Конструирование потенциальных препаратов рецепторного действия - фармакологическая регуляция психических процессов
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ РЕЦЕПТОРНОГО ТИПА ДЕЙСТВИЯ
Среди рассмотренных в предыдущей главе принципиальных подходов к поиску и созданию новых лекарственных препаратов наиболее перспективным и многообещающим как в практическом, так и научно-теоретическом плане нам представляется направленное конструирование биологически активных соединений. Современная фармакология располагает широким арсеналом высокоэффективных и избирательных средств, появление которых связано с использованием альтернативных методов поиска. Успехи же «drug design» достаточно скромны и не выходят за рамки теоретических рекомендаций, носящих, как правило, довольно общий характер.
В основе всех теоретических построении лежит обобщение предшествующего опыта создания фармакологических агентов — так называемый химико-фармакологический метод, представляющий собой анализ корреляций биологической активности со строением и свойствами молекул эндогенных и экзогенных биологически активных соединений, имеющих общую направленность физиологического действия. Для анализа связи структура—активность наиболее широкое распространение в последние годы получили методы прогнозирования биологической активности с помощью регрессионных уравнений [Голендер, 1978]. В основе этих методов лежат два принципиальных подхода, разработанных в начале 60-х годов Hansch [Hansch et al., 1962] и Free, Wilson [1964]. Суть обоих подходов заключается в том, чтобы выразить биологическую активность в виде многочлена, представляющего собой сумму попарных произведений эмпирических коэффициентов и отдельных параметров, характеризующих различные физико-химические или структурные свойства заместителей. Наилучшее приближение теоретически рассчитанных значений биологической активности к экспериментальным данным достигается путем подбора численных значений эмпирических коэффициентов. Несмотря на значительные успехи в описании связей структура—активность в рядах близких по структуре химических соединений с известной биологической активностью, прогностические возможности таких подходов весьма ограниченны. «Как показывает огромный опыт прикладной статистики, регрессионный анализ является плохим инструментом для экстраполяции» [Голендер, 1978].
Принципиально отличным путем создания химических соединений, обладающих высокой эффективностью и избирательностью биологического действия, является выявление строения связывающих центров соответствующих рецепторов — молекулярных структур белковой природы, взаимодействие с которыми включает (или блокирует включение) цепь ферментативных, транспортных и других процессов, формирующих первичную биологическую реакцию на клеточном уровне. Современные представления о природе и механизмах функционирования рецепторов нейромедиаторов и гормонов основаны, как правило, на косвенных данных и имеют гипотетический характер, так как их непосредственное выделение и реконструкция связаны со значительными экспериментальными трудностями.
Применяемые в настоящее время в биологической химии методы выделения и очистки белков оказываются непригодными в отношении надмолекулярных рецепторных комплексов вследствие тонкой организации последних и их низкой концентрации в мембранах. Квантово-химический расчет структуры рецепторных молекул, по- видимому, может быть осуществлен только в отдаленном будущем, так как даже для наиболее изученных биологических макромолекул он представляет трудноразрешимую задачу. Поэтому наряду с усовершенствованием экспериментальных и вычислительных методов анализа структуры рецепторов значительные усилия исследователей направляются на теоретическую разработку модельных представлений. В отношении холино- и адренорецепторов такие исследования проводятся уже довольно давно (Waser, 1966- Belleau, 1966- Kier, 1967], в последние годы появились модели гистаминовых [Гречишкин, Гольдфарб и др., 1979], дофаминовых [Erhardt, 1980- Olson,1981] и других рецепторов.
В значительной части такого рода работ рассматривались гипотезы о молекулярных аспектах формирования биологической реакции на уровне клеточных мембран: сопряжение работы рецепторов с циклазными системами [Smythies, 1972], Na, К-АТФазой [Plauchithiu, 1978], ионными каналами [Подымов и др., 1980]. Другая часть работ была направлена на выявление структурных закономерностей непосредственного взаимодействия эндогенных и экзогенных веществ со связывающими центрами [Комиссаров, 1976- Гречишкин и др., 1979- Erhardt, 1980]. Общим недостатком большинства разработанных моделей является то, что они основаны на анализе физиологической активности in vivo и in vitro довольно узких групп веществ и имеют основной целью не определение точной топографии связывающих центров, а скорее развитие представлений о взаимосвязи между функциональной значимостью и физико-химической природой взаимодействия рецепторов с отдельными фрагментами молекул лигандов. Исключение составляют появившиеся в последнее время работы, посвященные исследованию центров связывания холинорецепторов [Демушкин и др., 1982- Демушкин, Зотов и др., 1982], в которых определены конформации молекул некоторых холинергических веществ на рецепторе, а также конфигурация и аминокислотный состав связывающих центров м- и н-холинорецепторов.
Общая схема создания новых лекарственных субстанций методом конструирования может быть представлена в виде трех последовательных этапов. Первый этап — анализ корреляций структура- активность. Его цель — выявить роль отдельных структурных элементов в связывании с рецептором, определить число и природу физико-химических связей для каждой молекулы. Второй этап — установление топографии рецепторного центра связывания. На основании обобщения результатов анализа структура—активность для большого массива соединений определяются число и природа функциональных групп рецептора, их взаимное расположение и ориентация в пространстве, а также размеры и конфигурация связывающего центра. Третий этап — конструирование комплементарных полученному связывающему центру молекул новой химической природы или модификации известных структур с учетом выявленной топографии и закономерностей взаимодействия с рецептором известных фармакологических агентов.
Описываемый в настоящей главе подход к моделированию рецепторных центров связывания имеет ряд существенных отличий от применяемых традиционно методов. Два из этих отличий носят, по нашему мнению, принципиальный характер и лежат в основе преимущества предлагаемого подхода.
- Оценка эффективности препаратов. В настоящей работе анализ корреляций структура — активность проводился на основании энергетических характеристик связывания с рецептором большой группы соединений, а не данных об их суммарном физиологическом эффекте. Такая замена приводит к тому, что понятие сродства к рецептору отделено от понятия биологической активности. Проявление веществом биологической активности является результатом сопряжения многих физико-химических, ферментативных и других процессов и не может служить адекватной характеристикой эффективности взаимодействия рецептор-лиганд. Фармакологическое действие препаратов центрального действия недостаточно адекватно моделируется их эффектами на животных и в экспериментах in vitro, поэтому изучение рецепторов ЦНС с помощью радиоактивных меток представляется особенно плодотворным. Кроме того что получаемые экспериментально концентрации 50%-иого замещения радиолигандов в комплексе с рецептором являются удобными, хорошо воспроизводимыми количественными характеристиками, их применение в качестве критерия сродства позволяет исключить неопределенность, связанную с использованием в качестве такого критерия биологической активности, и вложить в понятие сродства конкретный физико-химический смысл.
- Молекулярное моделирование взаимодействия рецептор-лиганд. Основной особенностью фармакологического агента является его избирательное связывание со строго определенными молекулярными структурами организма. Способность вещества участвовать в подобных взаимодействиях целиком определяется свойствами и взаимным расположением структурных элементов его молекул. Поэтому задача поиска структуры связывающего центра неотделима от задачи выявления биологически активной конформации молекулы вещества и определения функциональной роли отдельных структурных элементов.
Конформационный анализ молекул, комплементарных рецепторным центрам связывания, является сложной и трудоемкой задачей, разрешение которой встречает не только методические трудности. Расчетными методами может быть получен набор конформаций рассматриваемой изолированной молекулы, соответствующий минимуму потенциальной энергии. Однако это не обеспечивает того, что в множество рассматриваемых попадает биологически активная конформация, статистический вес которой в водном растворе может быть довольно низок. В то же время не вызывает сомнений, что образование комплекса рецептор-лиганд подчиняется общим физикохимическим закономерностям, и в состоянии равновесия вся система имеет минимум свободной энергии. Это приводит к выводу о том, что при молекулярном моделировании должен рассматриваться энергетический оптимум не отдельных молекул рецептора и вещества, а единого комплекса рецепторлиганд. При этом мы исходили из предположения о том, что расположение функциональных трупп связывающего центра неизменно, и именно оно определяет биологически активную конформацию молекулы лиганда. Другими словами, независимо от направленности физиологического эффекта (т. е. возбуждения или блокады рецептора) каждое соединение связывается с рецептором таким образом, что достигается наибольший энергетический выигрыш, который представляет собой алгебраическую сумму энергетических вкладов как собственно образования связей вещество-рецептор, так и конформационных перестроек взаимодействующих с рецептором молекул.
В этих условиях задача молекулярного моделирования сводится к поиску оптимального размещения каждой из рассматриваемых молекул на рецепторе. Расположение и ориентация в пространстве функциональных групп связывающего центра подбирались таким образом, чтобы условие комплементарности (оцениваемое по величинам сродства) к рецептору удовлетворялось наименьшим числом донорно-акцепторных групп (принцип минимизации числа функциональных групп связывающего центра).
Суммируя вышесказанное, необходимо отметить, что в разработанном нами методе рассмотрение соотношений структура — активность приобретает новый смысл, более отвечающий, на наш взгляд, задачам выявления структурных требований, обеспечивающих химическим соединениям заданную направленность физиологического действия.
Таблица 29. Типы и прочность связен, встречающихся при взаимодействии рецептор — лиганд [Korolkovas, 1970]
Типы взаимодействий | Прочность | Типы взаимодействий | Прочность |
Усиленные ионные | 10 | Комплексы с пере | 1-7 |
Ионные | 5 | носом заряда (КПЗ) | |
Ион-дипольные | 1-7 | Ван-дер-ваальсовы | 0,5-1,0 |
Диполь-дипольные | 1-7 | Гидрофобные | 1 |
Водородные | 1-7 |
Энергия некоторых типов связей, встречающихся при образовании комплексов рецептор — лиганд, приведена в табл. 29.
- Расчет изменения свободной энергии образования комплекса рецептор — лиганд производился из соотношения
где Кd — константа диссоциации комплекса.
, где 1С50 — концентрация вещества, вызывающая 50%-ное замещение радиолиганда в комплексе с рецептором- — концентрация радиолиганда- KtsRL — кажущаяся константа диссоциации комплекса радиолиганда с рецептором.
Ошибка при измерении величины 1С50, как правило, не превышает 10—15%. Это означает, что различия в величинах AG, равные 0,3—0,4 ккал/моль, могут считаться статистически достоверными. Абсолютные значения изменений свободной энергии, рассчитанные по величинам констант диссоциации, могут отражать энергетические эффекты не только процесса образования комплекса связывающий центр—лиганд, но и сопровождающих это взаимодействие конформационных перестроек рецепторных молекул. При этом, однако, возможна сравнительная оценка изменений свободной энергии комплексообразования для различных веществ, так как она сохраняет только различия в непосредственном связывании веществ с функциональными группами рецептора. Целью такой оценки является выявление физико-химической природы взаимодействия отдельных структурных элементов лигандов со связывающим центром, поэтому приблизительность характеристик не может служить препятствием к их использованию.
- Исследуемые рецепторы однородны по своей структуре, функциональные группы их связывающих центров жестко фиксированы и не меняют своего расположения при взаимодействии с отличающимися по химической структуре соединениями.
- Для оценки энергии гидрофобного взаимодействия рецептор-лиганд (перестройки сольватной оболочки при контактировании двух гидрофобных областей) использовались коэффициенты распределения отдельных липофильных фрагментов молекул в системе октанол/вода [Leo et al., 1971- Hansch et al., 1973]. Коэффициенты распределения целых молекул, очевидно, не отражают истинных процессов пересольватации, происходящих при посадке вещества на рецептор и не пригодны для исследования структурно-специфических взаимодействий.
- Моделирование топографии связывающих центров производилось в соответствии с принципом минимизации числа функциональных групп, обеспечивающих соответствующие энергии взаимодействия для максимального числа соединений. Иными словами, введение дополнительной функциональной группы в структуру связывающего центра считалось обоснованным, если оказывалось невозможным описать взаимодействие какого-либо лиганда с рецептором с соответствующим уровнем сродства с помощью ранее выявленного числа функциональных групп.
Молекулярное моделирование проводилось с использованием атомных моделей «Corey—Pauling—Koltun» (СРК).
Приведенные принципы построения моделей связывающих центров рецепторов применимы для исследования любого рода структурно-специфических взаимодействий. Однако, учитывая цели настоящей монографии, рассмотрение общей схемы анализа и возможностей предлагаемого метода проведено на примере постсинаптических Д2-дофаминовых рецепторов (Д2-Р), играющих значительную роль в формировании физиологических процессов и патологических состояний в центральной нервной системе.
Согласно современным представлениям, основанным на клинических, фармакологических, биохимических и других исследованиях, именно блокада дофаминовых рецепторов лежит в основе механизма антипсихотического действия всех известных нейролептических средств. Применение высокоселективных радиоактивных меток — меченных тритием эффективных нейролептиков галоперидола, спироперидола, сульпирида и др., показало, что относительная антипсихотическая активность лекарственных препаратов совпадает с их способностью вытеснять радиолиганды из комплексов с Д2-Р [Seeman, 1980]. Для оценки эффективности взаимодействия рецептор- лиганд были использованы имеющиеся в литературе экспериментальные данные по замещению в гомогенатах фракции стриатума головного мозга теленка [Burl et al., 1976] и крысы [Leysen et al., 1978- Hyttel, 1978- Hyttel, 1980] радиолигандов 3Н-спироперидола [Leysen et al., 1978] или 3Н-галоперидола [Burt et al., 1976- Hyttel, 1978, 1980].
Значения изменений свободной энергии взаимодействия рецептор-лиганд для широкого круга фармакологических агентов приведены в табл. 30. Как видно из таблицы, энергетические характеристики образования комплексов веществ с Д2-Р, полученные на основании результатов работ [Burt et al., 1976- Leysen et al., 1978- Hyttel, 1978, 1980], обнаруживают в большинстве случаев достаточную близость и могут взаимно дополнять друг друга. Хотя имеющиеся расхождения в величинах AG и затрудняют количественную оценку вклада во взаимодействие с рецептором отдельных структурных элементов молекул некоторых веществ, эти различия не носят принципиального характера и не отражаются на выводах об общих закономерностях связывания.
Таблица 30. Изменении свободной энергии связывания с Д2-дофамнновыми рецепторами биологически активных соединений
С, ккал/моль | |||
Вещество | Burt et al., 1976 | Leysen et al., 1978 | Hyttel, 1978, 1980 |
Фенотиазины | |||
1. Промазин | 9,7 | 9,8 | 9,5 |
2. Хлорпромазин | 10,9 | 10,9 | 11,1 |
3. Трифлупромазин | 11,8 | — | — |
4. Трифторперазин | 11,8 | 11,9 | 11,8 |
5. Перфеназин | — | — | 12,4 |
6. Фторфепазин | 12,4 | 11,7 | 11,8 |
Тиоксантены (цис-изомеры) | |||
7. Хлорпротиксен | 11,4 | 11,5 | 11,6 |
8. Клопентиксол | 11,6 | — | 12,0 |
9. Флупептиксол | 12,3 | 11.5 | 11,9 |
10. Пифлутиксол | 12,3 | — | 12,3 |
11. Тиотиксеп | 12,0 | 11.9 | 12.8 |
Дибензазепины | |||
12. Октоклотепин | — | 13,5 | ; |
13 Метиотспин | 12,0 | 12,5 | — |
14. Клозаппин | 9,4 | 9,7 | 9,4 |
15. Клотиапин | 11.3 | 10,5 | |
16. Локсапин | — | — | 10,9 |
Бутирофеноны | |||
17. Моперон | 11,9 | 11,8 | ; |
18. Галоперндол | 12,0 | 12,1 | 11,9 |
19. Трифлунеридол | 12,3 | 12,3 | — |
20. Клофлуперол | 12,7 | — | 13,1 |
21. Бензперндол | 12,9 | 13.0 | 12,6 |
22. Галопемид | — | 10,9 | — |
23. Спироперндол | 13.1 | 13,7 | 13,6 |
Дифенилбутилпиперидины | |||
24. Пенфлуридол | 11,2 | 11,3 | 10,5 |
25. Пимозид | 12,4 | 12,2 | 12,4 |
26 Клоцимозид | ; | 11.2 | ; |
27. Флушпирилен | 12,5 | — | 11,9 |
Бензамиды | |||
29. Сульпирид | ; | 9,9 | 9,5 |
30 Тиаприд | — | — | 7,9 |
31. Сультоприд | — | — | 9,7 |
32. Метоклопрамид | — | 9,5 | 8,6 |
33. Клебоприд | — | 11,3 | |
Алкалоиды спорыньи | |||
34 ЛСД | 10,5 | ; | ; |
35. Эргометрин | 8,5 | — | 11,6 |
36. Метисергид | 10,0 | — | ; |
37. Эрготамин | 11,9 | — | 11,8 |
Окончание
С, ккал/моль | |||
Вещество | Burt et al., 1976 | Leysen et al., 1978 | Hyttel, 1978, 1980 |
Катехоламины 38. Дофамин | 8,4 | 8.7 | |
39 Энипин | 8,6 | — | — |
40. Норадреналин | 7,2 | 6,7 | ; |
41. Адреналин | 7,6 | ; | |
Соединения других химических классов | 9,2 | ||
43. Бутакламол | 12,6 | 12,1 | 12,3 |
44. Оксинеромид | — | 12,1 | — |
45. Этомоксан | 12,2 |
Анализ корреляций структура — активность наиболее удобно проводить в рядах, близких по структуре химических соединений. При этом существенно, чтобы различие в строении молекул сравниваемых веществ было минимальным — это дает возможность количественно оценивать энергетический вклад и выявлять характер взаимодействия с рецептором отдельных структурных элементов. Преимущественная направленность физиологического действия рассматриваемых веществ практически роли не играет, так как информативным может оказаться сопоставление соединений близких но структуре, но имеющих относительно низкое сродство к данному типу рецепторов.
Сравнение эффективностей взаимодействия с Д2-Р показывает, что введение электронодонорного (в межмолекулярных донорно-акцепторных связях) заместителя в положение 2 производных фенотиазина (см. табл. 4) заметно усиливает связывание (ср. 1—2, 1—3, табл. 30). В рядах фенотиазинов и тиоксантенов утяжеление N-катионной головки существенно не влияет на сродство к рецептору (3-4-5). Введение 6-Р-заместителя не оказывает влияния на связывание тиоксантенов с рецептором (9—10). Общие закономерности влияния заместителей и близкие значения величин AG у производных фенотиазина и тиоксантена свидетельствуют об аналогичном расположении на рецепторе их молекул и близком вкладе во взаимодействие трициклических фрагментов, несмотря на некоторые различия в пространственном расположении ароматических ядер.
Сопоставление молекулярной структуры и эффективностей взаимодействия с Д2-Р соединений группы дибензодиазепинов, структурные элементы молекул которых жестко ориентированы в пространстве, свидетельствует о том, что взаимное расположение заряженной аминогруппы, трициклического скелета и Cl-заместителя в случае октоклотеиина, метиотепина и локсапина лучше соответствует пространственному расположению функциональных групп рецептора, чем у молекулы клозапина. Усиление электронодонорных свойств у 8-заместителя в ароматическом ядре так же, как и у аналогичных заместителей в рядах фенотиазинов и тиоксантенов, приводит к повышению сродства к рецептору. Близкие значения энергетических эффектов связывания для промазина и трициклического антидепрессанта имипрамина (42) указывают на отсутствие взаимодействия между атомом серы фенотиазинов с рецептором. Из сравнения величин AG соединений 2—7 и 6—9 следует, что природа второго центрального атома трициклического фрагмента также не сказывается на активности веществ, очевидно, оба центральных гетероатома не участвуют во взаимодействии с Д2-Р. Таким образом, наиболее высокая среди трициклических соединений активность октоклотецина связана, по-видимому, не с образованием его молекулами большего числа связей с рецептором, а с более благоприятной для связывания геометрией молекулы.
В ряду бутирофепонов сродство к Д2-Р повышается в порядке: моперон (17), галоперидол (18), трифлуперидол (19), клофлуперол (20), что совпадает с увеличением липофильности заместителей [Hansch, 1973] в ближайшем к пиперидиновому гетероциклу бензольном кольце. Аналогичный липофильный фрагмент имеется также и в близкой по структуре N-головной группе бутакламола (43).
Изменение химической природы заместителей в пиперидиновом гетероцикле приводит к новым закономерностям в соотношениях структура—активность- так, введение липофильных групп не увеличивает (23—24) или даже резко понижает (21—22) сродство к Д2-Р. Замена бутирофенопового фрагмента дифенилбутильным приводит к понижению связывания (20—25, 23—28). По-видимому, повышение липофильности молекул в последнем случае не может компенсировать энергетического вклада донорно-акцепторной связи атома кислорода карбонильной группы со связывающим центром.
Анализ связывания катехоламинов приводит к заключению, что введение дополнительной СН3-группы (38—39, 40—41) лишь незначительно повышает эффективность взаимодействия, введение же дополнительного p-гидроксила понижает величину AG более чем на 1 ккал/моль (38—40, 39—41), что обусловлено либо возникающими стерическими затруднениями, либо энергетически невыгодной пересольватацией р-ОН группы.
Проведенный анализ позволил сделать следующие основные выводы.
- Наличие электронодонорных заместителей в положении 2 фе- нотиазинового скелета увеличивает сродство к рецептору.
- Центральные гетероатомы в молекулах феногиазипов, тиоксантенов и других трициклических соединений не участвуют во взаимодействии с Д2-Р.
- Среди всех рассмотренных трициклических соединений строение молекулы октоклотепина наиболее комплементарно структуре связывающего центра.
- бета-Гидроксил в молекулах катехоламинов ориентирован таким образом, что понижает связывание с рецептором.
- Кислородный атом карбонила бутирофепонов участвует в донорно-акцепторном взаимодействии с Д2-Р.
- Увеличение связывания структурных аналогов галоперидола при введении заместителей в ароматическое ядро обусловливается иx гидрофобными эффектами.
- Расположение на связывающем центре заместителей пиперидинового кольца в рядах галоперидола, спироперидола и бенперидола имеет существенное различие.
Принимая во внимание, что антипсихотическая активность и поведенческие эффекты на животных, как правило, хорошо коррелируют со сродством нейролептиков к Д2-Р, в настоящем исследовании были использованы выявленные ранее факты понижения активности бутирофенонов при замене пара-атома па более объемный заместитель или при изменении длины углеводородной цепи [Janssen, 1966].
Перечисленные выводы о закономерностях взаимодействия с Д2-Р различных фармакологических агентов наряду с указанными ранее принципами построения являются исходными предпосылками для молекулярного моделирования топографии связывающего центра. Представленная на рис. 10 модель связывающего центра дофаминового рецептора удовлетворяет всем выявленным стерическим требованиям и энергетическим характеристикам взаимодействия рецептор—лиганд и позволяет качественно описать взаимодействие с рецептором каждого из представленных в таблице фармакологических агентов.
Молекула промазипа располагается па связывающем центре таким образом, что положительно заряженная аминогруппа участвует в ионном взаимодействии с анионным I центром. Ароматические циклы фепотиазинового ядра образуют комплексы с переносом заряда (КПЗ) с электронно-акцепторными 3 и 4 группами. Электронодонорные заместители—Cl, -CFS и др., введенные в положение 2 в молекулах хлорпромазина, трифлупромазина и др., выступают в качестве протоноакцепторов в водородном связывании со II центром рецептора. Аналогичным образом взаимодействуют с Д2-Р и соединения, содержащие трициклические ядра другой химической природы — дибензодиазепины, тиоксантены, антидепрессанты и др.
Протонированная при физиологических pH аминогруппа галоперидола и родственных ему соединений взаимодействует с I анионным центром, кислородный атом карбонильной группы образует водородную связь с II протоподонором, F-замещенное бензольное кольцо участвует в КПЗ с V центром, а гидроксил пиперидинового цикла образует водородную связь также с V центром, проявляя проюноакцепторные свойства. При этом У группа ориентирована таким образом, что увеличение размера пара-заместителя в бензольном кольце будет встречать стерические затруднения со стороны структурного фрагмента Д2-Р, несущего V группу. Ни трех-, ни пятичленные углеводородные цепочки не обеспечивают оптимального расположения структурных элементов молекул, наблюдаемого в случае галоперидола и других бутирофенонов.
Р и с. 10. Схема расположения и ориентации функциональных групп связывающего центра Д2-дофаминового рецептора
I — анионный центр-
II, III, IV, V — акцепторные группы- расстояния между центрами (А)
1—11 — 8,4, 11—111 — 5,9, I—IV — 4,3,
- V — 7,5, II—III — 5,6, II IV — 10,5.
- V — 9,0, III—IV — 5.9. Ill—V — 11,1, IV—V— 11,0.
Расстояния определялись в предположении, что I, II, III, IV центры — атомы кислорода,
V — атом азота
В молекуле бензперидола (21) бензимидазольный фрагмент располагается таким образом, что образует кислородным атомом водородную связь с IV и КПЗ с III центрами рецептора, а карбонильный и фторфенильный фрагменты участвуют в водородном связывании с V и в КПЗ с II группами. Соединения подобной структуры взаимодействуют со всеми функциональными группами связывающего центра Д2-Р и вследствие этого обнаруживают высокое сродство к рецептору. Тем не менее из всех рассмотренных соединений наибольшую активность в образовании комплекса рецептор-лиганд проявляет снироперидол (23), связывание которого с рецептором осуществляется посредством меньшего числа донорно- акцепторных связей. В молекуле спироперидола фторбензоильный фрагмент располагается на связывающем центре аналогично таковому в молекуле галоперидола, а карбонильный кислород пятичленного гетероцикла участвует в водородном связывании с V группой Д2-Р. Значительный вклад в энергетический эффект взаимодействия вносит бензольное кольцо, которое не образует дополнительных связей, но усиливает имеющееся ионное взаимодействие аминогруппы с анионным центром путем практически полной экранировки от контакта с водной фазой.
Дифенилбутилпиперидины имеют более низкое сродство к рецептору, чем их бутирофеноновые аналоги. Это объясняется тем, что дополнительный фторфенильный фрагмент при посадке на связывающий центр ориентирован таким образом, что претерпевает лишь частичную пересольватацию и его гидрофобные эффекты не могут компенсировать утраты водородной связи карбонильной группы с II или V центрами.
Ароматические ядра бензамидов сульпирида (29), тиаприда (30) и сультоприда (31) располагаются па Д2-Р таким образом, что кислородные атомы сульфоновых фрагментов образуют водородные связи с II и III протонодонорами, а карбонильный О-атом —с IV группой. Относительно невысокие величины сродства к рецептору у данных соединений связаны со слабой экранировкой ионной связи протонированной аминогруппы с I анионным центром. Заместители ароматического ядра в молекулах клебоприда (33) и метоклопрамида (32) связываются с функциональными группами Д2-Р следующим образом: Cl-атом взаимодействует с II, NH2-группа — с III, а ОСН, — с IV центром. Более высокое сродство к рецептору у молекулы клебоприда объясняется наличием в его структуре объемного заместителя у аминогруппы, который в значительной степепи экранирует имеющуюся ионную связь. В экранировке последней участвует также карбонильная группа боковой цепи.
Катехоламины взаимодействуют с рецептором посредством ионных и водородных связей: ионная связь образуется между положительно заряженной аминогруппой и I анионным центром, пара- и мета-гидроксилы катехольного ядра являются протонодонорами в связывании с II и III группами. ОН-группа в молекулах норадреналина и адреналина ориентирована таким образом, что претерпевает на связывающем центре энергетически невыгодную частичную пересольватацию.
Рассмотрение связывания с Д2-Р алкалоидов спорыньи и родственных соединений с помощью полученной модели приводит к заключению об однотипности посадок на связывающий центр их жесткого углеводородного скелета. При этом в каждом случае формируется ионная связь, КПЗ с IV центром и водородное взаимодействие кислородного атома с II протоподонором.
Интересно рассмотреть взаимодействие со связывающим центром соединений, химическая природа которых отличается от рассмотренных рядов соединений и обладающих высоким сродством к рецептору. (+)-Изомер бутакламола (43) при связывании с Д2-Р образует ионную связь протонированной аминогруппой с анионным центром, два КПЗ между ароматическими циклами и III и IV группами рецептора, гидроксил принимает участие в водородном взаимодействии с V протонодонором, роль четвертичного бутильного заместителя заключается в частичном экранировании ионной связи от окружающей водной фазы. Таким образом, не только структура, но и расположение на связывающем центре пиперидинового кольца с соответствующими заместителями аналогичны для (+)-бутакламола и производных галоперидола. Пиперидиновый и бензимидазолиновый фрагменты оксиперомида (44) располагаются па связывающем центре аналогично таковым в молекуле бензперидола. Их взаимодействие усиливается связыванием фенильного цикла с V электроноакцептором посредством КПЗ. В отличие от бутакламола и оксиперомида молекула атомоксана (45) образует с рецептором в дополнение к ионной только две донорно-акцепторные связи: КПЗ между ароматическим ядром и II центром и водородную связь между нециклическим атомом кислорода и III группой, однако гидрофобные этильный и бутильный фрагменты создают плотное окружение ионной связи катионной аминогруппы с I анионом. Это последнее обстоятельство, по-видимому, и обеспечивает высокий уровень сродства атомоксана к Д2-Р.
Проведенный анализ позволяет заключить, что представленная на рис. 10 схема расположения функциональных групп удовлетворительно описывает взаимодействие с Д2-Р большой группы биологи-
чески активных веществ, принадлежащих различным классам химических соединений, дает возможность выявлять конформации молекул на связывающем центре и производить приблизительную оценку сродства исследуемого вещества к рецептору.
Описанный в настоящей главе метод молекулярного моделирования топографии связывающих центров рецепторов имеет ряд неоспоримых преимуществ в прогнозировании биологической активности перед распространенным анализом структура — активность. Главными из них являются, во-первых, выявление вклада каждого структурного элемента молекул исследуемых веществ во взаимодействие с рецептором и, во-вторых, конкретность модели, т. е. строгая фиксация и ориентация функциональных групп в пространстве. Последнее обстоятельство наиболее существенно, так как дает возможность производить сравнительную оценку связывания с рецептором соединений любой химической природы, не ограничиваясь уже известными в фармакологии рядами, вносить уточнения и дополнения в структуру связывающего центра при расширении массива изученных соединений, а также конструировать вещества, комплементарные данному рецептору. На основании проведенного анализа посадки на связывающий центр молекул наиболее эффективных нейролептиков выявлено, что повышение сродства достигается путем увеличения числа донорно-акцепторных взаимодействий и экранировкой ионной связи гидрофобными фрагментами от контакта с водной фазой. По-видимому, именно эти два фактора определяют способность химического соединения избирательно и вы сокоэффективно связываться с дофаминовыми рецепторами и и первую очередь должны приниматься во внимание при моделировании структуры нового потенциального нейролептика. Установление топографии связывающих центров соответствующих рецепторов для многих групп лекарственных средств позволит в перспективе создавать соединения с широким диапазоном физиологической активности и избирательности действия: от строго селективных препаратов до веществ с заданным спектром рецепторного действия. При этом в первом случае можно ожидать осуществления многолетнего стремления фармакологов получать препараты с минимальными проявлениями побочных эффектов, а во втором — возможно появление нового научного направления — фармакологии полифункциональных средств.
Избирательное взаимодействие вещества с определенными молекулярными структурами клеток-мишеней — основное звено в механизме формирования биологической реакции всего организма, однако лекарственным средством химическое соединение может стать только в том случае, если оно проявит целый комплекс различных свойств и будет удовлетворять всем требованиям современной фармакологии и медицины. В настоящей главе рассмотрение касалось исключительно этана первичного связывания веществ с постсинаптическими дофаминовыми рецепторами нервных клеток и не затрагивались вопросы, связанные с биодоступностью, метаболизмом и другими процессами, определяющими их судьбу в организме. Безусловно, данный подход к изысканию новых лекарственных субстанций при всей своей перспективности и привлекательности не может заменить альтернативных путей, так как он эффективен только в отношении ограниченного круга достаточно изученных рецепторов фармакологических агентов. По-прежнему создание лекарственных препаратов, имеющих принципиально новые биологические мишени, будет основываться на расширении знаний о молекулярных механизмах физиологических и патологических процессов в нервной системе и на результатах эмпирического поиска.
