Простагландины - новый тип биологических регуляторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

простагландины биологический гипофиз интракавернозный

Термин «простагландины» был введен У.Эйлером, впервые показавшим, что в сперме человека и экстрактах из семенных пузырьков барана содержатся вещества, оказывающие выраженное вазопрессорное действие и вызывающие сокращение гладкой мускулатуры матки. Хотя предположение У. Эйлера о том, что эти вещества являются специфическим секретом предстательной железы в дальнейшем не подтвердилось поскольку, как теперь установлено, они обнаружены во всех органах и тканях, тем не менее этот термин в литературе сохранился. Простагландины -- биологически активные вещества, представляющие собой производные полиненасыщенных жирных кислот, молекула которых содержит 20 углеродных атомов.

В последнее время простагландины и родственные им биологически активные соединения (лейкотриены, простациклины, тромбоксаны) были предметом пристального внимания исследователей. Объясняется это тем, что, помимо широкого распространения в тканях, они оказывают сильное фармакологическое действие на множество физиологических функций организма, регулируя гемодинамику почек, сократительную функцию гладкой мускулатуры, секреторную функцию желудка, жировой, простагландины, вероятно, не являются «истинными» гормонами, водно-солевой обмен и др. Имеются данные, свидетельствующие, что они модулируют действие гормонов; биологические эффекты простагландинов, по-видимому, опосредованы через циклические нуклеотиды.

В последнее время были подтверждены представления С. Бергстрёма, что предшественником всех простагландинов являются полиненасыщенные жирные кислоты, в частности арахидоновая кислота (и ряд её производных, дигомо-Y-линоленовая и пентаноевая кислоты, в свою очередь образующиеся в организме из линолевой и линоленовой кислот). Арахидоновая кислота после освобождения из фосфоглицеридов (фосфолипидов) биомембран, в зависимости от ферментативного пути превращения, даёт начало простагландинам и лейкотриенам по схеме:

Фосфоглицериды

Н2О Фосфолипаза

Арахидоновая кислота

Простаноиды Лейкотриены

1) Простагландины 1) ЛТ А

2)Простациклины 2) ЛТ В

3)Тромбоксаны (ТX) 3) ЛТ С

4)ЛТ D

1. Простагландины

1.1 История открытия. Дикетопростагландин F1а

Еще в начале нашего века было известно, что водные и спиртовые экстракты, полученные из везикулярных (парных половых) желез многих видов животных и предстательной железы (простаты) человека, понижают кровяное давление у собак и кроликов. Тогда же было сделано предположение о существовании в предстательной железе "неизвестного сосудистого гормона". До 30-х годов это вещество оставалось загадочным; правда, никто из исследователей и не пытался выделить его из таких экстрактов и дать ему характеристику.

Ульф фон Эйлер, шведский физиолог, с чьим именем связывают открытие простагландинов, обнаружил их (вернее, одно вещество) случайно в 1934 - 1936 гг., пытаясь изучить известную в то время субстанцию Р - вещество белковой природы, обладающее способностью понижать кровяное давление и стимулировать сокращение стенок кишечника. Однако, вопреки ожиданию, активное вещество экстрактов предстательной железы и семенной жидкости он обнаружил во фракции жирорастворимых кислот, а не в белковой фракции. У. Эйлер описал некоторые химические и фармакологические свойства активного экстракта, назвал его простагландином (от prostate glond), и предположил, что простагландин имеет широкое регуляторное значение в организме. Но ни выделить вещество в чистом виде, ни изучить химическую структуру в то время не позволял примитивный уровень аналитических способов исследования.

Работу над простагландинами продолжил ученик Эйлера С. Бергстрем, перед которым стояла задача выделить в кристаллическом виде активное начало, т.е. простагландин, из экстрактов простаты и семенной жидкости баранов. Вначале С. Бергстрему удалось сделать немногое: он выяснил только, что простагландин находится во фракциях вместе с ненасыщенными жирными оксикислотами, и вынужден был прервать дальнейшие исследования на несколько лет. Одной из главных причин, обусловивших этот перерыв, были затруднения с исходным материалом для выделения простагландинов - везикулярными железами барана, самым богатым простагландинами источником. Но поскольку уже к тому времени биохимики и фармакологи заинтересовались простагландинами, в 1956 г. в ряде стран северного полушария была организована специальная программа исследований простагландинов, в которую вошел и сбор замороженных везикулярных желез барана.

Уже в следующем году С. Бергстрем и Дж. Шьевалл получили несколько миллиграммов индивидуального вещества в кристаллическом состоянии и назвали его простагландин F за его растворимость в фосфатном буфере. Полученного количества хватило лишь на то, чтобы установить, что простагландин F - это ненасыщенная жирная кислота, определить температуру его плавления и продемонстрировать способность в концентрации всего 5 " 10- 9 г в 1 мл раствора давать хороший эффект по сокращению гладкой мышцы. Затем в кристаллическом же состоянии было получено еще одно вещество подобного типа - простагландин Е (обозначение возникло от слова ester - эфир, которым извлекался этот простагландин). Оба соединения были одинакового молекулярного веса и очень сходного строения, но в корне различались биологическими свойствами: простагландин Е понижал кровяное давление, а простагландин F сокращал гладкую мускулатуру.

Работы по простагландинам развивались быстрыми темпами, и за 1972 - 1976 годы С. Бергстрем, Б. Самуэльссон и Дж. Вейн получили в чистом виде еще 10 простагландинов, установили их структуру и определили биологические свойства. В 1979 г. Б. Самуэльссон с коллегами открыл еще один тип соединений - близкие простагландинам лейкотриены.

Выделение простагландинов, изучение структуры и свойств - работа чрезвычайно трудная: мало того что их концентрации в объектах выделения очень низки, вещества эти крайне неустойчивы, они теряют свою биологическую активность, по которой следят за веществом в ходе его выделения, в течение 1 - 2 мин. Недаром за исследования простагландинов С. Бергстрему, Б. Самуэльссону и Дж. Вейну в 1982 г. была присуждена Нобелевская премия [1].

Сейчас известно уже около 30 природных простаноидов. Они разделены на группы A, B, C, D, E, F, G, I. Краткое обозначение простаноидов складывается из двух букв английского prostaglandine и tromboxane или русского написания, третья буква в этом обозначении указывает на принадлежность к той или иной группе, например: PGF, ПГF - простагландин F; ТхА, ТксА - тромбоксан А.

Где же сосредоточен синтез этих многочисленных соединений и какова их роль в живом организме?

Простагландины -- биологически активные вещества, представляющие собой производные полиненасыщенных жирных кислот, молекула которых содержит 20 углеродных атомов. Биологическое действие простагландинов многообразно; один из основных биологических эффектов простагландинов заключается в их выраженном действии на тонус гладкой мускулатуры различных органов. Простагландины снижают выделение желудочного сока и уменьшают его кислотность, являются медиаторами воспаления и аллергических реакций, принимают участие в деятельности различных звеньев репродуктивной системы, играют важную роль в регуляции деятельности почек, оказывают влияние на различные эндокринные железы. Нарушение биосинтеза простагландинов может стать причиной развития тяжелых патологических состояний. Синтетические и полусинтетические простагландины используют в качестве лекарственных средств.

В середине 30-х гг. 20 в. шведский ученый Эйлер обнаружил в экстракте из предстательной железы (простаты) биологически активные вещества, которые он назвал простагландинами, полагая, что они вырабатываются только в предстательной железе. Позже было установлено, что образуются практически во всех органах и тканях. В 1962 г. была расшифрована химическая структура простагландинов. Оказалось, что углеродный скелет молекулы простагландины имеет вид пятичленного цикла и двух боковых цепей. Простагландины можно рассматривать как производные так называемой простановой кислоты -- соединения, не существующего в природе, но полученного синтетически.

Известно около 20 различных простагландинов. В зависимости от строения их делят на несколько типов, обозначаемых буквами латинского алфавита: А, В, С, D, Е, F и т.д. Простагландины каждого типа разделяют на 1-ю, 2-ю и 3-ю серии в зависимости от числа двойных связей в боковых цепях молекулы. С учетом типа и серии П. обозначают ПГЕ2 (PGE2), ПГД1 (PGD1), ПГН2 (PGH2) и т.д.

В 70-х гг. 20 в. было обнаружено, что в организме человека и животных образуются и другие биологически активные производные полиненасыщенных жирных кислот, в тромбоцитах -- тромбоксаны (ТХ), в лейкоцитах -- лейкотриены (ЛТ). От простагландинов тромбоксаны отличаются наличием в молекуле вместо пятичленного цикла шестичленного оксанового кольца, в зависимости от структуры которого различают тромбоксаны А и В (ТХА и ТХВ). Тромбоксаны обоих типов, в свою очередь, делят на 1-ю, 2-ю и 3-ю серии по тому же принципу, что и простагландины.

Особенностью строения лейкотриенов является отсутствие в молекуле циклической структуры. В зависимости от строения функциональных группировок в углеродной цепи лейкотриены разделяют на типы А, В, С, D и Е, а в зависимости от числа двойных связей в молекуле -- на серии 3, 4 и 5. Сокращенно лейкотриены обозначают следующим образом: ЛТВ3, ЛТС3 и т.д. В молекулах ЛТС, ЛТD и ЛТ к 6-му углеродному атому присоединены остатки глутатиона, цистеинилглицина и цистеина соответственно.

В организме человека и животных простагландины, тромбоксаны и лейкотриены образуются из общего предшественника -- незаменимых полиненасыщенных жирных кислот с соответствующим числом углеродных атомов и двойных связей в молекулах, в т.ч. из линолевой и арахидоновой кислот. Фактором, лимитирующим скорость биосинтеза протагландинов, является общее количество (пул) свободных жирных кислот, поэтому вещества, влияющие на гидролитическое расщепление триглицеридов, фосфолипидов и эфиров холестерина, в состав которых входят полиненасыщенные жирные кислоты, могут регулировать интенсивность образования простагландинов. Так, катехоламины, брадикинин, ангиотензин вызывают усиление освобождения жирных кислот в организме, тем самым косвенно стимулируя образование простагландинов. По-видимому, таков же механизм стимуляции биосинтеза простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов при ишемии или механическом воздействии на клетки. Кортикостероидные гормоны, напротив, подавляют биосинтез простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов, т.к. они ингибируют освобождение жирных кислот. Некоторые соединения влияют на образование отдельных типов простагландинов и тромбоксанов, например перекиси жирных кислот специфически угнетают биосинтез простагландина I2-(простагландина I2 или простациклина), а имидазол -- образование тромбоксана А2. Ряд лекарственных средств оказывает выраженное действие на образование простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов, изменяя не только их общее количество, но и соотношение между отдельными типами и сериями. например, лекарственные средства, обладающие противовоспалительным действием, -- салицилаты, индометацин (метиндол), бруфен и др. -- ингибируют циклооксигеназу, катализирующую первый этап биосинтеза простагландинов. Это приводит к уменьшению образования простагландинов и тромбоксанов, повышению выхода лейкотриенов. В то же время некоторые флавоноиды (например, рутин) подавляют биосинтез лейкотриенов. Изменение соотношения образующихся простагландин имеет важное значение, поскольку индивидуальные простагландины обладают разным, а нередко и противоположным по характеру биологическим действием.

Простагландины и тромбоксаны являются короткоживущими соединениями. Время полужизни некоторых из них исчисляется секундами. Быстрое разрушение простагландин обусловливает локальность их эффектов -- простагландины действуют главным образом в месте их синтеза. Метаболизм простагландинов, приводящий к их быстрой инактивации, осуществляется во всех тканях, но особенно активно в легких, печени и почках.

Биологическое действие простагландинов многообразно благодаря не только биологической поливалентности индивидуальных простагландинов, но и большому их разнообразию. Простагландины F1 и D2 вызывают сокращение бронхов, а простагландин Е2 -- их расслабление. Тромбоксан А2 сокращает стенки кровеносных сосудов и повышает АД, а простагландин I2 оказывает сосудорасширяющее действие, сопровождающееся гипотензивным эффектом. Антагонистические взаимоотношения между тромбоксаном А2 и простагландином I2 проявляются и при их действии на систему свертывания крови: тромбоксан А2 является мощным природным индуктором агрегации тромбоцитов, а простагландин I2, синтезирующийся в стенках кровеносных сосудов, выполняет в организме человека и животных роль ингибитора агрегации тромбоцитов. Соотношение простагландина I2 и тромбоксана А2 имеет важное значение для нормального функционирования сердечно-сосудистой системы.

Простагландины необходимы для процесса овуляции; они влияют на продвижение яйцеклетки и подвижность сперматозоидов, на сократительную деятельность матки, а также необходимы для нормальной родовой деятельности: слабую родовую активность и перенашивание беременности связывают с недостатком простагландина, а повышенное образование простагландинов может стать причиной самопроизвольных абортов и преждевременных родов. У новорожденных простагландин регулирует закрытие сосудов пуповины и артериального протока.

Простагландины помимо воздействия на специфические рецепторы способны непосредственно влиять на функциональные структуры клетки. В качестве лекарственных средств простагландины используются для вызывания родов, возбуждения и стимуляции родовой деятельности, прерывания беременности. В терапевтических дозах простагландины не оказывают неблагоприятного влияния на мать и плод. Чувствительность матки к введению простагландина различна на разных сроках беременности; на очень ранних и на поздних сроках стимулирующий эффект вызывается легко, а в промежутке между ними на введение препаратов простагландина миометрий реагирует слабо.

Для искусственного прерывания беременности применяют внутривенное, внутримышечное, вагинальное, пероральное, экстра- и интраамниальное введение простагландинов. При прерывании беременности на ранних сроках наиболее эффективно введение 15-метил-ПГF2a (метилового эфира простагландина F2a) в виде свечей (3 мг) или внутримышечно (по 200--300 мкг 5 раз через каждые 3 ч); при беременности сроком 13--14 нед. -- экстраамниальное однократное введение 15-метил-ПГF2a (2,5 мг) с вяжущим веществом (гискон) или в виде свечей (3 мг); после 15-й недели беременности -- интраамниальное введение 2,5 мг 15-метил-ПГF2a или 40--50 мг ПГF2a, а также свечи с 15-метил-ПГF2a (3 мг).

Для возбуждения и стимуляции родовой деятельности препараты П. можно вводить внутривенно, перорально, экстраамниально, вагинально и ректально; наибольшее распространение поручило внутривенное капельное введение раствора ПГР, в разведении 5 мг на 500 мл изотонического раствора хлорида натрия или 5% раствора глюкозы и раствора ПГF2a в разведении 1 мг на 500 мл тех же растворителей. Приготовленный раствор вводят со скоростью от 6--8 до 40 капель в 1 мин.

В акушерской практике ПГF2a и ПГF2a в виде свечей или раствора вводят в канал шейки матки или нижний сегмент матки женщины с целью родовозбуждения. При использовании препаратов простагландина в акушерской и гинекологической практике иногда отмечают гипертонус и спастические сокращения матки, нарушение сердечной деятельности плода; наблюдаются такие побочные реакции, как ознобы, рвота, поносы. Побочные реакции и осложнения чаще бывают при прерывании беременности, т.к. а этих случаях применяют большие дозы препаратов, для профилактики, лечения побочных реакций и осложнений рекомендуется препарат ритодрин.

Противопоказаниями к использованию простагландина с целью вызывания аборта, возбуждения и стимуляции родовой деятельности являются тяжелые соматические заболевания, аллергические реакции на препараты простагландинов, бронхиальная астма, эпилепсия, рубец на матке, анатомически и клинически узкий таз, предлежание плаценты и преждевременная отслойка нормально расположенной плаценты.

Видно что центральным химическим процессом биосинтеза является включения молекулярного кислорода (двух молекул) в структуру арахидоновой кислоты, осуществляемое специфическими оксигеназами, которые, помимо окисления, катализируют и циклизацию с образованием промежуточных продуктов простагландин-эндоперекисей PG H2, обозначаемых PGG2 и PGH2; последние под действием простагландин-изомераз превращаются в первичные простагландины и тромбоксаны синтезируются из указанных промежуточных продуктов при участии отличных от изомераз ферментов.

1.2 Циклооксигеназный путь. Липооксигеназный путь

Первый путь получил наименование циклооксигеназного пути превращения арахидоновой кислоты, поскольку первые стадии синтеза простагландинов катализируется циклооксигеназой, точнее простагландин- синтазой. Известные к настоящему времени данные о биосинтезе основных простаноидов обобщены в след. схеме:

СOOH

Арахидоновая кислота

Аспирин - синтаза Простагландин

Индометацин 2 О2

СOOH

О ОН СOOH

Простагландина эндоперекиси PG2 Н2

О COOH О

О R1 НО R1 НО R1

Тромбоксан А2

OH OH

Простациклин

(PGI2)

НО R2 О R2 НО R2

15-Кетометаболиты

COOH ОН О

COOH

ОН

Тромбоксан В2

(Тx В2) ОН О

6,15-

1.3 Первичные простогландины

Первичные простагландины синтезируются во всех клетках (за исключением эритроцитов), действуют на гладкую мускулатуру желудочно- кишечного тракта, репродуктивной и респираторной тканей, а также сосудов, модулируют активность других гормонов, автономно регулируют нервное возбуждение , процессы воспаления(медиаторы), скорость почечного кровотока;

действие их опосредовано через цАМФ и цГМФ.

Тромбоксан А синтезируется преимущественно в ткани мозга, селезёнки, легких, почек, а также в тромбоцитах и воспалительной гранулеме; он вызывает агрегацию тромбоцитов, способствуя, тем самым, тромбообразованию и, кроме того, оказывает самое мощное сосудосуживающее действие среди всех простагландинов.

Простациклин (PGI2) преимущественно синтезируется в эндотелии сосудов, сердечной мышце, ткани матки и слизистой оболочке желудка. Он расслабляет, в противоположность тромбоксану, гладкую мускулатуру сосудов и вызывает дезагрегацию тромбоцитов, способствуя фибринолизу.

Следует отметить особое значение соотношения тромбоксаны: простациклины, в частности ТхА2: PGI2 для физиологического статуса организма. Оказалось, что у больных, предрасположенных к тромбозам, имеется тенденция к смещению баланса в сторону агрегации; у больных, страдающих уремией, напротив, наблюдается дезагрегация тромбоцитов.

Выдвинуто предположение о важности соотношения ТхА : PGI2 для регуляции функции тромбоцитов in vivo, сердечно-сосудистого гомеостаза и т.д.

Начальной стадией катаболизма «Классических» простагландинов является стереоспецифическое окисление ОН- группы у 15- го углеродного атома с образованием соответствующего 15- кетопроизводного. Фермент, катализирующий эту реакцию, 15- оксипростагландиндегидрогеназа открыт в цитоплазме, требует наличия НАД или НАДФ. Тромбоксан инактивируется in vivo или путём химического расщепления до тромбоксана В2 или путём окисления дегидрогеназой или редуктазой. Аналогично PGI2 (простациклин) быстро распадается до 6- кето-PGF1а in vitro , а in vivo инактивируется окислением 15- оксипростагландиндегидрогеназой с образованием 6,15- дикето- PGF1а.

1.4 Интракавернозные инъекции

Интракавернозные инъекции являются сравнительно молодым методом лечения эректильной дисфункции (импотенции). Основоположником этого метода лечения является сосудистый хирург Р. Вираг (R.Virag), который в 1982 году впервые стал применять инъекции папаверина в половой член.

Метод быстро нашел сторонников и вскоре с целью коррекции эрекции стал применяться другой сосудорасширяющий препарат - фентоламин. К сожалению, значительное количество осложнений интракавернозных инъекций (приапизм, фиброз кавернозных тел) заставили большинство врачей отказаться от их введения.

В настоящее время для интракавернозных инъекций используются простогландины Е (препарат Эдекс). Впервые простогландины были обнаружены как вещества, синтезируемые предстательной железой. По имени этой железы (prostate gland) они и получили свое название. Позже выяснилось, что простогландины вырабатываются не только в предстательной железе.

Простогландины обладают сосудорасширяющим действием. При введении в кавернозные тела полового члена они вызывают расширение мышечных клеток кавернозных тел, расширяют кровеносные сосуды. В результате приток крови усиливается и возникает эрекция.

Достоинствами интракавернозной терапии является высокая эффективность. Для возникновения эрекции необязательна эротическая стимуляция.

1.5 Биологическое действие простагландинов

В настоящее время не вызывает сомнений, что простагландины обладают широким спектром фармакологического действия, вызывая при введение изменения почти во всех тканях. Вместе с тем вопрос об их физиологическом действии ещё далёк от разрешения, хотя в последнее время в этом направлении уже достигнуты определённые успехи. Данные об изменении эндогенного синтеза простагландинов под влиянием различных факторов свидетельствуют в пользу предположения о том, что простагландины играют немаловажную роль в целом ряде процессов, протекающих в организме животных и человека.

Действие простагландинов в организме характеризуется рядом особенностей, одной из которых является локальность эффекта простагландинов. Ввиду широкого распространения ферментов, метаболизирующих простагландины, действие последних ограничивается главным образом тканью, в которой они синтезируются.

В последнее время для простагландинов показано взаимодействие со многими гормонами, а также с цАМФ, что может быть одной из причин, обусловливающих необычную универсальность действия простагландинов.

Действие простагландинов на гипофиз

Это действие впервые начал изучать Зор и его сотрудники, показавших, что инкубация половинок гипофизов крыс с ПГ-Е приводит к увеличению содержания цАМФ. Максимальный прирост, более чем в 20 раз, наблюдается при дозе 20 мкг/мл , тогда как при минимально эффективная доза ПГ-Е1 равняется 0,1 мкг/мл. ПГ-F, ПГ-В и ПГ-А не активны. Позднее эти данные были подтверждены другими исследователями, показавшими также, что накопление цАМФ под влиянием простагландинов обусловлено активацией аденилциклазы и сопровождается повышенным освобождением из гипофиза ЛГ, СТГ, ТТГ и АКТГ. 7-окса-13-простиноевая кислота, ингибитор действия простагландинов, подавляет стимулирующее влияние ПГ-Е1 на образование цАМФ и СТГ, а также снижает освобождение ТТГ в ответ на синтетический рилизинг-фактор. Активация освобождения гипофизарных гормонов под влиянием простагландинов наблюдается и в условиях «ин виво».

1.6 Действие простагландинов на надпочечники

В опытах «ин виво» было установлено, что ПГ-Е при внутривенном введении в дозах 0,125-4,0 мкг на 100 г вызывает увеличение содержания кортикостерона в периферической крови и надпочечниках крыс при одновременном снижении в последних холестерина и аскорбиновой кислоты. ПГ-F и ПГ-А были неактивны. Отсутствие действия ПГ-Е1 у гипофизэктомированных и у получавших морфий крыс позволяет предполагать, что изменение функциональной активности надпочечников опосредовано через стимуляцию гипофиза и гипоталамуса. Возможность такого действия простагландинов доказана экспериментально. Вместе с тем в опытах «ин виво» была показана возможность и непосредственного действия простагландинов на надпочечники. Так ПГ-Е2 увеличивал эндогенное образование кортикостерона при инкубации декапсулированных суперфузированных половинок надпочечников крыс. Действие ПГ-Е2 на стероидогенез оказалось сходным с действием АКТГ, но было более кратковременным. В надпочечниках, полученных от гипофизэктомированных крыс в отдалённые сроки после операции (ч/з 12 час. и позднее), стимулирующего действия простагландинов не проявлялось. В срезах бычьих надпочечников ПГ-Е1 и ПГ-Е2 на 50-100% увеличивали образование альдостерона, кортикостерона и кортизола. Одновременно наблюдалось повышение содержания цАМФ ПГ-А и ПГ-F были неактивны. Пуромицин и отсутствие в среде Са2+ подавляло действие ПГ-Е.

Действие простагландинов на щитовидную железу

В щитовидной железе различных животных и в том числе человека, простагландины имитируют многообразные биологические эффекты ТТГ. Простагландины, особенно ПГ-Е, стимулирует образование коллоида, окисление глюкозы, связывания йода с белком. Так же как и ТТГ простагландины увеличивают в щитовидной железе содержание цАМФ, активируя аденилциклазу.

Характеризуя действие простагландинов в некоторых неэндокринных органах, прежде всего следует отметить влияние их на сокращение гладкомышечной ткани различных органов: матки, яйцевод, желудочно кишечного тракта, бронхов, кровеносных сосудов, сердца и др. На гладкой мускулатуре отчетливо проявляется одна из характерных особенностей простагландинов: зависимость направленности действия от строения и дозы соединения, от состояния ткани, условий постановки опытов. Так ПГ-Е1 и ПГ-Е2 стимулируют сокращение проксимальных участков фаллопиевых труб женщин и расслабляют дистальные. «Ин витро» ПГ-Е и ПГ-В снижают амплитуду и частоту сокращений полосок небеременной матки и усиливают подвижность беременной матки. «Ин виво» все простагландины, в том числе и ПГ-Е, оказывают только стимулирующее действие. Способность простагландинов влиять на сократительную активность матки легла в основу их использования в акушерстве для стимуляции родовой деятельности и искусственного прерывания беременности.

Так же простагландины применяют для подавления секреции желудочного сока, образованию пепсина и соляной кислоты.

Показано участие простагландинов в воспалительном процессе. В очаге воспаления у животных и человека обнаружено повышенное образование простагландинов, подавляемое индометацином и аспирином.

ПГ-Е и ПГ-А у человека и животных проявляют выраженное антигипертензивное действие. Снижение давления под влиянием простагландинов происходит как в результате их периферического сосудорасширяющего действия, так и вследствие изменения деятельности почек. У лиц с гипертонией обнаружено достоверное уменьшение содержания ПГ-А в плазме крови.

2. Простагландины - новый тип биологических регуляторов

2.1 Физиологические функции

В научных журналах сведения о простагландинах - одной из групп регуляторов биохимических реакций в живом организме - публикуются уже больше 30 лет. Тем не менее их поток все увеличивается, с 1972 г. даже стал издаваться международный специализированный журнал "Prostaglandins". Это редчайший случай в научной литературе, чтобы периодическое издание было посвящено только одному типу соединений. Чем же вызван огромный интерес к простагландинам химиков, физиологов, биохимиков, фармакологов, клиницистов? Этот интерес, безусловно связан с необычайно высокой биологической активностью простагландинов, их прямым или опосредованным участием во многих физиологических процессах. Исключительно важна роль простагландинов и тромбоксанов (сейчас их объединяют под общим названием простаноиды) в работе кровеносной системы, в репродуктивной функции, они принимают участие в развитии воспалительных процессов и иммунного ответа. С действием простагландинов связаны побочные эффекты (язвенная болезнь и язва желудка) аспирина - всем известного прекрасного жаропонижающего и болеутоляющего средства, возможно, и одна из форм гемофилии.

Эти соединения, по-видимому, вездесущи, их действие сказывается на всех уровнях регуляции физиологических функций. Они способны изменять активность ферментов, влиять на синтез гормонов и корректировать их действие на различные органы и ткани. Дисбаланс в их синтезе приводит к развитию многих заболеваний.

Как правило, в одном типе клеток синтезируется один тип простагландинов, а в органе или ткани проявляется действие пары простагландинов-антагонистов, от соотношения концентраций которых зависит нормальное или патологическое состояние этого органа или ткани. Так, в тканях дыхательных путей образуются простагландины F2 и E2 (цифрой обозначается число двойных связей в молекуле простагландина), причем первый из них синтезируется в легочной ткани и способен вызывать сокращение мышцы бронхов, а второй - в бронхах, но оказывает прямо противоположное действие, т.е. расслабляет их. Сейчас уже установлено, что усиление синтеза ПГF2 и понижение концентрации ПГE2 приводят к возникновению разных форм бронхиальной астмы, изменение уровня этих простагландинов зафиксировано и у больных пневмонией и бронхитом.

В плазме и сыворотке крови обычно содержатся все природные простагландины и (или) продукты их превращений. Однако все они, за исключением двух (ПГI2 , или простациклина, и ТксA2 ), попадают в кровь из других органов. В самой же кровеносной системе синтезируются простациклин I2 и тромбоксан A2 , по своему действию тоже вещества-антагонисты. Синтезируемый в эндотелиальных клетках сосудистых стенок простациклин предотвращает прилипание тромбоцитов к стенкам и образование тромбов, а тромбоксан, синтезируемый тромбоцитами, наоборот, способствует их слипанию, агрегации, т.е. процессам, которые обеспечивают прекращение кровотечений, вызванных повреждением сосудистой стенки. В норме действие простациклина и тромбоксана сбалансировано, этот же баланс обеспечивает способность крови сохранять жидкое состояние, поддерживает тонус сосудов и артериальное давление, необходимый кровоток в сердце, мозге, почках, легких.

В препаратах из мозговой ткани обычно обнаруживаются простаноиды всех известных классов. Однако их набор в центральной нервной системе, по-видимому, специфичен для каждого вида животных. Например, в мозге крысы синтезируется в основном простагландин D2 , у человека же его нет совсем, а в мозге морской свинки он образуется в равных с простагландином F2 количествах. И все же простагландин D2 считается свойственным именно нервным тканям. Введенные в мозг подопытных животных простагландины оказывают влияние на скорость сердцебиения, частоту дыхания, температуру тела, на синтез гормонов и многие другие реакции в организме.

В репродуктивных органах образуются в основном те же, что и в тканях дыхательной системы, простагландины F2 и E2 , причем в половых железах и семенной жидкости их больше, чем в любом другом органе. Пока неясна роль простагландинов, образующихся в семенной жидкости, а влияние ПГF2 и ПГE2 , вырабатываемых в женских половых органах, на родовую деятельность было, пожалуй, тем фактором, который привлек громадное число исследователей к простагландинам. Приведенные примеры - лишь небольшая часть информации о влиянии простагландинов на физиологические функции живого организма. Многие имеющиеся сейчас сведения противоречивы или недостаточны, но это возбуждает еще больший интерес к простагландинам самых разных исследователей.

Что же это за соединения, к какому классу биологически активных веществ они относятся? В любом живом организме бесчисленное множество одних молекул превращается в другие, и этот бесконечный поток веществ обеспечивает материальное существование живого. Молекулярные процессы в организме очень хорошо организованы, строго сбалансированы входы и выходы каждого соединения, точно обусловлена пространственная и временная очередность событий. Как же устанавливается столь строгий порядок в такого рода сложных биологических системах, как организм? Какие свойства системы позволяют ей сохранять организованность операций, не упустить из-под контроля какие-то процессы, сохранить динамически подвижное стационарное состояние? Удивительно стройная и строгая упорядоченность биохимических реакций обеспечивается действием регуляторов.

Известно, что в живом организме обмен веществ регулируется на нескольких уровнях. Основные из них - это генетический и ферментативный, тесно связанные между собой. Нуклеиновые кислоты задают программу синтеза специфических биологических катализаторов - ферментов, а те обеспечивают проведение самых разнообразных химических реакций. С помощью ферментов синтезируются все соединения, участвующие в обмене веществ, в том числе принципиально важные регуляторы различных реакций.

По месту действия регуляторы можно разделить на вне- и внутриклеточные, а по размеру молекул - на низко- и высокомолекулярные. Внеклеточные низкомолекулярные регуляторы, к которым относятся, например, гормоны, синтезируемые в специализированных органах, взаимодействуют с рецепторами клеточных мембран, а внутриклеточные управляют работой ферментов и генетического аппарата клетки. Простагландины можно внести в число внутриклеточных низкомолекулярных регуляторов. Но сразу же следует сделать оговорку: они не всегда действуют внутри клетки, в которой синтезируются. Например, простагландин F2 , вырабатываемый в матке, действует на желтое тело, а простагландин I2 из клеток эндотелия - на тромбоциты. Этим они скорее напоминают взаимодействия гормонов с клеткой, и нередко простагландины называют внутриклеточными гормонами.

В действительности же простагландины оказались новым типом регуляторов, отличным от известных до них регуляторов биохимических реакций. Во взаимодействиях, подобных гормональным, простагландины участвуют не прямо, а через вездесущий, тоже низкомолекулярный внутриклеточный регулятор - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Понять разносторонние функции простагландинов нельзя, если не проследить за их синтезом в организме. Попытаемся это сделать.

2.2 Образование простагландин

Первый этап в изучении простагландинов закончился в 1964 г. К этому времени были выявлены биологические свойства индивидуальных простагландинов, некоторые соединения были получены в кристаллическом состоянии, определена их структура и найдены их предшественники. Ими оказались ненасыщенные, с несколькими двойными связями, жирные кислоты; в частности, предшественником первых известных тогда простагландинов была арахидоновая кислота.

Чтобы получить эти первые результаты, потребовалось переработать несколько тонн везикулярных желез барана. Естественно, что стоимость первых кристаллических простагландинов оказалась чрезвычайно высокой (даже сейчас 1 г стоит от 25 до 90 тыс. долл.). Нужно было научиться получать их химическим способом. Разработкой таких методов занялось громадное число исследователей, и первые химически синтезированные простагландины появились уже через несколько лет. Однако и химический синтез был очень дорог.

Одновременно с разработкой химического синтеза простагландины пытались получить и иначе. В лабораториях С. Бергстрема (Швеция) и Д. ван Дорпа (Нидерланды) имитировали биологический синтез простагландинов: к раствору арахидоновой кислоты добавляли взвесь измельченных везикулярных желез барана. В 1964 г. простагландин E2 удалось получить и в той, и в другой лаборатории. Стало ясно, что эти соединения образуются в организме за счет ферментативного катализа, и с этой поры начались исследования ферментов, а затем механизма их действия [2].

Теперь уже известно, что многие простагландины образуются из арахидоновой кислоты с помощью двух типов последовательно включающихся ферментов. Первый фермент работает по универсальному механизму, и независимо от того, в каком органе или ткани идет синтез, заканчивается он образованием простагландина H2 (отсюда и название фермента - простагландин Н-синтетаза). Второй фермент (вернее, их группа, объединяемая общим названием конвертазы) строго специфичен: в каждом типе тканей простагландин H2 превращается в свойственный только этому типу тканей простагландин. Например, в тканях мозга образуется простагландин D2 , в тканях репродуктивной системы - простагландины E2 и F2 , в клетках эндотелия - простагландин I2 , в тромбоцитах - тромбоксан A2 .

2.3 Ферменты синтеза простагландинов - новый этап исследований

Механизм действия любого фермента можно изучать, имея фермент в чистом виде. Чтобы понять, сколь трудной бывает эта начальная стадия, достаточен пример с простагландин Н-синтетазой: на разработку удовлетворительных способов ее очистки потребовалось около 20 лет. Одним из методов, разработанных в нашей лаборатории, мы и пользовались при изучении кинетики действия этого фермента.

Синтез простагландина H2 (PGH2) - это, по сути, окисление арахидоновой кислоты, запись которого выглядит очень просто:

AA PGG2 PGH2 ,

где AA - арахидоновая кислота, DH - донор электронов, D - окисленный донор электронов. На самом же деле это сложный ферментативный процесс, в котором участвуют четыре молекулы трех субстратов: молекула самой арахидоновой кислоты, две молекулы кислорода и молекула восстановителя, т.е. донора электронов.

Чтобы понять, один ли фермент работает в любых тканях и организмах или несколько ферментов, отличающихся друг от друга, мы сравнивали кинетику действия простагландин Н-синтетазы, выделенной из разных источников, в том числе из тромбоцитов человека и везикулярных желез барана. Отметим сразу, что кинетические характеристики обоих ферментов оказались очень сходными. Однако считать, что простагландин Н-синтетаза из различных источников одинакова, по-видимому, преждевременно. Правильнее предположить, что это группа ферментов с характерными общими свойствами.

К тому времени, когда мы занялись кинетическими исследованиями простагландин Н-синтетазной реакции, были уже известны ее промежуточные продукты. Сопоставив эти сведения с нашими кинетическими данными, можно представить себе молекулярный механизм образования простагландина из арахидоновой кислоты.

На первой стадии за счет гидрофобных и электростатических взаимодействий активного центра фермента с арахидоновой кислотой образуется комплекс, который принято называть фермент-субстратным. Затем происходит окисление арахидоновой кислоты, а на следующих четырех стадиях - внутримолекулярные перегруппировки.

Конечный продукт перечисленных превращений - это комплекс промежуточного простагландина G2 с ферментом. Дальнейшая судьба комплекса зависит от того, есть ли доступный донор электронов (DH). При его наличии гидроперекисная группа быстро восстанавливается, т.е. образуется конечный продукт окисления арахидоновой кислоты простагландин H2 . Таким образом, его ферментативный синтез из арахидоновой кислоты проходит через образование семи промежуточных соединений [2]:

(символом Х с индексом от 1 до 7 обозначены промежуточные соединения, А - акцептор водорода).

Изучая кинетику действия простагландин Н-синтетазы, мы обнаружили, что она работает всего лишь 2 - 4 мин, а затем полностью теряет активность. Мы отнесли этот факт к разряду экспериментальных промахов, так как трудно было поверить, что инактивация - это характерное свойство простагландин Н-синтетазы, настолько это было необычно. Предположить, что фермент инактивируется за счет тепловой денатурации, не было оснований, за время его работы температура среды не менялась. Правда, оставались другие параметры: рН и ионная сила раствора, природа матрицы, на которую был иммобилизован фермент. Однако никакие разумные вариации этих параметров не продлевали его жизнь. В поисках причины инактивации мы предположили, что процесс может быть вызван побочной реакцией, в которой фермент на одной из стадий превращения арахидоновой кислоты окисляется свободными радикалами. Добавляли в реакционную смесь самые разные "тушители" радикалов, самые разные восстановители, результат тот же - фермент переставал работать. Мало того, находился ли он в гомогенном состоянии в растворе, в мицелле детергента, в липидном окружении микросомы или в клетке тромбоцита, константа скорости инактивации была одинаковой. Вывод из всего этого был один: инактивация в процессе реакции - специфическое свойство фермента, а простагландин Н-синтетаза - фермент-самоубийца.

Теперь нужно было определить стадию (или стадии), на которой фермент терял активность, и промежуточное соединение (или соединения), необратимо блокирующее активный центр фермента. Однако поиски виновника инактивации среди по крайней мере семи промежуточных соединений вряд ли увенчались бы успехом без теоретической разработки. Касалась она кинетики многостадийной ферментативной реакции, в которой промежуточные соединения способны претерпевать химические превращения, приводящие к потере ферментом активности. Одновременно мы детально изучили зависимость инактивации от концентрации всех субстратов - арахидоновой кислоты, кислорода и донора электронов. Почему субстратов, если нужно было искать промежуточное соединение? Связь между ними очевидна: уровень концентрации промежуточных соединений, образующихся на разных стадиях превращения арахидоновой кислоты в простагландин, можно регулировать, изменяя концентрацию субстрата на определенной стадии реакции. Выяснилось, что константа скорости инактивации зависит от концентрации каждого из субстратов, причем зависимость эта различна. Так, чем больше арахидоновой кислоты, тем скорее инактивируется фермент, но если увеличить концентрацию донора электронов, этот процесс замедляется.

Сопоставив теоретически рассчитанные данные с результатами экспериментов, мы обнаружили, что в инактивации фермента принимают участие промежуточные соединения [4], обозначенные в схеме реакции как X4 и X6 (неустойчивый простагландин G2 ). Реакционная способность обоих соединений очень высока, и потому они могут связываться с белковой частью фермента и выключать его из каталитического цикла. Однако в действии этих соединений есть существенная разница: инактивацию фермента на стадии образования соединения X6 можно предотвратить, если увеличить концентрацию донора электронов, но инактивация через соединение X4 полностью необратима. За счет действия именно этого промежуточного соединения фермент делает несколько тысяч каталитических циклов, в которых синтезируется 103 - 104 молекул простагландина H2 , а затем выходит из каталитического процесса. Было показано, что при этом происходят драматические изменения белка. Белок в результате инициируемой субстратом инактивации полностью теряет третичную структуру и превращается в бесформенную полипептидную цепь, которая становится легкой добычей протеиназ-"чистильщиков", гидролизирующих все ненужные белки и пептиды до аминокислот.

2.4 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.

2.5 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.