CC BY
64
Раздел 6 Биоинформатика
УДК 577.3
З.Х-М. Хашаев
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ИЗУЧЕНИЮ МОЛЕКУЛЯРНОГО МЕХАНИЗМА ДЕЙСТВИЯ ПСИХОФАРМАКОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ И ЭКОСУПЕРТОКСИКАНТОВ
Комплексное изучение молекулярного механизма действия ряда психофармакологических препаратов широкого профиля (нейропептиды, анальгетики, анестетики, алкалоидные, наркотические и токсические вещества) проводятся нами с использованием различных биофизических и биохимических методик исследования. Центральное место в этой работе принадлежит исследованию влияния наркотических и опиоидных нейропептидов и экосупертоксикантов диоксинового ряда на проницаемость биологических мембран как систем, участвующих в обмене между клетками и окружающей их средой.
Основное предположение нашей работы заключается в том, что клеточные и бислойные липидные мембраны могут служить адекватными тест-системами для определения средств фармакологической защиты от вредных химических агентов по двум причинам. Во-первых, все процессы в клетке связаны со структурой и , , как системы обеспечивающие энергией многие физиологические процессы. Во, , . . ,
.
Так как расматриваемая проблема относится к числу комплексных, она решается с привлечением как классических экспериментальных методов биофизики (
), , -ной графики и анализа результатов на ЭВМ.
Первопричиной действия изучаемых нами соединений является взаимодействие молекулы вещества с определенными молекулами клеточной протоплазмы. Знать механизм действия того или иного фармакологического препарата необходимо клиницисту для осмысленного выбора лекарственного средства, а также для правильного комбинирования лекарств при различных паталогиях.
,
служит двойной слой липидных молекул толщиной 4,5 нм. Гидрофильные головки этих молекул образуют верхнюю и нижнюю поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты сходятся в ее средней плоскости. Вторыми компонентами мембраны
являются молекулы белков, одни из которых находятся на поверхности, а другие погружены в жидкокристалический слой липида. Изменения состава липидов мембран влияют на взаимодействие белков и липидов, а также на их способность связывать специфические и неспецифические лиганды. Работа мембраносвязывающих ферментов и рецепторов зависит от состава липидной фазы. При действии на организм лекарственных препаратов различного происхождения наблюдается определенная общность в изменении биофизических свойств липидной фазы, которая и лежит в основе координации работы мембран белков и интеграции действия различных лигандов (1).
Наиболее важным фактором в наших исследованиях, определяющим возникновение фармакологического эффекта является концентрация лекарственного вещества в наружной среде, т.е. около специфических или неспецифических рецепторов в ткани нервно-мышечного препарата, как например, в случае наших опытов - .
- -
сов проникновения ксенобиотика (чужеродного организму соединения, поступающего в его внутреннюю среду в зависимости от pH среды внутри организма, куда ) , предсказать процесс всасывания в кровь и распределения в органах и тканях и вывода метаболитов из организма. Поскольку конечным результатом нашей работы являются рекомендации лечащим врачам и клиницистам, необходимо подробнее остановиться на вопросах механизма проникновения лекарственных веществ через
.
Как известно, скорость и степень связывания лекарств зависят от того, является ли вещество преимущественно водорастворимым или жирорастворимым, слабой кислотой или слабым основанием и какова свойственная этому веществу величина рКа (величина pH, при которой диссоциирует 50% молекул вещества). Ввиду
,
большая растворимость в липидах, чем в воде, наиболее важным механизмом проникновения через мембраны клеток по градиенту концентрации путем растворения в липидах мембран - является пассивная диффузия. Отношение растворимости в липидах к растворимости в воде для каждого вещества можно оценить по коэци-фиенту октанол/вода или оливковое масло/вода. Если этот коэфициент равен 1, то растворимость вещества в липиде и в воде одинакова; если он больше 1, то вещество лучше растворимо в липидах. Когда исследуемое вещество находится в неио-( , ), -римо в липидах, чем в воде и хорошо проникает через мембраны, но обладает при этом лучшей водорастворимостью. pH среды и рКа определяют степень ионизации слабых кислот и слабых оснований согласно формулам Хендерсона-Хассельбаха (2).
Другим механизмом переноса веществ через мембрану является транспорт с помощью специальных переносчиков, имеющихся в мембранах. К ним относятся белки-ферменты или транспортные белки. Перенос лекарственных средств, моле-
1000, -ноцитоза, т.е. поглощения внеклеточного материала мембранными везикулами, что особенно важно для проникновения фармакологических веществ полипептидной
структуры. Попавшие в организм лекарственные вещества, поступая в кровь, связываются с альбуминами и с кислыми гликопротеидами, что несомненно оказывает большое влияние на распределение лекарственных средств, на скорость и степень обмена веществ между кровью и тканями. Механизм распределения лекарственного вещества с учетом всех факторов, влияющих на этот процесс, и позволяющий не только понять судьбу препарата, поступившего извне, но и рассчитать много других параметров его характеристик. Поведение лекарственных веществ в организме зависит, как мы говорили выше, от концентрации в области биорецепторов, с которыми они взаимодействуют, в результате чего осуществляется перенос информации в организме при участии гормонов, медиаторов, нейропептидов и других
( ). -ют собой участки макромолекул клеточной мембраны, таких как рецепторы белковых и пептидных гормонов или рецепторов стероидных гормонов, относящихся к структурам внутри клетки. Наличие в биорецепторах активного центра обеспечивает образование диссоциирующего комплекса лиганд-рецептор, что, в свою очередь, обусловливает изменение конформации рецепторов. В результате этих изменений возникают многоступенчатые процессы, приводящие в конечном итоге к специфическим реакциям клеток-мишеней. Одной из характеристик фармакологического агента является его комплементарность, т.е. образование связи между биорецептором и лекарственным веществом может происходить только тогда, когда между ними существует определенное соответствие размеров, пространственной , . лекарственного вещества является его внутренняя активность. Это состояние возникает благодаря способности лиганда изменять пространственную конформацию после соединения с биорецептором, как самого биорецептора, так и все макромо-, .
, -
рецептором и достаточной внутренней активностью, принято считать миметическими средствами или агонистами. Вещества, обладающие высоким сродством с биорецептором и низкой внутренней активностью называют антагонистами или , -ными и экзогенными лигандами-агонистами, не изменяя в то же время конформации рецепторов. Эти понятия необходимы нам для объяснения тех изменений, которые могут возникнуть при наших исследованиях по изучению молекулярного механизма действия изучаемых препаратов.
В процессе передачи информации и переработки участвуют все клетки орга-, -, -
.
Значительным событием в нейробиологии явилось открытие, сделанное Хьюсом и Кастерлицем в 1975 г. о наличии молекулярных регуляторов олигопептидной
- , -ной и иммунной систем, и играющих важную роль в самых различных системах живого организма (3). Среди множества классов нейропептидов нас интересует класс опиоидных пептидов - регуляторов болевых ощущений, психофизиологического статуса, процессов лежащих в основе стрессорных реакций и, наконец, в ос-
нове возникновения зависимости и наркомании. Свое действие в организме опио-идные нейропептиды (ОНП) опосредуют через взаимодействие с опиоидными или
( ). - -ну надмолекулярные комплексы, специфически взаимодействующие с эндо- и эк.
В нервной системе человека и животных обнаружены эндогенные лиганды ОРП, обладающие, как мы уже сказали выше, высоким сродством к ним. Эти лиганды содержат разное количество аминокислот, объединяющиеся под общим названием “эндорфины”. Наиболее важными эндорфинами, содержащимися в специальных нейронах и выделяемыми ими, являются метионин-энкефалин и лейцин-энкефалин. Основным эффектом энкефалинов и морфиноподобных энкефалино-миметиков является торможение освобождения возбуждающих нейромедиаторов.
. (4), ,
,
не с одним, а с двумя типами рецепторов, избирательно связующими именно эти опиаты. Морфин и анальгетики наркотического типа, возбуждая энкефалиновые ( ) ( ) могут в то же время имитировать тормозное воздействие антиболевой системы на . ,
, ,
,
секреции их клетками быстро распадаются и не накапливаются в таких количествах, которые могли бы вызвать формирование толерантности к опиатам у лиц, попавших в пагубную зависимость - наркоманию. Повторные введения терапевтических доз любого наркотического анальгетика приводит не только к адаптации или
- ,
в течение длительного времени, но и приводит к постепенному снижению их эффективности. Возникает вопрос - чем же отличается адаптированная клетка-мишень от клетки с нормальной чувствительностью? По-видимому, в одних случаях адаптация происходит в результате уменьшения числа поверхностных рецепто-, - . морфиноподобных средств надо учитывать и тот факт, что все эффекты, кроме анальгетического, являются нежелательными, и, в первую очередь, особое место из них занимает привыкание, и как следствие применения чрезмерных доз - угнете. -ничению использования наркотических препаратов в лечебных целях.
Позднее тот же Мартин В. (5) предположил, что существует три типа опиатных рецепторов: д, %, в - типичными агонистами которых являются морфин, кето-циклозин и М-адлилнорметазоцин соответственно. В связи с этим интересно было бы знать механизм привыкания к препаратам, вызывающих наркоманию. Исследования, проведенные В.Клием и группой сотрудников (6), показывают, что не все формы адаптации клеток связаны с разрушением рецепторов в результате присоединения лиганда. У морфинистов, клетки-мишени в мозгу адаптированы к морфи, - , -зволяет понять причину приема наркоманами больших доз наркотика, чем требуется для достижения эффекта обезболивания или эйфории у нормальных людей.
Рецепторы морфина на поверхности линий нервных клеток, чувствительных к , - -нилатциклазы. В нейронах морфин вызывает инактивацию аденилатциклазы, что приводит к уменьшению внутриклеточного ц-АМФ. При культивировании клеток одинаковыми дозами морфина, они адаптируются так, что и активность аденилатциклазы и уровень ц-АМФ возвратятся к норме. Если удалить морфин из культу,
- . , -
чение концентрации ц-АМФ отвечает за те симптомы, которые принято называть
,
наркотика. Абстинентный синдром - это синдром “отдачи” по отношению к фармакологическим эффектам морфина: беспокойство, потливость, дрожь, слезотечение, гипертермия, мышечные боли, тревожность, агрессивность. Эти явления быстро исчезают после повторного введения наркотика. При употреблении морфина и героина абстинентный синдром начинает проявляться через 8-12 часов после принятия последней дозы, достигая максимум выраженности через двое суток, затем симптомы абстиненции ослабевают и по прошествии 5-6 суток исчезают во.
Со времени введения в лечебную практику обезболивающих препаратов наркотического действия медицинская наука обогатилась многочисленными данными
о влиянии этих средств на ЦНС, однако механизм их действия на периферический рецепторный аппарат еще недостаточно изучен.
В нашей работе была сделана попытка изучить механизм действия некоторых , -нии обезболивающего эффекта, но в то же время с более слабым эффектом наркотической зависимости. К ним относятся: промедол, текодин и эстоцин.
Работа проводилась по ранее описанной методике (7). Все исследованные препараты при введении в окружающий нервно-мышечный препарат изотонический раствор Рингера вызывали уменьшение амплитуды миниатюрных потенциа-
( ),
вещества, так и от их концентрации в наружном растворе, а также от времени дей. . 1 2. -
( . 1 ). -
,
.
уменьшение амплитуды МПКП. На рис. 3 показано изменение амплитуды МПКП под действием всех трех веществ в различных концентрациях. Как видно из рисун-, . Уменьшение амплитуды под действием промедола проявляется в таких дозах, при которых текодин и эстоцин дают лишь незначительный эффект. Восстановления первоначальной величины амплитуды МПКП при больших дозах после отмывания . -
.
Уменьшение амплитуды МПКП при неизмененной частоте говорит о постси-наптическом влиянии этих анальгетиков. По всей видимости, анальгетики взаимодействуют с рецепторами постсинаптической мембраны, в результате чего часть рецепторов оказывается занятой и недоступной для медиатора - ацетилхолина ( ). ,
векществ с АХ за активное место в молекуле мышечного рецептора.
Как мы говорили выше, в настоящее время под термином “рецептор” обозначают макромолекулярный комплекс, способный избирательно связывать биологически активные вещества и инициировать специфический ответ клетки. Существует много данных о том, что механизм действия наркотических анальгетиков обусловлен их взаимодействием с опиатными рецепторами мозга, расположенными, в , , “
”,
Рис.1. Распределение МПКП по амплитудам в присутствии текодина
А - (5.10-7 М); 1 и 6 - в растворе Рингера, 2,3,4,5 - через 5, 15, 25, 35 мин. после смены растворов. Б - (5.10-5 М); 1 - в растворе Рингера, 2,3,4 в растворе текодина через 5, 15, 25 минут. По оси абсцисс - амплитуда МПКП в милливольтах; по оси ординат - число МПКП.
Рис. 2. Распределение МПКП по амплитудам в присутствии текодина
(1.10-4 М). 1 - в растворе Рингера; 2, 3, 4, 5, 6 - через 5, 10, 15, 30, 40 минут после смены растворов соответственно.
Обозначения те же, что и на рис.1.
--------1--- ----1—_______I________1
10 20 30 40
Рис.3. Изменение амплитуды МПКП в присутствии наркотических анальгетиков
1 - Эстоцин (1.10-5 М), 2 - Текодин (1.10-4 М), 3 - Промедол (5.10-6 М). По оси ординат - относительная амплитуда МПКП (норма 100 %); по оси абсцисс - время ( ).
Релейными станциями для болевой импульсации (8). Как обнаружили иссле-, , , -
выкание к ним, возбуждают дофаминовую систему мозга, которая производит до, . боли. Его попадание в рецепторы удовольствия создает приятные ощущения, побуждая еще к большему приему агента. Забегая вперед, скажу, что коломбийским нейрохирургам удалось добраться до “центра удовольствия” пациента-добровольца наркомана и разрушить его. Действительно, находившийся под наблюдением оперированный пациент в течение года, не принимал наркотики и вроде бы избавился от наркозависимости. Однако по происшествии года он “сорвался” и умер от пере.
та же проблема, что и была до операции. Возможно эту проблему можно решить с помощью генной инженерии. В опытах на мышах с помощью генной инженерии были созданы особи, лишенные рецепторов удовольствия. Мутанты-трезвенники равнодушны к алкоголю и почти не пьянеют, если их заставляют выпить, но у них полностью нарушена система регулирования боли.
Результаты, полученные АЛ. Шаповаловым при регистрации активности , ,
влияние на процессы, связанные с возникновением потенциала действия в постси-наптической клетке (9). Им показано, что наркотические вещества обладают способностью повышать электрический порог мембраны, угнетать повторные ответы
на длительные или медленно развивающиеся во времени стимулы. Автор предполагает, что эти изменения можно объяснить нарушением способности клеточной мембраны отвечать на раздражение избирательным повышением к ионам натрия, . . . -верхности клеточной мембраны наступает фиксация молекул наркотика, вследствие чего происходит блокирование натриевых каналов мембраны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бурлакова Е.Б. Материалы 5-го Всесоюзного биохимического съезда. М.: Т.1. 1986. С.85.
2. Гусель В.А., Маркова И.В. Справочник педиатра по клинической фармакологии. J1.: Медицина, 1990.
3. Hughes J., Smith T.W., KosterlitzH.W., et. el. Idenfication of to related pentapeptides from the brain with potent opiate agonist activity. Nature, 258, N5536, 1975.
4. Martin W.R. Opioid antagonists. Pharmacol. Rev. 19, 4, 464, 1967.
5. Martin W.R., Eades C.C., Thompson J.A., et.el. The effect of morphine - like drug in the nondependent and morphine - dependent chronic spinal dog. J. Pharm. Exp. Ther. 197, 3, P.517-532. 1976.
6. Klee W.A., Sharma S.K., NirenbergM. Opiate receptors as regulators of denylate cyclase. Life Sci., 16. 1869-1874. 1975.
7. . .- . -
бождение порций медиатора из нервных окончаний. М.: Деп.Матер. ВИНИТИ №114784. 1984. 30с.
8. Каркшценко М.М. Психоунитропизм лекарственных средств. М.: Медицина. 1993.
9. Шаповалов AM. Клеточные механизмы синаптической передачи. М.: Медицина. 1966.
УДК 617.58.
M. Piotrkiewicz1, L. Kudina2, J. Mierzejewska1, N. Zhoukovskaya2
HUMAN MOTONEURONE FIRING CHARACTERISTICS: MODEL AND
EXPERIMENT
INTRODUCTION. In a few past decades a lot of information on the function of mammalian motoneurones (MNs) has been derived from intracellular recordings gathered in acute animal experiments. This kind of direct recording from MN of course cannot be applied in humans. However, indirect information on human MNs can be deduced from statistical characteristics of MN rhythmic firing. This is possible by studying motor unit (MU) activity, since there is one-to-one relation between MN and MU discharges. Computer simulations are commonly applied to allow for the proper interpretation of these results.
The special attention has been brought to the relationship between standard deviation of interspike interval (ISI) and their mean value, (Tm). The shape of this characte-
1 Bionics Department, Institute of Biocybernetics and Biomedical Engineering, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland
2 Institute for Information Transmission Problems, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
