МЕДИЦИНСКАЯ ХИМИЯ

31

успешно она может быть решена с помощью фрагментарного кодирования суперпозиции подструктур. В этом случае структурная формула кодируется набором дескрипторов, каждый из которых соответствует определённому элементу структуры (дескрипторному центру).

Дескрипторными центрами являются атомы, содержащие р- или π-электроны либо полный заряд: атомы N, O, S, P, галогенов, а также циклы и пары атомов С, связанные кратными связями. Каждое соединение описывается набором линейных дескрипторов, содержащим символы, обозначающие код дескрипторного центра, длину цепи, наличие или отсутствие сопряжения, функциональные группы и т.п. Так, например, в простейшей системе Висвессера соединение представляется строкой символов, кодирующих соответствующие фрагменты и расположенных в строго определённом порядке.

-Числом обозначается неразветвлённая цепь алкильной группы указанной длины;

-О - кислород, не связанный с атомами Н;

-Q - ОН-группа;

-V - карбонильная группа;

- N - N ;

-Z - NH2;

-M - NН и т.д.

Вэтой системе: диэтиловый эфир кодируется 202 (С2Н5ОС2Н5);

глицин Z1VQ (H2NCH2COOH); этилпропилбутиламин 4N32	( C H N C2H5		)
	4 9	C3H7

Более точное описание структуры достигается в рамках системы топологических и геометрических дескрипторов. По сравнению с линейным способом кодирования, более адекватным является кодирование структур с помощью матриц связности с широким набором молекулярных топологических дескрипторов – дескрипторов фрагментов, подструктурных фрагментов, дескрипторов окружения, дескрипторов связности и др.

В этом, как и в предыдущем случае по сути кодируется не соединение, а его структурная формула. Этот недостаток в определённой мере преодолевается при использовании наряду с топологическими геометрических дескрипторов. Геометрические дескрипторы кодируют общую форму и размер молекулы, представляя её пространственную форму.

Наиболее перспективны квантово-химические методы описания структуры, которые всё более широко используются при решении задач, связанных с установлением количе-

ственных закономерностей связи ″структура - свойства″ и конструировании структуры новых биологически активных веществ.

32

Расчёты привлекаются обычно для определения преимущественных конформаций молекул, в которых активные центры открыты для взаимодействия с местами связывания в организме, а также для оценки физико-химических параметров молекул, влияющих на их транспорт к мишени.

Большое распространение получило применение этих методов для теоретических расчётов физико-химических параметров молекул (коэффициенты распределения, дипольные моменты, заряды на атомах и проч.), используемых в корреляционных методах изучения зависимости ″структура - свойства″.

Возможности квантово-химических методов описания структуры биологическиактивных веществ увеличиваются по мере совершенствования вычислительной техники.

Стремление соединить позитивные стороны описания структур с помощью дескрипторов и их представления с помощью физико-химических параметров привело к развитию подходов, в которых дескрипторные центры классифицируются не на основе типа атома, а на основе его способности к участию в межмолекулярных взаимодействиях. Эта способность может быть количественно выражена с помощью энтальпии комплексообразования ∆Н.

Величина ∆Нij образования комплекса произвольной пары - i – кислоты (акцептора) и j - основания (донора) вычисляются из соотношения

∆Нij = -∆Н11PiEj,

где Pi и Ej - безразмерные факторы, характеризующие i - кислоту и j- основание, соответственно; Н11 - коэффициент, определяемый по стандартному комплексу.

Вышеприведенные уравнения в модифицированном виде:

∆Н = |∆Н11|EiEj, где Ei = -Pi.

послужило основой создания единой шкалы донорных и акцепторных факторов.

С помощью этой шкалы была разработана классификация дескрипторных центров. Впоследствии была создана автоматизированная система оценки значений Ei (Ej). На основании данного подхода структура биологически активного соединения может быть задана с помощью дескрипторных центров, описываемых параметрами, характеризующими электронные свойства этих центров.

Возможности применения математического аппарата теории распознавания образов к решению задач “структура - свойства” в ряду фармакологически активных 1,2-дигидро-3Н- 1,4-бенздиазепин-2-онов (Б) на основе структурных признаков впервые были изучены в 1977 г. А.В. Богатским и сотрудниками.

33

R1 O

N

R2

4

R N

(Б) C6H5 R3

В качестве примера подобных работ кратко рассмотрим этапы этого исследования. Постановка задачи. При применении теории распознавания образов в практической

деятельности предполагается в общем случае решение ряда задач: 1) формирование исходного описания объектов распознавания и отбор наиболее информативных признаков; 2) формирование обучающей последовательности и 3) выбор оптимального алгоритма распознавания из заданного класса и реализация его на ЭВМ.

Задача построения распознающей системы для прогнозирования активности соединений ряда (Б) может быть сформулирована следующим образом. Имеется множество А соединений ряда (Б) и несколько различных разбиений этого множества на непересекающиеся подмножества. Каждому разбиению соответствует определённый вид фармакологической активности, оцениваемый по соответствующим видам действия, наиболее характерным для этого класса соединений: потенцирование гексеналового сна, устранение судорожного действия коразола (подкожный коразоловый тест), защита от судорог при максимальном электрошоке, нарушение координации движений (тест вращающегося стержня) и угнетение ориентировочной активности (тест залезания на сетку). Необходимо, используя эту информацию, для каждого из проявлений действия в классе структурных признаков выделить наиболее информативные и на их основе исследовать возможность построения алгоритма распознавания отмеченных свойств данных соединений.

Для прогнозирования фармакологической активности соединений (Б) в качестве носителей информации использовали характеристики этих веществ: заместители в поло-

жения 1, 3, 4 и 7, константы Гаммета σм и σn заместителей R4. Природа указанных заместителей определяет не только физико-химические свойства, но и активность 7-заме- щённых 1,2-дигидро-3Н-1,4-бенздиазепин-2-онов.

Все радикалы R1, R2, R3 и R4 молекул исследованных соединений разбивались на четыре группы: набор радикалов в положении 1 – первая группа, набор радикалов в положении 3 – вторая группа и т.д.

Каждый из заместителей рассматривался в качестве отдельного признака. В векторе описаний такому признаку ставилась в соответствие единица, если данный заместитель находился в соответствующем положении, и нуль - в противном случае.

Соединения (Б) условно были разделены на два класса: первый класс - соединения с

34

высокой активностью, второй - с низкой. К первому классу по тесту потенцирования гексенала были отнесены соединения с ЭД50 не более 1 мг/кг (1), по антикоразоловому тесту - с ЭД50 не более 1 мг/кг (2), по тесту максимального электрошока - с ЭД50 не более 40 мг/кг (3), по тесту нарушения координации движений - с ЭД50 не более 10 мг/кг (4) и по тесту угнетения ориентировочной активности - с ЭД50 не более 10 мг/кг (5). Соединения с меньшей активностью были отнесены ко второму классу.

Соединения (Б) в первом варианте разбивались так, что в обучающую последовательность попала соединений, относящиеся к различным классам (первому либо второму) по отдельным видам действия. Остальные соединения включались в экзаменующую последовательность. Затем (во втором варианте) указанные соединения последовательности поменяли местами, чтобы выяснить насколько обучающая отражает свойства соединений экзаменующей последовательности.

Для прогнозирования фармакологической активности веществ использовался алгоритм, основанный на изучении топологических свойств множеств классов и построении преобразования пространства описания.

Фармакологическая активность соединений как в первом, так и во втором вариантах прогнозировалась со средней ошибкой около 21%. Однако ошибки распознавания по отдельным видам действия в первом и втором вариантах различны. Так, в первом варианте наименьшая ошибка распознавания была достигнута по тесту потенцирования гексенала, а во втором - по тестам антагонизма с коразолом и угнетения ориентировочных реакций. Это согласуется с вышесказанным относительно влияния состава обучающей последовательности на точность прогнозирования.

Математически была вычислена информативная ценность признаков описания структуры. Наиболее информативными признаками оказались σм - константы Гаммета заместителей R4, а также заместители R2 и R4. В порядке убывания информативности признаки описания располагаются в ряду: R2; σм - константы Гаммета заместителей R4, R4, R1, σn- константы Гаммета заместителей R4.

Роль заместителя R4 в определении уровня активности и физико-химических свойств веществ (Б) подчеркивалась ранее на основании исследований связи между структурой соединений типа (Б) и их психофармакологическими свойствами.

В качестве наиболее информативного признака был определён заместитель R2. Чаще всего введение заместителя в положение 3 дигидро-1,4-бенздиазепиновой системы (особенно алкенильных и арильных заместителей) приводит к снижению активности веществ по всем видам действия.

Высокая информативность радикала R2 указывает на то, что со значительной степе-

35

нью вероятности можно ожидать снижения активности веществ (Б) при введении алкильных заместителей, ацетил-окси-группы в положении 3.

Наименее информативным признаком оказался заместитель R1, что также согласуется с экспериментальными данными по зависимости между структурой и действием 1-заме- щённых 1,2-дигидро-3Н-1,4-бенздиазепинов.

4.2. Пространственная структура и активность БАВ.

Эффективность взаимодействия БАВ с мишенью (например, рецептором или ферментом) определяется его электронными характеристиками и пространственной (3-D- от 3-dimensional) структурой. Конформация молекулы зависит от её окружения. В газовой фазе, в растворе, в кристаллической фазе, в области биологической мишени конформации молекул БАВ могут существенно отличаться. Знание 3-D-структуры БАВ в мишень-лигандном комплексе имеет принципиальное значение для прогнозирования биологической активности вещества. Наиболее достоверная информация может быть получена при экспериментальном установлении структуры комплекса лиганд-мишень или определении структуры лиганда в комплексе методом 2-D ЯМР, а также при тестировании аналогов БАВ, моделирующих различные 3-D-структуры. Расчётным путём с помощью соответствующих компьютерных программ можно установить 3-D-структуры, обладающие наименьшими энергиями. Однако нет гарантий, что какие-либо из этих структур будут идентичны "биологически активным" структурам. Проблема осложняется тем, что в большинстве случаев неизвестна структура мишени (места связывания лиганда).

4.3. Методы 3-D-QSAR.

Впервые модель взаимодействия лиганд-фермент была предложена Хёлтье и Кифом еще в 70-е годы. На основе вычисленных значений энергий взаимодействия аналогов ацетилхолина с различными нейтральными и заряженными аминокислотными цепочками они сделали вывод о том, что катионная головка ацетилхолина [N+(CH3)3] взаимодействует с фрагментом ароматической аминокислоты холинэстеразы. До этого считалось, что тетраметиламмонийная группа взаимодействует с анионным центром ацетилхолинэстеразы. В 1991 г. методом рентгено-структурного анализа была изучена структура ацетилхолинэстеразы электрического ската torpedo cаlifornicа При этом выяснилось, что на самом деле местом связывания триметиламмонийной группы является гидрофобная область, образованная несколькими остатками ароматических аминокислот ацетилхолинэстеразы.

Одним из наиболее распространенных методов 3-D-QSAR является метод СоМFА (Comparative Molecular Field Analysis), впервые предложенный Крамером в 1988 г.

Метод предполагает решение ряда задач: установление 3-D-структуры лигандов,

36

формулировка представлений о фармакофорных фрагментах лигандов, формирование массива лигандов, выбор обучающей последовательности, выбор 3-D-ячейки и расстояний решетки, расчёт свойств поля в его точках, PLS анализ данных, включающих их валидацию (установление достоверности), уточнение CoMFA модели и прогноз тестовой системы.

PLS – метод корреляционного анализа, который можно рассматривать как гибрид методов множественной линейной регрессии и регрессии принципиальных компонентов. Основой метода является статистический анализ 3-D-полей взаимодействия. Эти поля генерируются путём измерения энергий взаимодействия зонда и лиганда. Зонд – это атом или маленькая группа. В методе CoMFA это, обычно, положительно заряженная метильная группа. Энергии взаимодействия рассчитывают для каждого соединения обучающей выборки в каждой координате решетки в пространстве (рис. 6).

Рис. 6. Генерация полей взаимодействия в подходе CoMFA (A.M. Davis, в книге: Medicinal Chemistry: Principles and Practice (F.D. King, ed), Royal Society of Chemistry, 1994, Cambridge, p, 114).

Полученные для каждой точки решетки значения энергии (несколько сот или даже тысяч) являются дескрипторами в QSAR анализе. Методом PLS устанавливают корреляцию между точками в пространстве и активностью. Полученное уравнение регрессии связывает значимость каждой точки в пространстве для описания функции. Оно может быть использовано для решения обратной задачи – нахождения 3-D-структур, генерирующих 3-D-электро- статические и стерические регрессионные карты. Эти карты показывают области в пространстве вокруг молекул важные и несущественные для электростатического и стерического взаимодействия БАВ с мишенью.

Кроме CoMFA полей, используемых в программе CoMFA, можно применять другие 3-D-поля, например, 3-D-поля из Программы GRID. В последней используются коды Н- связывания, электростатические, стерические взаимодействия или электростатические изопотенциальные карты. В параметрах этих полей могут использоваться также и обычные для QSAR моделей дескрипторы.

37

ОСНОВЫ РЕЦЕПТОРОЛОГИИ

Наиболее сложной живой системой во вселенной является человеческий мозг и прежде всего - головной. Нервная система управляет деятельностью других систем и организма в целом.

Работа около 50 миллиардов нейронов мозга состоит в том, что они получают сигналы от других нервных клеток и передают их третьим или эффекторным клеткам.

В основе деятельности живой системы лежат процессы возбуждения и торможения. По И.П. Павлову, в норме имеет место равновесие этих процессов. Возбуждение или торможение осуществляется с помощью электрических импульсов и специальных химических веществ.

5.1. Передача нервного импульса.

Первая теория возбуждения была сформулирована в конце XIXв. немецким физиологом Дюбуа-Реймоном. Его ученик Ю. Бернштейн разработал мембранную теорию электрических потенциалов. В соответствии с ней возбуждение - кратковременная потеря мембраной своих полунепроницаемых свойств.

Основы современной мембранной теории возбуждения создавались в 50-60 гг. текущего столетия. Её творцами были Ходжкин, Хаксли, Кац, Костюк П.Г. и др.

Всостоянии покоя в любых клетках имеется избыток ионов К+, а во внеклеточном пространстве - ионов Na+. Главными ионами во внеклеточной среде являются ионы Na+ и Cl-.

Всостоянии покоя мембраны в 75 раз более проницаемы для ионов К+, чем для ионов Na+.

Вмембранах имеются поры - ионселективные каналы, пропускающие катионы Na+, K+ и Cа++. В покое большинство каналов закрыты, а в возбуждённом - открыты.

Некоторые вещества могут блокировать ионные каналы, нарушая нормальные процессы деятельности клеток. Так, специфическим блокатором Na+-канала является тетродотоксин, закрывающий ворота канала. Для К+-канала - N+(Et)4, действующий как на наружную, так и на внутреннюю поверхность мембраны. Сакситоксин (выделенный из североамериканских моллюсков) действует, подобно тетродотоксину.

Анестетики и наркотики затрудняют пассивный транспорт Na+, Cа++ и частично К+, блокируя тем самым проведение нервного импульса.

Всостоянии покоя мембрана поляризована: её внутренняя сторона по отношению к внешней имеет разность потенциалов около -70мВ. Причина поляризации мембраны заклюается в том, что сумма положительных зарядов в клетке не компенсирует отрицательные заряды белковых и липидных молекул. При стимуляции клеток проницаемость для ионов Na+ увеличивается и в клетку быстро проникают положительные заряды. В результате

38

возникает импульс - мгновенное изменение знака мембранного потенциала. Импульс распространяется по аксону в направлении от тела нейрона.

Каждый нейрон имеет множество (до 3000) контактов с другими клетками. Межклеточные контакты, в которых осуществляется передача импульсов, называются синапсами. Имеются также константы, не связанные с передачей импульсов. Они могут служить местами межклеточного обмена метаболитами. 60-80% всей поверхности головного и спинного мозга занимают синапсы. Синаптические константы образуют сома нейрона, его аксон и его дентриты (рис. 7). В большинстве синапсов пресинаптическим компонентом является аксон.

Рис. 7. Участок нейрональной сети.

39

5.2. Структура и функции химических синапсов.

Пресинаптическая область имеет 2 главных компонента - это пресинаптическая мембрана и синаптические пузырьки (везикулы). Везикулы содержат медиаторы.

Синаптические пузырьки (СП) различаются по форме и размерам: сфероидные агранулярные СП с диаметром 30-50 нм содержащие ацетилхолин и аминокислоты;

-малые гранулярные СП с диаметром 50-60 нм, содержащие норадреналин, серотонин, дофамин, гистамин;

-крупные гранулярные сфероидные везикулы с диаметром 100-200 нм, содержащие пептидные медиаторы, а также АТФ и катехоламины.

Всинаптических окончаниях имеются другие клеточные структуры (митохондрии, гранулы гликогена и др.).

Синаптическая щель. Ширина щели центральных синапсов 20-40 нм, нервно-

мышечных синапсов - 50-100 нм. Расстояние между клеточными мембранами 10-15 нм. Содержимое синаптической щели обладает свойствами полисахаридного геля. Постсинаптическая область. Её главный морфологический признак - своеобразное

утолщение постсинаптической мембраны. На постсинаптической мембране химических синапсов локализованы рецепторы, посредством которых осуществляется передача сигнала с иннервирующей клетки на иннервируемую. К мембране примыкают такие структуры как митохондрии, лизосомные гранулы и др.

Активная зона синапсов - область непосредственного контакта пресинаптической структуры с постсинаптической клеткой. Размеры активной зоны (вдоль мембран) могут достигать 50 µм. В этой зоне происходит секреция медиаторов и избирательное изменение проницаемости постсинаптической мембраны.

Имеется 2 вида синапсов: возбуждающие и тормозные. Возбуждающие синапсы имеют овальную форму и размеры 500 х 380 Å. Тормозные синапсы - округлые по форме и с диаметром 500 Å.

5.3. Медиаторы.

Лишь немногие синапсы обеспечивают передачу электрического импульса с иннервируещей на иннервируемую клетку непосредственно. Такие синапсы называются электрическими. Толщина синаптической щели в них – не более 2 нм. В большинстве же синапсов электрическое сопротивление слишком велико, чтобы через него мог пройти слабый электрической импульс. В таких синапсах (химических) при поступлении электрического импульса передающая клетка выделяет специальные вещества, поступающие на рецепторную поверхность воспринимающего нейрона или эффекторной клетки. Эти

40

вещества получили название нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров).

Медиатор (нейротрансмиттер, синаптический передатчик) - БАВ, находящееся в связанной форме, выделяющееся из возбуждённого нервного окончания в синаптическую щель и специфически действующее на рецепторы постсинаптической клетки - мишени.

Многие (если не все) нейротрансмиттеры в ряде синапсов играют также роль нейромодуляторов, т.е. веществ, изменяющих высвобождение этого же медиатора или комедиатора.

В отличие от нейромедиаторов нейрогормоны – эндогенные физиологически активные вещества, высвобождаемые нейроном, поступающие в кровь и воздействующие на удалённые от нейрона клетки.

Медиаторы являются либо аминокислоты, либо низкомолекулярные пептиды либо образуются из аминокислот:

ацетилхолин - из серина, гистамин - из гистидина, норадреналин и дофамин - из фенилаланина, серотонин - из триптофана.

Медиаторы не проникают через гематоэнцефалический барьер. Их предшественники - проникают.

Идея химической передачи импульсов от одной клетки к другой впервые была высказана австрийским физиологом О. Леви в 1921 г. Он обнаружил, что при раздражении блуждающего нерва в сердце появляется особое вещество, которое оказывает на сердечную мышцу такое же действие, как и естественный нервный импульс. Далее было установлено, что этим веществом является ацетилхолин (вагусное вещество)

+

(CH3)3NCH2CH2OCOCH3

В 1948 г. У. Эйлером был найден другой медиатор ЦНС - норадреналин (симпатин). Позднее были обнаружены и другие медиаторы НС – аминокислоты: ГАМК, глицин, глутаминовая и аспарагиновая кислоты, таурин, пролин. В ЦНС большая часть синапсов – аминокислотные. Доля же ацетилхолиновых, норадреналиновых и серотониновых синапсов мала.

Тормозными медиаторами в различных синапсах могут быть различные вещества. Универсальный тормозный медиатор - ГАМК. 20-40% нервных окончаний нейронов мозга содержат ГАМК.

Другие медиаторы могут оказывать как возбуждающее, так и тормозное действие

(табл. 6).