Механизмы биологического действия хелатирующих агентов

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, чем в обычных условиях. Дальнейшее подразделение зависит от того, являются ли исследуемые металлы жизненно важными или токсичными для организма.

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, т. е. в этом случае происходит уменьшение токсического действия металла в результате хелатообразования.

В литературе подчас встречаются противоречивые толкования понятия «антидот». Однако современное его значение, по мнению большинства авторов, должно включать: а) вещества, инактивирующие яды посредством прямого химического (или физико-химического) взаимодействия с ними в организме; б) вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры. Ответ на вопрос, что такое антидот, основывается на следующем, известном в токсикологии в течение многих лет определении: «Противоядием (оно называется по традиции также антидотом, т. е. даваемым против) называется лекарство, применяемое при лечении отравлений, т. е. нарушений здоровья, вызываемых вредным воздействием какого-либо химического агента (яда),и способствующее либо обезвреживанию последнего, либо предупреждению и устранению токсического эффекта».

Антидоты (противоядия) подразделяются на 4 группы препаратов:

-оказывающие влияние на физико-химическое состояние токсического вещества в желудочно-кишечном тракте (химические противоядия контактного действия);

-оказывающие специфическое физико-химическое действие на токсические вещества в гуморальной среде (химические противоядия парентерального действия);

-обеспечивающие выгодное изменение метаболизма токсических веществ в организме или направления биохимических реакций, в которых они участвуют (биохимические противоядия);

-оказывающие лечебный эффект в силу фармакологического антагонизма с действием токсических веществ на одни и те же функциональные системы организма (фармакологические противоядия).

Еще в 1818 г. Орфила сформулировал четкие требования, которым должно удовлетворять противоядие. Он считал, что это название можно присвоить веществу, обладающему следующими свойствами:

1) необходимо, чтобы его можно было принимать большими дозами без всякой опасности;

2) оно должно действовать на яд, будь то жидкий или твердый, при температуре человеческого тела или еще более низкой;

3) его действие должно быть быстрым;

4) оно должно связываться с ядом в среде желудочного, слизистого, содержащего желчь и других соков которые могут содержаться в желудке;

5) действуя на яд, оно должно лишатьего вредных свойств.

Итак, применяя антидоты, стремятся, с одной стороны, при помощи специальных химических препаратов воспрепятствовать действию ядов на организм, а с другой нормализовать или по крайней мере затормозить развивающиеся при этом неблагоприятные функциональные сдвиги в различных органах и системах. Понятно, что чем большее распространение будут иметь сведения о сущности действия и способах применения противоядий, тем более успешными станут мероприятия по предотвращению отравлений и ликвидации их последствий.

Первый антидот – димеркапрол был синтезирован в 1940 г. в качестве антидота при отравлениях мышьяксодержащим боевым отравляющим веществом. В настоящее время его часто применяют для лечения отравлений соединениями золота, ртути (в виде неорганических и органических соединений), сурьмы и мышьяка.

Ряд хелатирующих агентов широко используются в клинике в качестве антидотов при профессиональных и бытовых отравлениях, хронических интоксикациях металлами, вызванных передозировками лекарственных препаратов, а также для ускорения выведения из организма радиоактивных элементов. Для этих целей хелатирующие вещества начали применять только с 1945 г. Такие антидоты должны циркулировать в крови, не вызывая уменьшения концентрации жизненно важных тяжелых металлов. При этом необходимо строго контролировать их дозу. Для того чтобы антидот смог проникать в клетку в небольших количествах и быстро выводиться из организма, его молекулы должны содержать полярные (желательно легко ионизирующиеся) группы, например ОН, СООН, SH, NH₂. Эти группы должны присутствовать в избытке, чтобы по меньшей мере одна из них оставалась свободной после насыщения антидота металлом. Кроме того, обычно создают такой антидот, чтобы его хелатные комплексы не могли проникать в клетки из кровотока и легко выводились почками.

Лишь в редких случаях сам агент, связывающий металл, оказывается токсичным для организма. Однако «маскировка» может приводить и к негативным результатам.

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.

Механизм II (накопление) обусловлен таким явлением, как перевод вещества из одной формы в другую, и облегчает поступление ксенобиотика в организм.

В качестве примера можно привести использование хелатообразования для подкормки деревьев железом. Хотя железо содержится в почве в больших количествах, но оно часто находится в недоступной для растения форме. Только в присутствии в почве соответствующих бактерий железо становится доступным для растений, так как микроорганизмы растворяют его с помощью гидроксаматсидерофоров. Такие железоорганические комплексы накапливаются в почвах в количествах, достаточных для питания растений. Отсутствие полезных бактерий можно компенсировать опрыскиванием почвы этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА), экстрагирующей железо путем образования комплекса железо – ЭДТА, который поглощается корнями растений. В процессе метаболизма органическая часть комплекса разрушается, а неорганическая (железо) – остается и используется растением.

Растения сами содержат специальные химические соединения, способные связывать железо. Многие злаковые культуры выделяют в почву мугиниевую кислоту, способную образовывать с ионом железа (Fe³⁺) комплекс, который затем поглощается и используется растениями. Из-за отсутствия необходимого количества железа у растений наступает хлоротическое состояние, и они увядают.

Другой пример использования хелатных соединений – инъекция больным, страдающим недостатком кальция, комплекса кальция с глюконовой кислотой, медленно разрушающегося в организме с выделением ионов кальция.

Наиболее изученные примеры действия хелатирующих агентов по механизму II можно найти среди бактерицидов и фунгицидов. Сущность второго механизма связана также с такими явлениями, как кооперативный эффект и эффект распределения.

Кооперативный эффект – явление возрастания химической активности ксенобиотика вследствие хелатообразования. Это можно показать на примере неорганических солей железа, обладающих 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 аскорбиноксидазу.

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.

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 часов. Однако комплексы, не имеющие заряда, жирорастворимы и поэтому способны проникать через клеточные мембраны, которые не могут регулировать их проникновение. Комплексы двухвалентных металлов с щавелевой кислотой, а также с глицином в соотношении 2:1 и им подобные не имеют заряда и поэтому легко проникают в клетки. В последнем случае может происходить их накопление в разных органах и тканях.

Очевидно, что в ряде случаев возникает необходимость создания новых хелатирующих агентов. При их изыскании следует прежде всего иметь в виду биологическую активность этих соединений. Ни один хелатирующий агент не активен в биологической среде, если константы устойчивости его компонентов по меньшей мере не столь же высоки, как у комплексов обычных аминокислот, например глицина. Однако и у веществ с очень высокими константами устойчивости трудно ожидать наличия биологической активности, так как потеря таких веществ в результате их насыщения металлом происходит еще до того, как они достигнут места действия.

При поиске новых хелатирующих агентов необходимо знать место их биологического действия: например, внутри или снаружи клетки. Если молекула должна проникнуть в клетку, то необходимо ввести липофильные группы. Для этой цели используют атомы углерода, галогенов, водорода и серы, а атомы азота и кислорода придают молекулам гидрофильные свойства. Контроль можно проводить по величине коэффициентов распределения в системе масло–вода.

Очень небольшие изменения в химической структуре молекулы ксенобиотиков могут вызывать значительные сдвиги в величинах коэффициентов распределения.

Увеличить способность вещества проникать в клетки можно не только повышая коэффициент распределения, но и используя лиганды, сходные с природными субстратами, например аминокислоты, углеводороды и т. д.

Современные проблемы поиска хелатирующих средств связаны с одной стороны, с вопросами детоксикации и обезвреживания тканей, поврежденных химически токсичными или радиоактивными металлами, и с другой, необходимостью предупреждения хелатообразования, как например, в случае кариеса зубов, преждевременного старения из-за потерь кальция из костной ткани и т. д.