|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
Статья посвящена биохимии физиологически активных соединений - оксигенированных производных полиненасыщенных жирных кислот. Обсуждается история открытия простагландинов, их физиологические функции, путибиосинтеза в организме человека и животных.
ПРОСТАГЛАНДИНЫ - НОВЫЙ ТИП БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ
С. Д. ВАРФОЛОМЕЕВ
Московский государственный университет
им.М.В. Ломоносова
В научных журналах сведения о простагландинах - одной из групп регуляторов биохимических реакций в живом организме - публикуются уже больше 30 лет. Тем не менее их поток все увеличивается, с 1972 г. даже стал издаваться международный специализированный журнал "Prostaglandins". Это редчайший случай в научной литературе, чтобы периодическое издание было посвящено только одному типу соединений. Чем же вызван огромный интерес к простагландинам химиков, физиологов, биохимиков, фармакологов, клиницистов? Этот интерес безусловно связан с необычайно высокой биологической активностью простагландинов, их прямым или опосредованным участием во многих физиологических процессах. Исключительно важна роль простагландинов и тромбоксанов (сейчас их объединяют под общим названием простаноиды) в работе кровеносной системы, в репродуктивной функции, они принимают участие в развитии воспалительных процессов и иммунного ответа. С действием простагландинов связаны побочные эффекты (язвенная болезнь и язва желудка) аспирина - всем известного прекрасного жаропонижающего и болеутоляющего средства, возможно, и одна из форм гемофилии.
Легко понять, что даже не очень подробный рассказ о простагландинах едва ли поместился бы в одной книге. Поэтому на нескольких страницах статьи мы вынуждены лишь кратко коснуться сведений о простаноидах, в большинстве случаев даже не упоминая имен исследователей. Желающих ознакомиться с простагландинами подробнее отсылаем к списку литературы, который помещен в конце статьи.
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Еще в начале нашего века было известно, что водные и спиртовые экстракты, полученные из везикулярных (парных половых) желез многих видов животных и предстательной железы (простаты) человека, понижают кровяное давление у собак и кроликов. Тогда же было сделано предположение о существовании в предстательной железе "неизвестного сосудистого гормона". До 30-х годов это вещество оставалось загадочным; правда, никто из исследователей и не пытался выделить его из таких экстрактов и дать ему характеристику.
Ульф фон Эйлер, шведский физиолог, с чьим именем связывают открытие простагландинов, обнаружил их (вернее, одно вещество) случайно в 1934 - 1936 гг., пытаясь изучить известную в то время субстанцию Р - вещество белковой природы, обладающее способностью понижать кровяное давление и стимулировать сокращение стенок кишечника. Однако, вопреки ожиданию, активное вещество экстрактов предстательной железы и семенной жидкости он обнаружил во фракции жирорастворимых кислот, а не в белковой фракции. У. Эйлер описал некоторые химические и фармакологические свойства активного экстракта, назвал его простагландином (от prostate glond), и предположил, что простагландин имеет широкое регуляторное значение в организме. Но ни выделить вещество в чистом виде, ни изучить химическую структуру в то время не позволял примитивный уровень аналитических способов исследования.
Работу над простагландинами продолжил ученик Эйлера С. Бергстрем, перед которым стояла задача выделить в кристаллическом виде активное начало, т.е. простагландин, из экстрактов простаты и семенной жидкости баранов. Вначале С. Бергстрему удалось сделать немногое: он выяснил только, что простагландин находится во фракциях вместе с ненасыщенными жирными оксикислотами, и вынужден был прервать дальнейшие исследования на несколько лет. Одной из главных причин, обусловивших этот перерыв, были затруднения с исходным материалом для выделения простагландинов - везикулярными железами барана, самым богатым простагландинами источником. Но поскольку уже к тому времени биохимики и фармакологи заинтересовались простагландинами, в 1956 г. в ряде стран северного полушария была организована специальная программа исследований простагландинов, в которую вошел и сбор замороженных везикулярных желез барана.
Уже в следующем году С. Бергстрем и Дж. Шьевалл получили несколько миллиграммов индивидуального вещества в кристаллическом состоянии и назвали его простагландин F за его растворимость в фосфатном буфере. Полученного количества хватило лишь на то, чтобы установить, что простагландин F - это ненасыщенная жирная кислота, определить температуру его плавления и продемонстрировать способность в концентрации всего 5 " 10- 9 г в 1 мл раствора давать хороший эффект по сокращению гладкой мышцы. Затем в кристаллическом же состоянии было получено еще одно вещество подобного типа - простагландин Е (обозначение возникло от слова ester - эфир, которым извлекался этот простагландин). Оба соединения были одинакового молекулярного веса и очень сходного строения, но в корне различались биологическими свойствами: простагландин Е понижал кровяное давление, а простагландин F сокращал гладкую мускулатуру.
Работы по простагландинам развивались быстрыми темпами, и за 1972 - 1976 годы С. Бергстрем, Б. Самуэльссон и Дж. Вейн получили в чистом виде еще 10 простагландинов, установили их структуру и определили биологические свойства. В 1979 г. Б. Самуэльссон с коллегами открыл еще один тип соединений - близкие простагландинам лейкотриены.
Выделение простагландинов, изучение структуры и свойств - работа чрезвычайно трудная: мало того что их концентрации в объектах выделения очень низки, вещества эти крайне неустойчивы, они теряют свою биологическую активность, по которой следят за веществом в ходе его выделения, в течение 1 - 2 мин. Недаром за исследования простагландинов С. Бергстрему, Б. Самуэльссону и Дж. Вейну в 1982 г. была присуждена Нобелевская премия [1].
Сейчас известно уже около 30 природных простаноидов. Они разделены на группы A, B, C, D, E, F, G, I. Краткое обозначение простаноидов складывается из двух букв английского prostaglandine и tromboxane или русского написания, третья буква в этом обозначении указывает на принадлежность к той или иной группе, например: PGF, ПГF - простагландин F; ТхА, ТксА - тромбоксан А.
Где же сосредоточен синтез этих многочисленных соединений и какова их роль в живом организме?
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Эти соединения, по-видимому, вездесущи, их действие сказывается на всех уровнях регуляции физиологических функций. Они способны изменять активность ферментов, влиять на синтез гормонов и корректировать их действие на различные органы и ткани. Дисбаланс в их синтезе приводит к развитию многих заболеваний.
Как правило, в одном типе клеток синтезируется один тип простагландинов, а в органе или ткани проявляется действие пары простагландинов-антагонистов, от соотношения концентраций которых зависит нормальное или патологическое состояние этого органа или ткани. Так, в тканях дыхательных путей образуются простагландины F2 и E2 (цифрой обозначается число двойных связей в молекуле простагландина), причем первый из них синтезируется в легочной ткани и способен вызывать сокращение мышцы бронхов, а второй - в бронхах, но оказывает прямо противоположное действие, т.е. расслабляет их. Сейчас уже установлено, что усиление синтеза ПГF2 и понижение концентрации ПГE2 приводят к возникновению разных форм бронхиальной астмы, изменение уровня этих простагландинов зафиксировано и у больных пневмонией и бронхитом.
В плазме и сыворотке крови обычно содержатся все природные простагландины и (или) продукты их превращений. Однако все они, за исключением двух (ПГI2 , или простациклина, и ТксA2 ), попадают в кровь из других органов. В самой же кровеносной системе синтезируются простациклин I2 и тромбоксан A2 , по своему действию тоже вещества-антагонисты. Синтезируемый в эндотелиальных клетках сосудистых стенок простациклин предотвращает прилипание тромбоцитов к стенкам и образование тромбов, а тромбоксан, синтезируемый тромбоцитами, наоборот, способствует их слипанию, агрегации, т.е. процессам, которые обеспечивают прекращение кровотечений, вызванных повреждением сосудистой стенки. В норме действие простациклина и тромбоксана сбалансировано, этот же баланс обеспечивает способность крови сохранять жидкое состояние, поддерживает тонус сосудов и артериальное давление, необходимый кровоток в сердце, мозге, почках, легких.
В препаратах из мозговой ткани обычно обнаруживаются простаноиды всех известных классов. Однако их набор в центральной нервной системе, по-видимому, специфичен для каждого вида животных. Например, в мозге крысы синтезируется в основном простагландин D2 , у человека же его нет совсем, а в мозге морской свинки он образуется в равных с простагландином F2 количествах. И все же простагландин D2 считается свойственным именно нервным тканям. Введенные в мозг подопытных животных простагландины оказывают влияние на скорость сердцебиения, частоту дыхания, температуру тела, на синтез гормонов и многие другие реакции в организме.
В репродуктивных органах образуются в основном те же, что и в тканях дыхательной системы, простагландины F2 и E2 , причем в половых железах и семенной жидкости их больше, чем в любом другом органе. Пока неясна роль простагландинов, образующихся в семенной жидкости, а влияние ПГF2 и ПГE2 , вырабатываемых в женских половых органах, на родовую деятельность было, пожалуй, тем фактором, который привлек громадное число исследователей к простагландинам. Приведенные примеры - лишь небольшая часть информации о влиянии простагландинов на физиологические функции живого организма. Многие имеющиеся сейчас сведения противоречивы или недостаточны, но это возбуждает еще больший интерес к простагландинам самых разных исследователей.
Что же это за соединения, к какому классу биологически активных веществ они относятся? В любом живом организме бесчисленное множество одних молекул превращается в другие, и этот бесконечный поток веществ обеспечивает материальное существование живого. Молекулярные процессы в организме очень хорошо организованы, строго сбалансированы входы и выходы каждого соединения, точно обусловлена пространственная и временная очередность событий. Как же устанавливается столь строгий порядок в такого рода сложных биологических системах, как организм? Какие свойства системы позволяют ей сохранять организованность операций, не упустить из-под контроля какие-то процессы, сохранить динамически подвижное стационарное состояние? Удивительно стройная и строгая упорядоченность биохимических реакций обеспечивается действием регуляторов.
Известно, что в живом организме обмен веществ регулируется на нескольких уровнях. Основные из них - это генетический и ферментативный, тесно связанные между собой. Нуклеиновые кислоты задают программу синтеза специфических биологических катализаторов - ферментов, а те обеспечивают проведение самых разнообразных химических реакций. С помощью ферментов синтезируются все соединения, участвующие в обмене веществ, в том числе принципиально важные регуляторы различных реакций.
По месту действия регуляторы можно разделить на вне- и внутриклеточные, а по размеру молекул - на низко- и высокомолекулярные. Внеклеточные низкомолекулярные регуляторы, к которым относятся, например, гормоны, синтезируемые в специализированных органах, взаимодействуют с рецепторами клеточных мембран, а внутриклеточные управляют работой ферментов и генетического аппарата клетки. Простагландины можно внести в число внутриклеточных низкомолекулярных регуляторов. Но сразу же следует сделать оговорку: они не всегда действуют внутри клетки, в которой синтезируются. Например, простагландин F2 , вырабатываемый в матке, действует на желтое тело, а простагландин I2 из клеток эндотелия - на тромбоциты. Этим они скорее напоминают взаимодействия гормонов с клеткой, и нередко простагландины называют внутриклеточными гормонами.
В действительности же простагландины оказались новым типом регуляторов, отличным от известных до них регуляторов биохимических реакций. Во взаимодействиях, подобных гормональным, простагландины участвуют не прямо, а через вездесущий, тоже низкомолекулярный внутриклеточный регулятор - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Понять разносторонние функции простагландинов нельзя, если не проследить за их синтезом в организме. Попытаемся это сделать.
ИЗ ЧЕГО И КАК ОБРАЗУЮТСЯ ПРОСТАГЛАНДИНЫ
Первый этап в изучении простагландинов закончился в 1964 г. К этому времени были выявлены биологические свойства индивидуальных простагландинов, некоторые соединения были получены в кристаллическом состоянии, определена их структура и найдены их предшественники. Ими оказались ненасыщенные, с несколькими двойными связями, жирные кислоты; в частности, предшественником первых известных тогда простагландинов была арахидоновая кислота.
Чтобы получить эти первые результаты, потребовалось переработать несколько тонн везикулярных желез барана. Естественно, что стоимость первых кристаллических простагландинов оказалась чрезвычайно высокой (даже сейчас 1 г стоит от 25 до 90 тыс. долл.). Нужно было научиться получать их химическим способом. Разработкой таких методов занялось громадное число исследователей, и первые химически синтезированные простагландины появились уже через несколько лет. Однако и химический синтез был очень дорог.
Одновременно с разработкой химического синтеза простагландины пытались получить и иначе. В лабораториях С. Бергстрема (Швеция) и Д. ван Дорпа (Нидерланды) имитировали биологический синтез простагландинов: к раствору арахидоновой кислоты добавляли взвесь измельченных везикулярных желез барана. В 1964 г. простагландин E2 удалось получить и в той, и в другой лаборатории. Стало ясно, что эти соединения образуются в организме за счет ферментативного катализа, и с этой поры начались исследования ферментов, а затем механизма их действия [2].
Теперь уже известно, что многие простагландины образуются из арахидоновой кислоты с помощью двух типов последовательно включающихся ферментов. Первый фермент работает по универсальному механизму, и независимо от того, в каком органе или ткани идет синтез, заканчивается он образованием простагландина H2 (отсюда и название фермента - простагландин Н-синтетаза). Второй фермент (вернее, их группа, объединяемая общим названием конвертазы) строго специфичен: в каждом типе тканей простагландин H2 превращается в свойственный только этому типу тканей простагландин. Например, в тканях мозга образуется простагландин D2 , в тканях репродуктивной системы - простагландины E2 и F2 , в клетках эндотелия - простагландин I2 , в тромбоцитах - тромбоксан A2 .
ФЕРМЕНТЫ СИНТЕЗА ПРОСТАГЛАНДИНОВ - НОВЫЙ ЭТАП ИССЛЕДОВАНИЙ
Механизм действия любого фермента можно изучать, имея фермент в чистом виде. Чтобы понять, сколь трудной бывает эта начальная стадия, достаточен пример с простагландин Н-синтетазой: на разработку удовлетворительных способов ее очистки потребовалось около 20 лет. Одним из методов, разработанных в нашей лаборатории, мы и пользовались при изучении кинетики действия этого фермента.
Синтез простагландина H2 (PGH2) - это, по сути, окисление арахидоновой кислоты, запись которого выглядит очень просто:
AA PGG2 PGH2 ,
где AA - арахидоновая кислота, DH - донор электронов, D - окисленный донор электронов. На самом же деле это сложный ферментативный процесс, в котором участвуют четыре молекулы трех субстратов: молекула самой арахидоновой кислоты, две молекулы кислорода и молекула восстановителя, т.е. донора электронов.
Чтобы понять, один ли фермент работает в любых тканях и организмах или несколько ферментов, отличающихся друг от друга, мы сравнивали кинетику действия простагландин Н-синтетазы, выделенной из разных источников, в том числе из тромбоцитов человека и везикулярных желез барана. Отметим сразу, что кинетические характеристики обоих ферментов оказались очень сходными. Однако считать, что простагландин Н-синтетаза из различных источников одинакова, по-видимому, преждевременно. Правильнее предположить, что это группа ферментов с характерными общими свойствами.
К тому времени, когда мы занялись кинетическими исследованиями простагландин Н-синтетазной реакции, были уже известны ее промежуточные продукты. Сопоставив эти сведения с нашими кинетическими данными, можно представить себе молекулярный механизм образования простагландина из арахидоновой кислоты.
На первой стадии за счет гидрофобных и электростатических взаимодействий активного центра фермента с арахидоновой кислотой образуется комплекс, который принято называть фермент-субстратным. Затем происходит окисление арахидоновой кислоты, а на следующих четырех стадиях - внутримолекулярные перегруппировки.
Конечный продукт перечисленных превращений - это комплекс промежуточного простагландина G2 с ферментом. Дальнейшая судьба комплекса зависит от того, есть ли доступный донор электронов (DH). При его наличии гидроперекисная группа быстро восстанавливается, т.е. образуется конечный продукт окисления арахидоновой кислоты простагландин H2 . Таким образом, его ферментативный синтез из арахидоновой кислоты проходит через образование семи промежуточных соединений [2]:
(символом Х с индексом от 1 до 7 обозначены промежуточные соединения, А - акцептор водорода).
Изучая кинетику действия простагландин Н-синтетазы, мы обнаружили, что она работает всего лишь 2 - 4 мин, а затем полностью теряет активность. Мы отнесли этот факт к разряду экспериментальных промахов, так как трудно было поверить, что инактивация - это характерное свойство простагландин Н-синтетазы, настолько это было необычно. Предположить, что фермент инактивируется за счет тепловой денатурации, не было оснований, за время его работы температура среды не менялась. Правда, оставались другие параметры: рН и ионная сила раствора, природа матрицы, на которую был иммобилизован фермент. Однако никакие разумные вариации этих параметров не продлевали его жизнь. В поисках причины инактивации мы предположили, что процесс может быть вызван побочной реакцией, в которой фермент на одной из стадий превращения арахидоновой кислоты окисляется свободными радикалами. Добавляли в реакционную смесь самые разные "тушители" радикалов, самые разные восстановители, результат тот же - фермент переставал работать. Мало того, находился ли он в гомогенном состоянии в растворе, в мицелле детергента, в липидном окружении микросомы или в клетке тромбоцита, константа скорости инактивации была одинаковой. Вывод из всего этого был один: инактивация в процессе реакции - специфическое свойство фермента, а простагландин Н-синтетаза - фермент-самоубийца.
Теперь нужно было определить стадию (или стадии), на которой фермент терял активность, и промежуточное соединение (или соединения), необратимо блокирующее активный центр фермента. Однако поиски виновника инактивации среди по крайней мере семи промежуточных соединений вряд ли увенчались бы успехом без теоретической разработки. Касалась она кинетики многостадийной ферментативной реакции, в которой промежуточные соединения способны претерпевать химические превращения, приводящие к потере ферментом активности. Одновременно мы детально изучили зависимость инактивации от концентрации всех субстратов - арахидоновой кислоты, кислорода и донора электронов. Почему субстратов, если нужно было искать промежуточное соединение? Связь между ними очевидна: уровень концентрации промежуточных соединений, образующихся на разных стадиях превращения арахидоновой кислоты в простагландин, можно регулировать, изменяя концентрацию субстрата на определенной стадии реакции. Выяснилось, что константа скорости инактивации зависит от концентрации каждого из субстратов, причем зависимость эта различна. Так, чем больше арахидоновой кислоты, тем скорее инактивируется фермент, но если увеличить концентрацию донора электронов, этот процесс замедляется.
Сопоставив теоретически рассчитанные данные с результатами экспериментов, мы обнаружили, что в инактивации фермента принимают участие промежуточные соединения [4], обозначенные в схеме реакции как X4 и X6 (неустойчивый простагландин G2 ). Реакционная способность обоих соединений очень высока, и потому они могут связываться с белковой частью фермента и выключать его из каталитического цикла. Однако в действии этих соединений есть существенная разница: инактивацию фермента на стадии образования соединения X6 можно предотвратить, если увеличить концентрацию донора электронов, но инактивация через соединение X4 полностью необратима. За счет действия именно этого промежуточного соединения фермент делает несколько тысяч каталитических циклов, в которых синтезируется 103 - 104 молекул простагландина H2 , а затем выходит из каталитического процесса. Было показано, что при этом происходят драматические изменения белка. Белок в результате инициируемой субстратом инактивации полностью теряет третичную структуру и превращается в бесформенную полипептидную цепь, которая становится легкой добычей протеиназ-"чистильщиков", гидролизирующих все ненужные белки и пептиды до аминокислот.
ЗАЧЕМ НУЖНА ГИБЕЛЬ ФЕРМЕНТА?
Инактивация простагландин Н-синтетазы во время катализа - пока единственный пример подобного рода. Но тем не менее нельзя не задать вопрос: в чем же биологический смысл столь поразительного явления? Мы знаем, что простагландины - особые вещества, их регуляторная роль проявляется во множестве биохимических реакций, а стало быть, и физиологических процессов в живом организме. Зачем же организму этот, казалось бы, неблагоприятный процесс? Как проявляется инактивация в образовании и расходовании простагландинов? Что может служить сигналом для инактивации: изменение концентрации субстрата, т.е. арахидоновой кислоты, или продукта каталитической реакции - простагландина H2 ?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы снова обратились к кинетике и сопоставлению экспериментальных результатов с кинетическими выкладками [5]. Не обсуждая полученные данные, коснемся лишь выводов.
Известно, что скорость любого ферментативного процесса зависит от концентраций субстрата и продукта реакции. Естественно, что количество образующегося в результате реакции вещества и количество превращающегося в него субстрата тоже связаны определенной зависимостью, которая описывается с помощью уравнений биокинетики. Однако, проведя анализ кинетики реакции, в которой, подобно реакции образования простагландина H2 , фермент инактивируется в процессе катализа, мы пришли к удивительному выводу: стационарный уровень концентрации продукта не зависит от концентрации субстрата. Если субстрат вводить в реакционную систему быстро, количество продукта возрастает, но затем уменьшается и возвращается на исходный стационарный уровень, т.е. поддерживается постоянная концентрация продукта реакции. Такая система оказывается абсолютно консервативной в отношении продукта реакции, и в этом ее уникальность. Фермент, который инактивируется в процессе катализа, играет роль своеобразного клапана, а его действие регулируется концентрацией субстрата. Как только она увеличивается, ускоряется инактивация фермента и количество продукта остается неизменным.
В биохимической кинетике известно несколько консервативных механизмов, за счет которых устраняются неблагоприятные изменения в концентрации субстрата и поддерживается постоянный уровень концентрации продукта реакции. Это механизмы с обратной связью - конкурентное и неконкурентное ингибирование фермента продуктом реакции. Эти механизмы существенно отличаются степенью жесткости регулирования. Наименее эффективен механизм конкурентного ингибирования, больший эффект обеспечивается механизмом неконкурентного ингибирования, и только механизм с инактивацией ферментов в процессе реакции способен устойчиво держать концентрацию продукта реакции на постоянном уровне вне зависимости от изменений в концентрации субстрата.
Уникальная особенность механизма регуляции процесса с инактивацией фермента пока была проанализирована на примере идеальной системы катализа и простой системы, в которой моделировался синтез простагландина H2 . При этом не учитывалось, что в организме синтез простаноидов осуществляется не одним ферментом, а целой полиферментной системой. Мы поняли, что инактивацией фермента в процессе реакции поддерживается постоянная концентрация простагландина H2 , но ведь он в организме не конечный продукт окисления арахидоновой кислоты. Далее он превращается ( в зависимости от места синтеза) в простагландины E2 , F2 , D2 , I и тромбоксан.
Что же дает нам знание кинетики первой ступени превращения арахидоновой кислоты? Понятно, что открытый феномен инициируемой субстратом инактивации - важный регуляторный механизм в общем синтезе простаноидов, именно от него зависит дальнейший ход образования других простагландинов. Естествен вывод из наших результатов: воздействуя на систему синтеза простагландинов, можно, по-видимому, регулировать уровень их концентрации в тканях или органах, где тот или иной физиологический процесс нарушен дисбалансом простаноидов.
Вспомним, что простаноиды - внутриклеточные, внутриорганные регуляторы. Синтезируются они в клетках в ответ на различные воздействия, и потому их образование и действие связаны со многими другими физиологически активными соединениями. Общая биохимическая система, в которой участвуют простаноиды, очень сложна, и регуляция всей системы может осуществляться на самых разных уровнях.
Совершенно очевидно, что охарактеризовать работу, т.е. учесть все кинетические параметры и их взаимное влияние в такой сложной системе, пожалуй, невозможно без помощи ЭВМ. К счастью, сейчас на ЭВМ можно построить и проанализировать любой биохимический процесс любой степени сложности. Этим мы и воспользовались. Мы моделировали работу системы, заканчивающейся образованием тромбоксана и простациклина - простаноидов-антагонистов, уравновешивающих действие друг друга в кровеносной системе [2]. Из анализа выяснилось, что вся система в высшей степени консервативна в отношении концентрации простаноидов. По уровню концентрации тромбоксана система может существовать в двух стационарных состояниях, но для того, чтобы произошел ее переход из одного состояния в другое, концентрация арахидоновой кислоты должна измениться в миллион раз (количество тромбоксана при этом изменяется в два раза). Физиологическое действие такого перехода, вероятно, состоит в трансформации тромбоцитов в активированное состояние.
Таким образом, и в простой экспериментальной системе биосинтеза простагландинов, и в полиферментной (с учетом регулирующего действия фосфолипаз и аденилатциклазы) концентрация продукта реакции - простагландина - поддерживается на постоянном уровне. Абсолютная точность обеспечивается инактивацией фермента простагландин Н-синтетазы. Это уникальный, пока единственный механизм регулирования, своей "жесткостью" отличающийся от ранее известных механизмов. Но есть основания предполагать, что в регуляции других биохимических процессов такой механизм используется весьма широко. Сейчас есть только косвенные указания на распространенность столь жесткого механизма: некоторые ферменты, например ферменты печени, сохраняют активность in vivo всего лишь около 10 мин (вспомним, что именно кратковременность действия простагландин Н-синтетазы привела к открытию феномена ее инактивации).
Чтобы простагландины, эти чрезвычайно активные физиологические соединения, не наделали бед в организме, уровень их концентрации должен быть стабильным. Известно, например, что изменение концентрации простагландина G2 в плазме крови всего на 25% характеризует переход организма в патологическое предынфарктное состояние. Но не только в развитии разных патологий сказывается роль простаноидов. В регуляции обмена веществ принципиально важны "внутренние эталоны" - вещества, постоянный уровень концентрации которых обеспечил бы "отсчет" концентраций важнейших метаболитов. На роль такого рода эталонов простаноиды подходят и потому, что уровень их концентрации постоянен, и потому, что они контролируют активность важнейших регуляторных систем, в первую очередь аденилатциклазную систему. Это может служить основой для динамического постоянства состава и свойств крови и всего организма.
Естественно, что экспериментальные и теоретические исследования простаноидов, механизма регуляции их ферментативного синтеза находят непосредственную связь с медициной из-за их важной физиологической значимости.
ПРОСТАГЛАНДИНЫ В ФАРМАКОЛОГИИ
Применение в медицине нашли первые же открытые простагландины E2 и F2 , даже при их непомерной стоимости. Их стали применять для стимуляции родовой деятельности и прерывания беременности. Всемирная организация здравоохранения создала даже специальную Программу по применению простагландинов для медицинского прерывания беременности, планируя таким образом регулировать рождаемость. Дороговизна существовавших тогда коммерческих простагландинов (их получали биологическим путем) побудила к поискам новых природных источников. Такой источник был найден, им оказался горгониевый коралл Plexaura homomalla. Совсем недавно значительные количества простагландинов обнаружены в камбии и почках некоторых древесных пород.
Простагландины получали и получают биологическим и химическим способами, однако их по-прежнему не хватает: вместе с расширением области применения растет и потребность в них. Сейчас простагландины изучаются как новый класс лекарственных препаратов: кроме гинекологии, их уже применяют для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, некоторых форм бронхиальной астмы. Применяют их в животноводстве для ускорения селекции сельскохозяйственных животных, для синхронизации половых циклов, для регулирования времени появления приплода. Однако применение чистых простагландинов не только дорого - не так просто добиться нужного эффекта их действия. Они слишком нестабильны, поэтому вместо простагландинов природной структуры часто получают их синтетические аналоги. Область синтетической химии простагландинов быстро развивается, и можно надеяться, что в ближайшее время будут созданы новые лекарственные препараты. Однако трудности на этом пути весьма велики. Наиболее яркое применение в медицине находит простагландин E1 . В очень низких терапевтических дозах 2 " 10- 5 г он блокирует агрегацию тромбоцитов. Несанкционированное образование тромбоцитами агрегатов и тромбов - первая стадия всех серьезных сердечно-сосудистых заболеваний: инфарктов, инсультов, тромбоэмболий. Нами показано, что достаточно "заселить" всего десять рецепторов на клеточной мембране тромбоцитов простагландином E1 , чтобы полностью предотвратить для тромбоцита возможность образовывать тромбы. Простагландин E1 во многих странах вошел в широкую медицинскую практику.
Есть ли другая возможность регулировать концентрацию простагландинов в тканях или органах живого организма, если их баланс нарушен патологическим процессом или их собственный дисбаланс стал причиной патологии? В последнее время такая возможность стала вполне реальной (заметим, что ее корни уходят в историю, когда простагландины еще не были известны). Открытие феномена инактивации простагландин Н-синтетазы в процессе синтеза простаноидов приводит к мысли, что, регулируя ее активность, можно добиться восстановления баланса простаноидов-антагонистов, не вводя их в организм в чистом виде. Если оглянуться назад, то окажется, что по пути инактивации ферментов простагландинового синтеза медицина идет со времени появления первых противовоспалительных препаратов - так называемых салицилатов. Это производные салициловой кислоты, к числу которых относится и всем известный аспирин, или ацетилсалициловая кислота. Синтез же салицитов был побужден наблюдениями за действием настоев из листьев ивы плакучей. В народной медицине такие настои применяли еще 200 лет назад при лихорадочном состоянии и для лечения ревматизма. Впоследствии оказалось, что действующее начало в листьях ивы - какая-то кислота, которую по латинскому названию ивы (Salix) назвали салициловой.
Тот факт, что аспирин ингибирует синтез простагландинов, был обнаружен английским фармакологом Дж. Вейном в 1971 г. После этого исследования работы, в которых изучалось влияние различных противовоспалительных и некоторых других лекарственных препаратов на синтез простагландинов, посыпались, как из рога изобилия. В результате выяснилось, что фактически все применяемые в настоящее время нестероидные противовоспалительные средства, такие, например, как айбупрофен, вольтарен, индометацин, напроксен, бутадион, аспирин, анальгин, ингибируют простагландин Н-синтетазу. На ее ингибирование человечество употребляет только одного аспирина более 100 тыс. тонн в год. Наиболее эффективными характеристиками обладает айбупрофен. Это быстрый и обратимый ингибитор фермента.
Феномен ингибирования синтеза простаноидов противовоспалительными средствами требовал детального исследования. Мы опять занялись кинетикой. На первом этапе проводились эксперименты in vitro, в которых изучали кинетику действия противовоспалительных препаратов на простагландин Н-синтетазу, поскольку уже знали, что именно она ограничивает дальнейшие превращения арахидоновой кислоты в простагландины. На втором этапе мы приблизили наши эксперименты к условиям in vivo, т.е. моделировали процессы и изучали их в сложной полиферментной реакции с ингибитором. К этому времени уже было известно, что аспирин необратимо блокирует простагландин Н-синтетазу: его ацетильная группа ковалентно связывается с ферментом и тот выключается из реакции катализа.
Однако, по имевшимся к концу 70-х годов сведениям, не все противовоспалительные препараты ингибировали ферменты необратимо. Поэтому мы исследовали кинетические закономерности ингибирования простагландин Н-синтетазы разными препаратами, чтобы выяснить сам механизм и сравнить эффективность действия этих препаратов [6]. В экспериментах мы попытались выяснить, какие элементы структуры лекарственных веществ обеспечивают их ингибирующее действие.
В опытах подтвердилось, что аспирин медленно, но необратимо выключает фермент из каталитической реакции, индометацин и вольтарен действуют на него тоже медленно, но их блок можно снять; а айбупрофен, анальгин, напроксан и бутадион быстро и обратимо связываются с ферментом, замещая собой арахидоновую кислоту при образовании фермент-субстратного комплекса. Для ингибирующего действия на фермент лекарственные препараты должны иметь свободную карбоксильную группу (-СООН), а их небольшое ароматическое ядро должно обладать гидрофобными свойствами.
Таким образом, из анализа кинетических данных мы выяснили, что существует по крайней мере 3 класса лекарственных ингибиторов простагландин Н-синтетазы, которые различаются скоростью взаимодействия с его активным центром и способностью обратимо или необратимо связываться. Интересно, что быстрые обратимые ингибиторы замедляют реакции аспирина с ферментом, и это свойство можно использовать при лечении аспирином.
Хорошо известно, что возникновение язвенной болезни связано с нарушением синтеза простагландинов в стенке желудка. Установлена также связь между язвой желудка и высокими дозами аспирина, применяемого как противовоспалительный препарат. В этом главное побочное действие аспирина при его приеме через рот. Но вот что интересно: лечебное действие аспирин оказывает не в желудке, а в других органах и тканях, куда он попадает через кровь. Оказалось, что столь неприятное действие аспирина в желудке можно устранить, если его вводить вместе с быстрым и обратимым ингибитором (бруфеном, бутадионом или анальгином). В чем причина этого? Быстрый обратимый ингибитор как бы защищает простагландин Н-синтетазу от необратимого действия на нее аспирина, поскольку взаимодействует с ферментом намного быстрее аспирина. За это время аспирин переходит из желудка в кровь, а фермент, находящийся в крови, освобождается от обратимого ингибитора. Так обратимый ингибитор предотвращает длительную остановку синтеза простаноидов в стенке желудка, вызывающую язву.
Другое действие аспирина - его способность "разжижать" кровь: он полностью блокирует образование тромбоксана в тромбоцитах и те перестают образовывать тромб даже через двое суток после приема аспирина. А если в это время случится хотя бы небольшое кровотечение? Без тромбоцитов "заклеить" поврежденное место в кровеносном сосуде нечем. И тут можно полагаться на совместное действие противовоспалительных препаратов, но уже аспирина с медленным ингибитором - индометацином. Небольшие дозы того и другого (приблизительно в 10 раз меньше тех, которые необходимы для лечения индивидуальным препаратом) приводят к лечебному эффекту в больном организме, при этом способность тромбоцитов к образованию тромбов восстанавливается через 48 ч. Устранение побочных явлений аспирина - это один из аспектов выхода кинетических исследований в медицинскую практику.
Есть и еще одно очень важное последствие применения комплексных препаратов, ингибирующих простагландин Н-синтетазу, но уже в кровеносной системе [2]. При совместном действии двух ингибиторов удается добиться такого состояния, при котором хотя подавляется образование и тромбоксана (мощного стимулятора образования тромбов), и простациклина, предотвращающего их агрегацию, все же концентрация простациклина оказывается выше по сравнению с количеством тромбоксана. За счет этого ставшие уже активными тромбоциты теряют способность образовывать тромб во время предынфарктного состояния или уже образовавшийся тромб (состояние после инфаркта) рассасывается. Нет нужды говорить, насколько это важно при лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Таким образом, необратимый ингибитор простагландин Н-синтетазы - аспирин, попавший в кровь, вызывает "кинетическую волну" в изменении компонентов организма. И эта волна прокатывается по многим его системам.
Кинетический анализ показывает, что на пути ингибирования полиферментных систем биосинтеза простагландинов с учетом их регуляции различными противовоспалительными препаратами могут быть найдены весьма эффективные комплексные средства, способные изменять в организме соотношение концентраций различных простаноидов. На наш взгляд, это одно из наиболее обещающих направлений работы по исследованию механизмов регуляции ферментных систем синтеза простаноидов. Ингибирование этих ферментов - первый шаг к управлению биосинтезом внутриклеточных регуляторов. В настоящее время совершенно очевидно, что на пути поисков активаторов и ингибиторов ферментов простагландинового синтеза будут найдены мощные лекарственные средства, способные бороться с самыми различными патологическими процессами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лауреаты Нобелевской премии 1982 г. по медицине - С.Бергстрем, Б.Самуэльссон, Дж. Вейн // Природа. 1983. ╧ 1. С. 96.
2. Варфоломеев С.Д., Мевх А.Т. Простагландины - молекулярные биорегуляторы. М.: Изд-во Московского ун-та. 1985.
3. Мевх А.Т., Вржещ В.П., Басевич В.В., Варфоломеев С.Д. Полиферментная система синтеза простагландинов. В кн.: Химическая и биологическая кинетика. М., 1983. С. 224.
4. Варфоломеев С.Д. // Биохимия. 1982. Т. 47. С. 343.
5. Варфоломеев С.Д. // Биохимия. 1984. Т. 49. С. 723.
6. Варфоломеев С.Д., Мевх А.Т., Муратов В.К. Простагландины и тромбоксансинтетаза - механизм регулирования лекарственными препаратами. В кн.: Молекулярные основы действия ферментов. М., 1985. С. 3.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Простагландины / Под ред. И.С. Ажгихина. М.: Медицина, 1978.
2. Бороян Р.Г. Простагландины: Взгляд на будущее. М.: Знание, 1983.
3. Будущее науки. Международный ежегодник. Вып. 18. М.: Знание, 1985.
