14.3. Повреждение мембран биологически активными агентами

Холестерин в разных количествах входит в состав плазмати­ческих мембран млекопитающих. При этом увеличение его ко­личества обычно приводит к ослаблению функций мембраны. Так, АТФаза мембран саркоплазматического ретикулума постепенно теряет способность к транспорту кальция по мере за­мещения фосфолипидов холестерином.

Алкилфенолы, например (14.15), четвертичные аммониевые основания с длинной цепью, например (14.16), и полипептидные антибиотики расщепляют стенки бактериальных клеток [Gale, Taylor, 1947]. В экспериментах на протопластах в гипертониче­ской среде было показано, что этот эффект является вторичным. Это не что иное, как результат спонтанного разрушения цито­плазматических мембран под влиянием соединений любого из трех перечисленных классов. Разрушающее действие этих ве­ществ было изучено также путем измерения времени, затрачи­ваемого на вытеснение содержимого клетки. Для этого удобно использовать график зависимости изменения оптической плот­ности при 260 нм от времени, как это показано на рис. 14.3 на примере действия гекснлрезорцинола на Е. coli, которое, как видно из рисунка, прекращается примерно через 2 мин. Подоб­ные результаты были получены и для четвертичных аммониевых оснований, таких как ЦТАБ (14.16) [Salton, 1951]. Природа этого явления заключается, по-видимому, в образовании пор, 326

достаточно больших для того, чтобы даже такие крупные моле­кулы. как цитохром С, могли выходить из клетки.

Бромид цетилтриметиламмония (14,16)

Полимиксин В (14.17)—одно из лекарственных веществ, наиболее мягко повреждающих цитоплазматические мембраны.

Полимиксин Bi

Моа — 6-метилоктановая кислота, Dab — диамииомасляиая кислота,

Thr — треонин, D-Phe—D-феинлаланин (14.17)

ГрамицидинS (14.18)

Выделенный из палочковидных бактерий, циклический де- капептидный антибиотик грамицидин S (14.18) содержит два остатка необычной аминокислоты — D-фенилаланина. По дан­ным рентгеноструктурного анализа и спектров ЯМР молекула грамицидина S имеет структуру, подобную лестнице, ступень­ками которой служат четыре связи N—Н’"О [Conti, 1959]. Этот антибиотик разрушает мембраны, не не участвует в транспорте катионов. Тироцидин В имеет очень похожую структуру. Гра­мицидин D — линейный полипептид, состоящий из 15 аминокис­лотных остатков, в том числе нескольких с D-конфигурацией. Он повреждает бактериальные клетки, удаляя из них калий (подобно валиномицину, но значительно сильнее), без разру­шения плазматических мембран.

Алкилфенолы, четвертичные аммониевые основания, и поли- пептидные антибиотики являются поверхностно-активными ве­ществами, однако этого их свойства недостаточно для реализа­ции биологического действия [Luduena et al., 1955]. Обычные поверхностно-активные вещества, различающиеся по типу за­ряда на три группы — катионные, анионные и нейтральные, при равном поверхностно-активном действии могут обладать как сильным, так и слабым антибактериальным действием или быть просто инертными, т. е. поверхностная активность вещества сама по себе не определяет его антибактериальное действие, а лишь способствует концентрации вещества на поверхности бактерий. Любые повреждения бактерий связаны со структурно­специфичным высвобождением компонентов клеточной мем­браны.

Повреждение мембран, о котором идет речь в этом разделе, по сути дела состоящее в разрыве пленок смешанного состава, можно изучать на модельных системах. Если адсорбированное поверхностно-активное вещество образует новый монослой по­верх пленки, то происходит лишь простое слипание отдельных

участков пленки друг с другом (явление агглютинации). Для того чтобы произошел разрыв пленки, поверхностно-активное вещество должно либо нейтрализовать ее заряд (например, при действии катиона на анионную пленку), либо проникнуть внутрь пленки, как это происходит, если агент обладает большей по­верхностной активностью, чем компоненты пленки, или если он может образовывать прочные связи с одним из компонентов пленки и тем самым замещать другой компонент. Именно этот механизм лежит в основе гемолиза эритроцитов сапонинами или фосфолипидами [Schulman, Rideal, 1937]. Иногда в результате внедрения поверхностно-активного агента пленка становится более прочной и, следовательно, разрыва не происходит.

Поверхностно-активными веществами катионного типа явля­ются два широко применяемых фунгицида — додин (додецил- гуанидин) и глиодин (2-гептадецил-2-имидазолин). Они разры­вают плазматические мембраны некоторых грибов, а других убивают тем, что резко повышают проницаемость этих мембран, после чего внедряются в клетку и разрушают структуру внутри­клеточных мембран [Somers, Pring, 1966].

Большинство клеток Е. coli погибает, если их поместить на 5 мин при 20 °С в водный раствор (1:10 000) хлоргексидина (10.24), широко применяемого местного анестетика [Rye, Wise­man, 1966]. Как анилид тетрахлорсалициловой кислоты, так и гексахлорофан вызывают выделение из бактериальных клеток веществ с максимумом поглощения УФ-света 260 нм (критерий разрушения плазматической мембраны); бактерии при этом по­гибают. Оба этих вещества используют в качестве жирораст­воримых средств для дезинфекции кожи [Woodroffe, Wilkinson, 1966; Joswick, 1961].

Стрептомицин, гентамицин и другие аминогликозидные ан­тибиотики подавляют синтез белка на рибосомах. Однако из-за высокой полярности они не способны пассивно диффундировать через клеточные мембраны. Эффективным средством доставки этих гликозидов в бактериальные клетки служит нормальный транспорт электронов, связанный с окислительным фосфорили­рованием. Через некоторый небольшой промежуток времени скорость резко увеличивается, вероятно, вследствие поврежде­ния плазматической мембраны лекарственным веществом [Anand, Davis, Armitage, 1960; Bryan, Van Den Elzen, 1977].

Полиеновые антибиотики, выделенные из некоторых видов Streptomyces, найденных в почве, эффективны против систем­ных грибковых заболеваний [Dutcher, Boyak, Fox, 1954].

Эти полиеновые противогрибковые препараты — макролиды, одна из частей лактонного цикла которых содержит много гид­роксильных групп, а другая — от четырех до семи сопряженных кратных связей.

Эти полнены повреждают грибы, связываясь с эргостерином и ситостерином плазматических мембран [Hamilton-Miller, 1973]. Так, филипин не действует на Mycoplasma laidlawii, если их рост идет в отсутствие стеринов, в присутствии последних происходит лизис бактериальных клеток [Weber, Kinsky, 1965]. Если ввести полиеновые антибиотики под монослой сме­шанных липидов, находящийся в поверхностной впадине, они

внедряются в пленку и увеличивают ее поверхность. В резуль­тате переориентации стериновых компонентов, происходящей при взаимодействии с полиеном, слой, по-видимому, становится текучим [Demel, Van Deenen, Kinsky, 1955]. Мембраны мито­хондрий и ядер, а также клеточные стенки не подвержены дей­ствию полиенов [Kinsky, 1962].

Весь спектр повреждений плазматических мембран можно получить, используя разные полиеновые антибиотики от фили- пина, вызывающего огромные повреждения и разрывы, до N-ацетилкандидина, приводящего только к утечке ионов калия и сорбозы, и N-сукцинилперимицина, высвобождающего только ионы калия [Borowski, Cybulska, 1967]. В целом, низкомолеку­лярные члены ряда вызывают наибольшие повреждения [Cirillo, Harsch, Lampen, 1964].

В клинике наиболее широко используют два полиеновых ан­тибиотика—нистатин (14.19), структура которого была уста­новлена несколькими авторами [Birch et al., 1964; Chong, Ric­kards, 1970] и амфотерицин (5.14). Последний по данным рент­геноструктурного анализа [Ganis et al., 1971] содержит 35-член­ный гептаеновый лактонный цикл. В его длинной тонкой молекуле, включающей десять гидроксильных групп, способных к образованию водородных связей, гидрофильная и липофиль­на области сильно разделены.

Нистатин при пероральном введении (часто в виде суспен­зий, из-за низкой растворимости в воде) широко используют для лечения кандидозов гортани, влагалища и прямой кишки. Он не всасывается из кишечника. Амфотерицин В вводят внут­ривенно в виде коллоидной суспензии при лечении глубоких грибковых инфекций легких, костного мозга и головного мозга. Его избирательность не очень высока, но в настоящее время заменить его нечем.

Фунгициды — производные миконазола, обсуждавшиеся в разд. 6.3.4, вмешиваются в процесс образования плазматических мембран грибов.

Известны попытки найти агенты, способные селективно раз­рушать мембраны раковых клеток. Например, амины, такие как 4-додецилпиридин (14.20), с величиной рКа в пределах 5—9 из­бирательно накапливаются в лизосомах, поскольку подобно раковым клеткам они имеют достаточно высокую кислотность плазмы (разд. 4.2). Эти не ионизированные и липофильные амины свободно проникают в клетку, но, превратившись в ней в катионы, они фактически попадают в ловушку, из которой уже не могут выбраться. Поскольку катионы в отличие от неионизи­рованных аминов являются поверхностно-активными агентами, под их действием лизосомные мембраны разрываются. Можно надеяться на то, что это явление будет использовано в химио­терапии опухолей. 4-Додецилпиридин не проявляет токсическо­го действия при внутрибрюшинном введении мышам в дозе 0,5 г/кг [Firestone, Pisano, Bonney, 1979].

Сильные боли и воспаления, возникающие у больных подаг­рой, вызываются содержимым лизосом, которые разрушаются, когда кристаллы натриевой соли мочевой кислоты, фагоцитируе­мые из кровотока полиморфно-ядерными лейкоцитами, ослаб­ляют плазматические мембраны этих клеток.

14.4.