерицидного деиствия объ­

яснялось щелочностью антисептических растворов, при этом н~

учитывалось, что те же основания, находящиеся в форме солеи

или в нейтральном буферном растворе, также обладают бакте:

рицидными свойствами. Существенный вклад в решение этои

проблемы был внесен в 1924 г. Stearп и Stearn, высказавшими

предположение о том, что антибактериальная акт1;,вность три­

фенилметановых красителей объясняется взаимодеиствием ка­

тиона красителя с определенными анионными группами бакте­

рий с образованием слабо диссоциированных комплексов того

89

же типа, который обсуждался в разд. 10.2 (ер. уравнение VI).

Хотя эти исследователи не знали степени диссоциации исследуе­

мых красителей1 , они предсказали, что соли многих сильных ос­

нов при физиологических значениях рН. Они показали также,

что при повышении рН среды антибактериальное действие уси­ ливается за счет повышения степени ионизации (анионной) ре­

цепторов бактерий. Однако это увеличение щелочности среды

не следует доводить до такой степени, чтобы начиналось подав­

ление ионизации самого антисептика.

Первое строгое доказательство взаимосвязи между иониза­ цией и биологическим действием было получено лишь через

17 лет [Albert, Rubbo, Goldacre, 1941]. Исследование серии ами­

ноакридинов показало, что существует количественная зависи­

мость между их антибактериальным действием и степенью

ионизации по катионному типу. Позднее эта корреляция была

подтверждена и расширена на примере других соединений

[Albert et al., 1945).

10:,3.1. Аминоакридины, обладающие антибактериальным

деиствием

Акридин (2.16) имеет плоскую молекулу и обладает сла­ быми основными свойствами. Тем не менее два из пяти воз­

можных изомеров моноаминоакридина, а именно 3- и 9-амино­ акридины, являются сильными основаниями, благодаря сопря­

жению в их катионах (разд. 2.2). В молекулах 2- и 4-амино­

акридинов дополнительное сопряжение существовать не может

вообще, а в !-изомере оно проявляется лишь в небольшой сте­

пени, так как орто-хиноидное расположение связей, необходимое

для возникновения сопряжения, энергетически невыгодно

[Albert, Goldacre, 1946; Albert, Goldacre, Phillip, 1948].

В 1913 г. шотландский патолог К. Browning предложил ис­

пользовать аминоакридины в качестве антибактериальных

средств при ранениях. Выяснилось, что один из них, профлавин

(10.7) (3,6-диаминоакридин), токсичен по отношению к широ­

кому ряду грамположительных и грамотрицательных бактерий,

1• В то время еще нельзя было оценить степень диссоциации псевдоосно­

вании по чисто техническим причинам.

Bгowning et al., War Office, 1922). Акридины, содержащие чет­

вертичный атом азота, например эуфлавин, более токсичны для млекопитающих, но в то же время являются и более эффектив­

ными антибактериальными средствами, чем некватернизирован­

ные, например профлавин. В серии акридинов псевдооснования

могут образовываться только из кватернизированных соедине­

ний, поэтому удалось избежать трудностей, встречающихся при работе с трифенилметановыми красителями.

Предварительные эксперименты, проведенные Albert и сотр. в 1939 г., показали, что антибактериальная активность акриди­

нов возрастает при повышении степени их катионной ионизации

(Albert, Rubbo, Goldacre, 1941). Эти результаты были подтверж­

дены при испытаниях 101 производного акридина на 22 видах

бактерий [Albert et al., 1945; Albert, Goldacre, 1948). Некото­

рые наиболее типичные результаты представлены в табл. 10.6, расширяющей данные табл. 2.2 об изученных производных ак-

ридина. Результаты для 100 производных акридина опубликова.:

ныв книге Albett (1966).

И? пяти возможных моноаминоакридинов два сильно иони­

зированы при рН 7, остальныеслабо (объяснение причины

этих различий приведено в разд. 2.2). Из табл. 10.6 видно, что

два изомера с высоко~ степенью ионизации обладают сильным

антибактериальным действием, а эффективность слабоионизи­

рованных аминоакридинов очень незначительна. Такая же кор-·

реля~ия наблюдается и для остальных исследованных соеди:. нении (см. табл. 10.6, ер. активность сильно- и слабоионизиро-·

ванных метиламиноакридинов и активность сильноионизирован-·

ных !Хлораминоакридинов с их слабоионизированными изомера"

ми).· Во всех случаях ионизация сопровождается резким повы~

изменяют активность, но только в том случае, если они не влия-.

ют на ионизацию. Эти выводы подтверждаются испытаниями·

на м1=1огих _видах бактерий (см. табл. 10.7).

Подробные данные для серии 100 производных акридина и

многих разновидностей бактерий (анаэробных и аэробных,

грамположительных и грамотрицательных), подтверждающие наличие корреляции между бактериостатическим действием и степенью ионизации, см. Albert (1966).

И?низация, определяющая наличие антибактериального дей-•

ствия:. производных акридина, должна быть катионной по свое-·

му х;арактеру. Вводя кислотные группы в циклы сильнооснов-.

ного акрид:~на, можно легко получить соединение, представля­

ющее собои цвиттерион и, следовательно, уже не катион, как,

например, 9-аминоакридин-2-карбоновая кислота (табл. 10.8).

Эта кислота не обладает антибактериальными свойствами, но

вновь приобретает их при этерификации, приводящей к образо­

ванию катионного соединения. Вводя кислотные группы в цикл

слабоосновных производных акридина, можно получить соеди­

нение анионного характера, такое как акридин-9-карбоновая

кислота (см. табл. 10.8). Это соединение, его эфир, а также сам акридин (все эти вещества - не катионы) не проявляют сколь­

ко-нибудь заметной антибактериальной активности.

Механизм действия акридинов был изучен более подробно

на организме Е. coli, способном существовать как в кислой так

и в щелочной среде. На рис. 10.2 показана зависимость мини­

мальных бактериостатических концентраций (выраженных в ло­

гарифмах) четырех производнь1х акридина от рН среды в диа­ пазоне от 5,5 до 8,5. Только один из этих акридинов достаточно

сильное основание, чтобы ионизироваться при указанных зна­

чениях рН. Таким образом, не удалось выявить какой-либо за­

кономерности. Однако, если на графике по оси ординат отло­

жить концентрацию катионов (вместо общей концентрации ве~

щества), то получаются параллельные прямые, что позволяет

сделать определенные выводы.

Пр и м е ч а н и е. Сильное разбавление препятствует заметному росту бактерий в. течение 48 ч при 37 °С (среда: бульон с 10% сыворотки, рН 7,3). При данных условиях

все вещества практически полностью ионизированы [Albert et al., 1945].

Во-первых, основным фактором, определяющим бактерио­

статическое действие производных акридина при любом рН яв­

.1яется концентрация катиона (это зависит от рН среды и рК,. соединения, см. табл. 10.2), а не общее количество вещества (катионы и неионизированные молекулы). Во-вторых, наклон прямой показывает, что существует конкуренция между катио­

нами акридина и ионами водорода. Простейшее объяснение

механизма действия катионов акридина заключается в том, что

Антагонисты Н2-рецепторов. Н2-рецепторы гистамина ответст­

венны за стимуляцию матки, предсердия и секрецию кислоты

в желудке. Поиски антагонистов Н2-рецепторов гистамина были начаты Дж. Блэком в надежде, что эти лекарственные препара­

ты смогут принести облегчение или даже полечить язву желуд­

ка. Так был создан циметидин (9.58), нашедший широкое при­

менение в клинике [Gray et al., 1977].

Ключом к решению многих проблем стало открытие того,

что 5-метилгистамин (9.59) представляет собой агонист только Н2-рецепторов (но не Н1-рецепторов). Подобное явление уже отмечали в случае метахолина ~-метилпроизводноrо АХ, прояв­ ляющего такую же, как у АХ, активность по отношению к мус­

кар иновым рецепторам, но не действующего на никотиновые (разд. 12.6). Было обнаружено, что сильное агонистическое

действие производных гистамина на Н2-рецепторы непосредст­

венно определяется возможностью таутомерии (перемещение атома водорода от одного атома азота к другому). Отсутствие

такой возможности приводит к появлению агонистическоrо дей­ ствия на Н1-рецепторы, как, например, в случае 2- (2-аминоэтил)

пиридина [Durant, Ganellin, Parsons, 1975].

Циметиднн

(9.58)

4-Метнлгистамнн

(9.59)

/JCH2CH2CHCH2 NH-?r-NHMe

Буринамнд

(9.60)

В разд. 7.5.2 обсуждался вопрос о том, что молекула анта­

гониста должна иметь значительно более сложную структуру,

чем молекула агониста. Примером этого могут служить антаго-

'НИСТЫ Н1-рецепторов. Агонистическое действие исчезает п~и

наличии в молекуле лекарственного вещества неионизирующеи­

ся боковой цепи; антагонистическая активность повышается при

удлинении боковой цепи. Подходящим концевым фрагментом

боковой цепи считают метилмочевину и некоторые другие плос­

кие структуры с двойной связью, также способствующие адсорб­

ции. На основе вышеизложенного был создан первый Н2-аrо­ нист - буринамид (9.60). Было показано, что он действует как

конкурентный и специфический антагонист гистамина на пред­

сердие морских свинок и матку крыс, на рецепторы которых

Н1-антагонисты не действуют. К сожалению, действие буринами­

да оказалось слишком слабым для применения его в клинике

[Black et al., 1972], кроме того, при пероральном введении он

плохо всасывается.

Те же исследователи заменили в молекуле буринамида одну

группу-СН2 - боковой цепи атомом серы (-S-).

Это не только облегчило процесс синтеза, но и привело к

снижению основности цикла, которая была слишком высокой

{РКа=7,3) по сравнению с гистамином (для имидазольноrо коль­

ца РКа = 6). Введение метильной группы в_ положение 5 и_мида­

зольного кольца позволило получить новыи лекарственным пре­

парат метиамид (9.61) с рКа =6,8, хорошо всасывающийся при

пероральном применении. Так, при рН 7,3 процент ионизирован­

ной формы (катиона) буринамида, метиамида и гистамина со­

ставляет 50 24 и 5% соответственно. С помощью метиамида

было вылеч~но несколько сотен больных с язвой желудка. Одна­

ко после того, как было обнаружено, что этот препарат обла­

дает способностью снижать количество гранулоцитов в крови

унебольшой группы больных, он был изъят из применения

[Durant et al., 1977].

Этот побочный эффект был ·вызван наличием в молекуле

буринамида тиомочевинного фрагмента. Поиск неионизирую­

щейся изостерной группы привел к замене ее цианогуанидино­

вым фрагментом. Полученный в результате циметидин (9.58), N-метил-N'-циано-N" - [ (5-метилимидазол-4-ил) метилтиоэтил]

гуанидин, имеет такую же величину рКа=6,8, ка~ и метиамид

[Ganellin, 1981]. Аналогичными клиническими своиствами обла­

дает препарат ранитидин (9.62), созданный несколько позднее.

Его молекула отличается от молекулы циметидина тем, что е~

боковая цепь вместо группы C=N-CN содержит изостерную еи группу =CH-NO 2. Кроме того, имидазольный цикл молекулы

циметидина заменен в этой молекуле фурановым, не обладаю­

щим основными свойствами и снижающим основность диметил­

аминогруппы боковой цепи. Способность ранитидина понижать

секрецию кислоты в желудке обсуждается в работе Bohman (1980). Заменой имидазольного цикла мочевиной был получен

препарат димаприт (7.45) (разд. 7.3).

Об антигистаминных лекарственных препаратах см. Rocha, Silva (1978).

57

Та б л н ц а 10.10. Зависимость бактериостатическоrо действия от а) степени

ионизации и б) п,11ощади п,11оской поверхности мо,11еку,11ы в ряду катионных

и ~-аминопиридина (10.18). Отсутствие антибактериальных

своиств у последних двух соединений связано с недостаточной

величиной плоской поверхности их молекул [Albert et al., 1949J. Если очертить контуры их колец (как показано на рис. 10.5), то полученная площадь составит 2,8 нм2 для хинолина и 1,7 нм2

для пиридина, тогда как для акридина она равна 3,8 нм2•