ПРОСТАГЛАНДИНЫ - НОВЫЙ ТИП БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

Варфоломеев С.Д.

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.