Влияние алкилирующих соединений на ядра клеток. Мишени алкилирующих соединений
Рассмотрим в качестве примера механизм гидролиза аналога азотистого иприта — бис(2-хлорэтил)метиламина — "эмбихина". Эти реакции можно рассматривать как реакции нуклеофильного замещения у атома углерода, находящегося в р-положении к атому азота (или серы) по типу SN2-механизма. Скорость гидролиза растворенного иприта при избытке воды высокая: среднее время гидролиза иприта при 25 С — 8,5 мин в дистиллированной воде и 60 мин в морской. Высокая гидролитическая устойчивость иприта связана не с низкой реакционной способностью растворенного иприта, а с его низкой растворимостью в воде (0,07 %).
Изучение механизмов реакции показало, что гидролиз аналога азотистого иприта эмбихина проходит через образование промежуточных этйлениминовых структур, которые взаимодействуют с водой при большой скорости:
В данном случае отмечается SN1-механизм, при котором образование этиленаммониевых структур является стадией, определяющей скорость реакции. Аналогичным образом установлена возможность образования этиленнсульфониевых структур и в случае серного иприта.
Образование подобных структур зависит от электронных и пространственных эффектов других заместителей у атома азота (серы), что определяет филирующие свойства подобных соединений.
Накопленные в середине 50-х годов данные о высокой реакционной способности структур, содержащих этилениминные группы, были использованы при синтезе противоопухолевых препаратов.
Выше были рассмотрены основные типы алкилирующих соединений и взаимодействие их с нуклеофильными реагентами. Скорость подобных реакций различается на порядки в зависимости от строения алкилирующих соединений, нуклеофильных реагентов и условий реакции (температура, рН, природа растворителя и другие факторы). Исследованию этих процессов посвящены многие работы в области химии и токсикологии алкилирующих соединений.
Мишени алкилирующих соединений
Под биохимическими мишенями в токсикологии обычно понимают молекулярные структуры — ферменты, рецепторы.
Основные биомишени алкилирующих соединений — аминокислоты, пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, липиды и другие биологически важные соединения. Помимо взаимодействия с нуклеофильными группами активных центров, алкилирующие соединения реагируют с группами, не входящими в активные центры ферментов, но имеющие важное значение в поддержании третичной и четвертичной структуры белков. Так, установлено, что с одной молекулой папаина реагирует 17 молекул иприта, из которых большинство реагируют вне активного центра фермента.
При взаимодействии ипритов и других алкилирующих соединений с нуклеиновыми кислотами возможно алкилирование нуклеиновых (как правило, пуриновых) оснований с образованием ониевых соединений. Молекула гуанина алкилируется по атому азота в положении 7 с образованием четвертичного заряженного соединения. В последующем имеет место разрыв N-гликозидной связи с депуринизацией нуклеотида.
В этом состоит молекулярный механизм мутации при действии ипритов, диметилсульфата и других алкилирующих соединений. "Выпавшее" из молекулы ДНК в результате алкилирования пуриновое основание может замещаться другим основанием ("точечная мутация"), что проявляется при репликации и транскрипции НК. В клетках существуют системы ферментативных процессов (ДНК-полимеразы, лигазы и др.), направленные на восстановление нативных молекул НК. В том случае, если одновременно имеет место алкилирование двух нуклеиновых оснований, расположенных рядом (либо одно над другим в одной цепи ДНК, либо в противоположных цепях ДНК), то в результате их алкилирования и последующей депуринизации образуются более серьезные дефекты в двойной спирали ДНК, восстановление которых в ходе репарационных процессов затруднено. Вот почему бис-алкилирующие соединения (иприты и их аналоги, соединения типа ТЭФ и др.) обладают более выраженными мутагенными свойствами.
Помимо взаимодействия с нуклеиновыми основаниями, важную роль играют взаимодействия иприта с ферментами углеводного обмена, коферментами дегидрогеназ (НАД, НАДФ и др.), гексокиназой и другими ферментами, что приводит к блокаде гликолиза.
Биомишени, на которые направлено действие алкилирующих соединений, находятся в разных тканях, расположенных на различных стадиях контакта с веществом и проникновения его в организм, что в совокупности со свойствами веществ важно при формировании "биоответа" в виде функциональных нарушений организма и симптомов интоксикации.