Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

Рис.2. Гистограмма, отражающая вклад гетерогенности среды и катализаторов денитрозирования в баланс нитрит/нитрат при окислении NO. Слева: в гетерогенной среде скорость окисления NO выше, чем в гомогенной. Обычно система равновесий высших оксидов азота сдвигается в сторону NO2 и N2O4, и доля нитрата в продуктах возрастает. Triton X 100 - детергент (аналог мыла), использованный для получения липосом (по данным Liu et al., 1998). Справа: хотя в CF-эмульсиях скорость окисления NO возрастает сильнее, чем в обычных липидах, сольватация и скорости гидролиза высших оксидов азота изменены. В присутствии “Перфторана” доля нитрата в продуктах ниже, чем в гомогенном водном растворе (левая пара столбиков). Фосфат (PO4– 3 ), пиро- (P2O7–4 ) и триполифосфат (P3O10–5 ) ускоряют гидролиз N2O3 в нитрит. В результате стационарные концентрации NO2 и N2O4 уменьшаются и выход нитрата падает. Видно, что полифосфат гораздо активнее, чем фосфат. Hepes - компонент буферного раствора.

Сравним влияние гетерогенности среды и сольватации на нитрит-нитратный баланс в продуктах окисления NO в присутствии обычных липидов и в “Перфторане” (рис.2). Видно, что в первом случае при добавлении гидрофобной фазы доля нитрата (а значит, вызываемых ·NO2 радикальных реакций!) растет, во втором оказывается ниже, чем в гомогенном водном растворе [9 ]. Отчасти эффект связан с каталитическим действием полиэфирного стабилизатора эмульсии на реакцию нитрозирования. Его можно усилить с помощью других найденных нами катализаторов. На рис.2 в качестве иллюстрации показаны каталитические эффекты фосфата и триполифосфата. При увеличении скорости гидролиза N2O3 (фактически - нитрозилирования воды) уменьшаются стационарные концентрации как N2O3, так и NO2 из-за сдвига равновесия в реакции (3).

Впрочем, и здесь не обошлось без парадоксов и неожиданностей. Перфторуглеводороды и их гетероаналоги (вещества, содержащие помимо C и F другие атомы; например, перфтороктилбромид - ПФБ), близкие по растворяющей способности в отношении кислорода, считались одинаково инертными. Поэтому при создании кровезаменителей выбор конкретных соединений был случайным и определялся в значительной степени давлением пара и доступностью в чистом виде. (В промышленности ПФУ и их гетероаналоги получают для далеких от медицины целей, в частности для электротехники.) Так, основу “Перфторана” составляет смесь изомеров перфтордекалина и перфтор-(4-циклогексил,N-метил)пиперидина (рис.3). В Японии и США наиболее популярен перфтороктилбромид (C8F17Br, ПФБ; в кровезаменителях “Перфлюброн”, “Оксиджент” и др.).

Рис.3. Формулы перфторорганических соединений, используемых в производстве кровезаменителей.

Интересно, что сегодня перфтороктилбромид применяется при искусственной вентиляции легких. В легкие пациента (чаще в одно) вводят жидкий ПФБ (~1 л) и шланг с распылителем для подачи воздуха или кислорода. По завершении процедуры шланг удаляется, а ПФБ остается в легких и медленно (недели-месяцы) выводится с выдыхаемым воздухом, а часть его обнаруживается в крови.

Неоднократно отмечалось, что физиологические свойства и кровезаменителей на основе перфторуглеводородов, перфтороктилбромидов и чистых компонентов различны. Причины этого оставались непонятными. Действительно, если бы эффекты этих соединений сводились лишь к транспорту кислорода, они были бы одинаковы для всех ПФУ и ПФБ, поскольку значения коэффициента распределения NO для перфтороктилбромидов и не содержащих атома брома перфторсоединений, включая перфтордекалин (основной компонент “Перфторана”), также оказались близкими. Таким образом, объяснить различные физиологические эффекты только разной сольватацией NO не удалось. В этой связи мы поставили под сомнение постулат об инертности перфтороктилбромидов in vivo и начали искать природные супернуклеофилы, способные реагировать с ним при температуре тела [10].

Для перфторалкилгалогенидов были известны реакции перфторалкилирования при катализе низковалентными комплексами никеля и кобальта. Наиболее известная форма существования кобальта in vivo - кобаламин (витамин В12), который в восстановленной форме служит кофактором ряда ферментов (рис.4). Мы показали, что кобаламин активирует ПФБ, видимо, с образованием перфтороктильного радикала и Co(II), который может снова восстанавливаться до Co(I). Значит, витамин В12 в присутствии восстановителей играет роль катализатора перфторалкилирования под действием ПФБ. Реакцию удалось “визуализировать” с использованием флюоресцирующих мишеней. В тех же условиях связь C-F оказалась устойчивой: мы не обнаружили перфторалкилирования под действием перфтордекалина. Судьба гидрофобных перфторалкильных радикалов in vivo остается неизвестной. Вероятно, они способны эффективно реагировать с NO (природным инактиватором свободных радикалов), образуя новые токсичные продукты.

Рис.4. Схема катализа кобаламином (витамином В12) реакций перфторалкилирования под действием перфторалкилгалогенидов. In vivo кобаламин восстанавливается до Со+1. Этот супернуклеофил способен “вырвать” атом брома из молекулы перфторалкилбромида (показана как CFBr). Образующийся перфторалкильный радикал CF· вступает в реакции с активированными двойными связями (показан замещенный акриламид, Х - флюоресцирующая группа), ароматическими соединениями и др. Вновь образовавшиеся радикалы (2) стабилизируются различными путями, приводя к стабильным CF-содержащим продуктам (3, 4).

Принципиальное отличие ПФУ и ПФБ в отношении к супернуклеофилам типа восстановленных форм кобаламина позволяет объяснить различие свойств кровезаменителей на их основе: ПФБ в физиологических условиях нельзя считать химически инертным. Аналогичные объяснения применимы и к многочисленным отравлениям другими перфторалкилгалогенидами (ПФГ): помимо механизмов, связанных с NO-катастрофами, они могут участвовать в реакциях перфторалкилирования обычных метаболитов. Ясно, что низкие концентрации кобаламина в тканях делают их малозаметными, но не менее неприятными, особенно при больших “периодах полувыведения” (мера времени жизни в организме) высших гомологов. Не исключено, что в качестве восстановителей ПФГ, помимо B12, могут выступать и другие метаболиты. Поскольку современный уровень знаний не позволяет оценить отдаленные последствия и степень риска, эксперименты с использованием перфторалкилгалогенидов на людях следовало бы предельно ограничить.

Общее число пациентов, получивших большие дозы перфтороктилбромидов по медицинским показаниям, и добровольцев, участников испытаний, неизвестно, но заведомо пятизначное. Низшие газообразные перфторалкилгалогениды используются как растворители, в том числе при химической чистке одежды, как фреоны (бромтрифторметан), а также в огнетушителях и автоматических противопожарных системах - от военной техники до космических кораблей многоразового использования (“Спейс Шаттл”). Описано множество случаев отравлений, в том числе со смертельным исходом, при вдыхании газообразных перфторалкилгалогенидов. Очевидно, что и длительность воздействия, и концентрации этих веществ (в частности, в наших химчистках самообслуживания) могут меняться в широких пределах. Известны примеры, когда серьезные проблемы со здоровьем и смерть наступали спустя значительное время после отравления ПФГ.

Открытие перфторалкилирования при катализе известным витамином после 40 лет работ по использованию ПФГ в медицине поднимает серьезные философские вопросы. Корреляция между появлением озоновых дыр и попаданием фреонов в атмосферу - факт, установленный в ходе фундаментальных научных исследований. Реакция образования перфторалкильных радикалов при облучении фреонов ультрафиолетом попала не только в вузовские, но и в школьные учебники. Связь алкилирования ДНК и свободно-радикальных реакций с мутациями и раком должен уметь объяснить любой выпускник средней школы. Аналогия между озоном и высокоактивными метаболитами, участвующими в реакциях окисления (в том числе при биосинтезе NO), также кажется достаточно очевидной. Тем не менее тысячам добровольцев и пациентов вводили и продолжают вводить большие дозы ПФГ, которые остаются в организме на месяцы. Остается загадкой, почему и у участников, и у организаторов таких экспериментов, несмотря на все эти знания, никогда не возникал вопрос о химической инертности ПФГ in vivo. Отрицательный ответ на этот вопрос мог и должен был быть получен много лет назад, до начала массовых экспериментов на людях.

Сегодня острая необходимость в изучении биохимии ПФГ и методов детоксикации этих соединений и их потенциальных метаболитов очевидны, поскольку, несмотря на предупреждения экологов, их по-прежнему широко используют в технике и в быту, и случайные контакты с ними в случае разного рода аварий и форс-мажорных обстоятельств будут случаться и впредь даже при полном прекращении использования перфтороктилбромидов в медицине. Не исключено, что эффективным методом выведения труднолетучих ПФГ и продуктов их превращений окажется кратковременное введение стабилизированных эмульсий химически инертных перфторуглеводородов (типа “Перфторана”) с последующим удалением их гемосорбцией вместе с “экстрагированными” перфторалкилгалогенидами.

* * *

В заключение мы хотим привести примеры популярных препаратов, механизм действия которых связан с регуляцией метаболизма оксидов азота. Напомним, что NO синтезируется из аргинина под действием NO-синтаз (NOS) и активирует гуанилатциклазу (GC), поставляющую цикло-ГМФ, который и служит молекулярным сигналом к расширению сосудов (рис.5). Нитроглицерин и амилнитрит как искусственные доноры NO при сердечной недостаточности обеспечивают расширение сосудов миокарда и предотвращают развитие инфаркта. Более того, они могут быть полезны даже на ранних стадиях после случившегося инфаркта или инсульта: помимо возобновления кровотока (благодаря активации гуанилатциклазы), образующийся NO действует как детоксикатор свободных радикалов, концентрация которых резко возрастает после инфаркта или инсульта, что и служит причиной гибели клеток сердечной мышцы или мозга. В последние годы в качестве эффективной экстренной меры пациента помещают в атмосферу с очень небольшим количеством NO.

Рис.5. Популярные фармацевтические препараты, механизм действия которых связан с регуляцией метаболизма оксидов азота.

Развитие септического шока связано с чрезмерной активностью NO-синтазы, индуцированной попавшими в кровоток патогенами. Организм, пытаясь обезопасить себя от вторжения чужеродных клеток, производит большие количества NO для их уничтожения. Это приводит к активации гуанилатциклазы, слишком сильному расширению сосудов, как следствие - к падению давления крови. Смерть наступает от снижения эффективности кровообращения. Ингибиторы NO-синтазы (например, нитроаргинин) или введение в кровь аргиназы (фермента, разрушающего аргинин - предшественник NO) могут быть спасительными.

Уровень цикло-ГМФ поддерживается балансом активностей гуанилатциклазы (синтез) и специфической фосфодиэстеразы PDE5 (распад). Ингибирование последней обеспечивает высокую концентрацию цикло-ГМФ даже при недостатке синтеза NO, активирующего гуанилатциклазу. Кофеин - слабый и неспецифический ингибитор фосфодиэстераз, расщепляющих цикло-ГМФ. Сильденафил (“Виагра”) - мощный и специфический ингибитор фосфодиэстеразы PDE5 - оказался эффективным средством при импотенции (злые языки утверждают, что именно это открытие было решающим для членов Нобелевского комитета). Тот же эффект может быть достигнут ингибированием аргиназы.

“Перфторан” и другие искусственные гидрофобные фазы могут выступать и как активаторы, и как блокаторы различных NO-зависимых процессов. Растворимость NO и O2 в эмульсии перфторуглеводорода выше, чем в плазме крови, что первоначально обеспечивает переток NO из плазмы в гидрофобную фазу эмульсии, где из-за мицеллярного катализа скорость его окисления выше, чем в окружающей капли эмульсии плазме. В целом, концентрация NO в крови падает (показано красной стрелкой), одновременно падает необратимое окисление NO в нитрат под действием гемоглобина. Снижение концентрации растворенного NO может активировать NOS. Продукты окисления NO преимущественно образуются в эмульсии, и именно там выше нитрозилирующая активность. Дальнейшая судьба продуктов окисления может регулироваться; возможен вариант, когда эмульсия становится источником NO-доноров.

Скорости накопления знаний, появления новых технологий к началу третьего тысячелетия стали буквально фантастическими. В существенной степени столь бурный рост имеет автокаталитический механизм: он обеспечивается успехами науки в предшествующие годы и регулируется скоростью превращения фундаментальных научных открытий в новые технологии, используемые как для “потребления”, так и для дальнейшего развития исследований. Для биологических наук примерами первых являются появление методов диагностики и лечения неизлечимых ранее заболеваний или выведение высокопродуктивных сельскохозяйственных культур. Ко вторым можно отнести все более тонкие методы анализа (веществ, клеток и целых организмов) или синтеза сложных “биологических” молекул. В целом, предшествующие успехи в фундаментальных исследованиях предопределяют новые достижения как в экономике, так и в самой науке.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Проекты 02-04-49530 и 03-04-06492.  

Список литературы

1. Шноль С.Э. Герои и злодеи российской науки. М., 1997.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: шпори на пятках, бесплатные решебники скачать.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата