Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию современными физическими методами короткоживущих парамагнитных интермедиатов, образующихся в процессах с участием биологически важных молекул в растворах и организованных средах.
Актуальность работы связана как с объектами исследования, поскольку парамагнитные частицы в биологических системах находятся в зоне пристального внимания, так и с полученными результатами, дающими ответы на ряд вопросов важных сегодня для физической органической химии, биохимии, фармакологии и медицины. В работе на примерах модельных фотоиндуцированных реакций исследованы детальные механизмы окислительно-восстановительных превращений биологически важных соединений, или их аналогов. Прежде всего, это - процессы с участием синтетических аналогов NADH – 1,4-дигидропиридинов, и природных полиенов, включая каротиноиды, в растворах и организованных средах. На основании проведенных методом химической поляризации ядер (ХПЯ) исследований можно считать установленной роль одноэлектронного переноса в трансформации дигидропиридинового цикла в пиридиновый, а также в процессах цис-транс фотоизомеризации природных полиенов. В частности, изучение свойств ион-радикалов природных полиенов в настоящее время приобретает особую актуальность, поскольку они входят в состав многих биологических систем, для цис–транс изомеризации которых предполагаются процессы с переносом заряда. Так, например, в диссертации обнаружены ион-радикальные стадии цис–транс изомеризации ретиналя, входящего в состав зрительного пигмента родопсина. Считается, что именно цис-транс изомеризация инициирует процесс зрительного восприятия в глазу человека и других млекопитающих.
Значительный интерес представляют и радикальные процессы с участием каротиноидов - широко распространенного класса природных пигментов. Они синтезируются растениями и микроорганизмами и присутствуют во многих пищевых продуктах, включая овощи, фрукты и рыбу. В большинстве природных процессов, включая фотосинтез, их роль чаще всего связывают с реакциями переноса энергии и электрона. В медицине интерес к каротиноидам связан, прежде всего, с их антиоксидантными свойствами. Сегодня антиоксиданты, и в частности каротиноиды, используются на практике в комплексном лечении таких серьезных заболеваний как рак, болезни сердца, нервной системы, а также возрастные дегенеративные изменения мышечных тканей. В связи с упомянутым интересом к антиоксидантным свойствам каротиноидов можно утверждать, что химические и физико-химические исследования реакционной способности каротиноидов в окислительно-восстановительных процессах в настоящий момент являются приоритетными. Имеющаяся в литературе информация о короткоживущих парамагнитных и диамагнитных интермедиатах, образующихся в реакциях каротиноидов со свободными радикалами, весьма ограничена, а структура интермедиатов, как правило, только предполагается. Поэтому именно исследованиям, связанным с реакционной способности каротиноидов, а также их короткоживущих парамагнитных интермедиатов принадлежит значительное место в настоящей диссертации.
Понимание механизмов терапевтического действия лекарственных препаратов на молекулярном уровне является одной из важнейших задач биохимии и фармакологии. Успешное решение этой проблемы имеет принципиальное значение не только для фундаментальной науки. Знание тонких механизмов процессов определяющих связывание и диссоциацию лиганд-рецепторных комплексов позволит понять причину терапевтического действия лекарства, разработать методы для контроля действия лекарства в организме, и минимизировать возможные побочные эффекты. До настоящего времени, однако, физико-химические аспекты связывания мало изучены. В частности, отсутствуют представления о физико-химических взаимодействиях, заставляющих лекарство связываться с рецептором, а также о химических трансформациях лекарства в активном центре рецептора, облегчающих дальнейшую диссоциацию комплекса лекарство-рецептор. Предпринятые в настоящей работе попытки обосновать возможность метаболизма лекарственных препаратов при взаимодействии с рецептором, и, в результате исследования модельных систем, установить факторы, ответственные за образование и диссоциацию комплекса «лекарство–рецептор», в этом смысле являются пионерскими.
Самостоятельный практический интерес представляют исследования фотопревращений лекарственных препаратов, выполненные в диссертации на примерах нифедипина и лаппаконитина, т.к. в литературе имеются сведения о фототоксичности этих препаратов.
Исследование методами спиновой химии и химической радиоспектроскопии окислительно-восстановительных процессов в организованных средах, предпринятое во второй части диссертации, представляется актуальным с нескольких точек зрения. Кроме необходимости понимания механизмов межмолекулярных взаимодействий в системах с ограниченной подвижностью, к которым можно отнести практически все биологические системы, самостоятельный интерес представляет исследование воздействия магнитного поля на течение этих процессов. Напомним, что проведение реакций во внешнем магнитном поле является одним из способов управления физико-химическими свойствами биологически активных соединений. Обнаружение в настоящей работе значительных магнитных эффектов (сотни процентов) на выход свободных радикалов в фотоинициированных процессах с участием ряда карбонильных соединений является наглядной демонстрацией возможностей методик спиновой химии. Эти эффекты легли в основу разработанного в настоящей работе кинетического метода, позволяющего изучать динамику радикальных пар в организованных средах.
Во второй части диссертации представлен также цикл работ, посвященных исследованию структуры и реакционной способности комплексов включения нифедипина и лаппаконитина с глицирризиновой кислотой. Актуальность данного исследования связана с известными из литературы и собственных исследований автора фактами воздействия комплексообразования на лечебные свойства препаратов. В частности, в настоящей работе было обнаружено значительное (в десятки и сотни раз) усиление терапевтической активности препаратов нифедипина и лаппаконитина в присутствие глицирризиновой кислоты. Создание эффективных лекарственных препаратов на основе комплексов включения с природными соединениями сегодня является бурно развивающейся областью медицинской химии. Использование комплексов включения позволяет направленно регулировать (усиливать или ослаблять) те или иные свойства лекарственных соединений. Полученные в настоящей работе результаты могут иметь практическое значение для регулирования свойств и других лекарственных препаратов, в частности, увеличения их фотостабильности и биодоступности, а также снижения токсичности (включая фото-токсичность).
Цель работы.
Целью настоящей диссертационной работы являются исследования роли короткоживущих парамагнитных интермедиатов, в процессах с участием дигидропиридинов - синтетических аналогов NADH, природных полиенов, включая ретиналь и каротиноиды, а также биологически активных карбонильных соединений и некоторых лекарственных препаратов. Исследования проводятся в растворах и организованных средах с целью установления основных факторов, определяющих воздействие среды на процессы. Кроме традиционных методик спиновой химии и химической радиоспектроскопии в диссертации используется специально развитый кинетический метод, основанный на импульсной микроволновой накачке электронных переходов в радикальной паре.
Научная новизна и практическая значимость.
Для процесса фотоокисления ряда 1,4-дигидропиридинов – синтетических аналогов NADH, удалось проследить все постулируемые в литературе стадии: перенос электрона, протона, атома водорода. При этом получены практически важные данные о свойствах ион-радикалов и нейтральных радикалов дигидропиридинов. Эти данные, в частности, использованы в настоящей работе при обсуждении возможного метаболизма лекарств на рецепторах.
Систематически изучен процесс фотоиндуцированной цис-транс изомеризации полиненасыщенных соединений в присутствии акцепторов электрона в растворах и организованных средах. Показано, что геометрическая изомеризация, протекающая по механизму переноса электрона, который ранее был известен для замещенных этиленов, в случае полиенов может осуществляться по нескольким различным каналам. Продемонстрировано, что различные изомеры могут иметь общее триплетное состояние, и возможна одновременная цис-транс изомеризация вокруг двух двойных связей. Показано, что метод ХПЯ дает информацию об относительных квантовых выходах образования различных изомеров и их предшественниках, недоступную другими методами.
Измерены константы скорости реакции различных каротиноидов с перекисными радикалами, и обнаружена корреляция констант скоростей с окислительными потенциалами каротиноидов. Кроме того обнаружена зависимость окислительно-восстановительных свойств каротиноидов от среды (раствор или супрамолекулярное окружение), а также определены условия, при которых каротиноиды могут проявлять как антиоксидантную, так и про-оксидантную активность. Эти результаты не только ставят точку в споре о том, чем определяются антиоксидантные свойства каротиноидов, но и могут использоваться на практике при подборе каротиноидов, обладающих антиоксидантными или про-оксидантными свойствами для решения конкретных задач.
Работы по исследованию природы и свойств супрамолекулярных комплексов глицирризиновой кислоты с каротиноидами и лекарственными препаратами нифедипином и лаппаконитином можно считать пионерскими. Впервые детально изучены практически важные процессы фотодеградации лаппаконитина, а также воздействие глицирризиновой кислоты на фотостабильность лаппаконитина и нифедипина.
Учитывая, что в настоящее время создание супрамолекулярных комплексов лекарственных препаратов с различными природными соединениями является одним из самых многообещающих направлений в области медицинской химии, полученные в работе результаты, безусловно, имеют и самостоятельную значимость в плане использования глицирризиновой кислоты для повышения биодоступности и фотостабильности других биологически активных соединений.
Выдвинута гипотеза о возможной роли процессов переноса электрона в механизме связывания ряда лекарственных препаратов с клеточными рецепторами. Гипотеза проиллюстрирована на модельной реакции двух лекарств (нифедипина и лаппаконитина) с аминокислотами, входящими в состав центров связывания соответствующих рецепторов. Продемонстрировано, что образующиеся анион-радикалы указанных соединений нестабильны и в акте обратного переноса электрона в лиганд-рецепторном комплексе получаются уже другие соединения. Это может служить причиной распада лиганд-рецепторного комплекса.
Создан время-разрешенный импульсный вариант метода product-yield-detected-ESR, PYESR. Применение данной методики позволяет детектировать спектр ЭПР промежуточной радикальной пары по изменениям в выходе продукта реакции – долгоживущего спинового аддукта, а также предоставляет уникальные возможности для получения кинетической информации о динамике радикальных пар в растворах. В работе были измерены кинетические параметры радикальных пар образующихся при фотолизе ряда карбонильных соединений, включая биологически активные ацетиленовые кетоны, в мицеллах SDS.
Апробация и публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 32 статьях. Результаты работы были также представлены автором на ряде международных и российских конференций, в том числе на XI Международной конференции “Магнитный резонанс в химии и биологии”, Москва, 2001; VII Международном симпозиуме “Magnetic Field and Spin Effects in Chemistry and Related Phenomena”, Tokyo, Japan, 2001; VI конференции памяти Воеводского “Физика и химия элементарных химических процессов, Новосибирск, 2002; X APAM topical seminar and Conference “Nanoscience and Technology”, Novosibirsk, 2003; IX International Seminar on Inclusion Compounds, Novosibirsk, 2003; Международной конференции «Происхождение и эволюция биосферы», 2005, Новосибирск; International Symposium “Advances in Science for Drug Discovery”, Moscow, 2005; IV International Conference on Nitroxide Radicals: Synthesis, Properties and Implications of Nitroxides (SPIN-2005), Novosibirsk, 2005; IV International Symposium "Design and Synthesis of Supramolecular Architectures", Kazan, 2006; XVII Симпозиум «Современная химическая физика», Туапсе, 2006; 36-th and 37-th Southeast Magnetic Research Conferences, USA, 2007 and 2008; International Conference on Molecular/Nano-Photochemistry, Photocatalysis and Solar Energy (Solar‘08). Cairo, Egypt, 2008.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав, списка основных результатов и выводов, а также списка цитированной литературы (363 ссылки). Работа изложена на 280 страницах, содержит 114 рисунков и 32 таблицы.
