СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БИОМОЛЕКУЛ - А. Е. Земляков - 2017

07. БИОРЕГУЛЯТОРЫ: ПРОСТАГЛАНДИНЫ И ИХ АНАЛОГИ

Простагландины и ряд близких им эндогенных биологически активных соединений липидной природы, обладающих свойствами гормонов, имеют общего биосинтетического предшественника - арахидоновую кислоту. Для ряда простагландинов исходным материалом служат аналоги арахидоновой кислоты, содержащие три или пять двойных связей, соответственно, 20:3 ω6 и 20:5 ω3.

Арахидоновая кислота входит в состав фосфолипидов, из которых она выделяется под действием фермента фосфолипазы. С помощью циклооксигеназы из неё образуются первичные простагландины, которые в дальнейшем способны превращаться во вторичные простагландины и тромбоксаны. Действие на арахидоновую кислоту липоксигеназ приводит к синтезу лейкотриенов и их аналогов липоксинов.

Эти группы биорегуляторов отличаются повсеместным распространением в тканях млекопитающих. Присутствуют они в очень малых концентрациях (~10^-10 г на 1 г ткани), так как не существует специальных органов их получения и накопления, а происходит их синтез внутриклеточными ферментами в ответ на соответствующий биологический сигнал. Кроме того, простагландины быстро биотрансформируются. Время их полужизни около 30 сек.

Обычно они оказывают свое физиологическое действие непосредственно у места образования. В отдельных тканях присутствуют не все ферменты каскада арахидоновой кислоты. Поэтому с одной стороны осуществляется выработка биорегуляторов определенного типа, которые оказывают свое специфическое действие, а с другой стороны лекарственные препараты типа аспирина, влияющие на отдельные пути этого каскада, оказывают многогранное действие на организм. Так, тот же аспирин наряду с противовоспалительным эффектом обладает противотромботической активностью (см. ниже).

Ряд лекарственных препаратов влияет на образование этих классов биорегуляторов, изменяя не только их общее количество, но и соотношение между отдельными типами и сериями. Например, нестероидные противовоспалительные лекарственные средства ингибируют циклооксигеназу, что приводит к уменьшению образования простагландинов и тромбоксанов, повышению выхода лейкотриенов. В то же время некоторые флавоноиды (например, рутин) подавляют биосинтез лейкотриенов. Противовоспалительное действие глюкокортикостероидов также во многом объясняется их способностью ингибировать процесс биосинтеза простагландинов.

Существенная роль в выявлении этой группы биологически активных соединений принадлежит шведским ученым. В 1935 г. Ульф фон Эйлер впервые выделил и выявил активность простагландинов. В 1982 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине за исследование простагландинов и его аналогов была присуждена профессору С. Бергстрёму, который в 1957 г. выделил простагландины в чистом виде, и профессору Б. Самуэльсону, установившему образование простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов в результате метаболических превращений арахидоновой кислоты.

❖ Простагландины. В основе структуры простагландинов лежит простаноевая кислота, содержащая циклопентановый фрагмент. Название данного класса соединений произошло от латинского названия предстательной железы (Glandula prostatica) - в начале исследований ошибочно считалось, что этот орган вырабатывает простагландины.

В настоящее время известно более 20 простагландинов (сокращенное обозначение PG), которые в зависимости от природы и расположения заместителей подразделяют на группы, обозначаемые латинскими буквами (А-J). Внутри групп выделяют подгруппы по количеству двойных связей, которое указывается цифровыми индексами. Для подгруппы PGF в индексе греческими буквами α и β показывают конфигурацию гидроксила у С9 в циклопентановом кольце.

✵ Биосинтез простагландинов. Ключевой момент биосинтеза - окисление арахидоновой кислотой циклооксигеназой в результате чего образуются первичные простагландины PGG₂ и PGH₂. Последний далее подвергается циклизации в простациклин (PGI₂), восстановлению до PGF_2a или изомеризации до PGD₂ и PGE₂.

Далее могут происходить процессы дегидратации PGE₂ до соответствующих производных PGA₂ и PGB₂.

Эйкозатриеновая (20:3 ω6) и эйкозапентаеновая (20:5 ω3) кислоты начинают ряды, соответственно, моноеновых и триеновых простагландинов, например, PGЕ₁ и PGЕ₃. Соответствующие производные отличаются по биологической активности от простагландинов ряда арахидоновой кислоты.

✵ Циклооксигеназа. Фермент циклооксигеназа относится к мембранным хромопротеинам и состоит из двух субъединиц с молекулярной массой по 72 кДа.

Существуют две изоформы этого фермента - циклооксигеназа-1 (СОХ-1) и циклооксигеназа-2 (СОХ-2). Первая реализуется в клетках в нормальном состоянии, а вторая в воспалительных клетках. Строение их очень близко - около 65% аминокислотной последовательности совпадает.

Фермент обеспечивает катализ двух реакций: окисление арахидоновой кислоты до PGG₂ и расщепление гидропероксидной группы до гидроксильной с образованием PGH₂.

Для инициирования ферментативного процесса предварительно происходит окисление гема гидропероксидом. Восстановление гема происходит за счет переноса электрона от остатка тирозина. Образующийся при этом радикал тирозина оттягивает атом водорода у арахидоновой кислот, облегчая ее окисление.

✵ Биологическое действие простагландинов многообразно. Наиболее характерно действие этих соединений на гладкую мускулатуру, секреторную функцию желудка, кровообращение, иммунную систему. В частности, PGЕ₁ и PGЕ₂ расширяют сосуды бронхов, а PGF₁ и PGD₂ наоборот вызывают сокращение бронхов, PGЕ₁ уменьшает выделение желудочного сока и сопутствующих ему веществ, PGЕ₂, PGА₁ и PGА₂ снижают артериальное давление и облегчают кровепоток, PGЕ₁ и PGF₂ стимулируют родовую деятельность. Простациклин существенно уменьшает агрегацию тромбоцитов, усиливает антикоагулянтное действие гепарина, расширяет кровеносные сосуды.

Значительная часть биологических эффектов простагландинов связана с взаимодействием со специфическими рецепторами. Например, активация рецептора ЕР₁ (связан с G_q-белками) приводит к бронхоспазму и сокращению гладких мышц желудочно-кишечного тракта, а взаимодействие PGЕ с рецептора ЕР₂ (связан с G_s-белками) наоборот вызывает расширение бронхов и расслабление гладкой мускулатуры.

Простагландины также выступают в качестве медиаторов воспаления и аллергических реакций (например, бронхиальной астмы), влияют на ряд протекающих в организме негативных процессов, в том числе, метастазирование.

В качестве лекарственных средств простагландины используют для возбуждения и стимуляции родовой деятельности. Первоначально в медицинской практике использовали простагландины, получаемые на основе метилового эфира ацетил-PGА₂, извлекаемого из некоторых видов кораллов. В настоящее время, несмотря на многостадийность и сложность, простагландины получают синтетическим путем.

❖ Тромбоксаны - липидные биорегуляторы, близкие по структуре и происхождению к простагландинам, образующиеся в тромбоцитах. В отличие от простагландинов содержат в своей структуре тетрагидропирановый цикл. Различают две группы тромбоксанов ТХА и ТХВ.

Биосинтетическим предшественником тромбоксанов является PGН₂, который под действием тромбоксансинтетазы дает ТХА₂, а тот в свою очередь способен гидролизоваться до ТХВ₂.

Тромбоксаны по своим свойствам во многом противоположны простагландинам. В отличие от PGI₂ ТХА₂ сокращает кровеносные сосуды и вызывает сильную агрегацию тромбоцитов. Все это может привести к образованию тромбов и атеросклерозу сосудов.

Кроверазжижающее действие аспирина связано с подавлением синтеза тромбоксанов (см. ниже). Тромбоциты, являющиеся безъядерными клетками, неспособны синтезировать новые молекулы этого фермента, поэтому образование тромбоксана подавляется резко и на весь срок жизни этих клеток.

❖ Лейкотриены. Название этой группы соединений связано с лейкоцитами, где они были вначале обнаружены, и наличием системы трех сопряженных двойных связей.

Еще в первой половине ХХ в. в легких было выявлено вещество, проявляющее бронхоконстрикторное действие. Этот вариант бронхоспазма отличался от вызванного гистамином более медленным развитием и большей продолжительностью. Структура этих соединений была установлена в конце 1970-х годов под руководством Бенгта Самуэльсона.

В зависимости от строения лейкотриены подразделяются на несколько подгрупп, обозначаемых латинскими буквами. Цифровой индекс, как и в случае простагландинов, обозначает количество двойных связей. Лейкотриены ряда подгрупп содержат остатки аминокислоты цистеина (LTE) или цистеинсодержащих ди- (LTD и LTF) и трипептидов (LTC).

Биосинтетически лейкотриены происходят от арахидоновой кислоты, которая под действием 5-липоксигеназы превращается в малостабильный интермедиат LTA₄. Дальнейшая биотрансформация приводит к LTB₄. Альтернативно эпоксидный цикл в LTA₄ раскрывается в результате присоединения трипептида глутатиона и образуется LTC₄.

Лейкотриен LTC₄ в свою очередь в результате отщепления глицина или глутаминовой кислоты дает LTD₄ и LTF₄, а при гидролизе с удалением дипептидного фрагмента образуется LTЕ₄.

Наиболее широко распространены лейкотриены типов LTА и LTВ, найденные не только в клетках животных, но и в ряде растений, например, картофеле. Эти соединения не накапливаются в тканях, а синтезируются в ответ на определенные сигналы.

✵ Биологические эффекты. Лейкотриены играют существенную роль в развитии бронхиальной астмы. Они активируют воспалительные процессы и бронхоспазм. В частности, так называемый аспириновый бронхоспазм связан с блокированием аспирином продукции простагландинов за счет ингибирования циклооксигеназы (см. ниже), что может вызвать активацию 5- липоксигеназы и как следствие сужение бронхов в результате увеличения биосинтеза лейкотриенов.

С действием соединений этой группы биорегуляторов связывают и анафилактический эффект - быстрое и очень опасное для жизни развитие аллергической реакции.

Выявлены специфические рецепторы на лейкотриены, взаимодействием с которыми связан ряд их физиологических эффектов. Так содержащие аминокислоты лейкотриены LTC₄ - LTF₄ при действии на рецепторы CysLT₁ вызывают бронхоспазм, а их связывание с рецепторами СуsLT₁ изменяет тонус и проницаемость кровеносных сосудов. Активация лейкотриенами LTВ₄ индуцирует хемотаксис и иммунные реакции.

С целью лечения бронхиальной астмы были разработаны лекарственные средства, блокирующие синтез лейкотриенов путем ингибирования или фермента 5-липоксигеназы (зилеутон), или лейкотриеновых рецепторов (зафир- лукаст).

❖ Липоксины. Наряду с лейкотриенами в лейкоцитах обнаружены (1984 г., Бенгт Самуэльсон) другие биорегуляторные метаболиты арахидоновой кислоты - липоксины (LХА и LХВ), имеющие в своей структуре четыре сопряженные двойные связи и три гидроксильные группы.

Ключевыми стадиями их биосинтеза является последовательное окисление арахидоновой кислоты 15-липоксигеназой и 5-липоксигеназой.

Выявлено, что взаимодействие LХА₄ с рецепторами LХА₄R приводит к ингибированию хемотаксиса (направленное движение) лейкоцитов. С другой стороны, эти липоксины способны блокировать лейкотриеновые рецепторы CysLT₁ и тем самым препятствуют развитию бронхоспазма и процесса воспаления.

❖ Нестероидные противовоспалительные препараты. В эту группу лекарственных средств включают ряд веществ, проявляющих наряду с противовоспалительной активностью также анальгетическое, жаропонижающее действие и ряд других физиологических эффектов. Механизмы действия этих препаратов сложны и многокомпонентны. Однако значительный вклад в их комплексное лечебное воздействие НСПВП вносит ингибирование продукции простагландинов и тромбоксанов, в первую очередь путем блокирования действия циклооксигеназы - фермента, катализирующего первый этап их биосинтеза. Впервые блокирование циклооксигеназы аспирином было показано британским профессором Джоном Вейном (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1982 г.).

✵ Аспирин. В народной медицине давно известно противовоспалительное действие коры ивы белой (Salix alba).

В 30-х годах XIX в. несколько групп ученых выделили из коры ивы гликозид салицин. В 1838 г. итальянский химик Раффаэле Пириа окислением салицина получил салициловую кислоту. В 80-х годах этого же века была установлена высокая противовоспалительная активность этого соединения.

Впервые ацетилсалициловая кислота была синтезирована в 1853 г. французским химиком Шарлем Жераром, но эта работа не получила дальнейшего развития. В 1897 г. немецкий химик Феликс Хоффманн, работавший в фирме «Байер», предложил способ практического синтеза ацетилсалициловой кислоты, которая в меньшей степени раздражала стенки желудка, и внедрил ее в медицинскую практику под названием «аспирин».

Ацетилсалициловая кислота - лекарственный препарат широкого диапазона действия. Она проявляет противовоспалительную, анальгетическую, жаропонижающую активность. Эти эффекты связаны со способностью аспирина комплексно воздействовать на очаг воспаления - уменьшается проницаемость капилляров, тормозится биосинтез медиаторов воспаления (брадикинина, гистамина, простагландинов), ингибируется синтез АТР и тем самым уменьшается энергетическое обеспечение биохимических реакций.

В последние десятилетия аспирин широко используется как антиагрегационное средство, препятствующее образованию тромбов у больных инфарктом миокарда и других сердечно-сосудистых заболеваний, что также связано с ингибированием биосинтеза тромбоксана ТХА₂.

Для предотвращения негативного воздействия ацетилсалициловой кислоты на желудок необходимо применять этот препарат после еды в измельченном виде, запивая большим количеством жидкости. В медицинской практике широко используются специальные лекарственные формы аспирина, уменьшающие раздражающее действие на слизистую оболочку желудка, - покрытые нерастворимой в желудке оболочкой таблетки, «шипучие» композиции, обычно содержащие гидрокарбонат натрия и лимонную кислоту, обеспечивающие хорошую растворимость в воде.

✵ Другие нестероидные противовоспалительные препараты. Бутадион - препарат анальгетического, жаропонижающего и противовоспалительного действия. Как ингибитор биосинтеза простагландинов превосходит аспирин. С 1949 г. использовался при лечении ревматизма и полиартритов.

Аналогичным лечебным действием обладает ибупрофен. Этот препарат был получен в 1961 г. британским химиком С. Адамсом. В настоящее время это один из самых распространенных антипиретиков. Также имеются данные, что он стимулирует выработку интерферона.

Еще более активны ортофен (диклофенак натрия) и индометацин. Все эти препараты неспецифически ингибируют изомерные формы фермента циклооксигеназы, катализирующего образование всего пула простагландинов, как медиаторов воспалительных реакций, так и PGЕ₁, который тормозит выделение желудочного сока. Поэтому эти лекарственные средства раздражающе действуют на слизистую желудка.

✵ Избирательные ингибиторы циклооксигеназы-2. Описанного выше недостатка в существенной степени лишен препарат мелоксикам, который избирательно блокирует только циклооксигеназу-2, обеспечивающую синтез простагландиновых медиаторов воспаления.