Вещества, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул

Вполне вероятно, что многие вещества, особенно со значе­ниями рКа в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в виде неионизированных молекул, проявляют свое биологическое дей­ствие, как ионы (разд.

Известно много веществ, у которых биологическая актив­ность определяется в основном долей присутствующих неиони- 122

Таблица 10.11. Зависимость между степенью ионизации различных нар­котических средств и их действием на червя Arenieola (минимальные дозы в г/100 мл морской воды, вызывающие обездвиживание червя через 5 мин) [Clowes, Keltch, 1931]

зированных молекул, однако и ионизированная часть вещества также вносит свой вклад в биологическую активность.

При изучении биологической активности слабой кислоты обычно оказывается, что для получения стандартной реакции необходимо одинаковое количество вещества при любых значе­ниях pH, которые на одну единицу или более ниже значения рК_а. При этих условиях кислота слабо ионизирована (разд. 10.1), а следовательно, ее биологическая активность обуслов­лена прежде всего неионизированными молекулами. Это иллю­стрирует левая часть рис. 10.12. Однако если значения pH на­чинают превышать значения рКа, то для получения постоянной биологической реакции потребуется все возрастающее количе­ство вещества, т. е. для получения постоянного биологического ответа необходимо либо постоянное число молекул (ср. разд. 10.4), либо постоянно убывающее в связи с тем, что анион об­ладает тем же биологическим действием, что и неионизирован­ные молекулы, но менее выраженным. На рис. 10.12 показано действие бензойной кислоты на плесневой гриб Mucor.

Метод построения подобных кривых был разработан Simon (1950), который обнаружил, что у большинства веществ, наи­более активных в наименее ионизированном состоянии, ионы тем не менее обладают некоторой активностью. Примером мо­жет служить фунгицидное действие 2,4-динитрофенола (рКа 4,0) на грибы Trichoderma viride при различных значениях pH [Simon, Beevers, 1952].

Многие азотсодержащие гетероциклы, ионизирующиеся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе (разд. 4.6). Однако было обнаружено, что при

Рис. 10.11. Поглощение бензойной кислоты (рК 4,2) пекарскими дрожжами при разных значениях pH обратно пропорционально степени ионизации в про­центах; А — кривая зависимости распределения всего вещества (клетка — жидкость), Б — кривая изменения степени ионизации в % [Bosund, I960).

Рис. 10.12. Влияние pH на концентрацию бензойной кислоты, необходимую для ингибирования роста гриба Мисог. Верхняя кривая относится ко всему препа­рату в целом (ионы+иеионизированиые молекулы), нижняя — к неиоиизиро- ваиным молекулам [Cruess, Richert, 1929].

слишком высокой степени ионизации активность теряется пол­ностью. Это явление объясняется тем, что ингибиторы, проникая через мембраны в виде неионизированных молекул, действуют как анионы. Такой механизм действия характерен для некото­рых гербицидов: имидазолов, бензимидазолов, пуринов, пира- золов, индазолов, триазолов и бензотриазолов [Biichel, Draber, 1969]. Аналогичным образом рКа влияет на действие 2-трифтор- метилбензимидазолов [Jones, Watson, 1965].

Подобные результаты были получены и для оснований. Так, пириметамин (4.8), имеющий величину рКа 7,2, лучше поглоща­ется клетками из достаточно щелочных растворов, где он нахо­дится преимущественно в виде неионизированных молекул. Однако ключевой фермент, находящийся внутри клетки (дигид­рофо латредуктаза) ингибируют только катионы [Wood, Ferone, Hitchings, 1961].

Эффективность местных анестетиков в основном зависит от доставки большей части их молекул к месту действия, и это условие ограничивает применение слабых оснований в клини­ке. Когда было обнаружено, что эффективность обычных мест­ных анестетиков (имеющих значения рКа около 8,5) повышает­ся при использовани их в щелочных растворах, был сделан ошибочный вывод, что неионизированные молекулы — актив- 124

ная форма этих веществ [Trevan, Вооск, 1927]. Это утвержде­ние было опровергнуто с помощью следующего эксперимента, отрезок освобожденного от оболочки блуждающего нерва мле­копитающих вымачивали в цинхокаине (7.15). Затем препарат промывали в буферном растворе с pH 7. Цинхокаин, прочно связанный с внутренней поверхностью мембраны нерва, блоки­ровал электрические импульсы. При вымачивании препарата в буферном растворе (pH 9,5) способность передавать импульсы восстанавливалась, но снова исчезала при повторном вымачи­вании в буфере с pH 7. Таким образом было установлено, что в данном случае активной формой является катион [Ritchie, Greengard, 1961, 1966; Narahashi, Frazier, 1971]. Даже анало­ги местных анестетиков, содержащие четвертичный атом азота, были активны при инъекции в мембрану нерва; эти опыты бы­ли выполнены на мембране аксона кальмара [Narahashi, Fra­sier, Moore, 1972].

Так же как и широко используемые местные анестетики, большинство алкалоидов и антипсихотических лекарственных средств имеют рКа около 8, поэтому при pH 7,3 примерно 16% этих соединений остаются неионизированными. Они проникают в клетки в виде неионизированных молекул, а биологическое действие осуществляют в форме катионов. Антагонисты гиста­мина типа Н₂, например циметидин (9.58), при pH 7 активны только, если они почти полностью ионизированы, однако в слу­чае полной ионизации при этом значении pH они не могут до­стичь своего рецептора [Black et al., 1974].

Степень ионизации (образование анионов) многих широко применяемых противовоспалительных средств коррелирует по­ложительно с их биологическим действием, если ионизации под­вергаются не все молекулы, их липофильность достаточна для достижения места действия, где осуществляется ингибирование простагландинов. Примерами могут служить индометацин (рКа 4,5) и салицилаты [Whitenouse, Dean, 1965].

Исследование влияния рКа на противовоспалительное дейст­вие фенилиндандионов (9.39) показало, что необходимо точнее определять рКа орто-замещенных арилпроизводных, несомнен­но обладающих наибольшей биологической активностью [Van der Berg et al., 1975].

Еще в самом начале изучения различных антибактериаль­ных сульфаниламидов было обнаружено, что они утрачивают активность при метилировании атома азота сульфамидной груп-

Рис.

яы, что препятствует образованию анионов. Впервые это было установлено на примере сульфапиридина и сульфатиазола [Shepherd, Bratton, Blanchard, 1942]. Впоследствии соотноше­ние между ионизацией и антибактериальной активностью было исследовано Bell, Roblin (1942) (рис. 10.13). Оптимальное зна­чение рКа сульфонамидной группы находится в пределах от 6 до 8. Это указывает на то, что в клетки проникают неионизи­рованные молекулы сульфаниламидов, но их биологическое дей­ствие обусловлено ионами. Подобная работа была проведена для широкой серии более близких по структуре сульфанилами­дов и оптимальные значения рКа подтвердились, хотя получен­ная кривая была более пологой [Seydel, 1981].

Тот факт, что сульфаниламиды действуют как анионы, но проникают в бактериальные клетки в виде неионизированных молекул, был позднее подтвержден сравнением поведения суль­фаниламидов в бесклеточном фолатсинтезирующем препарате Е. coli и на интактных клетках Е. coli. Оказалось, что антибак­териальное действие прямо пропорционально проценту иониза­ции в первом случае, а во втором — зависит еще и от липофиль­ности молекул [Miller, Doukos, Seydel, 1972].

10.6.