Различные механизмы биологического действия хелатирующих агентов (введение)

Наличие двухфазной реакции организма на металлы свиде­тельствует о существовании двух разных механизмов действия хелатирующего агента в биологических системах: I — удаление металлов из клетки или «маскировка» их в клетке (в виде комплексов) и II — накопление в клетке металлов в большем количестве (или при большем окислительно-восстановительном потенциале), чем в обычных условиях.

А. Механизм I. Большинство хелатирующих агентов, биоло­гическое действие которых осуществляется по механизму I, по­лучили распространение в качестве антидотов, предназначенных для «маскировки» или удаления из организма токсичных ме­таллов, случайно попавших в организм высших млекопитаю­щих. Эти антидоты рассматриваются в разд. 11.6.

Лишь в редких случаях сам агент, связывающий металл, ока­зывается токсичным для организма. Так, оксин (11.30) прони­кает в клетки бактерий и грибов, не нанося им заметного вреда (разд. 11.7.1). Это объясняется тем, что обычные стерические факторы и сродство к металлам позволяют активным участкам хелатирующего агента накапливать и удерживать металл.

Наиболее изученное соединение, чье повреждающее действие связано с явлением «маскировки», — синильная кислота. Она связывает свободные валентности железа в цитохромоксидазе, не затрагивая при этом четырех его связей с порфириновым ядром. Таким образом, фермент лишается возможности соеди­няться со своим субстратом, и дыхание прекращается. У мно­гих видов это приводит к немедленной гибели организма.

Б. Механизм II. В разд. 11.0 было рассмотрено использова­ние хелатообразования для подкормки деревьев железом. Дру­гой пример — инъекции больным, страдающим недостаточ­ностью кальция, комплекса кальция с глюконовой кислотой, медленно разрушающегося в организме с выделением ионов кальция.

«Кооперативный эффект». Явление возрастания хи­мической активности вследствие хелатообразования подтверж­дается на примере гемоглобина, способного связывать кислород, и гемсодержащих ферментов, являющихся сильными окислите­лями. Неорганические соли железа обладают некоторой ката­лазной и пероксидазной активностью, возрастающей во много раз при включении железа в порфириновое ядро, связанное со специфичным белком. Аналогично ионы меди катализируют окисление аскорбиновой кислоты на воздухе, но этот эффект многократно увеличивается при включении меди в аскорбин- оксидазу (см. табл. 10.4).

Подобный «кооперативный эффект» может иметь место и в отсутствие белков. Нередко при добавлении комплексообразую­щего соединения с целью дезактивации металла наблюдается обратное явление: образующийся комплекс оказывается более активным катализатором. Токсическим действием обычно обла­дают металлы, способные изменять валентность, особенно, медь и железо. «Кооперативный эффект» чаще всего проявляется в тех случаях, когда прибавляется недостаточное количество комплексообразующего агента, т. е. образуется ненасыщенный комплекс. Приведем несколько таких примеров.

Комплекс орто-фенантролина (11.18) с ионом одновалент­ной меди в соотношении 2 : 1 в присутствии перекиси водорода способен мгновенно расщеплять двойную спираль ДНК- Эта реакция происходит за счет рециклизации с ионами меди, имеющими две свободные валентности. Это подтверждается отсутствием расщепления под действием 2,9-диметил-орто-фе- нантролина, который вследствие стереохимических ограничений способен соединяться только с одновалентной медью [Pope et al., 1982]. Потемнение дигидроксифенилаланина в результате окисления в присутствии сульфата двухвалентной меди значи­тельно ускоряется при добавлении орто-фенантролина [Isaka, 1957].

Гидролиз диизопропилфторфосфата, катализируемый медью,*; резко ускоряется аминокислотами, этилендиамином, орто-фе4 нантролином и бипиридилом. Наиболее удачным считают соом ношение компонентов, при котором образуется комплекс 1: И [Wagner-Jauregg et al., 1955]. ЭДТА не влияет на реакции^- гидролиза, так как это соединение не проявляет «кооператив^ ного эффекта» с медью и может предотвращать действие окси- на, как такового [Byrde, Woodcock, 1957].

Механизм действия многих избирательно токсичных аген­тов основан на «кооперативном эффекте» (разд. 11.7). Обычно хелатные соединения металлов обладают большей избиратель­ностью, чем их неорганические соли.

Эффект распределения. Известно, что клеточные мембраны точно регулируют поглощение катионов тяжелых ме­таллов, поскольку даже жизненно важные катионы, необходи­мые в следовых количествах, в избытке оказываются токсичны­ми. Так, железо токсичнее, чем обычно полагают; пероральное введение больших доз сульфата двухвалентного железа может привести к некрозу печени человека, наступающему через 48 ч [Luongo, Bjornson, 1954]. Токсическое действие вируса энце­фаломиелита, содержащего много железа, объясняют переносом этого металла вирусами через гемато-энцефалический барьер (ГЭБ), который в норме для него непроницаем [Racker, Krims- ky, 1947]. Однако комплексы, не имеющие заряда, жирораство­римы и поэтому способны проникать через клеточные мембра­ны, которые не могут регулировать их проникновение. Как по­казано на рис. 11.2, комплексы двухвалентных металлов с ща­велевой кислотой, их комплексы с глицином в соотношении 2: 1 и им подобные не имеют заряда, а поэтому легко проникают в клетки.

(Комплексы полидентатных соединений типа ЭДТА (11.27) часто содержат избыток гидрофильных групп, способных соединяться с металлом, и поэтому не могут проникать че­рез обычные клеточные мембраны.) За счет образования таких жирорастворимых комплексов хелатирующий агент способен осуществлять транспорт металла в клетку в количествах, пре­вышающих обычные. Некоторые хелатные соединения металлов оказывают действие, находясь вне микроорганизма, чей харак­терный отрицательный заряд вызывает притяжение и накопле­ние таких положительно заряженных комплексов, как а) хелат­ные комплексы с агентами типа глицина, обладающие положи­тельным зарядом при неполном насыщении (например, комп­лексы с двухвалентными металлами 1:1), и б) хелатные комп­лексы с агентами типа этилендиамина, положительно заряжен­ные при любой степени насыщения (см. рис. 11.2).

Существуют предположения о том, что хелатообразование подавляет токсическое действие лекарственных препаратов на организм, «маскируя» токсикогенные группы за счет связыва­ния их с металлом [Gosalver et al., 1978; Perrin, 1970].

11.6.