|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Общая схема и основные реакции конъюгации в живых системах. Ферменты, катализирующие эти реакции.
Реакции конъюгации. К конъюгационным относятся процессы биосинтеза, в результате которых из ксенобиотиков или их метаболитов и эндогенных продуктов (глюкуроновой кислоты, ацетилсульфата, глицина и др.) образуются сложные вещества. Схематически реакцию конъюгации можно представить в следующем виде: фермент RX + эндогенное соединение (донорное в-во) ¾ ¾ ¾ ® конъюгат.
Как и большинство биосинтетических реакций, это энергозависимые процессы, подразделяющиеся на две группы. В основу классификации положена природа активных промежуточных продуктов реакций. Первую группу составляют процессы, в результате которых образуются активированные конъюгирующие агенты:
энергия субстрат конъюгирующий ¾ ¾ ¾ ¾ ® активированный ¾ ¾ ¾ ¾ ® продукт
агент конъюгирующий агент конъюгации. Для второй группы характерно образование активированного субстрата: энергия конъюгирующий агент субстрат ¾ ¾ ¾ ¾ ® активированный ¾ ¾ –––––¾ ¾ ® продукт субстрат конъюгации. К первому типу относятся реакции метелирования, ацетилирования, образование глюкуронидов, гликозидов и сульфатов, к второму – аминокислотная конъюгация. Реакции конъюгации катализируются ферментами трансферазами, переносящими заместитель в другое соединение. В определенных ситуациях реакции конъюгации считаются высокоэффективными путями снижения токсичности некоторых ксенобиотиков. Наиболее изучены реакции конъюгации, в которых участвуют следующие молекулы.
2. Глицин. Его конъюгация с бензойной кислотой, описанная Келлером в 1842 г. – одна из первых изученных реакций биотрансформации. Глицин служит также конъюгирующим агентом при метаболизме никотиновой кислоты.
Глицин служит также конъюгирующим агентом при метаболизме никотиновой кислоты.
3. Глутатионовая конъюгация. Трипептид глутатион – эффективный конъюгирующий агент для конденсирования кольцевых систем – нафталина, антрацена, фенантрена. Многие ксенобиотики выделяются в мочу в виде меркаптуровых кислот. Такие конъюгаты образуются в результате взаимодействия ксенобиотиков с глутатионом. Катализирует реакции глутатион-S-трансфераза. C4H9Br + Glu ¾ ¾ ® C4H9 – S – Glu ¾ ¾ ® C4H9S – Cys – Glu бромбутан глутатион ¯ глутаминовая кислота
¯ C4H9 – S – CH2CHOOH ¾ ¾ C4H9 – S – CH2CHCOOH │ │ NHCOCH3 NH2 меркаптуровая кислота цистеин Меркаптуровые кислоты образуются в довольно сложной последовательности. На первой стадии экзогенное соединение или его метаболит реагирует с глутатионом, являющимся компонентом многих клеток. Последующий гидролиз двух аминокислотных групп приводит к образованию серосодержащей аминокислоты – цистеина, который затем ацетилируется с образованием меркаптуровой кислоты. Глутатион принимает участие в реакциях биотрансформации таких устойчивых ксенобиотиков, как нафталин. Наиболее изучены реакции конъюгации, в которых участвуют следующие молекулы.
4. Алкилирование с участием метионина и этионина. Таким образом метилируется пиридин, пирогаллол; сульфиты, селениты, теллуриты подвергаются биологическому метилированию и превращаются в летучие диметильные производные. 5. Орнитин используется при детоксикации бензойной кислоты в организме рептилий и птиц, а аргинин – в организме членистоногих. 6. Глутамин у приматов используется для конъюгации фенилуксусной кислоты и некоторых ее гетероциклических аналогов.
Гликозирование является основным путем детоксикации растениями чужеродных фенолов, при этом образуются довольно сложные соединения. Примером может служить продукт конъюгации пентахлорфенола с глюкозой. Среди млекопитающих глюкозидная конъюгация встречается в организмах кролика, мышей, крыс и человека. Реакция происходит в две стадии и катализируется УДФ-глюкозопирофосфорилазой и УДФ-глюкозилтрансферазой.
8. Конъюгация ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой (образование глюкуронидов) – наиболее важный механизм детоксикации ксенобиотиков. В реакции участвует активная форма глюкуроновой кислоты – УДФГ. Катализирует процесс уридиндифосфатглюкуронозилтрансфераза (УДФГТ), локализованная в мембранах ЭР гепатоцитов, легких, кожи, кишечника, почек. Глюкуроновая кислота – это 6-карбоксильное производное глюкозы – используется для конъюгации с ксенобиотиками у большинства позвоночных и всех млекопитающих. Она имеет преимущество перед глюкозой как детоксицирующий агент, поскольку содержит ионизируемую группу. Конъюгации подвергаются спирты, фенолы, карбокислоты, амины, гидроксиламины, карбамиды, сульфонамиды и тиолы. При переносе глюкуроновой кислоты из донорной молекулы – уридиндифосфоглюкуроновой кислоты (УДФГ) – в акцепторное вещество путем ферментативной реакции образуются глюкурониды.
9. Лигнин. В последнее время в растениях удалось обнаружить новый тип конъюгата – нерастворимые конъюгаты с лигнином. С ним могут ковалентно связываться молекулы пестицидов 2, 4-Д (дихлорфеноксиуксусная кислота), пентахлорфенола, а также 3, 4-ди-хлоранилина. 10. Сульфатная конъюгация (сульфатирование) – эволюционно один из древних видов биотрансформации. В нее вступают фенолы, спирты, ароматические амины, гидроксиламины, некоторые стероиды. Происходит с участием сульфат-аденилтрансферазы, аденил-сульфаткиназы, возможно, и других ферментов группы сульфотрансфераз, локализованных в цитоплазме гепатоцитов и других клеток. В этом случае донорной молекулой является 3’-фосфоадено-5’-фосфосульфат (ФАФС).
В некоторых случаях сульфатная конъюгация приводит к появлению канцерогенного вещества, взаимодействующего с нуклеиновыми кислотами. Описаны также и другие виды конъюгации (например, фосфатная конъюгация, а также реакция ксенобиотиков с глицинтаурином и формилом). Некоторые из видов конъюгации встречаются редко и мало исследованы, что подчеркивает недостаточную степень изученности реакций биотрансформации. Необходимо подчеркнуть, что конъюгирование является обезвреживанием вещества лишь для данного организма. 22. Антагонизм и синергизм биологического действия ксенобиотиков (привести схему и примеры). При рассмотрении механизмов развития биологической реакции под действием двух или нескольких различных ксенобиотиков возможно три ситуации: аддитивность, синергизм и антагонизм. Аддитивность – отсутствие влияния одного ксенобиотика на характер действия другого, т. е. биологическая реакция является суммой эффектов, вызываемых каждым веществом. Синергизм – усиление биологического ответа при совместном действии ксенобиотиков по сравнению с эффектами, вызываемыми каждым веществом в отдельности. Антагонизм – наоборот, ослабление или подавление биологического эффекта при совместном действии по сравнению с влиянием отдельных агентов. Наибольший интерес с точки зрения развития биологического ответа при взаимодействии ксенобиотиков с мембранами и их влияния на живые системы представляет такое явление, как антагонизм, причем механизмы, лежащие в основе этого эффекта, могут быть самыми разнообразными. По месту воздействия на цепь событий, начинающихся с применения агониста и заканчивающихся наблюдаемым биологическим эффектом, антагонисты могут быть разделены на несколько классов. Схема такой таксономии приведена на рис. 4.5.
Рассмотрим вкратце отдельные типы проявления антагонистического действия ксенобиотиков. Химический антагонизм, или антагонизм через нейтрализацию, проявляется при непосредственном взаимодействии антагониста с агонистом, приводящим к инактивации последнего. Подобные взаимодействия можно представить в простейшем случае в виде обратимой бимолекулярной реакции образования неактивного комплекса Е: А + В Е (4.1) с константой диссоциации КВ = СА · СВ / СЕ, где СА, СВ и СЕ – концентрация агониста, антагониста и продукта реакции соответственно. Химический антагонизм является конкурентным взаимодействием, снижающим кажущуюся константу диссоциации агонист-рецепторного комплекса вследствие «конкуренции» между антагонистом и рецепторами за связывание с агонистом. Реакция нейтрализации антагониста может оказаться необратимой (например, используемые препараты содержат ферменты, осуществляющие деградацию агониста). Конкурентный антагонизм проявляется обычно в тех случаях, когда антагонист взаимодействует с теми же сайтами, что и агонист, но в отличие от последнего антагонист не вызывает биологической реакции. Неконкурентный антагонизм реализуется по механизму, аналогичному аллостерическим эффектам при ферментативном катализе. Взаимодействие неконкурентного антагониста с собственными рецепторами не приводит к независимому биологическому эффекту, а снижает эффект при образовании комплекса агонист-рецептор. Обычно рассматривают неконкурентный антагонизм, уменьшающий стимул, вызванный образованием агонист-рецепторных комплексов, или снижающий способность эффекторной системы реагировать на данный стимул. Антагонизм, приводящий к уменьшению внутренней активности агониста или обобщенно к изменению форм зависимости ρ (Ζ ), называют метакоидным. Возможен, однако, и другой тип неконкурентных отношений, при котором занятие антагонистом неконкурентного центра (рецептора антагониста) вызывает некоторые изменения рецептора агониста, приводящие к снижению его сродства к агонисту. Такой антагонизм называют метаффиноидным. Функциональный и физический антагонизмы. Функциональный антагонизм характеризуется взаимодействием двух агентов (агонист и антагонист) с независимыми рецепторными системами, причем вызывается противоположное влияние в одной и той же эффекторной системе. Совершенно сходным образом определяется понятие физического антагонизма, который вызывается противоположным физиологическим действием эффекторов, активирующих полностью независимые рецептор-эффекторные системы. Пример первого: антагонизм между действием ацетилхолина и норадреналина на гладкую мускулатуру кишечника; второго – влияние на кровяное давление вазодиляторов и лекарств, стимулирующих деятельность сердца (в случае рассмотрения сердечно-сосудистой системы как единой эффекторной системы). Между физическим и функциональным антагонизмами не существует принципиальных различий. Условное разграничение функционального и физического антагонизмов может основываться на изменении знака наблюдаемого эффекта с увеличением концентрации агониста. Например, при различных сочетаниях концентраций вазодилитатора и сердечного стимулятора может быть в принципе достигнуто как понижение, так и повышение давления крови. Подобная способность агониста изменять знак наблюдаемого эффекта, указывающая на относительную независимость двух рецептор-эффекторных систем, более характерна для физического антагонизма. С другой стороны, в случае функционального антагонизма обычно считают, что эффект, противоположный наблюдаемому (например, сокращение полностью расслабленной мышцы), невозможен. Бесконкурентный антагонизм предполагает инактивацию комплекса агонист-рецептор лигандом, не способным образовывать комплекс с рецептором, не занятым агонистом. Бесконкурентный антагонист в равной мере снижает количество рецепторов, способных образовывать эффективный комплекс с агонистом (т. е. в отсутствие резерва рецепторов уменьшает максимально достижимую реакцию), и снижает константу диссоциации этого комплекса (т. е. увеличивает сродство агониста к рецепторам, оказывая действие, противоположное конкурентному антагонизму). Взаимодействие бесконкурентного антагониста с агонист-рецепторным комплексом представляется возможным лишь в том случае, когда агонист и антагонист обладают сродством к различным функциональным группам рецептора. Убедительных доводов в пользу существования этого типа антагонизма пока не получено. Смешанный антагонизм представляет собой более общую схему взаимодействия агониста А и антагониста В с рецепторами, допускающую комплексообразование рецепторов с обоими лигандами, а также образование тройного комплекса:
кА1 (4.7) А + RВ АRВ. кА2 Смешанный антагонизм формально эквивалентен действию смеси конкурентного и бесконкурентного антагонистов в равных концентрациях. Выражение для концентрации комплексов (ZА) имеет вид: QСА ZА =. (4.8) (1 + СВ/КВ2) СА + (1 + СВ/КВ1)КА1 В случае относительно низкого сродства антагониста к активному комплексу (кВ2 > кВ1) преобладают признаки конкурентного антагонизма, а низкое сродство антагониста к свободным рецепторам (кВ2 < кВ1) способствует проявлению бесконкурентного антагонизма.
23. Образование хелатных комплексов. Характеристика лиганд (хелатирующих агентов). Сродство, коэффициент устойчивости. Известно много веществ (лигандов), способных связываться с металлами. Они часто образуют с ними хелатные соединения. Если металл оказывается заключенным в лиганде между такими элементами, как N, O или S, то образуется хелатное кольцо. В зависимости от количества вступивших во взаимодействие атомов металлов и лиганд могут образовываться комплексы 1: 1, 1: 2 и др. Рассмотрим три основных вида лигандов, образующих одно кольцо в комплексе 1: 1 (бидентатные лиганды). На рис. 9.1 представлены три основных типа хелатных соединений.
При содержании двух электронодонорных групп заряд катиона металла при образовании хелатного соединения не меняется (этилендиамин). Лиганды могут содержать также одну электронодонорную и одну анионную группы, как в глицине. В этом случае заряд металла уменьшается на единицу. И наконец, лиганд может содержать две анионные группы (например, щавелевая кислота), в этом случае заряд металла уменьшается на две единицы. Образование хелатных связей атомами кислорода и азота происходит обычно лишь в тех случаях, когда при этом получаются пяти- и шестичленные циклы. Пятичленные циклы значительно стабильнее. Однако при образовании хелатных связей через серу возникают устойчивые четырехчленные циклы (рис. 9.2).
(Me)2N – C = S │ ¯ S – Cu+ Рис. 9.2. Комплекс медь-диметилдитиокарбамат Комплексы в соотношении 2: 1 могут образовываться в присутствии избытка лигандов. Лиганды типа щавелевой кислоты используют заряд для образования комплексов 1: 1, однако они могут соединяться в дальнейшем с комплексом этилендиаминового типа, образуя смешанные комплексы. Комплексы 1: 1 глицинового типа способны соединяться с другими лигандами этого типа. Комплекс 1: 1, образованный лигандами, подобными этилендиамину, может соединяться с любым из трех типов лигандов. Для оценки прочности связей (варьирующейся в широких пределах для разных комплексов) применяют константы устойчивости, характеризующие равновесие между одним или несколькими лигандами и одним ионом металла, подчиняющееся закону действия масс. Так, для комплекса в соотношении 1: 1 константа устойчивости (q) рассчитывается следующим образом: [MeX] q = –––––––, (9.1) [Me][X] где в числителе находится концентрация комплекса, а в знаменателе – концентрация образующих его компонентов. Часто необходимо знать общую константу устойчивости (b), представляющую собой произведение частных констант. Произведение двух частных констант обозначают как b2 (b2 = q1× q2 в случае соединения катиона металла с двумя молекулами лиганда, с тремя молекулами – b3= q1× q2× q3 и т. д.). Константы устойчивости обычно определяют потенциометрическим титрованием лигандов в присутствии или отсутствии металла и обработкой результатов посредством довольно сложных вычислений. Следует подчеркнуть, что понятие «лиганд» относится не ко всем присутствующим в системе молекулам органического соединения, а только к части, находящейся в соответствующей форме, которая может связывать катион металла. В случае этилендиамина, глицина и щавелевой кислоты лигандами могут служить неионизированные молекулы, моно- и дианионы соответственно. Поэтому, если при сравнении относительной реакционной способности лигандов при физиологических условиях пользуются константами устойчивости, необходимо учитывать и значения рКа лигандов. По сравнению с ферментами, обладающими высокой специфичностью в отношении определенного металла, среди синтетических металлосвязывающих агентов подобная избирательность встречается значительно реже. Металлы по своему сродству к большинству хелатирующих агентов располагаются примерно в следующем порядке (от наибольшего сродства к наименьшему): Fe3+, Hg2+, Cu2+, Al3+, Ni2+, Pb2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Cd2+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, Li+, Na+, K+. Некоторые из приведенных двухвалентных металлов расположены друг за другом в периодической системе следующим образом (в скобках указаны атомные номера): Mn (25), Fe (26), Co (27), Ni (28), Cu (29), Zn (30). В этом ряду, называемом первым рядом переходных элементов, сродство к хелатирующим агентам последовательно увеличивается, достигая максимума у меди (Cu2+). Повышение сродства к хелатирующим агентам является следствием уменьшения ионного радиуса. Эта зависимость позволяет объяснить последовательность расположения металлов в приведенном выше ряду. С увеличением валентности металла происходит уменьшение его радиуса, поэтому неудивительно, что Fe3+ имеет большее сродство, чем Fe2+, и ионы трехвалентных металлов располагаются в начале ряда, тогда как одновалентные – в конце. Приведенный порядок увеличения сродства металлов к хелатирующим агентам сохраняется для большинства лигандов. Хелатообразование зависит от степени ионизации хелатообразующих агентов. Вещества, обладающие меньшим сродством к металлам (на что указывает более низкая константа устойчивости), за счет различий в значениях рКа могут образовывать значительно больше анионов, чем другие агенты. В этом случае вещество, обладающее меньшим сродством к металлу, может присоединить большее количество катионов металла, чем вещества, у которых это сродство больше. Это объясняется тем, что для хелатообразования необходимо не только наличие сродства между лигандом и металлом, но также быстрое образование анионов лиганда из агента (или молекул лиганда). Таким образом, существует своего рода конкуренция между константами устойчивости и константами ионизации. Большинство металлов легче соединяются с лигандами, содержащими кислород, чем серу. Однако Cu+, Ag+, Hg2+, As+ и Sb3+ отдают предпочтение сере; у Cu2+, Ni2+ и Co2+ сродство к сере несколько выше, чем к кислороду, если сера находится в неионизированном состоянии, как, например, в органических сульфидах. Еще одним фактором, влияющим на относительное сродство ряда металлов, служит изменение окислительно-восстановительного потенциала металла, вызванного образованием хелатных соединений с металлами, имеющими переменную валентность (например, Cu, Fe, Co, Mn, Mo, V). Вследствие хелатообразования такие металлы могут даже изменять первоначальную валентность. Следует помнить, что величины потенциалов колеблются от плюс 2 В для наиболее сильных окислителей до минус 2 В для самых сильных восстановителей. В качестве примера можно привести соединения кобальта. Соли двухвалентного кобальта обычно устойчивы в водных растворах, тогда как соли трехвалентного кобальта мгновенно разлагаются водой с выделением кислорода. Тем не менее после образования хелатного соединения с этилендиамином потенциал падает настолько резко, что комплекс с двухвалентным кобальтом легко окисляется до более стабильного соединения. Рассматривая другие аспекты взаимодействия металл–лиганд, следует отметить, что металл может изменять избирательность органического лиганда: а) влияя на распределение электронов в лиганде; б) повышая реакционную способность активного центра лиганда; в) вызывая изменение конформации лиганда; г) обеспечивая возможность присоединения или отрыва электрона; д) увеличивая липофильность лиганда и, следовательно, его способность проникать в живую клетку. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-03; Просмотров: 1236; Нарушение авторского права страницы