<<
>>

П.3.1. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРИИ ЛЕКАРСТВО-РЕЦЕПТОРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Несмотря на идентичность взаимодействия всех низкомолекулярных веществ с высокомолекулярными (раздел 3.2) конечный результат этого процесса — различен. Так при взаимодействии лекарства и переносчика (раздел 6.3.2) образуется комплекс, который после выполнения функции (перемещения) вновь распадается на составные части (11.1). Если лекарство выступает в роли субстрата, то после образования «ферментносубстратного» комплекса (раздел 4.2) освобождается продукт реакции (метаболит) и фермент (11.2). И наконец, лекарство взаимодействуя с рецептором, образует комплекс лекарство— рецептор (11.3).

Такое взаимодействие стимулирует рецептор и вызывает тот или иной эффект. Вещества, обладающие такой способностью, имеют так называемую внутреннюю активность.
Л + П —► ЛП —► Л “Г п, (11.1)
Л + Ф-[ЛФ]^Ф + М, (11.2)
Л + Р —* [ЛР] -*• сигнал. (11.3)

Для представителей всех трех типов белков (переносчики, ферменты, рецепторы) характерна особая «активность», т. е. узнавание лиганда (субстрата). Они основана на способности низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, при наличие соответствия, образовывать определенные комплексы (Глава 3). Учитывая тот факт, что лекарство может одновременно быть лигандом и субстратом для образования соответствующих комплексов, их молекула должна содержать, по крайней мере, три фармакофорные группы: 1) трансфорную (связь с транспортными белками); 2) матабофорную (модифицируемую ферментами); 3) эффектофорную (в классической литературе собственно фармакофорную), связывающуюся с рецептором. Несомненно, в некоторых случаях эти группы могут быть обособлены, в других — перекрываться.

Кроме «узнавания» молекулам ферментов характерна и другая специфичность — химическое преобразование присоединенного субстрата, обусловленная наличием в их молекуле низкомолекулярных коферментов (Глава 4).

Второй «специфичностью» рецепторов является их способность генерировать и передавать сигнал от лекарство-рецепторного комплекса клетки через различные эффекторные системы.

Учитывая большое разнообразие всех названных белковых структур мы предполагаем базы данных и их адреса, которые обобщены в таблице (см. приложение 2).

Кинетические модели, количественно и качественно составляющие «стандартную теорию рецептора», основаны на уравнениях ферментативной кинетики. При этом кинетика ферментативной реакции практически всегда определяется в системе, где поступление реагентов неограниченно и количество промежуточного продукта реакции может быть определено непосредственно. Это обусловливает наличие расхождений между «стандартной теорией рецептора» и параметрами его функционирования, определяемыми на практике.

Вещество может быть определено как лекарство, если оно имеет такие фундаментальные свойства как аффинность, и, в случае агонистов, специфичность и способность продуцировать эффект (эффективность).

Предложенная Кларком модель подразумевала действие вещества на рецептор по принципу «все или ничего» и не позволяла различать действие агонистов, антагонистов и обратных агонистов. Предложенная Ариенсом в 1954 году величина а, названная коэффициентом внутренней активности и определяемая, как «эффективность передачи импульса с рецептора на эффектор» [516], позволила объяснить различия в величине эффекта агонистов одного рецептора и ввести понятие «частичный агонист».

С другой стороны, этот коэффициент не позволял различать изменения эффектов, зависимых от степени связывания агониста с рецептором и эффектов, вызываемых изменением собственной активности агониста. Понятие «эффективности» было введено Стефенсоном в 1956 году [517, 518]. Стефенсон предположил, что эффекты агонистов могут быть описаны с привлечением двух отдельных и независимых параметров — аффинности (сродства) и эффективности. Аффинность определяется как способность агониста связываться с рецептором, и может быть определена исходя из константы диссоциации К■ Эффективность была определена как величина

кванта эффекта, продуцируемого при связывании одной молекулы лиганда с рецептором. При этом количество оккупированных рецепторов было обозначено как р, эффективность как е, а суммарная величина эффекта, продуцируемого лигандом (стимул) — S. Эти величины связаны следующими отношениями:

S = ре,

Эффект = f(S). (11.4)

Исходя из закона действующих масс, величину р можно определить как:

[AR] [А] [Щ [А] + /СА

Здесь /Сд — равновесная константа распада лиганд-рецеп- торного комплекса, [А] — концентрация лиганда, [RA] количество рецепторов, связанных с лигандом, [R] — общее количество рецепторов. Отсюда:

Позднее это уравнение было преобразовано Фурготтом путем введения определения эффективности как величины е, зависящей только от свойств лиганда и названной «внутренней эффективностью». При этом е = e/[R], где е — суммарная эффективность [519].

[AUR]

UA] + *aJ

Таким образом, уравнение (11.6) принимает вид:

Данное уравнение является традиционным видом математического представления соотношения между эффектом

и концентрациями лиганда и рецептора в классической теории рецептора.

Важным свойством уравнения 11.7 является то, что оно содержит 4 параметра, из которых 2 относятся только к лиганду (е и /СА), а 2 — только к рецептору (R и /). Параметры е и Кк не связаны с формами рецепторов и параметрами их функционирования, поэтому они могут быть использованы для определения эффектов вещества на основании опытов на животных [520]. Благодаря этому свойству можно фармакологически классифицировать рецепторы [521].

Здесь аффинность агониста определяется независимо, а внутренняя эффективность — исходя из параметров кривой доза — эффект [522].

Предложенная в 1957 году del Castilio и Katz схема функционирования рецептора выглядела следующим образом:

R Ь AR Л AR*,

где AR — лиганд-рецепторный комплекс в неактивном состоянии, AR* — лиганд-рецепторный комплекс в активном состоянии, /СА константа диссоциации лиганд-рецепторного комплекса, Е — равновесная константа реакции перехода комплекса в активное состояние [523].

В этом случае эффект (£) определяется исходя из следующего уравнения:

где [А] — концентрация лиганда.

Исходя из 11.8 доля рецепторов в активном состоянии р рассчитывалась следующим образом:

В этой модели КА является мерой аффинности лиганда, а Е — мерой внутренней эффективности рецептор-лигандного комплекса.

Из 11.9, используя 11.4 и 11.5, была выведена зависимость:

S

В результате экспериментов с использованием классической теории рецептора были отработаны методики, позволяющие определить ряд свойств рецептора:

— меру аффинности агониста посредством частичного алкилирования рецептора [524];

— степень активности агониста [525];

— относительную эффективность агониста [520];

— аффинность антагониста [526];

— места связывания вещества на рецепторе [527].

Относительная эффективность агонистов, в терминах классической оккупационной теории рецептора, определяется свойствами лиганд-рецепторного комплекса и свойствами ткани, в которой расположен рецептор.

Последний фактор показывает каким образом в ткани преобразуется сигнал рецептора и зависит от количества рецепторов ткани [R] и эффективности перехода стимула в ответ [521, 522].

Выраженность биологических эффектов (£,) линейно связана с количеством занятых (оккупированных) рецепторов биологически активными соединениями рецепторов, т. е. образовавшихся рецепторно-лигандных комплексов относительно ИСХОДНОГО количества рецепторов (R0): £max = P[Ro]> £/£max = = a[RA],/[R0], где £тах — максимальный достижимый эффект, a и Р — коэффициенты, a< 1.

Простая оккупационная модель (ПОМ), впервые предложенная Кларком [516], описывает наиболее простые случаи взаимодействия рецепторов с полными агонистами, фармакологическое действие которых в высоких концентрациях равно £тах, (т. е. a = 1). Тогда их наличие в среде в концентрации А, определяет развитие биологического действия: £,/£тах = А,/(Ка + А().

Модель предполагает конкурентные взаимоотношения агонистов с рецепторами, в процессе которых развивается результирующий эффект (£сум ;), который можно выразить следующей формулой:

Сложная оккупационная модель (СОМ) предполагает существование рецепторно-лигандного комплекса в неактивной ([RA]-) и активной ([RA]’) формах. Процессы конформацион- ных переходов являются обратимыми:

где k3 и &4 — константы скорости процессов.

Биологический эффект агониста пропорционален доле комплекса рецептор—лиганд:

a К [RAf

K + K ([RA]' [RA]*)

где a — «внутренняя активность» является характеристикой рецепторно-лигандного комплекса в активной форме — равновесная степень перехода [RA]~ в активную конформацию [RA]*.

Модель описывает конкурентные типы взаимодействия агонистов, в процессе которого развивается результирующий эффект (£сум.,):

(11.10)

При дальнейшем развитии классической оккупационной теории рецептора было описано понятие «рецепторного резерва». Само понятие формулировалось на основании того, что максимальный эффект может наблюдаться при неполной оккупации лигандом популяции рецепторов.

При совместном же воздействии лиганда В и лиганда А, если В имеет равновесную константу диссоциации Кв, уравнение 11.8 изменяется следующим образом:

где [В] — концентрация второго лиганда.

Аналогично, в случае совместного конкурентного воздействия трех лигандов — А, В и С, получаем:

Вообще же в рамках классической оккупационной модели рецептора для оценки эффективности и определения равновесных констант антагонистов, частичных и полных агонистов были разработаны четыре основные группы методик:

1. Анализ обратимого конкурентного антагонизма. Степень оккупации рецептора агонистом определяется как функция его концентрации. В основном предполагаемое линейное соотношение выполняется, давая возможность рассчитать равновесную константу диссоциации.

2. Сравнение кривых концентрация-эффект для агонистов с различной эффективностью. Если эквивалентные концентрации веществ с различной эффективностью наносятся на график по обеим осям как реципрокные, и описано их линейное соотношение, то с учетом разности в величинах их эффективности могут быть рассчитаны равновесные константы диссоциации для реакций этих веществ с рецептором.

3. Взаимодействие веществ с различной эффективностью. При этом концентрация агониста, вызывающего определенный эффект, сравнивается с концентрацией, дающей такой же эффект при совместном действии с агонистом более низкой эффективности.

4. Использование агонистов обратимого действия. При использовании данного метода величины концентраций агонистов, вызывающих одинаковый эффект перед и после обратимого блокирования части рецепторов, сравниваются и помещаются на реципрокную шкалу. После использования данного соотношения обычно получаются результаты, хорошо соотносимые с полученными при использовании других методов.

Перечисленные методики применяются для описания ли- ганд-рецепторных взаимодействий в различных рецепторных системах ЦНС и в других органах и тканях.

Конформационные изменения биологических макромолекул лежат в основе процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Любая реакция, возникающая при взаимодействии биологической мишени с лекарством реализуется за счет взаимных конформационных изменений макромолекулы и лиганда, возникающих вследствие образования специфического комплекса в активном центре.

Конформационные изменения макромолекулы на разных этапах лиганд-зависимой регуляции транскрипции лежат в основе экспрессии генов, синтеза белка на рибосомах. Функциональная активность гормональных и медиаторных рецепторов обеспечивается пострецепторными процессами, пусковым звеном которых являются изменение конформации эффекторной части рецептора, формирующейся вследствие химического взаимодействия лиганда со специфическим связывающим участком.

Вместе с тем, известны случаи, когда конформационные изменения в биологической молекуле возникают при связывании лиганда в участке, который не отвечает за основную активность (активный центр фермента или связывающий центр рецептора). При этом наблюдаются изменения в связывании лиганда со специфическим участком, а отсюда и в функциональной активности. Такой тип взаимодействия с биологической макромолекулой требует наличия особого места связывания, отличающегося от основного и вследствие этого получившего название аллостерического участка. В биохимии подобный механизм модификации ферментной активности описан достаточно давно, что привело к формированию современных представлений об аллостерически 'регулируемых ферментах [21—23].

При исследовании аллостерического взаимодействия важным фактором является применение соответствующего математического аппарата обработки экспериментальных данных.

Вначале регистрируется зависимость доза—эффект при взаимодействии лиганда с биологической мишенью в присутствии аллостерического модулятора. Определения могут проводиться в двух вариантах: равновесного и неравновесного кинетического исследования.

При равновесном анализе используется линеаризация данных, которая позволяет определить значение равновесной константы диссоциации (Kd) в присутствии тестируемого соединения и максимальную величину эффекта (£тах). На практике при положительном аллостерическом влиянии отмечают как уменьшение Kd, так и увеличение £тах. При исследовании отрицательной аллостерической регуляции используются те же математические приемы, что и при оценке положительной аллостерической регуляции, однако регистрируются противоположные изменения.

Неравновесные кинетические исследования, выявляющие динамику комплексообразования лиганд-рецептор, позволяют оценить константы скоростей прямой и обратной реакций.

Сформулированная в 1965 году аллостерическая модель — в дальнейшем была развита в регуляторно- и конформационно- аллостерическую модели [528].

Регуляторно-аллостерическая модель основывается на возможности образования не только комплексов RA, и RA2, но и комплекса RA,A2 при воздействии на рецептор R двух лигандов А, и А2 одновременно. В данной модели значение коэффициента внутренней активности а>0 присуще агонистам рецептора, а = 0 антагонистам, а ав этом случае подлежит доля оккупированных рецепторов (RRO — relative receptor occupation):

Что можно переписать так:

Если лиганд связывается с двумя молекулами рецептора, это связывание характеризуется константами диссоциации /СА1 и /СА2. Тот факт, что молекулы связываются независимо, отражен в наличии двух отдельных констант диссоциации [533]. Взаимодействие при этом проходит согласно следующей схемы [532]:

If

r,r2 - ai- r,ar2+a

Исходя из 11.11 и 11.12, /СА1 и /СА2 можно выразить следующим образом:

[A][R,R2] [A][R,R2].

A1 [R,AR2] [R,R2A] ’

_ [A][R,AR2] _ [A][R,R2A]

*A2 ' [R,AR2A] - [R,AR2A] • (1U4)

Степень оккупации рецептора, являющаяся отношением количества связанных рецепторов к общему количеству рецепторов, может быть записана следующим образом:

Комбинируя уравнения 11.9—11.11, получаем:

[А]2

Аналогично могут быть выведены уравнения для случаев, когда лиганд связывается с тремя и более молекулами рецептора [533].

Если в рамках конформационно-аллостерической модели активность рецептора может быть описана с привлечением одной активной формы, аффинность лиганда определяется равновесными константами диссоциации /Сд и /Сд, а константа L, равная [R/R[1]], определяет количество рецептора в активной форме в отсутствие лиганда [534]:

^~AR*

A + R*

L1

A + R - Ka - AR

f R*

В этом случае эффективность агониста выражается уравнением:

Здесь взаимодействие лиганда с рецептором не подвержено влиянию каких-либо посторонних факторов.

R*

AR*

AR

Позже для объяснения неоднородности рецепторов было предложено использование в моделях более чем одной его активной формы. В простейшем случае, когда предполагается существование двух активных форм рецептора, R* и R", активность агониста определяется тремя равновесными константами диссоциации: /СА, Аа и КТ- /СА является константой диссоциации комплекса R*, а КТ — R**. Эти две константы варьируют при взаимодействии рецептора с разными лигандами и активность агониста, взаимодействующего с различными эффекторными путями, будет различна [534]:

М

КТ

В отсутствие лиганда А распределение рецептора в активных состояниях регулируется двумя равновесными константами, L и М, причем L = [R]/[R*], a M = [R]/[R**]. Активность агониста определяется равновесными константами диссоциации:

к =1Ш ґ [A][R*] к- [A][R“]

А [AR] ’ А [AR*] ’ А [AR**] '

Если рецептор распределен между тремя не оккупированными и тремя оккупированными состояниями, то общее количество рецептора выражается уравнением:

[RU. = [R] + [R*] + [R“] + [AR] + [AR*] + [AR**].

______ j_

А*+ la;

Исходя из 11.17, 11.18 и приведенных определений равновесных констант диссоциации рецепторно-лигандного комплекса, можно вывести уравнения, описывающие эффективность одного агониста в присутствии другого [535]:

В данном случае уравнения, описывающие концентрацию всех форм рецептора, взаимосвязаны, что приводит к следующему: образование рецептора в одном из активных состояний увеличивает вероятность его перехода в другое активное состояние.

В системе 11.16—11.18 эффективность разных агонистов может быть описана путем подбора равновесных констант Ад, КІ и /Сд*. L и М могут использоваться для введения и исключения возможности активации рецептора в одном или обоих «фоновых» состояниях (R* и R**) при отсутствии агониста. Попыткой объединить несколько теорий функционирования рецепторов была следующая концепция: при взаимодействии лиганда с рецептором образуется неактивный лиганд-рецептор- ный комплекс, который затем может обратимо перейти в активное состояние. При этом скорость активации лиганд-рецеп- торных комплексов для рецепторов с агонистами много выше, чем скорость активации лиганд-рецепторных комплексов с участием антагонистов. Биологический ответ пропорционален при этом числу комплексов в активном состоянии. При этом достаточный экспериментальный материал для подтверждения или опровержения данной теории в настоящее время отсутствует.

class="lazyload" data-src="/files/uch_group51/uch_pgroup91/uch_uch393/image/321.gif">

Впоследствие, на основании исследований связывания глюка- гона было обосновано включение в регуляторно-аллостерическую модель G-белков в качестве элемента, модулирующего эффект лиганд-рецепторного комплекса. Коэффициент внутренней активности при этом описывался как постоянная, определяющая степень связывания рецептора с G-белком. На основании исследований взаимодействия рецепторов с G-белками были сформулированы частные случаи регуляторно-аллостерической модели, такие как «трехчленная модель» действия агонистов [536], предполагающая наличие трех функционально различных активных состояний рецептора связанного с лигандом, с лигандом и различными видами G-белков или же свободного:

аКе

В этой модели много сходного с моделью, представленной ранее, но функцию R выполняет комплекс RG, а активное и неактивное состояния рецептор-лигандного комплекса, обусловленные конформационным состоянием молекулы рецептора, четко не различимы. В этой схеме Kg является равновесной константой образования комплекса RG, а а — фактор, обусловливающий взаимодействие R и G и определяющий эффективность лиганда [529]. Эта константа определяет как эффект связывания лиганда при формировании рецептор-лигандного комплекса, так и относительную аффинность лиганда при взаимодействии с R и RG. В данном случае а называется константой эффективности и считается, что а> 1 для агонистов, а< 1 для антагонистов и а = 1 для обратных агонистов [529]. Наблюдаемая сила агонистов зависит от его аффинности (определяется Ка) и эффективности (определяется а), то есть степени его связывания с R и действии, производимом на процесс связывания R и G при наличии достаточного количества G в системе. Трехчленная комплексная модель также предполагает существование фонового эффекта, обусловленного спонтанной ассоциацией рецептора с G-белками при отсутствии агониста. При этом негидролизованные гуанил-нуклеотиды способны понижать спонтанную и агонист-индуцированную ассоциацию рецептора с G-белками. Таким образом, наблюдаемая аффинность агонистов понижается гуанил-нуклеотидами, что соответствует сдвигу от RG к R в модели, представлена выше.

Обратные агонисты, имеющие большую аффинность относительно несвязанного рецептора, также сдвигают равновесие системы от RG к R. Таким образом, кажущаяся активность обратных агонистов повышается в присутствии гуанил-нуклео- тидов. Антагонисты не изменяют своего эффекта в зависимости от R и RG, их эффект не повышается в присутствии G-проте- инов и их аффинность не модифицируется гуанил-нуклеотидами.

Рассмотренный ряд фармакологических моделей представляет собой иерархическое математическое описание (каждая предыдущая модель является частным случаем последующей) количественных особенностей развития фармакологических эффектов при взаимодействии лигандов и рецепторов в биологических тест-объектах. При анализе результатов исследования необходимо формализовать данные опытов в соответствии с простейшей (достаточной для их описания) моделью.

Нами предложен анализ в терминах оккупационно-фармакологических моделей динамики МЭД (минимальных эффективных доз) экзогенных лигандов рецепторных систем и их смесей с различным соотношением компонентов. Он основан на следующих предположениях [537]:

а) одинаковые (минимальные, пороговые) эффекты, регистрируемые в исследуемых биологических объектах обусловлены образованием одинаковых количеств (долей от исходных количеств) рецепторно-лигандных комплексов (простая оккупационная модель), рецепторно-лигандных комплексов в активном состоянии (регуляторно-аллостерическая модель) или рецепторов и рецепторно-лигандных комплексов в активном состоянии (конформационно-аллостерическая модель);

б) соотношения между вводимыми дозами (в т. ч. МЭД) экзогенных лигандов и их концентрациями в компартментах биологических объектов, включая «биофазы действия лекарств» линейны [538].

Эти предположения не допускают возможности прямого, численного определения параметров моделей (значений констант скоростей и равновесия), однако позволяют качественно (определение типов взаимодействия) и количественно (определение безразмерных величин — отношений констант) оценить механизмы взаимодействия экзогенных лигандов (при их совместном введении в организм) с рецепторными системами, вызывающими развитие результирующих фармакологических эффектов.

11.4.

<< | >>
Источник: Головенко М. Я.. Фізико-хімічна фармакологія: Монографія. — Одеса: Астропринт,2004. —720 с.. 2004

Еще по теме П.3.1. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРИИ ЛЕКАРСТВО-РЕЦЕПТОРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ:

  1. Глава 1 НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ
  2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕКАРСТВА С РЕЦЕПТОРОМ
  3. НЕКОТОРЫЕ РЕАКЦИИ ГИДРОЛИТИЧЕСКОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ЛЕКАРСТВ, КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ ФЕРМЕНТАМИ НЕУСТАНОВЛЕННОЙ ПРИРОДЫ
  4. Рецепторный резерв
  5. Современные теории медицины и здравоохранения
  6. ПЕРВЫЕ ТЕОРИИ ШОКА
  7. КРИТИКА ГИСТАМИННОЙ ТЕОРИИ АНАФИЛАКСИИ
  8. 1.1. Значение и понятие менеджмента. Эволюция управленческой теории
  9. Межмолекулярное взаимодействие
  10. ПОДБОР ЛЕКАРСТВ
  11. 2. Взаимодействие лекарственных веществ с рецепторами
  12. Взаимодействие между препаратами