Строение и физико-химические свойства токсикантов

Биологическая активность, в том числе и токсичность веществ, определяются их строением и физико-химическими свойствами. Именно строение часто определяет условия поступления веществ в ткани, накопление, распределение, способность вступать в реакции и выведение.

Из двух близких по структуре молекул часто лишь одна проявляет биологическую активность. Существует 3 главные причины, связанные с химическим строением токсиканта, влияющие на его биологическую активность: стерический фактор, распределение электронной плотности в его молекуле и величина коэффициента распределения в среде полярный-неполярный растворитель. Рассмотрим их более подробно.

Наличие дополнительных заместителей в структуре токсиканта может нарушить комплементарность его и рецептора. Это необходимо учитывать при повышении избирательного действия того или иного «чересчур токсичного» соединения. Например, введение аминогруппы только в пара-положение молекулы бензолсульфамида приводят к появлению у него антибактериальной активности. В медицинской практике это соединение известно как белый стрептоцид.

 

белый стрептоцид

 

Введение аминогруппы в м - и о -положения бензольного кольца приводит к биологически неактивным соединениям.

Гексахлорциклогексан (ГХЦГ) существует в виде 8 изомеров. Но лишь один g -изомер – линдан – обладает свойствами инсектицида.

 

линдан

 

Наличие пространственно затрудненных заместителей может помешать прохождению токсиканта через мембраны. Противогрибковые антибиотики представляют собой производные полиенов (типа нистатина). Их токсичность основана на том, что они связываются с эргостерином плазматических мембран (стерином, встречающимся только в бактериях) и нарушают их целостность, повреждая грибы.

 

нистатин

 

Точно также, связываясь с липидными компонентами, плазматическую мембрану бактерий разрушают, фенолы, полипептидные антибиотики и жирные четвертичные амины.

Другим важным свойством химического соединения, проявляющего биологическую активность, является наличие в его структуре функциональных групп,изменяющих распределениеэлектронной плотности всей молекулы, увеличивающих или уменьшающих ее способность к ионизации, т. е. способствующих или препятствующих взаимодействию с рецептором.

Данное предположение было подтверждено специальными исследованиями по изучению противобактериальных свойств аминоакридинов. Данная работа выполнялась по заказу австралийской армии, которая в течение длительного времени применяла их для обработки инфицированных ран. Оказалось, что из пяти изомерных аминоакридинов лишь два обладают высокой противобактериальной активностью. Исходный акридин является слабым основанием (р К_а= 5,3) и обладает противобактериальными свойствами.

 

 

 

 

Введение аминогруппы превращает его в сильное основание с повышенными противобактериальными свойствами. Поскольку аминоакридины применялись как лекарственные препараты, их противобактериальная активность была изучена при физиологических значениях рН (7,3) и температуре 37 °С. В этих условиях выявлено присутствие данных условиях ионизированных форм 1-аминоакридина, 2-аминоакридина, 3-аминоакридина, 4-аминоакридина и 9-аминоакридина. Причем концентрациии ионизированных форм 3- и 9-аминоакридинов оказались равными  73 и 100%, соответственно. Они же проявляли максимальную противобактериальную активность.

Было установлено, что аминоакридины накапливаются в нуклеиновых кислотах (ДНК), встраиваясь между парой оснований. Стабилизируется такой комплекс ван-дер-ваальсовыми силами, также ионными связями с фосфатными группами остова ДНК. Это препятствует «расплетению» цепей бактериальной ДНК при репликации.

Для изучения максимальной биологической активности акридинов было синтезировано 102 его производных с разными заместителями, как электронодонорными, так и электроноакцепторыми. Оказалось, что заменив аминогруппу на другой заместитель, то данное соединение сохранит биологическую активность, если:

 

1. концентрация ионизированной формы при физиологических значениях больше или равна 50 %;

2. площадь плоской части молекулы должна быть не менее 3,8 нм².

 

Одним из важнейших факторов, влияющих на биологическую активность вещества, является коэффициент распределения, который характеризует его растворимость в отдельных тканях и определяет легкость доставки к месту действия. Чем выше растворимость вещества в отдельных тканях организма, тем выше коэффициент его распределения и скорость накопления в них.

Интерес к этому свойству соединений возник в связи с изучением наркотического действия некоторых лекарственных препаратов, хорошо растворимых в неводных растворах и способных накапливаться преимущественно в липидном слое.

В начале 60-х годов американские ученые под руководством Хэнша доказали, что зависимость между коэффициентом распределения и биологическим действием носит параболический характер, то есть после достижения максимума липофильности наблюдается спад биологической активности, и вывели уравнение регрессии, подтверждающее полученные экспериментальные данные.

Они же показали, что на коэффициент распределения практически не влияет температура, но способность токсиканта к ионизации или к образованию водородных связей с растворителем требует вносить в уравнение регрессии дополнительные расчетные коэффициенты.

Если существует возможность внутримолекулярной водородной связи, то липофильность также может возрастать. В связи с этим предположнием в качестве эксперимента была рассчитана липофильность различных изомеров бензола в зависимости от положения заместителей в кольце. Наиболее вероятным оказалось образование внутримолекулярной связи для орто -замещенных производных бензола, поэтому они должны обладать большей липофильностью.

Введение в молекулу токсиканта любого класса гидрофобных или гидрофильных групп должно изменить величину его коэффициента распределения. Гидрофобные группы, как правило, повышают растворимость вещества в липидном слое и величину коэффициента распределения. Гидрофильные – наоборот. Но существуют исключения. Например, алкилирование пиридина по атому азота приводит к увеличению его гидрофильности. Соединения, содержащие длинные углеводородные цепи, способны в водной фазе образовывать мицеллы это создает трудности при расчете их коэффициента распределения.

Таким образом, только высокая липофильность или гидрофильность не может определить биологическую активность, а лишь обеспечивает дополнительные преимущества для одних соединений перед другими.

В качестве примера можно более подробно рассмотреть влияние реакции алкилирования (метилирование) на биологические свойства соединений.

Метилированные производные соединений широко распространены в природе и часто используются в качестве лекарственных препаратов. Метильная группа является электронодонорной и может повышать основность и понижать кислотность соединения, а также влиять на его способность к ионизации. Таким образом, она может влиять на липофильность молекулы вцелом. Например, метилирование барбитуровой кислоты по одному из атомов азота увеличивает ее липофильность. При этом изменяется и ее биологическая активность. В медицинской практике данное соединение известно как сильнодействующее снотворное. При метилировании второго атома азота барбитуровой кислоты липофильность ее увеличивается настолько, что может привести к появлению у больных судорог.

 

 

Подобный эффект вызывает увеличение числа атомов углерода при С-алкилировании барбитуровой кислоты.

 

 

Так в медицинской практике до недавнего времени был широко распространен фенобарбитал. Еще более липофильные молекулы, например, дибензилбарбитуровая кислота, не обладает биологической активностью вообще.

 

 

Иодистый метил и диазометан часто используются в органическом синтезе. Однако известно, что алкилирующие агенты токсичны для млекопитающих. Они способны in vivo этерифицировать фосфорные и карбоновые кислоты, а также фенолы и меркаптаны. Наиболее реакционноспособные из них могут алкилировать и аминокислоты. Некоторые вещества, содержащие две алкилированные группы, обладают избирательностью действия на клетки определенного типа. Их применяются в онкологии как противоопухолевые препараты, например, эмбихин – метил- бис -(b-хлорэтиламина гидрохлорид). Но все они очень токсичны.

 

 

Таким образом, алкилирование (в частности метилирование) уменьшает способность молекулы к ионизации, коррелирующей с биологической активностью.

 

Теория рецепторов

В основе современного понимания связи структуры химического соединения и его биологической активности лежит теория рецепторов. Проникая в клетку, атомы и молекулы токсикантов вступают во взаимодействие с различными биомолекулами. Химические компоненты клетки, подвергающиеся непосредственной атаке токсиканта, называются рецепторами.

Поскольку существуют разные виды биологической активности, логично предположить, что это может быть следствием взаимодействия химических реагентов с различными рецепторами. В пользу существования данной теории можно привести несколько фактов:

1. Сохранение биологической активности при разбавлении (Многие лекарственные вещества сохраняют биологическую активность при сильном разбавлении, иногда до 10 ^–9 моль/л. Это свидетельствует о сохраняющейся комплементарности определенной части клеточной структуры и лекарственного препарата);

2. существует различная биологическая активность для оптических изомеров. Это обнаружено у разных пар оптических изомеров. Право- и левовращающие изомеры – атропин, морфин, адреналин значительно отличаются друг от друга по биологической активности. Например, (–) адреналин более токсичен и оказывает гипертензивное действие в 15 раз сильнее, чем (+) адреналин.

3. Наличие избирательного биологического действия у химических соединений. Например, адреналин оказывает мощное действие на сердечную мышцу, но очень слабо действует на поперечно-полосатые мышцы.

Идея существования рецепторов получила подтверждение во многих работах.

Было доказано, что ионы металлов преимущественно связываются с SH-, NH₂- и COOH- группами молекул клетки. Особенно характерны реакции металлов с SH-группами белковых молекул. В связи с этим целая группа металлов-токсикантов названа тиоловыми ядами (ртуть, свинец, мышьяк, кадмий и другие). Вступая во взаимодействие с сульфогидридными группами различных соединений, металлы образуют меркаптиды и необратимо инактивируют ферменты. Токсичность этих металлов зависит от прочности их связи с серой. С возрастанием прочности возрастает токсичность.

Близкие по структуре соединения могут выступать по отношению к одному и тому же рецептору как агонисты и как антагонисты. Они действуют на один и тот же рецептор по-разному. Например, ацетилхолин точно соответствует участку связывания и активирует его (агонист). Большая молекула тубокурарина оказывает на рецептор блокирующее действие (антагонист).

 

ацетилхолин (АХ)

Известно много химических рядов, низшие гомологи которых являются агонистами, а их высокомолекулярные гомологи – антагонистами.

 

тубокурарин