12.6.1. Мускариновый холинорецептор

Среди отличительных особенностей мускаринового рецепто­ра следует отметить не только длительность его ответа на АХ, но и быстроту возникновения этого ответа [Greengard, 1976]. Этот рецептор выделяют экстракцией из мозга быка, при этом берут только каудатные ядра, содержащие основную часть АХ мозга.

Мускариновый рецептор выделен также из головок фрукто­вой мушки Drosophila [Dudai, Ben-Barak, 1977], но в головках обычной мухи — совершенно другой тип холинорецепторов

(разд. 12.6.2).

Бетанехол (катион)

(12.69)

Большинство сведений о структуре мускаринового рецептов ра получено при изучении связи структура — активность аго­нистов, имитирующих действие АХ в постганглионарных синап­сах. Эти рецепторы традиционно называются мускариновыми, однако следует помнить, что это название чисто историческое, так как мускарин в медицине для лечения больных не применя­ется.

Наиболее типичный мускариновый агонист — метахолин (12.68), а-ацетил-^-метилхолин. Эта простая молекула, отлича­ющаяся от АХ наличием дополнительной метильной группы, обладает такой же мускариновой активностью, что и природ­ный медиатор, но совершенно не проявляет никотиноподобноё

действие. Следует отметить, что L-изомер в 200 раз активнее D-изомера [Ellenbroek, Van Rossum, 1960]. В медицинской практике метахолин в основном применяют в послеоперацион­ном периоде для понижения тонуса кишечника. Чистым муска­риновым агонистом является и бетанехол (12.69), гибрид мета­холина и карбахолина (2.11), применяющийся в клинике по тем же показаниям, что и метахолин. Эти лекарственные ве­щества обладают важным преимуществом перед АХ: они зна­чительно медленнее гидролизуются АХЭ.

Равновесное расстояние между четвертичным атомом азота в молекуле АХ и отрицательно заряженной группой рецептора рассчитано по разности свободных энергий взаимодействия ре­цептора с ацетилхолином (12.65) и с диметилбутилацетатом (12.66): оно равно 0,329 нм. Диметилбутилацетат имеет не об­ладающую основными свойствами головку, изостеричную кати­онной головке АХ. Это расстояние практически равно расстоя­нию максимального сближения, найденному на молекулярных моделях [Burgen, 1965].

В последние годы структура многих жестких аналогов АХ была определена рентгеноструктурным анализом для предска­зания: а) конформации молекулы АХ (из множества возмож­ных для такой гибкой молекулы), взаимодействующей с дан­ным рецептором, и на основании этого б) стереохимии самого рецептора. Такой подход к установлению структуры рецептора достаточно дискуссионен, так как известна способность рецеп­торов деформироваться при взаимодействии с агонистами (разд.

Формулой (12.70) представлена двумерная проекция моле­кулы ацетилхолинбромида по данным рентгеноструктурного анализа [Сапера, Pauling, Sorum, 1966]. Межатомное рассто­яние между N-метильной группой и эфирным атомом кисло­рода (т. е. атом кислорода, связанный с двумя атомами угле­рода) равно 0,302 нм, а между атомом азота и эфирным ато­мом кислорода 0,329 нм (оба эти расстояния короче, чем обыч­но). Оба атома кислорода находятся в одной плоскости с ближайшими тремя атомами углерода, расположенными в пра­вой части формулы (12.70). Таким образом, геометрии моле­кул ацетилхолина и мускарина (12.72) [рентгеноструктурные данные Jellinek, 1957] в твердом состоянии похожи. Однако в водном растворе конформация молекулы АХ может быть со­вершенно иной, что обусловлено отсутствием влияния соседних молекул того же самого вещества. Поэтому конформации АХ изучали по анализу вицинальных констант в спектрах ЯМР в растворе D₂O [Culvenor, Ham, 1966]. Полученные результаты подтверждают данные рентгеноструктурного анализа, за иск­лючением того, что сложноэфирная группа находится в кон­формации, более свойственной сложным эфирам. Гош-конфор- мация цепи +NCCO, существующая во всех трех структурах (12.70), (12.71) и (12.72), является предпочтительной для мно­

гих 1,2-дизамещенных этанов в растворе. Таким образом, пред­почтительная конформация АХ весьма обычна; однако взаимо­действие с рецептором может изменить ее полностью.

Мускарин

(поданнымрентгеноструктурного анализа)

(12.72)

Жесткая циклическая структура молекулы мускарина по­зволяет получить более полную информацию о структуре мус­каринового холинорецептора, чем гибкая молекула АХ [Waser, 1961]. Из семи стереоизомеров мускарина только природный L-( + )-изомер обладает высокой ацетилхолиноподобной актив­ностью. Атом азота должен быть четвертичным, а атом кисло-’ рода в цикле нельзя заменить даже на серу, иначе активность соединения пропадает.

Величины отношений активности L-мускарина к активности АХ для разных постганглионарных холинорецепторов изменя­ются от 0,1 до 5,4. Из возможных изомеров и аналогов муска­рина активностью обладают лишь те, в которых метальная, гид­роксильная и ониевая группы (боковой цепи) расположены так же, как и в молекуле мускарина.

Какие еще структурные модификации молекул АХ и муска­рина можно проводить, сохраняя при этом сильную ацетилхо­линоподобную активность? Все эти данные являются лишь по- луколичественными, и для их уточнения требуется проведение

дополнительных исследований. Дело в том, что «активность» каждого соединения складывается из двух составляющих: эф­фективности и сродства (разд. 7.5.2). Так, катион диметилами- ноэтилацетата (12.73), нечетвертичного аналога АХ (12.65), практически не обнаруживает мускариновой активности. В действительности же его внутренняя активность выше, чем у АХ, а низкая активность обусловлена малым сродством — в 1000 раз меньшим, чем у АХ [Gloge, Liillmann, Mutschler, 1966].

Особый интерес представляет 2-ацетоксициклопропилтри- метиламмоний-йодид (12.74), так как в этом соединении струк­тура N—С—С—О АХ жестко закреплена ковалентными связя­ми. Это соединение было получено в виде смеси четырех изо­меров, конфигурация которых была определена рентгенострук­турным анализом [Chothia, Pauling, 1970].

Полной мускариноподобной активностью обладает (+)- транс-изомер, остальные три малоактивны. (Активный изомер обладает лишь 1 % активности ацетилхолина, остальные изоме­ры еще менее активны.) Поэтому был сделан вывод, что по крайней мере мускариновая активность АХ связана с конфор­мацией, похожей на таковую активного (IS, 2S)-изомера со­единения (12.74).

(12.75) (5-метилфурметид) обладает такой же мускариновой активностью, как и АХ, и почти не обладает никотиновой ак­тивностью [Armitage, Ing, 1954]. Подобно мускарину это со­единение имеет в молекуле жесткий плоский цикл, но (благо­даря двойным связям)—СНг-группа фрагмента —СН2—+ЫМез жестко закреплена в плоскости цикла, и поэтому форма моле­кулы четко определена. Следует отметить, что в отличие от мускарина в соединении (12.75) отсутствует гидроксильная группа и стереоизомерия здесь невозможна. Из данных крис­таллографических исследований молекулы 5-метилфурметида [Baker et al., 1971] видно, что, хотя строение некоторых фраг­ментов этой молекулы совпадает со строением молекул муска­рина и АХ, в другом она сильно от них отличается, поэтому эти

данные ничего не дали для выяснения структуры мускарин" вых холинорецепторов. Удаление метальной группы из соедине­ния (12.75) резко снижает мускариновую активность, так как приводит .к понижению электронной плотности на эфирном ато­ме кислорода, но не меняет конформацию. Из этого можно сделать вывод, что для проявления мускариновой активности значительно важнее распределение электронов в молекуле, чем ее конформация. Как фурметид, так и 5-метилфурметид слу­жат примерами, подтверждающими правило «пяти атомов боко­вой цепи» (см. ниже).

Синтез жестких агонистов АХ — задача довольно сложная. Обширные конформационные возможности молекулы АХ (12.76) зависят от четырех торсионных углов: С5—С4—N—СЗ, 01—С5—С4—N, С6—01—С5—С4 и 02—С6—01—С5. По ана­логии со всеми похожими структурами первый из этих углов, вероятнее всего, постоянен — это анти-планарная вытянутая цепочка с торсионным углом 180°. Причиной этой жесткости являются стерические препятствия, создаваемые N-метильными группами, так как их ван-дер-ваальсовы радиусы мешают бо­лее плотной упаковке (разд. 8.0). Из-за планарности эфирных групп (связь С6—01) фиксирован и последний из этих углов (02—С6—01—С5). Рентгеноструктурные исследования крис­таллов различных агонистов АХ показали, что два других тор­сионных угла могут изменяться в широких интервалах. Одна из групп исследователей пришла к выводу, что для проявления мускариновой активности необходимо только расположение атомов С1 и С7 АХ по одну сторону молекулы [Baker et at, 1971]. Другая группа на основании похожих доказательств (в сочетании с данными для антагонистов, менее значимыми) по­стулировала, что АХ взаимодействует с мускариновыми рецеп­торами эфирным атомом кислорода и аммонийным катионом [Beers, Reich, 1970].