Рисунок 1. Типы молекулярных мишеней для действия лекарственных средств .
Молекулярная мишень -- это молекула или молекулярный ансамбль, имеющий специфический центр связывания для биологически активного соединения. Молекулярная мишень может быть представлена мембранными белками, распознающими гормоны или нейротрансмиттеры (рецепторы), а также ионными каналами, нуклеиновыми кислотами, молекулами-переносчиками или ферментами. Как видно из Рисунка 2, не все лекарственные соединения воздействуют на рецепторы. Большинство лекарственных средств должны связаться с молекулярной мишенью, чтобы произвести эффект, но существуют и исключения. Уже в первых исследованиях эффектов лекарств на тканях животных в конце XIX в. стало ясно, что большинство ФАВ реализуют специфическое действие в определенных тканях, т.е. соединение, которое оказывает эффект на один тип ткани, может не влиять на другой; одно и то же вещество может оказывать совершенно разные эффекты на разные ткани. Например, алкалоид пилокарпин, как и нейротрансмиттер ацетилхолин, вызывает сокращение гладких мышц кишечника и тормозит частоту сердечных сокращений. С учетом этих феноменов Сэмуэль Лэнгли (1852-1925) в 1878 г., основываясь на изучении эффектов алкалоидов пилокарпина и атропина на слюноотделение, предположил, что «существуют некие рецепторные вещества... с которыми оба могут образовывать соединения». Позже, в 1905 г., изучая действие никотина и кураре на скелетные мышцы, он обнаружил, что никотин вызывает сокращения, когда действует на определенные небольшие участки мышц. Лэнгли заключил, что «рецепторная субстанция» для никотина находится в этих участках и что кураре действует путем блокады взаимодействия никотина с рецептором .
Рисунок 2. Эффективность по отношению к эндогенному агонисту.
Таким образом, очевидно, что действие некоторых соединение может быть обусловлено не столько развитием биологического ответа на связывание с молекулярной мишенью, сколько препятствием связыванию эндогенного лиганда. Действительно, если рассматривать взаимодействие лиганда и рецептора, можно отметить, что существующие в настоящее время лекарственные соединения могут играть роль как агониста, так и антагониста. На Рисунке 3 можно увидеть более подробную классификацию лигандов по отношению к эффектам, ими обусловленными. Агонисты различаются по силе и направлению физиологического ответа, вызываемого ими. Данная классификация не связана с аффинностью лигандов и опирается лишь на величину отклика рецептора. Таким образом, можно выделить следующие классы агонистов:
o Суперагонист -- соединение, способное вызывать более сильный физиологический ответ, чем эндогенный агонист.
o Полный агонист -- соединение, вызывающее такой же отклик, как эндогенный агонист (например, изопреналин, агонист в-адренорецепторов).
o В случае меньшего отклика соединение называют частичным агонистом (например, арипипразол -- частичный агонист дофаминовых и серотониновых рецепторов).
o В случае если у рецептора имеется базальная (конститутивная) активность, некоторые вещества -- обратные агонисты -- могут уменьшать её. В частности, обратные агонисты рецепторов ГАМК A обладают анксиогенным или спазмогеннымдействием, однако могут усиливать когнитивные способности .
Рассматривая механизм связывания лиганда и рецепторной молекулы, можно увидеть, что специфичность и сила связывания обусловлена особенностями строения обоих компонентов. В частности, важную роль играет активный центр белков - определённый участок белковой молекулы, как правило, находящийся в её углублении ("кармане"), сформированный радикалами аминокислот, собранных на определённом пространственном участке при формировании третичной структуры и способный комплементарно связываться с лигандом. В линейной последовательности полипептидной цепи радикалы, формирующие активный центр, могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.
Высокая специфичность связывания белка с лигандом обеспечивается комплементарностью структуры активного центра белка структуре лиганда. Под комплементарностью понимают пространственное и химическое соответствие взаимодействующих молекул. Лиганд должен обладать способностью входить и пространственно совпадать с конформацией активного центра. Это совпадение может быть неполным, но благодаря конформационной лабильности белка активный центр способен к небольшим изменениям и "подгоняется" под лиганд. Кроме того, между функциональными группами лиганда и радикалами аминокислот, образующих активный центр, должны возникать связи, удерживающие лиганд в активном центре. Связи между лигандом и активным центром белка могут быть как нековалентными (ионными, водородными, гидрофобными), так и ковалентными. Активный центр белка - относительно изолированный от окружающей белок среды участок, сформированный аминокислотными остатками. В этом участке каждый остаток благодаря своему индивидуальному размеру и функциональным группам формирует "рельеф" активного центра.
Объединение таких аминокислот в единый функциональный комплекс изменяет реакционную способность их радикалов, подобно тому, как меняется звучание музыкального инструмента в ансамбле. Поэтому аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, часто называют "ансамблем" аминокислот.
Уникальные свойства активного центра зависят не только от химических свойств формирующих его аминокислот, но и от их точной взаимной ориентации в пространстве. Поэтому даже незначительные нарушения общей конформации белка в результате точечных изменений его первичной структуры или условий окружающей среды могут привести к изменению химических и функциональных свойств радикалов, формирующих активный центр, нарушать связывание белка с лигандом и его функцию. При денатурации активный центр белков разрушается, и происходит утрата их биологической активности.
Часто активный центр формируется таким образом, что доступ воды к функциональным группам его радикалов ограничен, т.е. создаются условия для связывания лиганда с радикалами аминокислот.
В некоторых случаях лиганд присоединяется только к одному из атомов, обладающему определённой реакционной способностью, например присоединение О 2 к железу миоглобина или гемоглобина. Однако свойства данного атома избирательно взаимодействовать с О 2 определяются свойствами радикалов, окружающих атом железа в составе тема. Гем содержится и в других белках, таких как цитохромы. Однако функция атома железа в цитохромах иная, он служит посредником для передачи электронов от одного вещества другому, при этом железо становится то двух-, то трёхвалентным.
Центр связывания белка с лигандом часто располагается между доменами. Например, протеолитический фермент трипсин, участвующий в гидролизе пептидных связей пищевых белков в кишечнике, имеет 2 домена, разделённых бороздкой. Внутренняя поверхность бороздки формируется аминокислотными радикалами этих доменов, стоящими в полипептидной цепи далеко друг от друга (Сер 177 , Гис 40 , Асп 85).
Разные домены в белке могут перемещаться друг относительно друга при взаимодействии с лигандом, что облегчает дальнейшее функционирование белка. В качестве примера можно рассмотреть работу гексокиназы, фермента, катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на молекулу глюкозы (при её фосфорилировании). Активный центр гексокиназы располагается в расщелине между двумя доменами. При связывании гексокиназы с глюкозой окружающие её домены сближаются, и субстрат оказывается в "ловушке", что облегчает его дальнейшее фосфорилирование.
Основное свойство белков, лежащее в основе их функций, - избирательность присоединения к определённым участкам белковой молекулы специфических лигандов.
Классификация лигандов
· Лигандами могут быть неорганические (часто ионы металлов) и органические вещества, низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества;
· существуют лиганды, которые изменяют свою химическую структуру при присоединении к активному центру белка (изменения субстрата в активном центре фермента);
· существуют лиганды, присоединяющиеся к белку только в момент функционирования (например, О 2 , транспортируемый гемоглобином), и лиганды, постоянно связанные с белком, выполняющие вспомогательную роль при функционировании белков (например, железо, входящее в состав гемоглобина).
В тех случаях, когда аминокислотные остатки, формирующие активный центр, не могут обеспечить функционирование данного белка, к определённым участкам активного центра могут присоединяться небелковые молекулы. Так, в активном центре многих ферментов присутствует ион металла (кофактор) или органическая небелковая молекула (кофермент). Небелковую часть, прочно связанную с активным центром белка и необходимую для его функционирования, называют"простатическая группа". Миоглобин, гемоглобин и цитохромы имеют в активном центре простетическую группу - гем, содержащий железо.
Соединение протомеров в олигомерном белке - пример взаимодействия высокомолекулярных лигандов. Каждый протомер, соединённый с другими протомерами, служит для них лигандом, так же как они для него.
Иногда присоединение какого-либо лиганда изменяет конформацию белка, в результате чего формируется центр связывания с другими лигандами. Например, белок кальмодулин после связывания с четырьмя ионами Са 2+ в специфических участках приобретает способность взаимодействовать с некоторыми ферментами, меняя их активность .
Важным понятием в теории взаимодействия лиганда и активного центра биологической мишени является «комплементарность». Активный центр фермента должен определенным образом соответствовать лиганду, что отражается в некоторых требованиях, предъявляемых к субстрату.
Рисунок 3. Схема взаимодействия лиганда и молекулярной мишени.
Так, например, ожидаемо, что для успешного взаимодействия необходимо соответствие размеров активного центра и лиганда (см. 2 положение на рисунке 3), что позволяет повысить специфичность взаимодействия и оградить активный центр от заведомо неподходящих субстратов. Вместе с тем, при возникновении комплекса «активный центр-лиганд» возможны следующие виды взаимодействий:
· вандерваальсовы связи (положение 1, рисунок 3), обусловленые флуктуациями электронных облаков вокруг противоположно поляризованных соседних атомов;
· электростатические взаимодействия (положение 3, рисунок 3), возникающие между противоположно заряженными группами;
· гидрофобные взаимодействия (положение 4, рисунок 3), обусловленные взаимным притяжением неполярных поверхностей;
· водородные связи (положение 5, рисунок 3), возникающие между подвижным атомом водорода и электроотрицательными атомами фтора, азота или кислорода.
Несмотря на относительно малую силу описанных взаимодействий (в сравнении с ковалентными связями), не стоит недооценивать их важность, отражающуюся в повышении аффинности связывания.
Обобщая вышесказанное, можно отметить, что процесс связывания лиганда и молекулярной мишени представляет собой высокоспецифический процесс, контролируемый как размером лиганда, так и его строением, что позволяет обеспечить селективность взаимодействия. Тем не менее, возможно взаимодействие между белком и не свойственным ему субстратом (т.н. конкурентное ингибирование), которое выражается в связывании с активного центра со схожим, но не целевым лигандом. Стоит отметить, что конкурентное ингибирование возможно как в естественных условиях (ингибирование малонатом фермента сукцинатдегидрогеназы, ингибирование фумаратгидратазы пиромеллитовой кислотой ), так и искусственно, во время приема лекарственных средств (ингибирование моноаминооксидазы ипрониазидом, ниаламидом, ингибирование дигидроптероатсинтетазы сульфаниламидами - структурными аналогами пара-аминобензойной кислоты, ингибирование ангиотензинпревращающего фермента каптоприлом, эналаприлом).
Таким образом, существует возможность целенаправленного изменения активности многих молекулярных систем при помощи синтетических соединений, имеющих строение, схожее с естественными субстратами.
Тем не менее, поверхностное понимание механизмов взаимодействия лигандов и молекулярных мишеней может быть чрезвычайно опасно и, зачастую, приводить к трагическим последствиям. Наиболее известным случаем можно считать т.н. «талидомидовую трагедию», которая привела вследствие приема беременными женщинами недостаточно изученного лекарственного соединения талидомида к рождение тысяч детей с врожденными уродствами.
"Московские аптеки", 2003, N 6
Влияние лекарственных веществ на органы, ткани, клетки обусловлено воздействием на биохимические субстраты, от которых зависит та или иная функция. Современные методы исследования позволяют выяснить, где находится субстрат-мишень, с которым взаимодействует лекарственное вещество, т.е. где локализовано его действие. Благодаря современным техническим средствам и усовершенствованным методическим приемам локализацию действия веществ можно установить не только на системном и органном, но и на клеточном, молекулярном и других уровнях.
Например, препараты наперстянки действуют на
сердечно-сосудистую систему (системный уровень), на сердце
(органный уровень), на мембраны кардиомиоцитов (клеточный
+ +
уровень), на Na , K - АТФазу (молекулярный уровень).
Механизм действия - это способ взаимодействия лекарственного вещества со специфическими участками связывания в организме.
Получение одного и того же фармакологического эффекта возможно с помощью нескольких препаратов, обладающих различными механизмами действия.
"Мишенями" для лекарственных средств служат рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные системы и гены.
Рецепторы (от лат. recipere - получать) представляют собой биологические макромолекулы, которые предназначены для связывания с эндогенными лигандами (нейротрансмиттерами, гормонами, факторами роста). Рецепторы могут взаимодействовать также с экзогенными биологически активными веществами, в т.ч. и с лекарственными.
При взаимодействии лекарственного вещества с рецептором развивается цепь биохимических превращений, конечным итогом которых является фармакологический эффект. Рецепторы имеют структуру липопротеинов, гликопротеинов, нуклеопротеинов, металлопротеинов. Рецепторную функцию могут выполнять ферменты, транспортные и структурные белки. В каждом рецепторе имеются активные центры, представленные функциональными группами аминокислот, фосфатидов, нуклеотидов и др.
Взаимодействие "вещество - рецептор" осуществляется за счет межмолекулярных связей.
Ковалентные связи - самый прочный вид межмолекулярных связей. Они образуются между двумя атомами за счет общей пары электронов. Ковалентные связи возникают главным образом при действии токсических доз лекарственных веществ или ядов, и разорвать эти связи во многих случаях не удается - наступает необратимое действие. Основываясь на принципе ковалентной связи, П.Эрлих в 1910 г. впервые создал органические препараты мышьяка и предложил их для лечения сифилиса. Эти соединения вступают в прочную ковалентную связь с SН-группами структурных белков и ферментов микроорганизмов, вследствие чего нарушается их функция и происходит гибель микроорганизмов.
Ионные связи возникают между ионами, несущими разноименные заряды (электростатическое взаимодействие). Этот вид связи характерен для ганглиоблокаторов, курареподобных средств и ацетилхолина.
Ион-дипольные и диполь-дипольные связи возникают в электрически нейтральных молекулах лекарственных веществ, чаще всего имеющих неодинаковые атомы. Пара общих электронов бывает сдвинута в сторону какого-либо одного атома и поэтому создает около него электроотрицательность, а у другого атома в силу этого создается электроположительность. Таким образом возникает полярность молекул.
В молекулах лекарственных веществ, попадающих в электрическое поле клеточных мембран или находящихся в окружении ионов, происходит образование индуцированного диполя. Поэтому дипольные связи лекарственных веществ с биомолекулами являются очень распространенными.
Водородные связи по сравнению с ковалентными являются слабыми, но их роль в действии лекарственных веществ весьма существенна. Атом водорода способен связывать атомы кислорода, азота, серы, галогенов. Для возникновения этой связи необходимо присутствие лекарственного вещества вблизи молекулы-мишени на расстоянии не более 0,3 нм, а реагирующий атом в молекуле лекарственного вещества должен находиться на одной прямой с группой ОН или NН2 в молекуле-мишени.
Вандерваальсовы связи возникают между двумя любыми атомами, входящими в лекарственное вещество и молекулы организма, если они будут находиться на расстоянии не более 0,2 нм. При увеличении расстояния связи резко ослабевают.
Гидрофобные связи возникают при взаимодействии неполярных молекул в водной среде.
Лекарственные вещества, как правило, взаимодействуют с молекулами клеток и жидких сред организма с помощью сравнительно слабых связей, поэтому действие их в терапевтических дозах является обратимым.
Выделяют четыре типа рецепторов:
1. Рецепторы, осуществляющие прямой контроль функции эффекторного фермента. Они связаны с плазматической мембраной клеток, фосфорилируют белки клеток и изменяют их активность. По такому принципу устроены рецепторы к инсулину, лимфокинам, эпидермальному и тромбоцитарному факторам роста.
2. Рецепторы, осуществляющие контроль за функцией ионных
каналов. Рецепторы ионных каналов обеспечивают проницаемость
мембран для ионов. Н-холинорецепторы, рецепторы глутаминовой и
аспарагиновой кислот увеличивают проницаемость мембран для ионов
Na , K , Ca , вызывая деполяризацию и возбуждение функции клеток.
ГАМКА-рецепторы, глициновые рецепторы увеличивают проницаемость
мембран для Cl , вызывая гиперполяризацию и торможение функции
клеток.
3. Рецепторы, ассоциированные с G-белками. При возбуждении
этих рецепторов влияние на активность внутриклеточных ферментов
опосредуется через G-белки. Изменяя кинетику ионных каналов и
синтез вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАГ, Са),
G-белки регулируют активность протеинкиназ, которые обеспечивают
внутриклеточное фосфорилирование важных регуляторных белков и
развитие разнообразных эффектов. К числу таких рецепторов
относятся рецепторы для полипептидных гормонов и медиаторов
(м-холинорецепторы, адренорецепторы, гистаминовые рецепторы).
Рецепторы 1-3 типов локализованы на цитоплазматической мембране.
4. Рецепторы - регуляторы транскрипции ДНК. Эти рецепторы являются внутриклеточными и представляют собой растворимые цитозольные или ядерные белки. С такими рецепторами взаимодействуют стероидные и тиреоидные гормоны. Функция рецепторов - активация или ингибирование транскрипции генов.
Рецепторы, обеспечивающие проявление действия определенных веществ, называют специфическими.
По отношению к рецепторам лекарственные вещества обладают аффинитетом и внутренней активностью.
Аффинитет (от лат. affinis - родственный) - сродство лекарственного вещества к рецептору, приводящее к образованию комплекса "вещество - рецептор". Внутренняя активность - способность вещества при взаимодействии с рецептором стимулировать его и вызывать тот или иной эффект.
В зависимости от выраженности аффинитета и наличия внутренней активности лекарственные вещества разделяют на две группы.
1. Агонисты (от греч. agonistes - соперник, agon - борьба) или миметики (от греч. mimeomai - подражать) - вещества, обладающие аффинитетом и высокой внутренней активностью. Они взаимодействуют со специфическими рецепторами и вызывают в них изменения, приводящие к развитию определенных эффектов. Стимулирующее действие агониста на рецепторы может приводить к активации или угнетению функции клетки. Полные агонисты, взаимодействуя с рецепторами, вызывают максимально возможный эффект. Частичные агонисты при взаимодействии с рецепторами вызывают меньший эффект.
2. Антагонисты (от греч. antagonisma - соперничество, anti - против, agon - борьба) или блокаторы - вещества с высоким аффинитетом, но лишенные внутренней активности. Они связываются с рецепторами и препятствуют действию эндогенных агонистов (медиаторов, гормонов).
Если антагонисты занимают те же рецепторы, что и агонисты, то их называют конкурентными антагонистами.
Если антагонисты занимают другие участки макромолекулы, не относящиеся к специфическому рецептору, но взаимосвязанные с ним, то их называют неконкурентные антагонисты.
Некоторые лекарственные вещества сочетают в себе способность возбуждать один подтип рецепторов и блокировать другой. Их называют агонисты-антагонисты. Так, наркотический анальгетик пентазоцин является антагонистом m- и агонистом d- и k-опиоидных рецепторов.
Участками связывания лекарственных веществ могут являться ионные каналы. Эти каналы представляют основные пути, по которым ионы проникают через клеточные мембраны.
Естественными лигандами ионных каналов являются медиаторы:
ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), возбуждающие
аминокислоты (аспарагиновая, глутаминовая, глицин). Увеличение
трансмембранной проводимости определенных ионов через
соответствующие каналы приводит к изменению электрического
потенциала мембраны. Так, ацетилхолин способствует открытию
ионного канала N-холинорецептора, в результате чего Na проходит в
клетку, вызывая деполяризацию мембраны и развитие потенциала
действия. ГАМК способствует открытию ионного канала Cl , что
вызывает гиперполяризацию мембраны и развитие синаптического
торможения.
Важную роль в действии лекарственных веществ играет их способность имитировать или блокировать действие эндогенных лигандов, регулирующих ток ионов через каналы плазматической мембраны.
В середине ХХ в. было установлено, что местные анестетики
блокируют потенциалозависимые Na -каналы. К числу блокаторов
Na -каналов относятся и многие противоаритмические средства. Кроме
того, было показано, что ряд противоэпилептических средств
(дифенин, карбамазепин) также блокируют потенциалозависимые
Na -каналы и с этим связана их противосудорожная активность. Ионы
Са принимают участие во многих физиологических процессах: в
сокращении гладких мышц, в проведении возбуждения по проводящей
системе сердца, в секреторной активности клеток, в функции
тромбоцитов и др. Вхождение ионов Са внутрь клетки через
потенциалозависимые Са -каналы нарушает группа лекарственных
препаратов, получившая название "блокаторы Са -каналов".
Препараты этой группы широко применяются для лечения
ишемической болезни сердца, сердечных аритмий, гипертонической
болезни. Са -каналы гетерогенны, и поэтому интерес представляет
поиск их блокаторов с преимущественным действием на сердце и
сосуды (особенно разных областей: периферических, мозга, сердца и
др.). Так, верапамил оказывает более сильное влияние на ино-,
хронотропную функцию сердца и на атриовентрикулярную проводимость
и в меньшей степени на гладкие мышцы сосудов; нифедипин оказывает
большее воздействие на гладкие мышцы сосудов и меньшее - на
функцию сердца; дилтиазем в равной степени влияет на гладкие мышцы
сосудов и проводящую систему; нимодипин обладает избирательным
цереброваскулярным действием.
В последние годы большое внимание привлекают вещества,
регулирующие функцию К -каналов. Среди лекарственных веществ
имеются как активаторы, так и блокаторы К -каналов.
Активаторы К -каналов участвуют в механизме их открытия и
выхода ионов К из клетки. Если этот процесс происходит в гладких
мышцах сосудов, то развивается гиперполяризация мембраны, тонус
мышц уменьшается и снижается артериальное давление. Такой механизм
гипотензивного действия характерен для миноксидила.
+ +
Блокаторы К -каналов препятствуют их открытию и поступлению К
в клетки. Антиаритмический эффект амиодарона и соталола обусловлен
блокадой К -каналов клеточных мембран миокарда.
Блокада АТФ-зависимых К -каналов в поджелудочной железе приводит к
повышению секреции инсулина. По такому принципу действуют
противодиабетические средства группы сульфонилмочевины
(хлорпропамид, бутамид и др.).
Важной "мишенью" для действия лекарственных веществ являются ферменты. В медицине широко применяются группы лекарственных средств, снижающие активность определенных ферментов. Блокада фермента моноаминоксидазы приводит к снижению метаболизма катехоламинов и повышению их содержания в ЦНС. На этом принципе основано действие антидепрессантов - ингибиторов МАО (ниаламида, пиразидола). Механизм действия нестероидных противовоспалительных средств обусловлен ингибированием фермента циклооксигеназы и снижением биосинтеза простагландинов.
В качестве гипотензивных средств используются ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл, периндоприл и др.). Антихолинэстеразные средства, блокирующие фермент ацетилхолинэстеразу и стабилизирующие ацетилхолин, применяются для повышения тонуса гладкомышечных органов (ЖКТ, мочевого пузыря) и скелетных мышц.
Лекарственные средства могут воздействовать на транспортные
системы молекул, ионов, медиаторов. Транспортную функцию выполняют
так называемые транспортные белки, переносящие вышеуказанные
молекулы и ионы через клеточную мембрану. Эти белки имеют
"распознающие участки" - места связывания эндогенных веществ, с
которыми могут взаимодействовать лекарственные средства. Блокада
+ +
Н, К -АТФазы секреторной мембраны париетальных клеток
("протонного насоса") прекращает поступление ионов водорода в
полость желудка, что сопровождается угнетением образования HCl.
Такой механизм действия характерен для омепразола, пантопразола,
которые применяются для лечения язвенной болезни желудка и
двенадцатиперстной кишки.
Перспективной "мишенью" для действия лекарственных средств являются гены. С помощью избирательно действующих лекарственных средств возможно оказывать прямое влияние на функцию определенных генов. Учитывая полиморфизм генов, такая задача достаточно сложна. Тем не менее исследования в области генной фармакологии получают все более широкое развитие.
Биологическое действие гормонов проявляется через их взаимодействие с рецепторами клеток-мишеней. Для проявления биологической активности связывание гормона с рецептором должно приводить к образованию химического сигнала внутри клетки, который вызывает специфический биологический ответ, например изменение скорости синтеза ферментов и других белков или изменение их активности. Мишенью для гормона могут служить клетки одной или нескольких тканей. Воздействуя на клетку-мишень, гормон вызывает специфическую ответную реакцию. Например, щитовидная железа - специфическая мишень для тиреотропина, под действием которого увеличивается количество ацинарных клеток щитовидной железы, повышается скорость биосинтеза тиреоидных гормонов. Характерный признак клетки-мишени
- способность воспринимать информацию, закодированную в химической структуре гормона.
Начальный этап в действии гормона на клетку-мишень - взаимодействие гормона с рецептором клетки. Концентрация гормонов во внеклеточной жидкости очень низка и обычно колеблется в пределах 10-6-10-11 ммоль/л. Клетки-мишени отличают соответствующий гормон от множества других молекул и гормонов благодаря наличию на клетке-мишени соответствующего рецептора со специфическим центром связывания с гормоном.
Рецепторы по своей химической природе являются белками и, как правило, состоят из нескольких доменов.
Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные вещества, например стероидные гормоны, проникают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаимодействие вызывает цепь последовательных событий в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят белковые гормоны (например, глюкагон, инсулин, паратгормон), нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляная кислота), факторы роста, цитокины, эйкозаноиды.
Внутренние - сигналы образуются и действуют в одной и той же клетке, часто сигналами выступают метаболиты. Они выполняются роль аллостерических активаторов/ ингибиторов ферментов.
Внешние – управляющие сигналы поступают в клетку из внешней среды.
Задачи:
Ø Внутреннее и межклеточное согласование метаболических процессов;
Ø Исключение холостых циклов метаболизма;
Ø Регуляция процессов образования и использования энергии;
Ø Поддержание гомеостаза;
Ø Приспособление организма к изменениям окружающей среды;
Сигнальные молекулы – эндогенные химические соединения, которые в результате взаимодействия с рецепторами обеспечивают внешнее управление биохимическими реакциями в клетках-мишенях.
Клетка-мишень - это клетка, имеющая специализированные воспринимающие рецепторы для данного вида сигнальных молекул.
Особенности сигнальных молекул:
ü Малый период жизни;
ü Высокая биологическая активность;
ü Уникальность действия;
ü Эффект усиления;
ü Один вид сигнальной молекулы может иметь несколько клеток-мишеней;
ü Реакция разных клеток-мишеней на одну сигнальную молекулу может отличаться;
Химические соединения, которые взаимодействуют с определенным рецептором, называют Лигандами.
Виды регуляторных эффектов:
1. Эндокринный – сигнальная молекула поступает с током крови к клетке-мишени из желез внутренней секреции (дистантное действие).
2. Паракринный - сигнальная молекула вырабатывается и действует на клетки в пределах одного органа или ткани.
3. Аутокринный - сигнальная молекула действует на клетку её образовавшую.
Классификация сигнальных молекул:
По химической природе:
o Органические – белковые соединения, стероиды и т.д
o Неорганические – оксид азота и т.д.
o Липофобные - не могут проникать через мембрану клетки. Они растворимы в воде.
o Липофильные - растворяются в жирах. Свободно проникают через ЦПМ и действуют на рецепторы внутри клетки.
По биологической природе:
o Гормоны (по месту образования) сигнальные молекулы с выраженным эндокринным эффектом.
o Факторы роста и цитокины – факторы роста. Это сигнальные молекулы белковой природы, которые выделяются неспециализированными клетками организма. Они регулируют рост, дифференцировку, пролиферацию соседних клеток. Действие пара- и аутокринно.
o Нейромедиаторы – выделяются нервными клетками и вызывают деполяризацию мембран. сигнальные молекулы, вырабатывающиеся нервными клетками, координирующие работу нейронов и управление периферическими тканями. Их действие связано с влиянием на ионные каналы. Они изменяют их проницаемость и вызывают деполяризацию мембраны. гипоталамус является компонентом и своеобразным «выходным каналом» лимбической системы. Это отдел промежуточного мозга, контролирующий различные параметры гомеостаза. С одной стороны он связан с ЦНС (центры ВНС), с другой - с гипофизом через нервные проводники и особую портальную систему.
Гипоталамус участвует во многих функциях нервной регуляции,а также регулирует эндокринную систему.
Регуляция метаболизма : внутренняя и внешняя. Внутренняя регуляция - управляющие сигналы образуются и действуют внутри одной и той же клетки (само-регуляция). Внешняя регуляция - управляющие сигналы поступают к клетке из внешней среды. Внутренняя регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов активаторами или ингибиторами. Внешняя регуляция обеспечивается специализированными сигнальными молекулами, которые в результате взаимодействия с ферментами обеспечивают внешнее управление биохимическими процессами в клетках-мишенях.
Общие этапы действия сигнальных молекул:
1. Распознавание сигналов рецепторами клетки-мишени
2. Передача сигнала и его усиление
3. Изменение биохимических процессов в клетке
4. Элиминация сигнала
Вторые посредники в действии липофобных сигнальных молекул, цАМФ и цГМФ -зависимые механизмы действия. Аденилатциклаза, протеинкиназа. Продемонстрировать эффекты гормонов, осуществляющие регуляторное действие при участии цАМФ.
Особенности механизма липофобных сигнальных молекул:
ü Взаимодействие с поверхностным клеточным рецептором
ü Сигнал передается с рецептора внутрь клетки и усиливается там с помощью внутриклеточных регуляторов. Высокомолекулярные вторичные посредники – Мессенжеры, Низкомолекулярные – цАМФ, цГМФ, диацилглицерол, Са.
ü Биологическое действие обусловлено сочетанием регуляции активности ранее синтезированных ферментов.
Аденилатциклазный МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ, ЗАВИСИМЫЙ ОТ ЦАМФ.
Факторы, необходимые для этого:
Этапы, стимулирующие ЦАМФ -зависимый механизм :
1. взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором;
2. изменение конформации G-белка;
3. замена ГДФ на ГТФ в альфа-S единице G-белка;α-субединица отделяется и добавляется к АЦ.
4. альфа-S ГТФ активирует АЦ;
5. АЦ синтезирует ЦАМФ;
6. ЦАМФ активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-А (ПКА);
7. ПКА фосфорилирует белки и белковые факторы транскрипции, изменяющие активность и количество ферментов;
8. Прекращение действия.
Отделение α-субединицы от АЦ
ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ.
ФОСФАТАЗА - ДЕФОСФОРИЛИРУЕТ белки.
Этапы, ингибирующие ЦАМФ -зависимый механизм:
С первого по третий те же самые этапы, отличие в G-белке (альфа-I единица). Четвёртый этап - связывание ГТФ с альфа-I единицей будет ингибировать АЦ. Ингибируюший механизм противодействует и прекращает эффекты ЦАМФ в клетке. ЦГМФ -зависимый стимулирующий механизм действия.
цЦГМФ-зависимый механизм
Рецептор встроен в мембрану клетки и связан с ферментом ГУАНИЛАТЦИКЛАЗОЙ (ГЦ). При присоединении сигнальной молекулы ГЦ активируется и катализирует реакцию ГТФ * ЦГМФ. Последний активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-G (ПКО), а она запускает реакцию фосфорилирования белков (ферментов и факторов транскрипции).
Альдостерон - регуляция объема внутриклеточной жидкости, повышение реабсорбции воды и натрия. Тироксин – повышение основного обмена
Лекция 3. Основные вопросы фармакодинамики
Местное и резорбтивное действие лекарственных средств
Действие вещества, проявляющееся на месте его приложения, называют местным. Например, обволакивающие средства покрывают слизистую оболочку, препятствуя раздражению окончаний афферентных нервов. Однако истинно местное действие наблюдается очень редко, так как вещества могут либо частично всасываться, либо оказывать рефлекторное влияние.
Действие вещества, развивающееся после его всасывания и поступления в общий кровоток, а затем в ткани, называют резорбтивным. Резорбтивное действие зависит от путей введения лекарственного вещества и его способности проникать через биологические барьеры.
При местном и резорбтивном действии лекарственные средства оказывают либо прямое, либо рефлекторное влияние. Прямое влияние реализуется на месте непосредственного контакта вещества с тканью. При рефлекторном воздействии вещества влияют на экстеро- или интерорецепторы, поэтому эффект проявляется изменением состояния либо соответствующих нервных центров, либо исполнительных органов. Так, использование горчичников при патологии органов дыхания рефлекторно улучшает их трофику (через экстерорецепторы кожи).
Основная задача фармакодинамики - выяснить, где и как действуют лекарственные вещества, вызывая те или иные эффекты, то есть установить мишени, с которыми взаимодействуют лекарства.
В качестве мишеней лекарственных средств выступают рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные системы, гены. Рецепторами называют активные группировки макромолекул субстратов, с которыми взаимодействует вещество. Рецепторы, обеспечивающие проявление действия вещества, называют специфическими.
Выделяют 4 типа рецепторов:
§ рецепторы, осуществляющие прямой контроль за функцией ионных каналов (Н-холинорецепторы, ГАМКА-рецепторы);
§ рецепторы, сопряженные с эффектором через систему "G-белки-вторичные передатчики" или "G-белки-ионные каналы". Такие рецепторы имеются для многих гормонов и медиаторов (М-холинорецепторы, адренорецепторы);
§ рецепторы, осуществляющие прямой контроль функции эффекторного фермента. Они непосредственно связаны с тирозинкиназой и регулируют фосфорилирование белков (рецепторы инсулина);
§ рецепторы, осуществляющие транскрипцию ДНК. Это внутриклеточные рецепторы. С ними взаимодействуют стероидные и тиреоидные гормоны.
Сродство вещества к рецептору, приводящее к образованию с ним комплекса "вещество-рецептор", обозначается термином "аффинитет". Способность вещества при взаимодействии со специфическим рецептором стимулировать его и вызывать тот или иной эффект называется внутренней активностью.
Фармакодинамика - раздел клинической фармакологии, изучающий механизмы действия, характер, силу и длительность фармакологических эффектов ЛС, используемых в клинической практике.
Пути воздействия ЛС на организм человека
Большинство ЛС, связываясь с рецепторами или другими молекулами-мишенями, образуют комплекс «ЛС-рецептор», при этом происходит запуск определённых физиологических или биохимических процессов (или количественное их изменение) в организме человека. В таком случае говорят о прямом действии ЛС. Структура ЛС прямого действия, как правило, аналогична строению эндогенного медиатора (однако при взаимодействии ЛС и медиатора с рецептором нередко регистрируют различные эффекты).
Группы лекарственных средств
Для удобства примем величину эффекта эндогенного медиатора, связывающегося с рецептором, равной единице. Существует классификация ЛС, созданная на основе данного предположения.
Агонисты - ЛС, связывающиеся с теми же рецепторами, что и эндогенные медиаторы. Агонисты производят эффект, равный единице (или больше единицы).
Антагонисты - ЛС, соединяющиеся с теми же рецепторами, что и эндогенные медиаторы; не оказывают никакого действия (в таком случае говорят о «нулевом эффекте»).
Частичные агонисты или агонисты-антагонисты - ЛС, связывающиеся с тем же рецепторами, что и эндогенные медиаторы. Эффект, регистрируемый при взаимодействии частичного агониста с рецептором, всегда больше нуля, но меньше единицы.
Все естественные медиаторы - агонисты своих рецепторов.
Нередко отмечают опосредованное действие, заключающееся в изменении активности молекул-мишеней под влиянием ЛС (воздействует таким образом на различные метаболические процессы).
Молекулы-мишени ЛС
ЛС, связываясь с молекулой-мишенью, принадлежащей клетке (или расположенной внеклеточно), модифицирует её функциональный статус, приводя к усилению, ослаблению или стабилизации филогенетически детерминированных реакций организма.
Рецепторы.
- Мембранные (рецепторы I, II и III типов).
- Внутриклеточные (рецепторы IV типа).
Нерецепторные молекулы-мишени цитоплазматической мембраны.
- Цитоплазматические ионные каналы.
- Неспецифические белки и липиды цитоплазматической мембраны.
Иммуноглобулиновые молекулы-мишени.
Ферменты.
Неорганические соединения (например, соляная кислота и металлы).
Молекулы-мишени обладают комплементарностью к эндогенным медиаторам и соответствующим ЛС, заключающейся в определён- ном пространственном расположении ионных, гидрофобных, нуклеофильных или электрофильных функциональных групп. Многие ЛС (антигистаминные препараты I поколения, трициклические антидепрессанты и некоторые другие) могут связываться с морфологически близкими, но функционально отличающимися молекуламимишенями.
Виды связей лекарственных средств с молекулами-мишенями
Самые слабые связи между ЛС и молекулой-мишенью - ван-дерваальсовые связи, обусловленные дипольными взаимодействиями; наиболее часто определяют специфичность взаимодействия препарата и молекулы-мишени. Гидрофобные связи, характерные для ЛС стероидной структуры, более сильные. Гидрофобные свойства глюкокортикостероидных гормонов и липидного бислоя плазматической мембраны позволяют таким ЛС легко проникать через цитоплазматическую и внутриклеточную мембраны внутрь клетки и ядра к своим рецепторам. Ещё более сильные водородные связи образуются между атомами водорода и кислорода соседних молекул. Водородные и вандер-ваальсовые связи возникают при наличии комплементарности ЛС и молекул-мишеней (например, между агонистом или антагонистом и рецептором). Их сила достаточна для образования комплекса ЛС-ре- цептор.
Наиболее сильные связи - ионные и ковалентные. Ионные связи формируются, как правило, между ионами металлов и остатками сильных кислот (антациды) при поляризации. При соединении ЛС и рецептора возникают необратимые ковалентные связи. Антагонис-
ты необратимого действия связываются с рецепторами ковалентно. Большое значение имеет образование координационных ковалентных связей. Стабильные хелатные комплексы (например, соединение ЛС и его антидота - унитиола* с дигоксином) - простая модель координационной ковалентной связи. При формировании ковалентной связи обычно происходит «выключение» молекулы-мишени. Этим объясняют формирование стойкого фармакологического эффекта (антиагрегантный эффект ацетилсалициловой кислоты - результат её необратимого взаимодействия с циклооксигеназой тромбоцитов), а также развитие некоторых побочных эффектов (ульцерогенное влияние ацетилсалициловой кислоты - следствие образования неразрывной связи между данным лекарственным веществом и циклооксигеназой клеток слизистой оболочки желудка).
Нерецепторные молекулы-мишени плазматической мембраны
Препараты, используемые для ингаляционного наркоза - пример ЛС, связывающихся с нерецепторными молекулами-мишенями плазматической мембраны. Средства для ингаляционного наркоза (галотан, энфлуран*) неспецифически соединяются с белками (ионными каналами) и липидами плазматической мембраны центральных нейронов. Существует мнение, что в результате такого связывания препараты нарушают проводимость ионных каналов (в том числе натриевых), приводя к увеличению порога потенциала действия и уменьшению частоты его возникновения. Средства для ингаляционного наркоза, соединяясь с элементами мембран центральных нейронов, вызывают обратимое изменение их упорядоченной структуры. Данный факт под- тверждён экспериментальными исследованиями: анестезированные животные быстро выходят из состояния общего наркоза при помещении их в гипербарическую камеру, где происходит восстановление мембранных нарушений.
Нерецепторные плазматические структуры (потенциал-зависимые натриевые каналы) также выполняют функции молекул-мишеней местных анестетиков. ЛС, связываясь с потенциал-зависимыми натриевыми каналами аксонов и центральных нейронов, блокируют каналы, и, таким образом, нарушают их проводимость для ионов натрия. В результате происходит нарушение деполяризации клетки. Терапевтические дозы местных анестетиков блокируют проводимость периферических нервов, а токсические их количества угнетают и центральные нейроны.
У некоторых ЛС отсутствуют свои молекулы-мишени. Однако такие препараты выполняют функцию субстратов для многих метаболических реакций. Существует понятие «субстратного действия» ЛС:
их применяют для восполнения недостатка различных необходимых организму субстратов (например, аминокислоты, витамины, витаминно-минеральные комплексы и глюкоза).
Рецепторы
Рецепторы - белковые макромолекулы или полипептиды, нередко соединённые с полисахаридными ветвями и остатками жирных кислот (гликопротеины, липопротеины). Каждое ЛС можно сравнить с ключом, подходящим к своему замку - специфическому рецептору данного вещества. Однако только часть молекулы рецептора, называемая сайтом связывания, представляет «замочную скважину». ЛС, соединяясь с рецептором, потенцирует формирование в нём конформационных изменений, приводящих к функциональным изменениям других частей рецепторной молекулы.
Типичная схема работы рецепторов включает четыре этапа.
Связывание ЛС с рецептором, расположенным на клеточной поверхности (или внутриклеточно).
Образование комплекса ЛС-рецептор и, следовательно, изменение конформации рецептора.
Передача сигнала от комплекса ЛС-рецептор к клетке через различные эффекторные системы, многократно усиливающие и интерпретирующие этот сигнал.
Клеточный ответ (быстрый и отсроченный).
Выделяют четыре фармакологически значимых типа рецепторов
Рецепторы - ионные каналы.
Рецепторы, сопряжённые с G-белками.
Рецепторы, обладающие тирозинкиназной активностью.
Внутриклеточные рецепторы. Мембранные рецепторы
Рецепторы I, II и III типов встроены в плазматическую мембрану - трансмембранные белки по отношению к клеточной мембране. Рецепторы IV типа расположены внутриклеточно - в ядре и других субклеточных структурах. Кроме того, выделяют иммуноглобулиновые рецепторы, представляющие гликопротеиновые макромолекулы.
Рецепторы I типа имеют вид и строение ионных каналов, обладают сайтами связывания со специфическим ЛС или медиатором, индуцирующим открытие ионного канала, образованного рецептором. Один из представителей I типа рецепторов - N-холинорецептор - гликопротеин, состоящий из пяти трансмембранных полипептидных субъединиц. Выделяют четыре вида субъединиц - α, β, γ и δ тип. В состав гликопротеина входят по одной субъединице β, γ и δ типа и
две α субъединицы. Трансмембранные полипептидные субъединицы имеют вид цилиндров, пронизывающих мембрану и окружающих узкий канал. Каждый тип субъединиц кодирует собственный ген (однако гены обладают значительной гомологией). Участки связывания ацетилхолина локализуются на «внеклеточных концах» α-субъединиц. При связывании ЛС с этими участками наблюдают конформационные изменения, приводящие к расширению канала и облегчению проводимости ионов натрия, а следовательно, к деполяризации клетки.
К I типу рецепторов, кроме N-холинорецептора, относят также ГАМК А -рецептор, глициновые и глутаматные рецепторы.
Рецепторы, сопряжённые с G-белками (II тип) - самая многочисленная группа рецепторов, обнаруженных в организме человека; выполняют важные функции. С рецепторами II типа связываются большинство нейромедиаторов, гормонов и ЛС. К наиболее распро- странённым клеточным рецепторам этого типа относят вазопрессиновые и ангиотензиновые, α-адренорецепторы, β-адренорецепторы и м-холинорецепторы, опиатные и дофаминовые, аденозиновые, гистаминовые и многие другие рецепторы. Все вышеперечисленные рецепторы - мишени ЛС, составляющих обширные фармакологические группы.
Каждый рецептор второго типа представляет полипептидную цепь с N-концом (расположен во внеклеточной среде) и С-концом (локализован в цитоплазме). При этом полипептидная цепь рецептора семь раз пронизывает плазматическую мембрану клетки (имеет семь трансмембранных сегментов). Таким образом, структуру рецептора II типа можно сравнить с нитью, поочерёдно прошивающей ткань с обеих сторон семь раз. Специфичность различных рецепторов второго типа зависит не только от аминокислотной последовательности, но и от длины и соотношения «петель», выпячивающихся наружу и внутрь клетки.
Рецепторы второго типа образуют комплексы с мембранными G-белками. G-белки состоят из трёх субъединиц: α, β и γ. После связывания рецептора с ЛС образуется комплекс ЛС-рецептор. Затем в рецепторе происходят конформационные изменения. G-белок, связываясь одной или двумя субъединицами со своими «мишенями», активирует или ингибирует их. Аденилатциклаза, фосфолипаза С, ионные каналы, циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)-фосфодиэстераза - мишени G-белка. Как правило, активированные ферменты передают и усиливают «сигнал» через системы вторичных посредников.
Рецепторы с тирозинкиназной активностью
Рецепторы с тирозинкиназной активностью (III тип) - рецепторы пептидных гормонов, регулирующих рост, дифференцировку и
развитие. К пептидным гормонам относят, например, инсулин, эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов. Как правило, связывание рецептора с гормоном активирует тирозиновую протеинкиназу, представляющую цитоплазматическую часть (домен) рецептора. Мишень протеинкиназы - рецептор, обладающий способностью к аутофосфорилированию. Каждый полипептидный рецептор имеет один трансмембранный сегмент (домен).
Однако, как показали исследования, не тирозиновая протеинкиназа, а гуанилатциклаза, катализирующая образование вторичного посредника цГМФ, выполняет функции цитоплазматического домена рецептора предсердного натрийуретического пептида.
Внутриклеточные рецепторы
К внутриклеточным рецепторам (IV тип) относят рецепторы глюкокортикостероидных и тиреоидных гормонов, а также рецепторы ретиноидов и витамина D. В состав группы внутриклеточных рецепторов входят рецепторы, не связанные с плазматической мембраной, локализованные внутри ядра клетки (это главное отличие).
Внутриклеточные рецепторы представляют растворимые ДНК-связывающие белки, регулирующие транскрипцию определённых генов. Каждый рецептор IV типа состоит из трёх доменов - гормон-связывающего, центрального и N-терминального (домен N-конца молекулы рецептора). Эти рецепторы качественно и количественно регулируют уровень транскрипции определённого «набора» генов, специфичного для каждого рецептора, а также вызывают модификацию биохимического и функционального статуса клетки и её метаболических процессов.
Эффекторные системы рецепторов
Существуют различные способы передачи сигналов, формирующихся в процессе функционирования рецепторов, клетке. Путь передачи сигнала зависит от типа рецептора (табл. 2-1).
Главные вторичные посредники - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), ионы кальция, инозитолтрифосфат и диацилглицерол.
Иммуноглобулины (иммуноглобулиновые рецепторы)
С помощью иммуноглобулиновых рецепторов клетки имеют возможность «узнавать» друг друга или антигены. В результате взаимодействия рецепторов происходит адгезия клетки с клеткой или клетки с антигеном. К рецепторам этого типа относят и антитела, свободно циркулирующие во внеклеточных жидкостях и не связанные с клеточными структурами. Антитела, «маркируя» антигены для последующего фагоцитоза, отвечают за развитие гуморального иммунитета.
Таблица 2-1. Эффекторные системы рецепторов
Тип рецептора Пример рецептора Способы передачи сигналов
К типу иммуноглобулинов принадлежат рецепторы, выполняющие функцию «сигнализации» при формировании различных видов и фаз иммунного ответа и иммунной памяти.
Основные представители рецепторов иммуноглобулинового типа (суперсемейства).
Антитела - иммуноглобулины (Ig).
Т-клеточные рецепторы.
Гликопротеины МНС I и МНС II (Major Histocompatibility Complex - главный комплекс гистосовместимости).
Гликопротеины клеточной адгезии (например, CD2, CD4 и CD8).
Некоторые полипептидные цепи комплекса CD3, ассоциированного с Т-клеточными рецепторами.
Fc-рецепторы, расположенные на различных типах лейкоцитов (лимфоциты, макрофаги, нейтрофилы).
Функциональная и морфологическая обособленность иммуноглобулиновых рецепторов позволяет выделить их в отдельный тип.
Ферменты
Многие ЛС, связываясь с ферментами, обратимо или необратимо ингибируют или активируют их. Так, антихолинэстеразные средства усиливают действие ацетилхолина, блокируя расщепляющий его фермент - ацетилхолинэстеразу. Ингибиторы карбоангидразы - группа диуретиков, опосредованно (под влиянием карбоангидразы) уменьшающих реабсорбцию ионов натрия в проксимальных канальцах. НПВС - ингибиторы циклооксигеназы. Однако ацетилсалициловая кислота, в отличие от других НПВС, необратимо блокирует циклооксигеназу, ацетилируя остатки серина (аминокислота) в молекуле фермента. Существует два поколения ингибиторов моноаминоксидазы (МАО). Ингибиторы МАО - ЛС, относящиеся к группе антидепрессантов. Ингибиторы МАО первого поколения (например, фенелзин и изокарбоксазид) необратимо блокируют фермент, окисляющий такие моноамины, как, норадреналин* и серотонин (их недостаток обнаруживают при депрессии). Новое поколение ингибиторов МАО (например, моклобемид) обратимо ингибирует фермент; при этом отмечают меньшую выраженность побочных эффектов (в частности, «тираминового» синдрома).
Неорганические соединения
Существуют ЛС, направленно нейтрализующие или связывающие активные формы различных неорганических соединений. Так, антациды нейтрализуют избыток соляной кислоты желудочного сока, умень-
шая её повреждающее действие на слизистую оболочку желудка и двенадцатиперстной кишки.
Хелатообразующие вещества (комплексоны), соединяясь с опре- делёнными металлами, образуют химически инертные комплексные соединения. Этот эффект используют при лечении отравлений, вызванных приёмом внутрь (или ингаляционно) веществ, содержащих различные металлы (мышьяк, свинец, железо, медь).
Молекулы-мишени, расположенные на чужеродных организмах
Механизмы действия антибактериальных, антипротозойных, антигельминтозных, противогрибковых и противовирусных ЛС очень разнообразны. Приём антибактериальных препаратов, как правило, приводит к нарушению различных этапов синтеза клеточной стенки бактерий (например, к синтезу дефектных белков или РНК в бактериальной клетке) или изменению других механизмов поддержания жизнедеятельности микроорганизма. Подавление или эрадикация возбудителя инфекции - главная цель лечения.
Механизм бактерицидного действия β-лактамных антибиотиков, гликопептидов и изониазида - блокада различных этапов синтеза клеточной стенки микроорганизмов. Все β-лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы) обладают сходным принципом действия. Пенициллины производят бактерицидный эффект, связываясь с пенициллинсвязывающими белками бактерий (выполняют функции ферментов на завершающем этапе синтеза основного компонента клеточной стенки бактерий - пептидогликана). Общность механизма действия β-лактамных антибиотиков заключается в создании препятствий для образования связей между полимерными цепями пептидогликанов с помощью пентаглициновых мостиков (часть структуры антибактериальных препаратов напоминает D-аланил-D-аланин-пептидную цепь клеточной стенки бактерий). Гликопептиды (ванкомицин и тейкопланин*) нарушают синтез клеточной стенки другим способом. Так, ванкомицин оказывает бактерицидное действие, соединяясь со свободной карбоксильной группой пентапептида; таким образом, возникает пространственное препятст-
вие элонгации (удлинения) пептидогликанового хвоста. Изониазид (противотуберкулёзное ЛС) ингибирует синтез миколевых кислот - структурного компонента микобактериальной клеточной стенки.
Механизм бактерицидного действия полимиксинов состоит в нарушении целостности цитоплазматической мембраны бактерий.
Аминогликозиды, тетрациклины, макролиды и левомицетин* угнетают синтез белка бактериальных клеток. Рибосомы бактерий (50S- субъединицы и 30S-субъединицы) и рибосомы человека (6OS-субъеди- ницы и 40S-субъединицы) имеют различную структуру. Этим объясняют избирательное влияние названных групп лекарственных веществ на микроорганизмы. Аминогликозиды и тетрациклины соединяются с 30S-субъединицей рибосомы и ингибируют связывание аминоацилтРНК с А-участком этой тРНК. Кроме того, аминогликозиды нарушают процессы считывания мРНК, блокируя синтез белка. Левомицетин * изменяет процесс транспептидации (перенос растущей аминокислотной цепи на рибосоме с Р-участка на А-участок к вновь приносимым тРНК аминокислотам). Макролиды связываются с 50S-субъединицей рибосомы и ингибируют процесс транслокации (перенос аминокислотной цепи с А-участка на Р-участок).
Хинолоны и фторхинолоны угнетают ДНК-гиразы (топоизомеразу II и топоизомеразу IV) - ферменты, способствующие скручиванию бактериальной ДНК в спираль, необходимую для нормального её функционирования.
Сульфаниламиды ингибируют дигидроптероатсинтетазу, тем самым блокируя синтез предшественников пуринов и пиримидинов (дигидроптеровой и дигидрофолиевой кислот), необходимых для построения ДНК и РНК. Триметоприм угнетает дигидрофолатредуктазу (сродство к бактериальному ферменту очень высоко), нарушая образование тетрагидрофолиевой кислоты (предшественника пуринов и пиримидинов) из дигидрофолиевой. Итак, сульфаниламиды и триметоприм действуют в синергизме, блокируя разные стадии одного процесса - синтеза пуринов и пиримидинов.
5-Нитроимидазолы (метронидазол, тинидазол) оказывают избирательное бактерицидное действие в отношении бактерий, ферментные системы которых способны восстанавливать нитрогруппу. Активные восстановленные формы этих ЛС, нарушая репликацию ДНК и синтез белка, ингибируют тканевое дыхание.
Рифампицин (противотуберкулёзный препарат) специфически угнетает синтез РНК.
Противогрибковые и противовирусные средства обладают некоторым сходством механизмов действия. Производные имидазола и триазола ингибируют синтез эргостерола - главного структурного компо-
нента грибковой клеточной стенки, а полиеновые антибактериальные препараты (амфотерицин, нистатин) связываются с ним. Флуцитозин (противогрибковое ЛС) блокирует синтез грибковой ДНК. Многие противовирусные ЛС (например, ацикловир, идоксуридин, зидовудин - аналоги нуклеозидов) также угнетают синтез вирусных ДНК и
N-холинорецепторы нервно-мышечных синапсов гельминтов - молекулы-мишени таких противогельминтных ЛС, как, пирантел и левамизол. Стимуляция данных рецепторов вызывает тотальный спастический паралич.
Характер, сила и длительность действия ЛС
Длительность, силу и способ взаимодействия ЛС и молекулы-мишени характеризует фармакологический ответ (как правило, обусловлен прямым действием препарата, реже - изменением сопряжённой системы, и только в единичных случаях регистрируют рефлекторный фармакологический ответ).
Основным действием ЛС считают эффект вещества, используемый при лечении данного больного. Другие фармакологические эффекты рассматриваемого ЛС называют второстепенными (или неосновными). Функциональные нарушения, вызванные приёмом препарата, рассматривают как нежелательные реакции (см. главу 4 «Побочные эффекты лекарственных средств»). Один и тот же эффект в одном случае может быть основным, а в другом - второстепенным.
Выделяют генерализованное или локальное (местное) действия ЛС. Местные эффекты наблюдают при использовании мазей, присыпок или ЛС, принимаемых внутрь, не всасывающихся в ЖКТ, либо, наоборот, хорошо всасывающихся, но концентрирующихся в одном органе. В большинстве случаев при проникновении ЛС в биологические жидкости организма его фармакологический эффект может сформироваться в любой точке организма.
Способность многих ЛС воздействовать при монотерапии на различные уровни регуляции и процессы клеточного метаболизма одновременно в нескольких функциональных системах или органах доказывает полиморфизм их фармакологического эффекта. С другой стороны, столь большое многообразие мишеней на всех уровнях регуляции объясняет одинаковый фармакологический эффект ЛС, имеющих различную химическую структуру.
Хаотическое движение молекул позволяет ЛС оказаться вблизи оп- ределённого участка (при высоком аффинитете к рецепторам); при этом необходимого эффекта достигают даже при назначении низких концентраций ЛС. При увеличении концентрации молекул ЛС,
они вступают в реакцию с активными центрами других рецепторов (к которым у них меньший аффинитет); в результате возрастает число фармакологических эффектов, а также исчезает их селективность. Например, β 1 -адреноблокаторы в небольших дозах ингибируют только β 1 -адренорецепторы. Однако при увеличении дозы β 1 -адреноблокаторов, их селективность исчезает, при этом отмечают блокаду всех β-адренорецепторов. Подобную картину наблюдают и при назначении β-адреномиметиков. Таким образом, при увеличении дозы ЛС наряду с некоторым усилением клинического эффекта всегда регистрируют, и значительно, увеличение количества побочных эффектов.
Состояние молекулы-мишени (как в основной, так и в сопряжён- ной системе) необходимо учитывать при прогнозировании и оценке эффективности действия ЛС. Нередко преобладание побочных эффектов над основным действием обусловлено нарушением физиологического баланса вследствие характера заболевания или индивидуальных особенностей пациента.
Более того, сами ЛС могут изменять чувствительность молекул-мишеней, варьируя скорости их синтеза или деградации или индуцируя формирование различных модификаций мишеней под действием внутриклеточных факторов, - всё это приводит к изменению фармакологического ответа.
По фармакологическим эффектам ЛС можно разделить на две группы - вещества, обладающие специфическим и неспецифическим действием. К ЛС неспецифического действия относят препараты, вызывающие развитие широкого спектра фармакологических эффектов путём влияния на различные системы биологического обеспечения. В эту группу ЛС входят, в первую очередь, субстратные вещества: витаминные комплексы, глюкоза и аминокислоты, макроэлементы и микроэлементы, а также растительные адаптогены (например, женьшень и элеутерококк). В связи с отсутствием чётких границ, определяющих основной фармакологический эффект данных ЛС, их назначают большому количеству пациентов при разных заболеваниях.
Если ЛС действует (как агонист или антагонист) на рецепторный аппарат определённых систем, его влияние рассматривают как специфическое. К этой группе ЛС относят антагонисты и агонисты различных подтипов адренорецепторов, холинорецепторов и т.д. Органное расположение рецепторов не влияет на эффект, производимый препаратами специфического действия. Поэтому, несмотря на специфичность действия данных ЛС, регистрируют различные фармакологические ответы. Так, ацетилхолин вызывает сокращение гладких мышц бронхов, пищеварительного тракта, увеличивает секрецию слюнных желёз. Атропин производит противоположный эффект. Избиратель-
ность или селективность действия ЛС отмечают только при изменении активности системы только в определённой её части или в одном органе. Например, пропранолол блокирует все β-адренорецепторы симпатоадреналовой системы. Атенолол - селективный β 1 -адреноблокатор - блокирует только β 1 -адренорецепторы сердца и не влияет на β 2 -адренорецепторы бронхов (при использовании небольших доз). Сальбутамол избирательно стимулирует β 2 -адренорецепторы бронхов, оказывая незначительное действие на β 1 -адренорецепторы сердца.
Избирательность (селективность) действия ЛС - способность вещества накапливаться в ткани (зависит от физико-химических свойств ЛС) и производить требуемый эффект. Избирательность обусловлена также сродством к рассматриваемому морфологическому звену (с учё- том строения клеточной мембраны, особенностей клеточного метаболизма и т.д.). Большие дозы селективно действующих ЛС чаще всего оказывают влияние на всю систему, но вызывают фармакологический ответ, соответствующий специфическому действию ЛС.
Если основная масса рецепторов взаимодействует с ЛС, то отмечают быстрое наступление фармакологического эффекта и его большую выраженность. Процесс происходит только при высоком аффинитете ЛС (его молекула может иметь строение, сходное со структурой естественного агониста). Активность ЛС и длительность его действия в большинстве случаев пропорциональны скорости образования и диссоциации комплекса с рецептором. При повторном введении ЛС иногда регистрируют снижение эффекта (тахифилаксию), т.к. не все рецепторы освободились от предыдущей дозы препарата. Уменьшение выраженности эффекта происходит и в случае истощения рецепторов.
Реакции, регистрируемые при введении лекарственных средств
Ожидаемый фармакологический ответ.
Гиперреактивность - повышенная чувствительность организма к используемому ЛС. Например, при сенсибилизации организма пенициллинами повторное их введение может привести к возникновению реакции гиперчувствительности немедленного типа или даже к развитию анафилактического шока.
Толерантность - снижение чувствительности к применяемому ЛС. Например, при бесконтрольном и длительном приеме β 2 -адреномиметиков, толерантность к ним возрастает, а фармакологический эффект уменьшается.
Идиосинкразия - индивидуальная чрезмерная чувствительность (непереносимость) к данному препарату. Например, причиной идиосинкразии может быть генетически обусловленное отсутс-
твие ферментов, метаболизирующих данное вещество (см. главу 7 «Клиническая фармакогенетика»).
Тахифилаксия - быстро развивающаяся толерантность. К некоторым ЛС, например к нитратам (при непрерывном и длительном их применении), толерантность развивается особенно быстро; при этом препарат заменяют или увеличивают его дозу.
Оценивая время действия ЛС, необходимо выделять латентный период, максимальное действие, время удержания эффекта и время последействия.
Время латентного периода ЛС, особенно при ургентных ситуациях, определяет их выбор. Так, в одних случаях латентный период составляет секунды (сублингвальная форма нитроглицерина), в других - дни и недели (аминохинолин). Длительность латентного периода может быть обусловлена постоянным накоплением ЛС (аминохинолин) в месте его воздействия. Нередко длительность латентного периода зависит от опосредованного механизма действия (гипотензивный эффект β-адреноблокаторов).
Время удержания эффекта - объективный фактор, определяющий кратность назначения и длительность применения ЛС.
Подразделяя ЛС по фармакологическим эффектам, необходимо учитывать, что в основе одного и того же симптома лежат различные механизмы действия. Примером служит гипотензивное влияние таких ЛС, как диуретики, β-адреноблокаторы, блокаторы медленных кальциевых каналов (различные механизмы действия производят один и тот же клинический эффект). Этот факт учитывают при выборе ЛС или их комбинации при проведении индивидуальной фармакотерапии.
Существуют факторы, влияющие на скорость наступления эффекта, его силу и продолжительность при применении лекарственных веществ.
Скорость, способ введения и доза ЛС, взаимодействующего с рецептором. Например, внутривенное струйное введение 40 мг фуросемида производит более быстрый и выраженный диуретический эффект, чем 20 мг препарата, введённого внутривенно или 40 мг диуретика, принятого внутрь.
Тяжёлое течение заболевания и связанные с ним органические поражения органов и систем. Большое влияние на функциональное состояние основных систем оказывают и возрастные аспекты.
Взаимодействие используемых ЛС (см. главу 5 «Взаимодействие лекарственных средств»).
Важно знать, что применение некоторых ЛС оправдано лишь при условии первоначального патологического изменения системы или акцепторов мишени. Так, жаропонижающие ЛС (антипиретики) снижают температуру только при лихорадке.
