Антиметаболиты как лекарственные препараты

В качестве ингибиторов ферментов по конкурентному механизму в медицинской практике используют вещества, называемые антиметаболитами. Эти соединения, будучи структурными аналогами природных субстратов, вызывают конкурентное ингибирование ферментов, с одной стороны, и, с другой - могут использоваться этими же ферментами в качестве псевдосубстратов, что приводит к синтезу аномальных продуктов. Аномальные продукты не обладают функциональной активностью; в результате наблюдают снижение скорости определённых метаболических путей.

В качестве лекарственных препаратов используют следующие антиметаболиты: сульфаниламидные препараты (аналоги парааминобензойной кислоты), применяемые для лечения инфекционных заболеваний (см. раздел 9), аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний (см. раздел 10).

Схема

Неконкурентное ингибирование

Неконкурентным называют такое ингибирование ферментативной реакции, при котором ингибитор взаимодействует с ферментом в участке, отличном от активного центра (рис. 2-24). Неконкурентные ингибиторы не являются структурными аналогами субстрата.

Неконкурентный ингибитор может связываться либо с ферментом, либо с фермент-субстратным комплексом, образуя неактивный комплекс. Присоединение неконкурентного ингибитора вызывает изменение конформации молекулы фермента таким образом, что нарушается взаимодействие субстрата с активным центром фермента, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.

Кинетические зависимости

Кинетическая зависимость неконкурентного ингибирования представлена на рис. 2-25. Этот тип ингибирования характеризуется снижением V_max ферментативной реакции и уменьшением сродства субстрата к ферменту, т.е. увеличением К_m.

Б. Необратимое ингибирование

Необратимое ингибирование наблюдают в случае образования ковалентных стабильных связей между молекулой ингибитора и фермента. Чаще всего модификации подвергается активный центр фермента, В результате фермент не может выполнять каталитическую функцию.

К необратимым ингибиторам относят ионы тяжёлых металлов, например ртути (Hg²⁺), серебра (Ag⁺) и мышьяка (As³⁺), которые в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра. Субстрат при этом не может подвергаться химическому превращению (рис. 2-26). При наличии реактиваторов ферментативная функция восстанавливается. В больших концентрациях ионы тяжёлых металлов вызывают денатурацию белковой молекулы фермента, т.е. приводят к полной инактивации фермента.

1. Специфические и неспецифические
ингибиторы

Использование необратимых ингибиторов представляет большой интерес для выяснения

Рис. 2-23. Схема активного центра ацетилхолинэстеразы. А - присоединение ацетилхолина в активном центре фермента. Стрелкой указано место гидролиза эфирной связи в молекуле ацетилхолина; Б - присоединение конкурентного ингибитора - прозерина в активном центре фермента. Указано место гидролиза прозерина, однако реакция идёт намного медленнее, чем с ацетилхолином; В - присоединение конкурентного ингибитора в активном центре фермента - эндрофония. Эндрофоний связывается в активном центре ацетилхолинэстеразы, препятствуя присоединению ацетилхолина.

механизма действия ферментов. С этой целью применяют вещества, блокирующие определённые группы активного центра ферментов. Такие ингибиторы называют специфическими. Ряд соединений легко вступает в реакции с определенными

Рис. 2-24. Схема неконкурентного ингибирования активности фермента.

химическими группами. Если эти группы участвуют в катализе, то происходит полная инактивация фермента.

Роль гидроксильных групп серина в механизме катализа исследуют с помощью фторфосфатов, например диизопропилфторфосфата. Дии-зопропилфторфосфат (ДФФ) специфически реагирует лишь с одним из многих остатков серина в активном центре фермента. Остаток Сер, способный реагировать с ДФФ, имеет идентичное или очень сходное аминокислотное окружение (табл. 2-2). Высокая реакционная способность этого остатка по сравнению с другими остатками Сер обусловлена аминокислотными остатками, также входящими в активный центр ферментов.

ДФФ относят к специфическим необратимым ингибиторам "сериновых" ферментов, так как он образует ковалентную связь с гидроксильной группой серина, находящегося в активном центре и играющего ключевую роль в процессе катализа (рис. 2-27).

Ацетат йода, п-хлормеркурибензоат легко вступают в реакции с SH-группами остатков цистеина белков (рис. 2-28). Эти ингибиторы не относят к специфичным, так как они

Рис. 2-25. Влияние неконкурентного ингибитора на скорость ферментативной реакции в зависимости от концентрации субстрата. V_max - максимальная скорость реакции в отсутствие ингибитора; 'V_max - максимальная скорость реакции в присутствии ингибитора; К_m - константа Михаэлиса в отсутствие ингибитора; 'К_m - константа Михаэлиса в присутствии ингибитора.

Рис. 2-26. Механизм действия ионов ртути как необратимого ингибитора. Ионы ртути в малых концентрациях блокируют сульфгидрильные группы активного центра, что приводит к снижению скорости ферментативной реакции.

Рис. 2-27. Ингибирование активности химотрипсина с помощью диизопропилфторфосфата.

Таблица 2-2. Исследование последовательности аминокислотных остатков вокруг реакционно-способного остатка се-рина, взаимодействующего с ДФФ

Фермент	Функция ферментов (подкласс ферментов)	Аминокислотные остатки, находящиеся в окружении реакционно-способного серина в активном центре
Химотрипсин	Протеолитические ферменты	Асп Сер Глу
Трипсин	Асп Сер Глу
Тромбин	Асп Сер Глу
Эластаза	Асп Сер Глу
Холинэстераза	Эстеразы (гидролиз эфирной связи)	Глу Сер Ала
Щелочная фосфатаза	Глу Сер Ала

реагируют с любыми свободными SH-группами белков и называются неспецифическими ингибиторами. Если SH-группы принимают участие непосредственно в катализе, то с помощью этих ингибиторов представляется возможным выявление роли SH-групп фермента в катализе.

2. Необратимые ингибиторы ферментов как
лекарственные препараты

Пример лекарственного препарата, действие которого основано на необратимом ингибировании ферментов, - широко используемый препарат аспирин. Противовоспалительный нестероидный препарат аспирин обеспечивает фармакологическое действие за счёт ингибирования фермента циклооксигеназы, катализирующего реакцию образования простагландинов из арахидоновой кислоты. В результате химической реакции ацетильный остаток аспирина присоединяется к свободной концевой NH₂-группе одной из субъединиц циклооксигеназы (см. схему ниже).

Это вызывает снижение образования продуктов реакции простагландинов (см. раздел 8), которые обладают широким спектром биологических функций, в том числе являются медиаторами воспаления.

Коферменты, или коэнзимы — малые молекулы небелковой природы, специфически соединяющиеся с соответствующими белками, называемыми апоферментами, и играющие роль активного центра или простетической группы молекулы фермента.

Комплекс кофермента и апофермента образует целостную, биологически активную молекулу фермента.

Роль коферментов нередко играют витамины или их метаболиты (чаще всего — фосфорилированные формы витаминов группы B). Например, коферментом фермента карбоксилазы является дифосфотиамин, коферментом многих аминотрансфераз — пиридоксаль-6-фосфат.

В металлоферментах роль, аналогичную роли коферментов, могут исполнять катионы металлов, однако коферментами их обычно не называют.

п·о·р Коферменты
Коферменты	витамины: NAD, NADP (B3)· Кофермент A· Тетрагидрофолат (B9), Дигидрофолат, Метилентетрагидрофолат· Аскорбиновая кислота (C)· Витамин К· Кофермент F420 невитамины: ATP· CTP· S-Аденозилметионин· PAPS· Глутатион· Кофермент B· Кофермент М· Убихинон (Кофермент Q)· Метанофуран· BH4· H4MPT
Органические простетические группы	витамины: Тиаминпирофосфат (B1)· FMN, FAD (B2)· Пиридоксальфосфат (B6)· Биотин (B7)· Метилкобаламин, Кобамамид) невитамины: Гем· Липоат· Молибдоптерин· Хинон пиррохинолина
Металлы — простетические группы	Ca2+· Cu2+· Fe2+, Fe3+· Mg2+· Mn2+· Mo· Ni2+· Se· Zn2+

Витамины

Витами́ны — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная, в химическом отношении, группа органических веществ, объединённая по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Витамины содержатся в пище в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам.

Витамины (от лат. vita -«жизнь») — вещества, которые требуются организму для нормальной жизнедеятельности.

[править] Общие сведения

Витамины участвуют во множестве биохимических реакций, выполняя каталитическую функцию в составе активных центров большого количества разнообразных ферментов либо выступая информационными регуляторными посредниками, выполняя сигнальные функции экзогенных прогормонов и гормонов.

Они не являются для организма поставщиком энергии и не имеют существенного пластического значения. Однако витаминам отводится важнейшая роль в обмене веществ.

Концентрация витаминов в тканях и суточная потребность в них невелики, но при недостаточном поступлении витаминов в организм наступают характерные и опасные патологические изменения.

Большинство витаминов не синтезируются в организме человека. Поэтому они должны регулярно и в достаточном количестве поступать в организм с пищей или в виде витаминно-минеральных комплексов и пищевых добавок. Исключение составляет витамин К, достаточное количество которого в норме синтезируется в толстом кишечнике человека за счёт деятельности бактерий.

С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина — гиповитаминоз, отсутствие витамина — авитаминоз, и избыток витамина — гипервитаминоз.

Известно около полутора десятков витаминов. Исходя из растворимости, витамины делят на жирорастворимые — A, D, E, F, K и водорастворимые — все остальные. Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причём их депо являются жировая ткань и печень. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются, а при избытке выводятся. Это с одной стороны объясняет то, что довольно часто встречаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов, а с другой — иногда наблюдаются гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.

Витамины отличаются от других органических пищевых веществ тем, что не включаются в структуру тканей и не используются организмом в качестве источника энергии (не обладают калорийностью).

[править] Антивитамины

Антивитамины (греч. ἀντί — против, лат. vita — жизнь) — группа органических соединений, подавляющих биологическую активность витаминов.

Это соединения, близкие к витаминам по химическому строению, но обладающие противоположным биологическим действием. При попадании в организм антивитамины включаются вместо витаминов в реакции обмена веществ и тормозят или нарушают их нормальное течение. Это ведёт к витаминной недостаточности даже в тех случаях, когда соответствующий витамин поступает с пищей в достаточном количестве или образуется в самом организме. Антивитамины известны почти для всех витаминов. Например, антивитамином витамина B1 (тиамина) является пиритиамин, вызывающий явления полиневрита.

[править] Поливитамины

Поливитамины (греч. πολύ — много, лат. vita — жизнь) — фармакологические препараты или естественные многокомпонентные полидисперсные вещества, содержащие в своём составе комплекс витаминов и минеральные соединения.

Единственным натуральным пищевым поливитамином является грудное молоко, в котором содержится ценный набор из многих эссенциальных витаминов. Для профилактики гиповитаминозов, в особенности у детей, рекомендуется использовать комплексные витаминные препараты. Поливитаминные препараты применяются не только для профилактики и лечения гиповитаминозов, но и в комплексной терапии таких расстройств питания, как гипотрофия или паратрофия.

Высокий уровень метаболизма у детей, не только поддерживающий жизнедеятельность, но и обеспечивающий рост и развитие детского организма, требует достаточного и регулярного поступления не только витаминов, но и минералов. По мнению отечественных ученых, для российских детей и подростков весьма актуально применение витаминно-минеральных комплексов^[5].

Таблица 1.
Классификация, номенклатура витаминов
и их специфические функции в организме человека

Витамин Витамеры Активные формы витаминов Специфические функции витаминов Водорастворимые витамины Витамин С Аскорбиновая кислота, дегидро- аскорбиновая кислота Не известны Участвует в гидроксилировании пролина в оксипролин в процессе созревания коллагена Тиамин (витамин В1) Тиамин Тиаминдифосфат (ТДФ, тиаминпирофосфат, кокарбоксилаза) В форме ТДФ является коферментом ферментов углеводно- энергетического обмена Рибофлавин (витамин В2) Рибофлавин Флавинмононуклеотид (ФМН), флавина- дениндинуклеотид (ФАД) В форме ФМН и ФАД образует простетические группы флавиновых оксидоредуктаз - ферментов энергетического, липидного, аминокислотного обмена Пантотеновая кислота (устаревшее название - витамин В5) Пантотеновая кислота Кофермент А (коэнзим А; КоА) В форме КоА участвует в процессах биосинтеза, окисления и других превращениях жирных кислот и стеринов (холестерина, стероидных гормонов), в процессах ацетилирования, синтезе ацетилхолина Витамин В6 Пиридоксаль, пиридоксин, пиридоксамин Пиридоксальфосфат (ПАЛФ) В форме ПАЛФ является коферментом большого числа ферментов азотистого обмена (трансаминаз, декарбоксилаз аминокислот) и ферментов, участвующих в обмене серосодержащих аминокислот, триптофана, синтезе гема Витамин В12 (кобаламины) Цианокоба- ламин, оксикобаламин Метилкобаламин (СН3В12), дезоксиадено- зилкобаламин (дАВ12) В форме СН3В12 участвует в синтезе метионина из гомоцистеина; в форме дАВ12 участвует в расщеплении жирных кислот и аминокислот с разветвленной цепью или нечетным числом атомов углерода Ниацин (витамин РР) Никотиновая кислота, никотинамид Никотинамидаденин- динуклеотид (НАД); никотинамида- дениндинуклеотид- фосфат (НАДФ) В форме НАД и НАДФ является первичным акцептором и донором электронов и протонов в окислительно-восстановительных реакциях, катализируемых различными дегадрогеназами Фолат(устаревшее название - витамин Вс) Фолиевая кислота, полиглю- таматы фолиевой кислоты Титетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) В форме ТГФК осуществляет перенос одноуглеродных фрагментов при биосинтезе пуриновых оснований, тимидина, метионина Биотин(устаревшее название - витамин Н) Биотин Остаток биотина, связанный с e-аминогруппой остатка лизина в молекуле апофермента Входит в состав карбоксилаз, осуществляющих начальный этап биосинтеза жирных кислот Жирораство- римые витамины       Витамин А Ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота, ретинола ацетат Ретиналь, ретинилфосфат В форме ретиналя входит в состав зрительного пигмента родопсина, обеспечивающего восприятие света (превращение светового импульса в электрический). В форме ретинилфосфата участвует как переносчик остатков сахаров в биосинтезе гликопротеидов Витамин D (кальци- феролы) Эргокальци- ферол (витамин D2); холекальци- ферол (витамин D3) 1,25-Диоксихоле- кальциферол (1,25(ОН)2D3) Гормон, участвующий в поддержании гомеостаза кальция в организме; усиливает всасывание кальция и фосфора в кишечнике и его мобилизацию из скелета; влияет на дифференцировку клеток эпителиальной и костной ткани, кроветворной и иммунной систем Витамин Е (токоферолы) a-, b-, g-, d-токоферолы Наиболее активная форма a-токоферол Выполняет роль биологического антиоксиданта, инактивирующего свободнорадикальные формы кислорода, защищает липиды биологических мембран от перекисного окисления Витамин К Филлохинон (витамин К1); менахиноны (витамины К2); 2-метил-1, 4-нафтохинон (менадион, витамин К3) Дигидровитамин К Участвует в превращении препротромбина в протромбин, а также в аналогичных превращениях некоторых белков, участвующих в процессе свертывания крови, и костного белка остеокальцина

Витамин A (ретинол)

транс-9,13-Диметил-7-(1,1,5-триметилциклогексен-5-ил-6)-нонатетраен-7,9,11,13-ол

Витамин D (кальциферолы)

Холекальциферол