Лекция 2.Мед.хим

отличалась от обычной аминокислоты заменой изотопа 14N на 15N. Через некоторое время он выделил из крови гемоглобин затем гемин, содержащий повышенное количество изотопа 15N. Позднее было показано, что глицин конденсируется с сукцинил-коэнзимом А, давая δ-аминолевулиновую кислоту (δ-АЛК). Этот процесс катализируется ферментом АЛК-синтетазой, его обязательным участником является фосфорилированная форма витамина В6 – пиридоксальфосфат. Последующими исследованиями было доказано, что δ- АЛК выступает в качестве общего предшественника в биосинтезе всех природных тетрапиррольных пигментов. Описанное образование δ-АЛК характерно для животных и ферросинтетических бактерий. В растениях и у некоторых прокариотов δ-АЛК синтезируется из глютаминовой кислоты.

Две молекулы δ-АЛК под действием фермента порфобилиноген-синтетазы конденсируются в молекулу пиррола, получившего название «порфобилиноген» (ПБГ). Следующая стадия биосинтеза – превращение четырех молекул ПБГ в макроцикл уропорфириноген III (Уро’ген III). Конденсация ПБГ в Уро’ген III состоит из двух этапов. На первом происходит полимеризация ПБГ под действием фермента ПБГ-деаминазы в линейный тетрапиррол. На втором в присутствии фермента косинтетазы происходит не только замыкание билана в макроцикл, но и поворот одного из пиррольных колец с образованием природного изомера III типа – Уро’гена III. При отсутствии косинтетазы билан замыкается в другой изомер – Уро’ген I, который в последующем биосинтезе не участвует (это очень редкая патология обмена веществ у человека). Только при наличии двух ферментов – дезаминазы и косинтетазы – ПБГ замыкается в изомер III типа. Отдельно взятая косинтетаза не полимеризует ПБГ и не в состоянии изомеризовать Уро’ген I в Уро’ген III. Лишь в начале 90-х годов был окончательно раскрыт механизм образования Уро’гена III.

После получения дезаминазы высокой степени чистоты генноинженерными методами стало возможным показать, что фермент (Е) содержит активный центр – кофактор, состоящий из двух соединенных между собой молекул ПБГ. Этот дипирролилметан ковалентно связан с белком через атом серы остатка цистеина. Молекулы ПБГ последовательно присоединяются к дипирролилметану (с потерей NH3), образуя цепочку из трех (ES1), четырех (ES2), пяти (ES3) и шести (ES4) пирролов, причем все присоединения происходят по типу «голова к хвосту», и, следовательно, полипиррольная цепь имеет регулярно чередующиеся заместители А-Р-А-Р-А-Р- и т.д. После присоединения четвертой молекулы ПБГ тетрапиррольная цепочка отделяется с образованием оксибилана. Дипирролилметан дезаминазы снова готов к наращиванию полипиррольного ансамбля .

Наличие простетической группы в дезаминазе, построенной из молекул, подобных субстрату, – явление необычное для ферментов. Известно только, что, действуя на дезаминазу сильными кислотами, удается отщепить депирролилметан. Полученный апофермент уже не обладает каталитической

11

активностью. Лишь после присоединения двух первых молей ПБГ при определенном pH дезаминаза снова становится способной к обратимому присоединению четырех молекул ПБГ.

Синтезированный оксибилан под действием второго фермента косинтетазы превращается в Уро’ген III. Для этой циклизации, сопровождающейся обращением пиррольного кольца D, за долгие годы изучения этой реакции предложено свыше двух десятков механизмов. В настоящее время наиболее обоснованным представляется поворот кольца D за счет образования спироструктуры (на схеме).

После образования Уро’гена III происходит первое разветвление путей биосинтеза тетрапиррольных пигментов. Декарбоксилирование Уро’гена III ведет к порфиринам и хлорофиллам, а С-метилирование – через прекоррин-1 – к витамину В12 и другим кобаламинам.

3) синтез гемоглобина

Рассмотрим путь, ведущий к главному порфирину в живом организме – протопорфирину IX и его железосодержащему комплексу – протогему. Превращение Уро’гена III под влиянием соответствующего фермента включает последовательное декарбоксилирование остатков уксусной кислоты до метильной группы с образованием копропорфириногена III (Копро’ген III). Декарбоксилирование начинается с кольца D и далее продолжается по часовой стрелке через кольца А,В и С. Имеются также данные, что в определенных условиях возможен и иной порядок декарбоксилирования.

Копроген III под действием копропорфириногеноксидазы подвергается окислительному декарбоксилированию. В результате два остатка пропионовой кислоты превращаются в винильные группы и образуется протопорфирин IX (Прото IX). На этом участке происходит дальнейшее разветвление путей биосинтеза. Введение ионов двухвалентного железа (фермент феррохелатаза) приводит к образованию протогема, который является простетической группой в многочисленных природных белках – гемопротеидах.

4) биосинтез хлорофиллов

Включение в Прото IX магния начинает новую цепь биосинтетических превращений, ведущую к хлорофиллу а, бактериохлорофиллу и другим зеленым пигментам, общее количество которых на сегодня превышает 50 типов.

Существенным отличием этой ветви биосинтеза от ранее рассмотренной является то, что при биосинтезе Прото IX большая часть промежуточных соединений находится в растворах, перемещаясь от одного фермента к другому, причем сами ферменты также по большей части растворены в цитоплазме клетки. Биосинтез хлорофиллов, напротив, протекает только в хлоропластах, все ферменты закреплены в мембранах и часто образуют

12

сложные ассоциаты. Это значительно затрудняет изучение отдельных стадий, механизмов превращений промежуточных соединений, и, в связи с этим, общая картина биосинтеза Хл а остаётся менее ясной.В целом же о биосинтезе известно следующее. После введения иона магния происходит этерификация остатка пропионовой кислоты. Далее этот остаток окисляется через несколько промежуточных стадий, давая после замыкания кольцо. Затем происходит восстановление винильной группы до этильной с образованием 3- винилпротохлорофилла.

Следующая важная стадия включает в себя восстановление двойной связи в кольце . Исключительно важную роль играет при этом освещение растений. Показано, что в отсутствии света у высших растений накапливается протохлорофиллид. Даже короткая световая экспозиция приводит к превращению протохлорофиллида в хлорофиллид. В то же время, низшие растения и водоросли могут синтезировать хлорофиллид и при отсутствии света. На заключительном этапе происходит этерификация хлорофиллида природным спиртом фитолом при участии особого фермента хлорофиллсинтетазы. В результате образуется хлорофилл а .

Пути биосинтеза других хлорофиллов, а также бактериохлорофиллов изучены пока недостаточно. Известно, однако, что все эти пигменты образуются через Хл а. В случае хлорофилла b происходит окисление метильной группы до формильного. Образование самого распространенного

Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако, они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной π- системой. Ароматичность порфиринов определяет их электроннодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катион- и анион-радикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.

Изложенные здесь пути биосинтеза протогема и хлорофилла а показывают, насколько близко переплетаются фундаментальные процессы жизнедеятельности в бактериях, высших растениях и животном мире. При значительных различиях объектов исследования в рассмотренных схемах используются близкие или общие методы построения промежуточных соединений.

13

Успешное раскрытие путей биосинтеза «пигментов жизни» можно рассматривать как важный этап в развитии современной молекулярной биологии и биохимии. Полученные знания могут быть использованы и в медицинской практике в борьбе с определенными наследственными заболеваниями, при химических отравлениях и других процессах, связанных с нарушениями биосинтеза гемопротеидов. Примером успешного использования биосинтеза гема явился предложенный недавно модифицированный метод фотодинамической терапии рака, основанный на введении в организм пациента δ-АЛК, которая превращается в Прото IX, а последний накапливается в злокачественных опухолях.

V.Комплексоны и их применение в медицине (хелатотерапия).

Ворганизме непрерывно происходят образование и разрушение биокомплексов из катионов биометаллов (железо, медь, цинк, кобальт) и биолигандов (порфиринов, аминокислот, полипептидов). Обмен веществ с окружающей средой поддерживает концентрации вещества на определенном уровне, обеспечивая состояние металло-лигандного гомеостаза.

Распределение того или иного катиона металла между биолигандами в биосредах определяется как прочностью образующихся комплексов, так и концентрациями этих лигандов. Для каждого из катионов биометаллов характерна своя совокупность реакций металло-лигандного равновесия. Поступление, метаболизм, накопление и выделение катионов металлов (а в целом любых микроэлементов) регулируются специальной системой микроэлементозного гомеостаза. В совокупности существуют тысячи патологических явлений - микроэлементозов, связанных с теми или иными металлоизбыточными или металлодефицитными состояниями. Нарушение металло-лигандного гомеостаза возможно по разным причинам: из-за дефицита или избытка катионов биометаллов, из-за поступления катионов токсичных металлов, из-за поступления или образования посторонних лигандов.

Для поддержания металло-лигандного гомеостаза и выведения из организма ионов токсичных металлов все шире начинают использовать комплексоны - полиаминополикарбоновые кислоты. В медицине сложилось специальное направление, связанное с использованием комплексонов для регуляции металло-лигандного баланса, - хелатотерапия.

Приведем примеры наиболее распространенных представителей комплексонов, применяемых в медицине.

Для того чтобы выполнять функцию противоядий (антидотов) при отравлении тяжелыми металлами, комплексоны должны отвечать некоторым требованиям. Они не должны, во-первых, быть токсичными, а во-вторых, подвергаться разложению или какому-либо изменению в биологической среде, их антидотное действие зависит от прочности образующегося металлокомплекса. Зная сравнительную устойчивость комплексов, можно

14

установить степень химического сродства отдельных катионов к тем или иным комплексонам, а значит, предвидеть возможность избирательного связывания. Необходимо учитывать, что эффективность комплексонов в отношении токсичных металлов зависит не только от стабильности образуемого комплекса металл-хелат, но и от прочности связи извлекаемого металла с биокомплексами организма.

С учетом этих требований наибольшее распространение в качестве антидотов получили различные соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), среди которых наиболее доступной является динатриевая соль, известная как трилон Б. Его применение показано при отравлении соединениями кальция: СаО (негашеная известь), Са(ОН)2 (гашеная известь), СаС2 (карбид кальция). При этом трилон Б, связывая ионы кальция, превращается в тетацин.

В организме комлексоны участвуют во многих сложных реакциях, вступая во взаимодействие с неорганическими биологическими соединениями. Так как в крови и других биосредах велика концентрация кальция, этот катион конкурирует с любыми из выводимых металлов за место в комплексе.

При этом положение равновесия комплексообразования в организме зависит от соотношения констант устойчивости комплексоната металла, выводимого из организма, и кальция (тетацина). Это становится очевидным из анализа следующего химического уравнения, которое должно иметь место в биосредах:

[CaЭДТА] + M2+ = [MЭДТА] + Ca2+

Для него константа равновесия KВ равна отношению констант нестойкости комплексов вытесняемого металла и кальция. KB называют константой вытеснения, а по величине ее отрицательного логарифма (pKB) судят о степени комплексообразования данного катиона с тетацином. Чем больше pKB , тем сильнее катион металла вытесняет катион кальция из тетацина.

Очевидно, что выведение из организма стронция не будет осуществляться кальциевой солью ЭДТА, а марганца и железа - ее кобальтовой солью. В соответствии с имеющим место рядом прочности хелатов тетацин обменивает ион кальция на ионы свинца, кобальта, кадмия. Отсюда следует ожидать, что тетацин должен быть эффективным антидотом при отравлении свинцом и кадмием, так как катионы этих металлов вытесняют из комплексона ион кальция, образующий менее прочный комплекс с ЭДТА. Он, таким образом, выглядит достаточно универсальным. Это в полной мере оказалось справедливым по отношению к иону свинца. К сожалению, величины pKB могут использоваться лишь для предварительной ориентировки, так как на практике более значимыми могут оказаться иные факторы.

15

Разнообразие процессов всасывания, распределения металлов в организме, взаимодействия с биокомпонентами крови и тканей делает проблему применения комплексонов в медицине весьма сложной. И действительно, при отравлениях кадмием, медью, ртутью из-за образования токсичных комплексов тетацин использовать не рекомендуется. К тому же, как выяснилось, взаимодействие тетацина с катионом свинца не сводится к простому обмену ионами. В реакции тетацина с катионом свинца на самом деле образуется комплекс СаРbЭДТА, который хорошо растворим в воде и легко удаляется из организма через почки.

Следовательно, знания лишь одной величины константы вытеснения далеко не достаточно для прогнозирования применения того или иного комплексона в клинической практике.

Со времени первого лечебного использования тетацина в 1952 году этот препарат нашел широкое применение в клинике профессиональных заболеваний и продолжает оставаться незаменимым антидотом свинца. Очень эффективна аэроингаляция тетацином, когда антидот быстро всасывается и долго циркулирует в крови. При этом усиливается выведение свинца почками.

Для ресорбции, распределения и выведения металлов имеют значение не только физико-химические свойства вводимых с лечебной целью комплексов, но и и свойства эндогенных биокомплексонов, с которыми встречается металл в организме в процессах введения, циркуляции и выведения из организма.

Помимо тетацина и трилона Б практическое значение в качестве противоядий имеют и некоторые другие соли этилендиаминтетрауксусной кислоты. Перспективен еще один комплексон, производное диэтилентриаминпентауксусной кислоты - СаNа3ДТПА (пентацин). Его особенно успешно применяют при отравлениях радиоактивными элементами.

Данные последних лет свидетельствуют о высокой антидотной эффективности при свинцовых отравлениях еще одного комплексообразующего вещества - пеницилламина, который представляет собой аминокислоту диметилцистеин.

Защитное действие пеницилламина обусловливается наличием трех групп (- SH или сульфгидрильной, аминной и карбоксильной). Оказалось, что он особенно хорошо проявляет себя при хронических формах отравлений тяжелыми металлами, когда необходим длительный прием препарата.

Еще одна перспективная для медицины группа комплексонов принадлежит к семейству полициклических хелатирующих реагентов - криптандов, с которыми катионы металлов координируются таким образом, что ион оказывается спрятанным в циклической полости лиганда. Приведенный выше представитель криптандов высоко селективен по отношению к катиону стронция.

16

Специфичным для катиона железа является комплексон дефероксамин, применяемый для удаления железа при некоторых железоизбыточных состояниях. Это вещество содержит структурные фрагменты, которые присутствуют в некоторых железосодержащих белках, именуемых сидерофорами.

Для связывания токсичного катиона бериллия применяется алюминон, получивший такое название из-за способности координироваться с катионом алюминия. Его эффективность по отношению к бериллию - проявление диагонального сходства пары бериллий-алюминий.

Для связывания ядовитых катионов мышьяка успешно применяют препарат, получивший название британского антилюизита (БАЛ).

Высокой степенью комплексообразования отличается также фитин - сложный органический препарат, представляющий собой смесь кальциевых и магниевых солей инозитфосфорных кислот, его получают из конопляных жмыхов. Фитин полностью защищает животных, отравленных смертельными дозами свинца. При этом он в отличие от солей ЭДТА выводит яд преимущественно через желудочно-кишечный тракт, а не через почки. Фитин - совершенно безвредный лечебный препарат, он может быть использован и при отравлении ионами других металлов. Имеются и другие перспективные комплексоны, среди которых есть вещества растительного происхождения.

Комплексоны и их комплексы применяют при лечении различных металлоизбыточных и металлодефицитных состояний, связанных с заболеваниями, которые вызываются нарушениями обмена кальция, железа, меди и др. (рахит, психические заболевания, профилактика радиационных поражений). Полиаминополикарбоновые кислоты и их натриевые соли используют при лечении как гиперкальциемии, так и декальцинации костей. Значительно менее ядовитые соли кальция (пентацин, тетацин) используют для удаления радионуклидов из организма и для лечения отравлений тяжелыми металлами. Так, тетацин показан при отравлениях свинцом, кобальтом, ванадием; пентацин применяют преимущественно при отравлениях соединениями железа, кадмия и свинца, а также для удаления радионуклидов (технеция, плутония, урана); триэтилентетрааминогексауксусную кислоту используют при отравлениях плутонием; D-пеницилламин применяют при лечении отравлениями медью, ртутью, свинцом, болезни Вильсона (психического заболевания, вызываемого нарушением баланса катиона меди в нервных тканях). Дефероксамин используют для лечения гемохроматозов, а также при отравлении железом.

Иногда длительное поступление в организм малых количеств ядовитых металлов приводит к их накоплению в различных внутренних органах и тканях, вследствие чего их концентрация в крови и моче существенно не повышена. Введение же комплексонов увеличивает выведение яда с мочой и тем самым указывает на его присутствие в организме. В таких случаях комплексоны

17

можно использовать в целях диагностики. Иными словами, процесс комплексообразования приводит к нарушению установившегося равновесия между ионизированным металлом плазмы крови и металлом, содержащимся, например, в жировых тканях, а также в эритроцитах, печени, костной ткани и т.д.

Например, тетацин используют при диагностике хронических свинцовых отравлений. Диагностическим показателем здесь служит выведение металла с мочой в результате однократной инъекции комплексона. Надо, однако, отметить, что при этом возможно и усиление интоксикации, по-видимому из-за увеличения обратного всасывания связанного с тетацином свинца из пищеварительного тракта, куда он переходит из плазмы через стенку кишечника.

Еще один на первый взгляд неожиданный пример использования хелатотерапии - защита от газовой гангрены. Оказалось, что введение в

организм раствора тетацина вызывает в данном случае связывание ионов цинка и кобальта, выполняющих функцию активаторов действия фермента лецитиназы, который и является токсином газовой гангрены. Поэтому, связывая эти ионы, удается резко снизить действие токсина.

Молекулы комплексонов практически не подвергаются расщеплению или какому-либо изменению в биологической среде, что является их важной фармакологической особенностью. Комплексоны нерастворимы в липидах и хорошо растворимы в воде, поэтому они не проникают или плохо проникают через клеточные мембраны, а следовательно, 1) не выводятся кишечником; 2) всасывание комплексообразователей происходит только при их инъекции (лишь пеницилламин принимают внутрь); 3) в организме комплексоны циркулируют по преимуществу во внеклеточном пространстве; 4) выведение из организма осуществляется главным образом через почки. Этот процесс происходит быстро. Так, уже через полтора часа после внутрибрюшинной инъекции в организме остается 15% введенной дозы тетацина, через 6 часов - 3%, а через двое суток - только 0,5%.

Комплексоны малотоксичны, их токсическое действие проявляется в основном в повреждении слизистой оболочки тонкой кишки и почечных канальцев. При быстром вливании или введении больших количеств полиаминополикарбоновых кислот вследствие уменьшения содержания кальция в крови возможно нарушение возбудимости мышц и свертываемости крови.

Так как комплексоны связывают и ускоряют выведение из организма многих металлов, то по отношению к ним не остаются безучастными и биоэлементы, находящиеся в свободном состоянии (Na, К, Са) или входящие в состав жизненно важных металлопротеинов. Вот почему введение в организм комплексонов не может не повлиять на течение обменных процессов и действие некоторых чужеродных веществ, поскольку их биотрансформация

18

определяется функцией ферментов, молекулы которых включают тот или иной металл. Так, при обследовании 71 человека, соприкасавшегося во время работы со свинцом или ртутью и получающего тетацин с лечебной и диагностической целью, было установлено, что при длительном применении этот препарат резко увеличивает выведение из организма меди и марганца через почки. Эти данные привели к выводу о необходимости дополнительного введения названных жизненно важных микроэлементов с целью восполнения их потерь. В то же время эксперименты свидетельствуют, что комплексоны активируют такие металлопротеидные ферменты, как цитохромоксидаза, каталаза. Это связывается со способностью комплексонов изменять валентность атомов железа и других микроэлементов.

Поскольку соли ЭДТА и других аминополикарбоновых кислот не разлагаются в организме, характеризуются большой терапевтической широтой и быстро выводятся почками, их иногда рекомендуют применять и для предупреждения некоторых профессиональных отравлений (свинцовых, марганцевых, ртутных). В производственных условиях это возможно посредством вдыхания аэрозолей или приема таблеток, содержащих антидот. Однако с учетом вероятности развития побочных явлений (нарушение функции почек, связывание кальция сыворотки крови и многих микроэлементов, изменение активности некоторых ферментов) к этому следует относиться отрицательно.

Ведутся исследования иных профилактических средств, которые при длительном повседневном применении (в том числе и непосредственно на производстве) не вызывали бы нежелательных сдвигов в состоянии организма и в то же время обладали выраженным защитным действием. Эти свойства выявлены у пектина - полимерного вещества пищевого происхождения, которое построено в виде цепей со звеньями следующего строения:

Каждое из звеньев полимерной молекулы пектина включает две молекулы галактоуроновых кислот, соединенных гидролизующимися связями. Пектины получают из яблок, свеклы, подсолнечника и других растений.

Карбоксильные группы в структуре пектина способны присоединять катионы многих металлов с образованием пектинатов. Кроме того, пектин - коллоидное вещество с выраженными сорбционными свойствами. Эти физические особенности, по-видимому, в немалой степени определяют его защитное действие при интоксикациях. Особенно четко эффект проявляется при проникновении в организм свинца, всасывание которого под влиянием пектина резко тормозится. Пектин вводится в организм в виде специально изготовленного мармелада с 5%-ным содержанием препарата. Каких-либо побочных явлений и осложнений длительный прием пектина не вызывал.

Таким образом, в настоящее время можно говорить о несомненных успехах и широких перспективах хелатотерапии в изыскании и применении лекарственных средств. Практическое использование этих средств оказалось

19

особенно результативным при профессиональных хронических интоксикациях соединениями свинца, ртути и радиоактивных элементов.

Впоследнее время перед хелатотерапией открылись широкие горизонты. Еще в 60-е годы стало очевидным, что комплексоны или их соли (тетацин, трилон Б) могут применяться при всех видах патологий, связанных с Саизбыточными состояниями. Ведь ЭДТА и трилон Б циркулируют только в кровяном русле и связывают все металлические ионы (кроме калия и натрия), которые в нем находятся. Между тем именно ион кальция в первую очередь и присутствует в плазме. Следовательно, удаляя его из организма, можно лечить такие заболевания, как артрозы, атеросклероз, почечно-каменную болезнь.

Вдальнейшем выяснилось, что возможности ЭДТА-хелатотерапии значительно шире. Ведь ЭДТА выводит из плазмы и все прочие биокатионы, присутствующие в ней в микроколичествах. Принято считать, что эти катионы выступают в качестве катализаторов неблагоприятных для здоровья свободнорадикальных процессов с участием активных форм кислорода, а тем самым активизируют нежелательные процессы перекисного окисления липидов. Следовательно, роль хелатотерапии оказывается значительно более широкой. И действительно, она препятствует отложению холестерина и восстанавливает его уровень в крови, понижает кровяное давление, позволяет избежать ангиопластики, подавляет нежелательные побочные эффекты некоторых сердечных препаратов, удаляет кальций из холестериновых бляшек, растворяет тромбы и делает кровеносные сосуды эластичными, нормализирует аритмию, препятствует старению, восстанавливает силу сердечной мышцы и улучшает функции сердца, увеличивает внутриклеточное содержание калия, регулирует минеральный обмен, восстанавливает варикозные вены, растворяет катаракту, устраняет заболевания сетчатки и понижает потребность в инсулине

удиабетиков, устраняет пигментацию кожи, применяется в лечении остеоартритов и ревматоидных артритов, способствует устранению последствий инсульта, полезен при лечении болезни Альцгеймера, препятствует возникновению рака, улучшает память и проявляет множество других положительных эффектов.

Некоторые специалисты даже предлагают ЭДТА-хелатотерапию в качестве эффективной альтернативы коронарного шунтирования, покушаясь на самые совершенные достижения современной хирургии.Учитывая вышеизложенные факторы,можно заключить,что хелатотерапия является одним из перспективных направлений современной медицины.

20