Разработка новых эффективных систем селективного транспорта ионов и органических соединений в клетки

УДК 577.352.2

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ СЕЛЕКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ИОНОВ И ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В КЛЕТКИ

Лейла Назим кызы САДЫГОВА, Халил Мамедали оглу КАСУМОВ

Национальная академия наук Азербайджана, Институт ботаники, Баку

Показана способность гептаеновых макролидных соединений формировать в мембранах мышечных клеток дополнительные каналы проницаемости, столь необходимые при сердечной недостаточности. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что с помощью леворина и его аналогов можно усилить транспорт ионов и органических соединений внутрь клеток для повышения синтеза энергозависимых субстратов при мышечной патологии.

Ключевые слова: трансмембранный ионный транспорт, леворин, мышечные каналы, проницаемость

Разработка новых эффективных систем селективного транспорта ионов и органических соединений в клетки является одной из важнейших задач медицинской науки. Патологические процессы, возникающие в организме человека, в первую очередь приводят к нарушению функционирования в клеточных мембранах ионных каналов [1-3]. Известно, что каналы, функционирующие в мембранах мышечных клеток, избирательно транспортируют ионы №+, К+. Са++, а также определенные субстраты, в частности, моносахара для поддержания процесса гликолиза и окислительного фосфорилирования с целью синтеза богатых химической энергией макроэргических соединений, таких как АТФ, креатин-фосфат и т.д. [1, 4]. Хорошо известно, что при патологических процессах (ишемия, стенокардия, аритмия и инфаркт миокарда) в сердечной мышце резко ингибируется калиевая, кальциевая проницаемость и проницаемость мембран для углеводов [5, 6]. Вследствие этого при патологии усиливается процесс поглощения глюкозы скелетными мышцами, повышается активность мембраносвязанных ферментов, резко возрастaет потребность организма в ионах, углеводах и других органических субстратах и поэтому каналы мышечных клеток начинают работать с большей интенсивностью [7]. Однако удельная активность работы нативных каналов лимитирована и потому они не обладают способностью в единицу времени поставлять мышечным клеткам органические соединения в требуемом количестве. Возникает необходимость активизации работы нативных клеточных каналов с помощью экзогенных соединений, способных дополнительно формировать в мембранах мышечных

клеток катионселективные каналы. В связи с этим появляется необходимость создания новых систем избирательного транспорта ионов и веществ внутрь клетки с помощью экзогенных переносчиков. Учитывая это, необходимо было подойти к решению данной проблемы комплексно с позиции поиска соединений с известным молекулярным механизмом действия, имеющих высокое сродство к мембранам и образующих в них ионные каналы. К таким веществам относятся мембраноактивные каналообразующие полиеновые антибиотики (ПА), которые образуют в липидных и клеточных мембранах структурные каналы молекулярных размеров [8, 9].

В данной работе основное внимание сосредоточено на поиске новых транспортных систем с использованием мембраноактивных каналообразующих ПА. В природе не существует другого класса соединений, кроме ПА, которые формируют в мембранах структурные каналы молекулярных размеров. Мы исследовали малоизученный ароматический гептае-новый ПА леворин. Химическая структура леворина показана на рис.

Физико-химические характеристики мембран, модифицированных леворином и их производными, исследовались методом фиксации мембранного потенциала и тока [10]. Этот метод основан на электрических измерениях ионной проводимости мембран, проницаемости мембран для органических соединений, времени функционирования антибиотиков в мембранах, постоянной времени релаксации проводимости мембран с большой проводимостью после удаления антибиотиков из водного раствора методом перфузии в градиенте плотности растворов [9].

Садыгова Л.Н. - науч. сотр. лаб. физико-химических свойств клеточных мембран, е-mail: khalil_gasimov@azeurotel. com

Касумов Х.М. - д.б.н., профессор, зав. лаб. физико-химических свойств клеточных мембран

Рис. Химическая структура леворина

Гептаеновый ПА леворин содержит в своей структуре положительно заряженные группировки. Несмотря на наличие в химической структуре леворина двух положительных зарядов, он создает в мембранах практически идеальную избирательную проницаемость для катионов. Данный феномен представляется чрезвычайно интересным с фундаментальной точки зрения.

В последние годы усилие ученых направлено на получение новых лекарственных форм ПА и на разработку новых способов их доставки к пораженным органам и тканям. Чрезвычайно интересным аспектом является проведение синтеза новых молекул на основе леворина. Благодаря каналообразующим свойствам, с помощью ПА леворина можно индуцировать в клеточных мембранах мышечных волокон образование дополнительных каналов проницаемости. Встраивая в мембраны леворин и его новые синтезированные аналоги, можно осуществить трансмембранный перенос ионов и углеводов в клетки, столь необходимых при патологии сердца. Химическая модификация молекулы леворина проводилась в гидрофильной части с изменением числа гидроксильных и карбонильных групп в лактонном кольце молекулы. Создание аналогов леворина необходимо с одной стороны для выяснения вопроса о том, как структурная модификация леворина влияет на физико-химические свойства молекулы в мембранах, а с другой стороны - для создания транспортных систем с целью переноса энергозависимых субстратов (ионы калия, кальция, моносахаров) в клетки.

Биологическая активность и степень всасывания леворина в клетки и ткани может быть улучшена путем химического синтеза его новых производных. При использовании леворина возникает еще одна существенная проблема - его низкая растворимость в воде. Леворин плохо растворяется в воде, что замедляет всасывание молекул в органы и ткани при перо-ральном и парентеральном введении антибиотиков

в организм. По этой причине молекулы леворина не обладают способностью достигать поврежденные органы и ткани в необходимом количестве и соответственно поэтому имеют низкий терапевтический индекс.

В своих предварительных исследованиях мы обнаружили, что стабильность, биологическая активность и эффективность работы антибиотика в водном растворе зависит не только от его химической структуры, но и от вида растворителя, в котором предварительно растворяется исходный антибиотик. Так, наибольшая эффективность антибиотиков наблюдается в растворе диметилсульфоксида (ДМСО) [10]. Наши исследования показали, что леворин в комплексе с ДМСО обладает высокой биологической активностью и практически полным отсутствием токсичности из-за лучшей растворимости в воде. Мы предполагаем, что молекула леворина в комплексе с ДМСО может эффективно всасываться в органы и ткани. Это предположение исходит из того обстоятельства, что из всех ПА леворин является одним из самых эффективных соединений. Он способен изменять проницаемость мембран при очень малых концентрациях 10-8—10-7 М.

Будущее ПА связано с химическим синтезом новых антибиотиков и их производных и исследованием взаимосвязи между химической структурой ПА и их функцией в липидных мембранах. Получение новых производных леворина путем химической модификации различных частей лактонного кольца молекул, изучение их физико-химических и фармакологических характеристик на экспериментальных животных создают уникальную возможность для разработки теоретической основы синтеза новых антибиотиков с заданными терапевтическими свойствами.

Исследования физико-химических характеристик мембран в присутствии леворина и его новых аналогов могут привести к созданию новых лекарственных препаратов, эффективных при лечении

сердечно-сосудистых заболеваний, включая ишемию, стенокардию, аритмию и инфаркт миокарда.

Литература

1. Cho M.R., Thatte H.S., Silvia M.T., Golan D.E. Transmembrane calcium influx induced by ac electric fields // FASEB J. 1999. 13: 677-683.

2. Hubner Ch., Jentsch Th. Ion channel diseases // Human Molecular Genetics. 2002. 11 (20): 2435-2445.

3. Nilius B., Droogmans G. Ion channels and their functional role in vascular endothelium // Physiol. Rev. 2001. 81 (4): 1415-1459.

4. MacKinnon R. Potassium channels // FEBS Lett. 2003. 555: 62-65.

5. Ackerman M.J., Clapham D.E. Ion channels - basic science and clinical disease // New Engl. J. Med. 1997. 336 (22): 1575-1586.

6. Волков Н.И., Несен Э.Н., Осипенко А.А., Корсун С.Н. Биохимия мышц и мышечного сокращения // В кн.: Биохимия мышечного сокращения. Киев: Олимпийская литература, 2000. 286-369.

Volkov N.I., Nesen E.N., Osipenko A.A., Korsun S.N. Biochemistry of muscle and clonus // In: Biochemistry of muscle activity. Kiyev: Olympic Literature, 2000. 286-369.

7. Khassaf M., Child R.B., BmcArdle A. et al. Time course of responses of human skeletal muscle to oxidative stress induced by nondamaging exercise // J. Appl. Physiol. 2001. 90: 1031-1035.

8. Курбанов О.Г, Касумов Х.М. Гептаеновый ароматический антибиотик леворин и его производные при мышечной деятельности // Антибиотики и химиотерапия. 2004. 49 (3): 40-46.

Kurbanov O.G., Kasumov Kh.M. Levorin, an aromatic heptaene antibiotic and its derivatives in muscle activity // antibiotics and Chemotherapy. 2004. 49 (3): 40-46.

9. Kasumov Kh., Bolard J. Transient permeability induced by cationic derivatives of amphotericin B in lipid membranes // Pol. J. Chem. 2004. 78: 1057-1065.

10. Ibragimova V., Aliev D., Alieva I. Biophysical and medicobiological aspects of application of polyene antibiotics in combination with dimethyl sulfoxide // Biophysics. 2002. 47 (5): 774-781.

THE DEVELOPMENT A NEW EFFECTIVE SELECTIVITY TRANSPORT SYSTEMS OF IONS AND ORGANIC COMPOUNDS INTO THE CELLS

Leyla Nazim kizi SADIGOVA, Khalil Mamedali oglu KASUMOV

Institute of Botany Azerbaijan National Academy of Sciences, Baku

It was showed ability of heptayene macrilide compounds to create structural channels in muscle cell membranes. By a channel-forming substances may induce formation additional conductive channels in the cell membranes of the muscle tissue. By theoretical and experimental investigations are showed that involving levorin and its derivatives into the muscle membranes promote transmembrane transport of ions and carbohydrates that are so necessary in heart pathology.

Key words: transmembrane ionic transport, levorin, muscle channels, permeability

Sadigova L.N. - research worker of lab. physico-chemical properties of cell membranes, e-mail: khalil_gasimov@azeurotel. com

Kasumov K.M. - Doct. Biol. Sci., professor, chief of lab. physico-chemical properties of cell membranes