<<
>>

ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ СВЯЗЫВАНИЯ ЛЕКАРСТВ БИОЛОГИЧЕСКИМИ МАКРОМОЛЕКУЛАМИ

В предыдущей главе нами рассмотрены основные положения закона действия масс и его применение к процессам электролитической диссоциации, определяющей кислотно-основные свойства лекарственных средств, а также их растворимость.

Закон действия масс имеет еще одно приложение, касающееся проблем физико-химической фармакологии. Это так называемые процессы связывания малых молекул с большими, которые лежат в основе взаимодействия лекарств с транспортными белками, рецепторами, ионными каналами, ферментами, а также белками клеток после биологической активации веществ и ДР- [2, 3, 14].

Поскольку межмолекулярные взаимодействия слабы, молекулы способны достаточно прочно связываться друг с другом, только если есть соответствие между их поверхностями, а во взаимодействии участвует большое количество атомов. Для образования прочного комплекса соответствие должно быть достаточно точным, т. е. поверхности молекул должны быть комплементарными. Так, если на поверхности одной молекулы имеется выступ (например, группа —СН3), то на комплементарной ей поверхности другой молекулы должно быть углубление; напротив положительного заряда должен быть расположен отрицательный. Группа, способная отдавать протон, может образовать водородную связь только в том случае, если есть комплементарная группа, содержащая неподеленные электроны. Для образования гидрофобных связей неполярные (гидрофобные) группы должны располагаться одна против другой. Один из наиболее важных принципов биохимии гласит: две молекулы, поверхности которых комплементарны, стремятся взаимодействовать и соединяться друг с другом, тогда как молекулы, не содержащие комплементарных поверхностей, не взаимодействуют. Уотсон назвал это принципом избирательной «слипаемости» молекул.

Следовательно, в процессе связывания малых молекул с большими особое значение приобретают структура и физикохимические свойства взаимодействующих веществ.

В рамках физико-химической фармакологии, в связи с обсуждаемой проблемой, наибольший интерес представляет информация о мембранных белках (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Классификация белков биомембран в зависимости от их функций

Функции Мембранные белки
1. Катализаторы метаболизма лекарств Ферменты: CYP450, UGT, NAT, FMO и др.
2. Транспорт Переносчики: подвижные переносчики (ОСТ, OAT, NT и др.); Каналы: неподвижные мембранные поры и селективные фильтры; Насосы (механизм активного транспорта)
3. Подвижность Микротрубочки', Микрофиламенты; Реснички, микроворсинки
4. Рецепция и передача информации Рецепторы: ионные каналы; Рецепторы: сопряженные с G-белками;

Рецепторы: с тирозинкиназной активностью


К первой группе относятся белки, обладающие ферментативной активностью и катализирующие химическое превращение лекарств (Глава 8).

Во второй группе перечислены белки, осуществляющие транспорт веществ, молекул и ионов, не сопровождающийся химическими превращениями субстратов (раздел 6.3.2) сюда относятся не только белки мембран, но и например, сывороточный альбумин (раздел 6.3.3.5), способный связывать и освобождать лекарственные средства. Белки мембран, функция которых заключается в трансмембранном переносе молекул или ионов, разделены на две группы: переносчики и каналоформеры. И те, и другие создают проницаемость мембран путем перемещения вещества с одной поверхности мембран на другую, но переносчики при этом передвигаются в мембране вместе с переносимым веществом. В противоположность им каналоформеры представляют собой молекулярную структуру белковой природы, формирующую канал проницаемости для строго определенных веществ. О природе ворот ионных каналов существуют пока лишь предположения. Термин «ворота» предполагает наличие в мембране молекулярной структуры, управляющей проницаемостью канала. Насосами называют белки, способные транспортировать вещества или ионы против градиента концентраций и мембранного потенциала. Необходимая для этого энергия во многих случаях черпается за счет гидролиза АТФ, поэтому эти белки имеют название АТФаз.

К третьей группе относятся различные белковые системы, обеспечивающие подвижность внутриклеточных структур и отдельных клеток в целом. Микротрубочки и микрофиламенты содержат сократительные белки и способны осуществлять изменения в структуре мембран. Они представляют собой систему цитоскелета.

Функции рецепции и передачи информации осуществляют в мембранах большое количество белков и они во многих случаях являются мишенями действия лекарственных средств. Такое разнообразие функций, выполняемых белками биомембран обусловлено их структурой. К характерной особенности следует отнести физико-химические свойства структурных элементов белков и их уровни организации.

Самые разнообразные белки построены из 20 аминокислот. Известно, что остатки кислых и основных аминокислот более гидрофильны по сравнению с нейтральными аминокислотами. Входя в состав водорастворимых белков, они обычно располагаются на поверхности белковой глобулы, так что полярные группы контактируют с водной фазой. В противоположность этому аланин, метионин, пролин, ароматические аминокислоты и аминокислоты с разветвленными цепями значительно более гидрофобны и в молекуле водоростворимых белков находятся внутри глобулы. Оксипролин, серосодержащие аминокислоты, глицин занимают промежуточное положение между двумя этими группами.

Оценку степени гидрофобности того или иного радикала в молекуле аминокислоты производят по разности свободных энергий растворения данной аминокислоты в воде и 6М этаноле. Так, величина разностей свободных энергий для аланина составляет примерно 798 Дж/моль, для лейцина •— 1722 Дж/моль; фенилаланин за счет наличия ароматического кольца обладает высокой гидрофобностью и разность свободных энергий для него равна 2268 Дж/моль. Наиболее гидрофобен триптофан, разность свободных энергий для него составляет порядка 3444 Дж/моль.

Полипептидные цепи различных белков построены из отдельных аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями, которые возникают между СООН- и ЫН2-группами соседних аминокислот.

Молекулярная масса белков определяется числом аминокислотных остатков (средняя молекулярная масса порядка 115). Если учесть, что в состав белков биомембран входит 100—500 аминокислот, то молекулярная масса этих белков изменяется в пределах 10 000—50 000 дальтон. Белки различаются не только аминокислотным составом, но и порядком следования аминокислотных остатков друг за другом в полипептидной цепи, т. е. так называемой первичной структурой белка. Первичная структура белка определяет его физико-химические свойства и функциональную активность.

Мембранные белки, в отличие от водорастворимых, располагаются либо на поверхности мембран, либо погружаются в толщу гидрофобного слоя. Возможен и такой вариант, когда белок как бы прошивает мембрану насквозь, так что часть молекулы белка находится в мембране, а часть — в водной фазе. Одной из особенностей взаимодействия с гидрофобными областями липидов, является повышенное содержание гидрофобных остатков аминокислот по сравнению с гидрофильными.

Регулярные структуры, возникающие в полипептидной цепи при образовании водородных связей между СО- и NH2-rpyn- пами соседних аминокислот называются вторичными структурами.

Полипептидная цепь может иметь вторичную структуру типа а-спирали и типа P-структуры (так называемый складчатый листок). а-Спираль в белке удовлетворяет следующим требованиям: 1) пептидная связь С—N является планарной (так же как и двойная связь); 2) водородные связи образуются только между группами С=0 и N—Н. Если сравнить аминокислотный остаток с одной ступенькой, высота которой равна 0,15 нм, то один виток спирали содержит 3,6 таких ступенек.

В отличии от а-спирали, образованной единой полипептид- пой цепью, P-структура образуется водородными связями, возникающими между двумя полипептидными цепями или между несколькими участками одной полипептидной цепи, которые удалены друг от друга не более чем на 0,47 нм. Первая из них образована вытянутыми полипептидными цепями, расположенными на расстоянии 0,47 нм друг на друга, аминокислотные последовательности которых (от NH2 — конца к СООН — концу) направлены в противоположные стороны. Вторая — с одинаково направленными полипептидными цепями. Расстояние между повторяющимися единицами в полипептидной цепи равно 0,33 нм.

Вторичная структура типа а-спирали и P-структуры, образующаяся благодаря существованию водородных связей, стабилизируется электростатическими взаимодействиями между остатками кислых и основных аминокислот. Вторичную структуру белков изучают с помощью спектральных методов — инфракрасной спектроскопии, дисперсии оптического вращения (ДОВ) и кругового дихроизма (КД). Широкое применение нашел также метод изотопного обмена, которым можно зарегистрировать скорость обмена на дейтерий атома водорода в молекуле белка, не связанных водородными связями, и таким образом судить о наличии в молекуле того или иного типа вторичной структуры.

В последние годы наше познание в области пространственной структуры белков значительно расширилось. Накопление и систематизация обширного материала обеспечили качественный скачок в понимании принципов укладки полипептидной цепи в нативную конформацию. В конце 70-х гг. прошлого столетия широко бытовало представление, что все белки, структура которых была выяснена к тому времени, могут быть отнесены к одному из пяти структурных классов: класс I, включающий молекулы, построенные из а-спиралей; класс II — белки, целиком состоящие из Р-складчатых структур; класс III, объединяющий белки, состоящие из сочетания а-спиральных и Р-склад- чатых образований, следующих друг за другом; класс IV, включающий а/р белки, в которых а-спирали и Р-складки чередуются в структуре молекулы; класс V, объединяющий небольшие белки с мало выраженной вторичной структурой.

В дальнейшем оказалось, что не все вновь описываемые белки могут быть отнесены к одному из этих типов пространственной организации, т. е. свойства макромолекулы (и в первую очередь ее функциональная активность) определяются специфическим характером укладки отдельных элементов вторичной и супервторичной структуры друг относительно друга. Недавно было установлено, что помимо а-спиралей, р-складок и р-изгибов, важной составной частью структуры являются так называемые омега-петли, присутствие которых играет определяющую роль в конформационной подвижности многих белков.

Более 90 % аминокислотных остатков полипептидной цепи вовлечено в формирование этих четырех основных структурных единиц, составляющих первую ступень иерархической организации белковой молекулы. Вопрос о том, каким образом аминокислотная последовательность белка, определяет характер его пространственной структуры, остается однако, открытым. В настоящее время его можно отнести к числу наиболее актуальных и интенсивно разрабатываемых. Принципиальная важность этой проблемы объясняет обилие исследований, посвященных выяснению механизмов формирования отдельных элементов третичной структуры в процессе сворачивания полипептидной цепи [15].

Одно из наиболее существенных заключений, которое следовало из полученных результатов касается иерархического принципа сворачивания: вначале возникают элементы вторичной структуры, затем супервторичной; процесс завершается формированием глобулярных образований, называемых доменами. Окончательное формирование третичной структуры происходит благодаря специфическим взаимодействием, возникающим между отдельными доменами, каждый из которых сворачивается самостоятельно. Длинные полипептидные цепи обычно формируют несколько доменов, величина которых варьирует, составляя в среднем 150 ±50 аминокислотных остатков. Таким образом, домены можно рассматривать как компактные «субструктуры» в составе макромолекулы белка; являясь автономными «единицами сворачивания», они обладают минимальным отношением поверхность/объем и характеризуются тем, что число взаимодействий между функциональными группами аминокислот в составе домена значительно превышает таковое между соседними доменами.

Архитектурные принципы построения отдельных доменов как правило различны, что может быть связано с выполнением ими специфических функций, согласно общепринятому в настоящее время представлению, мультидоменные белки возникли в процессе эволюции в результате слияния генов, кодирующих разные домены.

Сложившиеся представления об организации полипептидной цепи в отдельные домены обеспечило качественный скачок в развитии молекулярной биологии, так как позволило выяснить ряд общих закономерностей, определяющих механизмы функционирования переносчиков (раздел 6.3.3), ферментов (Глава 8), рецепторов (Глава 10). Стало очевидным, что основные свойства белков (табл. 3.1), обеспечивающие как их основные функции, так и регуляцию эффективности, в той или иной степени определяются их мультидоменной структурой.

Под третичной структурой белка понимают пространственное расположение полипептидной цепи, т. е. его конформацию. В формировании третичной структуры важную роль играют нековалентные взаимодействия между спиральными и Р-структурными участками, образованными неполярными остатками аминокислот.

Если белок содержит не одну, а несколько субъединиц (по- липептидных цепей), то их взаимное расположение в пространстве называется четвертичной структурой белка.

Третичная структура белка, характеризующаяся определенным расположением аминокислотных остатков в пространстве, определяет функциональную активность белка. Четвертичная структура белка важна в первую очередь как регуляторный фактор. Отдельные субъединицы белка, образующие его четвертичную структуру, называются протомерами, а сами белки, состоящие из нескольких протомеров, — олигомерами. Все белки, содержащие более чем одну субъединицу, являются аллостерическими белками, т. е. такими, функциональная активность которых регулируется при изменении конформации субъединиц в результате связывания с каким-либо реагентом (лигандом). Субъединицы в молекуле белка не всегда бывают идентичными: известно много случаев, когда одна субъединица обладает каталитической активностью, а друга выполняет регуляторную функцию, активируя или ингибируя каталитическую субъединицу.

3.1.

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

Еще по теме ПРИНЦИПЫ КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ СВЯЗЫВАНИЯ ЛЕКАРСТВ БИОЛОГИЧЕСКИМИ МАКРОМОЛЕКУЛАМИ:

  1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ЛЕКАРСТВ
  2. Коллектив авторов.. ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЕ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛЕКАРСТВ. В двух томах. Том 2 Под редакцией профессора И. М. Перцева и профессора И. А. Зупанца Харьков Издательство НФАУ1999, 1999
  3. Медико-биологические и педагогические принципы отбора в отдельные виды спорта. Генетическая детерминированность основных морфологических показателей
  4. Коллектив авторов. Биологически активные вещества гидробионтов - новый источник лекарств. Под редакцией канд. мед. наук О. Г. Саканде лидзе и канд. мед. Наук. Кишинев, «Штиинца», 1979, 248 с., 1979
  5. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СВЯЗЫВАНИЯ
  6. КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ ЛИГАНДОВ РЕЦЕПТОРУ
  7. СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ СВЯЗЫВАНИЯ ЛИГАНДОВ С БЕЛКАМИ
  8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛЕКАРСТВА С РЕЦЕПТОРОМ
  9. ПОДБОР ЛЕКАРСТВ
  10. ВИРТУАЛЬНЫЙ СКРИНИНГ ФАРМАКОЛОГИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ ДЕЙСТВИЯ ЛЕКАРСТВ
  11. Лекарства и их названия
  12. Лекарства и их названия
  13. Лекарства и их названия
  14. Лекарства и их названия