Антиметаболиты: определение, происхождение и механизм действия

Биологические эффекты метаболитов (субстратов или ко­ферментов), находящихся в незначительных количествах в клет­ке или ткани, могут быть подавлены действием их аналогов, называемых антиметаболитами.

таких аналогов имеется участок, подобный участку метаболита, обеспечивающему взаимодействие аналога с ферментным бел­ком. Для того чтобы аналог был эффективным, он должен иметь сходство с метаболитом не только в размерах, но и в рас­пределении электронов, так как активные центры ферментов, как правило, высокополярны. Антагонизм между аналогом и метаболитом обусловлен тем, что антиметаболит занимает и блокирует активные участки фермента, обычно используемые метаболитом (разд. 9.2).

Хотя метаболит может быть превращен в аналог изменением химической структуры молекулы, это изменение не должно быть значительным, иначе метаболит потеряет биологическое действие, но не приобретет антагонистического. Так разнообраз­ные модификации структуры тиамина путем присоединения дополнительной или отщепления имеющейся метильной группы снижают его активность как витамина, но не делают его анта­гонистом (глава 2). В целом, потеря или приобретение метиль­ной группы молекулой метаболита — слишком большое измене­ние, чтобы он стал антагонистом, по крайней мере в случае небольших молекул, в которых измененный участок обычно на­ходится внутри или очень близко к активному участку фермен­та. Целесообразнее сохранять стерические свойства метаболита (чтобы обеспечить связь с ферментом), но варьировать его электронные свойства (чтобы сделать новое вещество не под­ходящим для фермента в качестве субстрата).

Некоторые антагонисты имеют такую простую химическую природу, что их способность выступать в роли аналогов ме­таболитов часто остается незамеченной. Например, одни неорга­нические катионы конкурируют с другими (разд. 9.2 и 11.0). Даже ион водорода (по утверждению Митчелла^[1] один из наи­более важных метаболитов) участвует в конкуренции с органи­ческими и неорганическими катионами (разд.

Известен ряд примеров конкуренции между простыми анио­нами. Так, перхлорат- и тиоцианат-анионы ингибируют накоп­ление йодид-иона в щитовидной железе без сколько-нибудь заметного нарушения окислительного включения йодид-иона в тироксин [Stanbury, Wyngaarden, 1952]. Таким же образом спо­собность бактерий Nitrobacter окислять нитриты в нитраты ин­гибируется цианат- или перхлорат-анионами: эффект последних легко снимается простой отмывкой [Lees, Simpson, 1957].

Некоторые физиологические процессы регулируются парами метаболитов-аналогов. К последним, например, относятся по- лненовые половые гормоны водорослей [Kuhn, 1940] и половые гормоны млекопитающих. Из двух простагландинов, содержа­щихся в легких человека, PGE₂ расслабляет, a PGF_2a сокращает мускулатуру бронхов. Таким же образом простагландин Di ин­гибирует увеличение проницаемости сосудов, вызываемое в коже крыс простагландинами Е_ь Е₂ и D₂ [Flower, Kingston, 1975]. Другая пара химически сходных регуляторов — это простациклин и тромбоксан у человека. Простациклин — наибо­лее сильный ингибитор агрегации тромбоцитов и мощный вазодилататор, в то время как тромбоксан обладает противопо­ложными свойствами. Однако оба вещества образуются из од­ного и того же предшественника — простагландина эндоперок­сида (разд. 4.7).

Известно лишь несколько примеров антагонистов, созданных изменением расположения групп у асимметрического атома углерода. Одним из таких антагонистов является D-гистидин, ингибирующий фермент гистидазу, которая в норме размыкает имидазольное кольцо L-гистидина [Edlbacher, Baur, Becker, 1940]. Этот метод резко эффективен в применении к небольшим молекулам, вероятно, потому, что пространственное соответствие субстрата — метаболита, необходимое для адсорбции его фер­ментом, слишком резко нарушается при перемещении замести­телей.

Надежный метод создания антагонистов для большой моле­кулы заключается в использовании малой молекулы, сходной с повторяющимся фрагментом структуры большой молекулы. Так, крахмал гидролизуется ферментом амилазой до мальтозы, представляющей собой ангидродимер глюкозы. Этот фермент активно ингибируется глюкозой, хотя и не образуется при гидролизе. Галактоза — стереоизомер глюкозы — менее сильный ингибитор амилазы, а фруктоза — изомер глюкозы, но не стерео­изомер, вообще не оказывает ингибирующего действия [Wohl, Glimm, 1910].

Антагонистами небольших по размеру молекул могут быть их ближайшие гомологи, например малоновая кислота (9.3) — ингибитор окисления янтарной кислоты (9.4) сукцинатдегидро- геназой [Quastel, Wooldridge, 1927].

Другой путь создания антагонистов-аналогов — это замена атомов в цикле, входящем в молекулу метаболита. Так, пири- тиамин (9.5), получаемый заменой атома серы в молекуле тиамина (2.1) этиленовой группой, вызывает характерный симп­том недостаточности тиамина у мышей [Woolley, 1950]. Замена тиазольного кольца пиридиновым кажется логичной вследствие их изостерности (по аналогии с тиофеном и бензолом) [Наг- tough, 1952]. Показано, что пиритиамин вытесняет тиамин с фермента, обычно фосфорилирующего его с образованием тиаминпирофосфата — кофермента пируватдегидрогеназы.

Целесообразен и противоположный путь — замена этилено­вого фрагмента серой, например превращения фенилаланина в тиенилаланин — сильный антагонист этой аминокислоты у микроорганизмов [Dittmer, 1949]. Подобная замена бензольного кольца тиофеновым эффективна и во многих других случаях. Например, а-тиенилалкиламины похожи на соответствующие фенилалкиламины по гипертензивной активности, а аминоалки­ловые эфиры тиофен-2-карбоновой кислоты обладают сходным с соответствующими эфирами бензойных кислот местноанесте­зирующим действием [Hartough, 1952].

Один из лучших общих методов создания антагонистов — замещение одной электроноакцепторной группы другой. Так, карбоксильная группа (—СООН) может быть замещена груп­пами —СОСНз, —SO₂OH или —SO₂NH₂. Однако при заменах такого рода необходимо сохранять степень ионизации основной группы, если таковая имеется в молекуле. Так, например, ами­ногруппа в анионе пара-аминобензойной кислоты (ПАБ, 9.7) не ионизирована и, следовательно, замещение карбоксилатной группы сульфогруппой неприемлема, так как основная амино­группа в присутствии последней превратилась бы в протониро- ванную аммониевую группу и новое вещество отличалось бы от

Таблица 9.1. Ваи-дер-ваальсовы радиусы некоторых заместителей в анта­гонистах метаболитов [Speakman, 1968]

исходного слишком резко, чтобы быть эффективным антимета­болитом.

Эффективные антагонисты были получены заменой водоро­да фтором (присутствие которого в этих антагонистах приводит к обратимой блокаде метаболизирующих ферментов ЭР), напри­мер, синтетические антагонисты андрогенов и кортикостероидов [Gilman, Goodman, Gilman, 1980], противораковый препарат — фторурацил (4.0.2) и фунгицид — флуцитозин (4.23). Ряд по­добных препаратов применяют в медицине, но замена лимонной кислоты на фторлимонную недопустима из-за высокой токсич­ности последней (разд. 13.5).

Нередко целесообразна замена метильной группы хлором. Примером могут служить антагонисты рибофлавина [Kuhn, Weygand, Moller, 1942]. Данные табл. 9.1 подтверждают пра­вильность предположения о том, что такие изменения стериче- ски оправданы, и позволяют понять, почему замещение атома водорода на атом хлора или метальную группу обычно не при­водит к получению эффективных антагонистов. Общим требо­ванием при конструировании аналогов этого типа является их сходство с субстратом настолько, чтобы фермент, ошибаясь, использовал эти чужеродные молекулы вместо субстрата. В то же время антагонисты должны в достаточной степени отличать­ся от метаболита, чтобы, связавшись с ферментом, не вступать в химическую реакцию, которой в норме подвергается субстрат под действием фермента. Если же он в нее все-таки вступает, то образующийся продукт не должен взаимодействовать с фер­ментами, участвующими в дальнейшей цепи биохимических превращений нормального субстрата.

Антагонисты можно получить удалением из молекулы мета­болита некоторых небольших групп, подвергающихся ковалент­ным превращениям в процессе нормального метаболизма. Так, дезоксипиридоксин [(9.6), R = CH₃] вызывает у человека симп­томы витаминной недостаточности пиридоксина, которые легко снимаются при введении последнего [(9.6) R = CH₂OH] [Mueller,

Vilter, 1950].

Очевидно, антагонист может быть найден для молекулы лю­бой величины. Например, ацетилирование тиреотропного гормо­на (ТТГ) — белка, содержащегося в гипофизе, приводит к об­разованию аналога, который накапливается в щитовидной железе и понижает гипертиреоидизм, блокируя действие ТТГ [Sonenberg, Money, 1957]. Небольшие химические изменения других полипептидных гормонов гипофиза, таких как окситоцин и вазопрессин, обусловливают образование антагонистов соот­ветствующих гормонов [Dyckes et al., 1974; Manning et al., 1977]. Так, при замещении аминогруппы в положении 1 окси- тоцина пеницилламином получают сильный антагонист этого гормона.

В природе существует немало примеров антагонизма на по- липептидном уровне. Полипептид контрикал (ОММ 6512), обна­руживаемый в тканях млекопитающих в больших количествах, подавляет гипотензивный кинин (калликреин) поджелудочной железы и протеолитическое действие ферментов трипсина И плазмина. Он был с успехом использован при лечении панкреа­титов [Trapnell, 1977]. Меланостатин и соматостатин — поли­пептиды, содержащиеся в гипоталамусе, ингибируют выделение передней долей гипофиза меланоцитстимулирующего гормона (полипептида) и соматотропина (гормона роста, белка) соответ­ственно.

После того как Woods обнаружил антиметаболитную приро­ду действия сульфаниламидов на бактерии (разд. 9.3.1), нача­лось широкое исследование других антагонистов, которые мог­ли бы стать полезными лекарственными препаратами. Это ока­залось неожиданно трудной задачей, поскольку полезные и вредные клетки участвуют во многих общих биологических процессах. В течение некоторого периода времени успех огра­ничивался открытием лекарственных веществ, относящихся к группе антагонистов фолиевой кислоты. Затем были обнаруже­ны (и случайно, и целенаправленно) многие другие антагонисты метаболитов, нашедшие применение в клинической практике (разд. 9.4).

Сегодня трудно рассчитывать на создание эффективных ан­тагонистов тех или иных метаболитов, если нет строгих данных сравнительной биохимии, указывающих на участие этих мета­болитов в биохимических процессах, протекающих только во вредной клетке. Из бесчисленного множества агентов, синтези­рованных за этот долгий период и не обладающих избиратель­ным действием, многие были использованы в биохимии в каче­стве специфических блокаторов различных метаболических процессов in vitro. Об антагонистах метаболитов см. Hochster, Quastel [1963—1973].