Токсичність для мітохондрій; інгібування окисного фосфорилювання; Аналітична токсикологія
Широке різноманіття сполук, важливих для нашої повсякденної діяльності, відомі як роз’єднання речовин із окислювальним фосфорилюванням мітохондрій. Найбільш поширені сполуки, що використовуються як наркотики або пестициди. Роз'єднувальна активність вважається загальною рисою протизапальних засобів, які мають іонізуючу групу [1] Petrescu I, Tarba C. 1997. Роз'єднання ефектів диклофенаку та аспірину в. продовжуйте йти; Нестероїдні протизапальні препарати (диклофенак, аспірин, німесулід, мелоксикам, піроксикам та індометацин) надають роз'єднуючу дію в ізольованих мітохондріях та інфузованій печінці щурів у концентраціях, що відповідають фармакологічним дозам, що застосовуються в жарознижуючих та протизапальних методах лікування [2] Морено-Санчес R, Bravo C, VasquezC, Ayala G,. продовжуйте йти .
Антипсихотичні та антидепресанти [3] Бурбенська Н.М., Нарцисов Ю.Р., Цофіна Л.М., Комісарова І.А. 1998 р . продовжити [4] Соуза М.Є., Полізелло А.С., Уемура С.А., Кастро-Сільва О, Курті С. 1994. Ефект. продовжує, деякі протипухлинні препарати [5] Schwaller MA, Allard B, Lescot E, Moreau F. 1995. Протонофорна активність. продовжує, ряд пластифікаторів, гіполіпідемічних препаратів та інших речовин з проліферативною дією на пероксисоми [6] Keller BJ, Marsman DS, Popp JA, Thurman RG. 1992. Кілька негенотоксичних. продовжує, антимікотики, препарати, що використовуються для лікування трипаносомозу та лейшманіозу [7] Морено С.Н. 1996. Пентамідин є роз'єднувачем окисного фосфорилювання в Росії. продовжується, численні протиглисні засоби [8] McCracken RO, Carr AW, Stillwell WH, Lipkowitz KB, Boisvenue R, et al. . продовжує, антисперматогенні препарати, агенти, які беруть участь у розвитку синдрому Рейє та різні гербіциди та інсектициди [9] Olorunsogo OO, Malomo SO, Bababunmi EA. 1985. Протонофорні властивості Росії. повідомляється, що всі безперервні впливають на відокремлені мітохондрії.
Термін розв'язувач відноситься до речовини, яка змінює та/або пригнічує механізм окисного фосфорилювання, або його сполук, що має прямий вплив на вироблення мітохондріального АТФ. Декупанти - це сполуки, що знижують ефективність виробництва АТФ. На жаль, таке визначення неявно розмиває фундаментальну концепцію, згідно з якою на всі інші відомі енергозалежні метаболічні функції мітохондрій також впливають усі відомі роз'єднувачі окисного фосфорилювання.
Під терміном роз'єднання розуміється будь-який процес, метою якого є розсіювання енергії конкурентно з мітохондріальною енергією, що виробляється в звичайному режимі, викликаючи таким чином непотрібні енергетичні відходи. Це пояснює гарячку, яка характерна для інтоксикації, спричиненої роз'єднувачами окисного фосфорилювання мітохондрій. Згідно з цим визначенням, будь-яке залучення ксенобіотиків до будь-якої енергоємної функції мітохондрій (наприклад, транспорту іонів, метаболітів або білків через внутрішню мембрану) також буде розглядатися як роз'єднання окисного фосфорилювання.
У наступних розділах розглядаються деякі властивості роздільників, що представляють різні хімічні класи, які, на нашу думку, є найбільш важливими для галузі фармакології та токсикології на основі характеристик достатку та використання.
Слабкі ліпофільні кислоти
Більшість сполук, що володіють протонофорною активністю, - це слабкі ліпофільні кислоти (рис. 2) з pKa, розташованими між 5-7.
Загалом, структурні вимоги до роз'єднувальної активності включають наявність дисоціюючої кислотної групи, об'ємних ліпофільних груп та електрофільної частини. Ці властивості визначають важливі характеристики транспорту протонів слабкими ліпофільними кислотами, які впливають на ефективність їх роз'єднання, такі як розчинність у ліпідних мембранах, стабільність іонної форми в мембрані та здатність вивільняти і зв'язуватися з протоном. Найбільш репрезентативні роздільники цього класу: заміщені феноли, трифторметилбензимідазоли, саліциланіліди та карбонілфенілгідразони ціаніду.
2,4-динітрофенол та інші заміщені феноли:
Заміщені феноли є найкраще представленими молекулами та найбільш вивченим класом мітохондріальних отрут. Деякі з цих сполук, такі як 2,4-динітрофенол (ДНП), мають довгу і цікаву історію. ДНП розглядали як чудодійний препарат, нову надію у вічній боротьбі людства з ожирінням.
2-трифторметилбензимідазоли:
Трифторметилбензимідазоли (TFBS) були введені на початку 1960-х років як новий клас сильнодіючих гербіцидів та інсектицидів. Висока токсичність цих сполук у тварин була негайно визнана, і багато синтетичні похідні були протестовані з метою отримання "прийнятно безпечного та активного гербіциду". У мітохондріях багато з цих сполук діють подібно до ДНП; однак їх урожайність значно вища. Найактивнішим роз'єднувачем цього класу є 4,5,6,7-тетрахлор-2-трифторметилбензимідазол (TTFB), який виробляє 50% роз'єднання окисного фосфорилювання (виміряне щодо синтезу АТФ) при 8 х 10e -8 М в ізольованій печінці мітохондрії (127) (порівняно з 8 х 10-6 М для ДНП за тих самих експериментальних умов). Подібно до інших кислотних декупантів, ефективність похідних TFB зростає із збільшенням кислотності дисоціюючої групи.
Токсичність ряду заміщених TFBS у мишей та домашніх мух, медоносних бджіл
було порівняно з ефективністю роз'єднання в ізольованих мітохондріях. Було побудовано LD50 у мишей для деяких TFBS та інших декупантів, таких як саліциланілід, динітрофенол та фенілгідразон
проти їх роз'єднувальної активності в мітохондріях, виділених з клітин печінки та мозку мишей. Отримано досить хорошу кореляцію; як правило, токсичність зростає із збільшенням ефективності роз'єднання. У цьому ж дослідженні також було встановлено, що з деякими похідними TFB мітохондрії мозку були в три-п’ять разів чутливішими, ніж мітохондрії печінки. Основними проявами токсичності введеного TFBS були задишка, випадкове слиновиділення, слабкість та смерть, що характерно для інших мітохондріальних декупантів.
Саліциланіліди
Інші види декупантів
Іонофори
Іонофори - це сполуки різної хімічної структури, які здатні переносити невеликі іони через ліпідну мембрану. Таких сполук природного або синтетичного походження налічується сотні. Фізичні та хімічні властивості різних іонофор, механізми транспорту іонів та їх біологічна активність були широко вивчені. Тут нас цікавитимуть лише загальні властивості іонофорів, які роблять їх ефективними розв’язувачами від окисного фосфорилювання мітохондрій.
Іонофори можна розділити на дві великі групи на основі їх механізму транспортування іонів: транспортерного типу та канального типу. Останнє характерно для амфіфільних коротких пептидів, які утворюють канали різного розміру в ліпідних мембранах. Ці канали можуть бути селективними щодо малих іонів, таких як протони або K +, залежно від певного пептиду, структури мембрани та експериментальних умов. Граміцидини (Граміцидин A, D і S) є найбільш вивченими антибіотиками цього типу і є потужними декупантами передачі енергії в мітохондріях. Лінійні граміцидини A і D мають спіральну конформацію, щоб утворювати канал, тоді як циклічна граміцидинова S-форма має бета-листкову структуру, яка порушує ліпідну оболонку мембрани. Збільшення мембранної проникності
по відношенню до протонів і K + призводить до ефективного колапсу протонного потенціалу в мітохондріях або за рахунок рециркуляції протонів, або електрофоретичного транспорту K + [22] Katsu T, Kobayashi H, Hirota T, Fujita Y, Sato K, Nagai U 1987 . продовжуйте йти .
При високій концентрації навіть електронейтральні іонофори Me +/H + можуть викликати роз'єднання в мітохондріях. Наприклад, обмінник K +/H + нігерицин при більш високих концентраціях, ніж 1 мкМ, збільшує провідність темних шарів ліпідів, утворюючи рухливий димер з двома молекулами нігерицину, протонованими та комплексованими з K +. Такий складний перенос заряду справді може спричинити розщеплення внаслідок електрофоретичного переносу катіонів [23] Toro M, Gomez-Lojero C, Montal M, Estrada S. 1976. Передача заряду опосередкована. продовжуйте йти .
Іонофори, які є селективними щодо Ca2 + або Mg2 +, можуть надавати роз'єднуючу дію на мітохондрії за допомогою декількох різних механізмів. Деякі з цих механізмів є дуже специфічними, оскільки вони беруть участь у власних мітохондріальних білках, таких як двовалентний катіон іонофору A23187 (кальциміцин). Цей поліефірний карбоновий антибіотик виробляється Streptomyces chartreusensis. Він утворює ліпорозчинний комплекс 2: 1: Ме2 + іонофор і транспортує двовалентні катіони через ліпідні мембрани за допомогою електронейтрального механізму обміну Ме2 +/2Н +. Індукція такого транспорту катіону не викликає роз'єднання мітохондрій. Однак, розсіюючи градієнт кальцію, A23187 встановлює циклічний потік енергії, що розсіює Са2 +, що відповідає за розв'язуючу активність цієї сполуки.
Деякі іонофори транспортного типу набагато ефективніші в мембранах мітохондрій
ніж в інших клітинних мембранах. Наприклад, комплекс валіноміцину-К + із приблизно в 100 разів більшим вмістом у мембранах мітохондрій, ніж у еритроцитах. Існують також докази того, що валіноміцин та нігерицин збільшують іонну провідність внутрішньої мітохондріальної мембрани, але не плазматичної мембрани інтактних лімфоцитів [24] Felber SM, Brand MD. 1982. Валіноміцин може деполяризувати мітохондрії у цілісності. безперервні або дріжджові клітини. Які фактори, крім мембранного потенціалу, можуть сприяти цій мембранній селективності, їх ще потрібно визначити.
Катіонні декупанти
Кілька катіонних сполук роз'єднують окисне фосфорилювання мітохондрій за рахунок збільшення проникності мембран для іонів. Роз'єднувальна дія таких сполук, як комплекс цианінових барвників три-S-C4 (5), Cu2 + - (о-фенантролін) 2 та пентамідин, вимагає присутності неорганічного фосфату, і його можна запобігти пригніченням мітохондріального Pi: H + symporter. Молекулярний механізм дії роз'єднання цих сполук недостатньо вивчений; Однак дуже ймовірно, що всі ці Pi-залежні сполуки впливають на фізичну цілісність мембран мітохондрій. Дійсно, нещодавно було показано, що роз'єднання три-S-C4 (5) та Cu2 + - (o-фенантролін) 2 шляхом індукції проникності перехідної пори мітохондрій [25] Shinohara Y, Bandou S, Kora S, Kitamura S, Inazumi S, Terada H . продовжуйте йти .
Активні мембранні пептиди
Активні мембранні пептиди можуть утворювати канали, які є більш-менш селективними щодо катіонів та/або протонів або лужноземельних ділянок, вони можуть утворювати великі пори, що дозволяють проникнути високомолекулярні розчинені речовини (> 100 Да). Пороутворюючі пептиди, такі як аламетицин, мають високу спорідненість до мембран мітохондрій, оскільки введення пептиду в мембрану та/або утворення пір контролюється електричним потенціалом. Ці пептиди індукують неспецифічні зміни проникності, що призводить до онкотичного набряку та порушення заряджених органел.
Відомо, що багато амфіпатичні короткі пептиди (особливо грибного походження) відокремлюють окисне фосфорилювання мітохондрій при субмікромолярних концентраціях, роблячи внутрішню мітохондріальну мембрану проникною для різних розчинених речовин [26] Das MK, Raghothama S, Balaram P. 1986. Мембранні канали, що утворюють поліпептиди. . продовжуйте йти . Однак мембранно-активні пептиди можуть також викликати роз'єднання мітохондрій набагато більш специфічним способом. Мастопаран, амфіпатичний пептид із отрути ос та бджіл, викликає відкриття Са2 + -залежного циклоспорину, перехідної пори чутливої проникності мітохондрій. У найвищих концентраціях мастопаран деполяризує внутрішню мітохондріальну мембрану, діючи на рівні ліпідної фази без видимого залучення переходу проникності пор [27] Pfeiffer DR, Gudz TI, Novgorodov SA, Erdahl WL. 1995. Пептид мастопарану. продовжуйте йти .
За певних обставин позитивно заряджені пептиди, нормальна функція яких спрямована на новосинтезовані білки в мітохондріях, можуть мати роз'єднуючу дію. Вплив пептидів на цілісність мітохондрій залежить від концентрації. При низькому співвідношенні пептид/мітохондрії сигнальні пептиди індукують прогресивний лізис зовнішньої мембрани та вивільнення ферментів з міжмембранного простору. При високому співвідношенні пептид/мітохондрії проникність внутрішньої мембрани збільшується, що призводить до роз'єднання дихання та розсіювання мембранного потенціалу [28] Nicolay K, Laterveer FD, van Heerde WL. 1994. Ефекти амфіпатичних пептидів. продовжуйте йти . Великий інтерес викликає пептид-індукований сигнал роз'єднання. Ці пептиди синтезуються всередині клітини і за своєю структурою природно селективно націлюються в мітохондріях. У разі несправності механізму імпорту білка ці пептиди можуть накопичуватися в мітохондріях, викликаючи розряд мембранного потенціалу та усуваючи пошкоджені органели.
Нещодавно сигнальні пептиди були досліджені як прототипи для створення нових препаратів, які вибірково націлені на мітохондрії в клітині [29] Мерфі М.П. 1997. Селективне націлювання біоактивних сполук на. продовжуйте йти .
Альтернативні носії електронів
Мітохондріальні електрони випадково розподіляються по внутрішній мембрані, але функціонально вони розташовані відповідно до їхнього окислювально-відновного потенціалу. "Дихальний ланцюг" відноситься до послідовності
реакції переносу електронів і протонів. Ефективність перетворення енергії окислення хімічних субстратів у корисну форму протонного потенціалу залежить від точності електронів при дотриманні їх "встановлених" "шляхів" через упорядковану послідовність акцепторів. Електронів у дихальному ланцюзі. Будь-який інший шлях електронного переносу різко знижує ефективність перетворення енергії, що прискорює окислення субстратів і відволікає надлишок енергії для непотрібного виробництва тепла (роз'єднання окисного фосфорилювання).
Технічно кажучи, можна виділити щонайменше два типи змінних електронних шляхів. Першу групу складають кінцеві акцептори електронів, які є сполуками, здатними до відновлення за допомогою електронного носія дихального комплексу, таким чином конкуруючи з природним акцептором для цього носія. Ці сполуки перехоплюють потік електронів і відводять його до власного відновлення. Теоретично ці сполуки
може брати участь у вторинному окислювально-відновному циклі, де сполука відновлюється дихальним ланцюгом, щоб зарядити енергію з субстратів, а потім окислюється назад у побічній реакції. Побічні реакції можуть включати пряме одновалентне відновлення кисню або реакцію з білками тіолами або глутатіоном. У всіх випадках чіткою реакцією є стимуляція ціанідного нечутливого дихання та споживання
кисень і відновлювальні субстрати без метаболізму батьківської молекули. Як і у випадку з усіма іншими декупантами, це горіння мітохондрій призводить до швидкого розсіювання всіх трансмембранних градієнтів, включаючи протонний потенціал.
Другу групу альтернативних акцепторів електронів називають електронними шунтами, які приймають електрони і живлять дихальний ланцюг з вищим окислювально-відновним потенціалом. Це дозволяє електронам обходити частину дихального комплексу цілим сегментом, виключаючи його з виробництва енергії. У цих випадках вторинним електронним акцептором, який завершує окислювально-відновний цикл, є кінцевий комплекс мітохондріального ланцюга переносу електронів, а не молекулярний кисень. Отже, такі сполуки не генерують радикалів і не стимулюють нечутливого до ціанідів дихання в такій мірі, як перероблені редокс-акцептори електронів. .
Існує кілька прикладів сполук, які діють в процесі окислювально-відновного циклічного чергування з акцепторами електронів, щоб роз’єднати окисне фосфорилювання мітохондрій. Ці сполуки включають адріаміцин, паракват та заміщені нафтохінони та N-нітрозоаміни [30] Генрі TR, Уоллес KB. 1995. Диференціальні механізми індукції. продовжуйте йти . Суть їх діяльності полягає в нестабільності проміжного одновалентного вільного радикала, який у фізіологічних умовах самоокислюється за рахунок відновлення молекулярного кисню до вільних аніонних радіальних супероксидів. З цим пов'язано різке стимулювання поглинання кисню та окислення субстрату, обидва механізми нечутливі до інгібування ціанідом. Ці хімічні речовини стимулюють вивільнення вільних радикалів в ізольованих мітохондріях, що, швидше за все, пояснює їх спостережувану цитотоксичність.
Ароматичний амін 2-нітрозофлуорен та його відновлений гідроксиламін, N-гідрокси-амінофлуорен, є метаболітами канцерогену 2-ацетиламінофлуорену. 2-нітрозофлуорен відновлюється при комплексі I та комплексі III, а відновлений N-гідрокси-амінофлуорен може окислюватися безпосередньо киснем, виділяючи вільні кисневі радикали, які, здається, є центром реакцій патологічного характеру [32] Klohn PC, Brandt U, Нейман Х.Г. 1996. 2-Нітрозофлуорен та. продовжуйте йти .