Вода глазами военного химика (стр. 6 )

В сопряжении с реакционным центром могут принимать участие не только неподелённые пары кислорода, азота, но и галоида или гетероатома псевдогалоидной группы, что естественно ведёт к изменению прочности P-галоид связи или таких связей, как N3, NCS, СN. Константа щелочного гидролиза хлорангидридов кислот фосфора в 30раз выше аналогичных фторпроизводных и это невозможно объяснить отрицательным индуктивным эффектом атома фтора, который выше, чем у хлора. Объясняется это различным сопряжением атомов фтора и хлора с 3d-орбиталями атома фосфора. В случае атома фтора 3d-орбитали атома фосфора приближены энергетически к ядру. Это приводит к большему перекрыванию d-орбиталей фосфора с электронами P-F связи. На это указывает меньшая длина связи P - F по сравнению с P-СI ( 1,52-1,55А° и 1,99-2,1А° соответственно). Энергии связи Р-галоид также разнятся между собой (ЕP-F=120 ккал/моль, ЕP-CI= 80ккал/моль). Атомы хлора в меньшей степени принимают участие в сопряжении с атомом фосфора в силу наличия своих свободных d-орбиталей.

Присуствие у атома фосфора другого элемента третьего периода - атома серы также ведёт к снижению возможности участия электронных пар в сопряжении с атомом фосфора, возможно, из-за наличия у атома серы своих d- орбиталей. Замена в алкоксильном радикале атома кислорода на атом серы приводит к повышению реакционной способности этих соединений на несколько порядков. Энергетически P - S связь в ~2 раза слабее Р - О связи, что потверждается энергиями активации щелочного гидролиза. Замена алкоксильного радикала на холиновый приводит к увеличению реакционной способности. Метилфторфосфорилхолины гидролизуются значительно быстрее своих кислородных аналогов, а также таммелиновских тиохолиновых соединений.[95]. Данные приведены в таблице.

Таблица № 7

Константы щелочного гидролиза ряда холиновых эиров ФОС.

Соединения	Кщ. г. л·моль-1сек-1	PJ 50
CH3(C2H5O)P(O)OCH2CH2N+(CH3)3	0,033	4
CH3 F P(O) (OCH2)3N+(CH3)3	301
CH3 FP(O) OCH2CH2N+(CH3)3	935	10
(C2H5O)2P(O) SCH2CH2SCH3	0,326	4,8
(C2H5O)2P(S) SCH2CH2SCH3	0,019	4,1
(С2Н5О)СН3Р(О) SCH2CH2S+(CH3)2	0,21	7,8
(C2H5O)2P(O) SCH2CH2N(C2H5)2	0,55	6,8
(C2H5O)2P(O) SCH2CH2N+ (C2H5)3	0,25	7,1
VX	0,27	8,2

Таблица 7 показывает, что холиновые фторэфиры, содержащие в алкоксильном радикале четвертичный атом азота, являются сильнейшими ингибиторами холинэстераз. В тоже время они гидролитически неустойчивы. Более стойким веществом оказался О-(2-N, N-диметиламиноэтил)-(диметиламидо)фторфосфат (LD50мыши 0,0276 мг/кг), который в США испытывали в бинарном снаряде под шифром GV [147, 148]. Фторхолины метилфосфоновой кислоты превращаются при хранении в кристалические продукты следующего состава:

СН3Р(О)О - СН2 - СН2

F N+R2

Систоксы и фосфорилтиохолины являются более стойкими к гидролизу соединениям, нежели их аналоги - фторпроизводные. Ингибирующая способность систоксов с плюсовым зарядом на сере возрастает на несколько порядков.[96].

Гидролиз тиохолиновых производных ФОС может протекать по разным механизмам. Трактуется, что при щелочном гидролизе атакуется атом фосфора с образованием производных метилфосфоновой кислоты и аминомеркаптана, который способен окисляться в дисульфид. При действии гипохлоритов, моно - и дихлораминов атакуется в основном атом серы и образуются кислые эфиры метилфосфоновой кислоты и таурины HОО=S=ОCH2CH2N+R2. При старении VX возможно образование солей типа :

СН3 (RO)Р=OS-CH2 N+ R2

CH2

Гидролиз ФОВ существенно ускоряется в присутствии ПАВ и других соединений. В таблице представлены данные о времени полураспада VX в присуствии ПАВ - оксима 1-н-додецил-3- пиридинийиодида при рН =9,5 [97].

Таблица № 8.

Влияние ПАВ на гидролиз ФОВ.

ФОВ	Концентрация ПАВ, моль/л	Т1/2 , мин
VX	-	1100
VX	0,05	8,9
Зоман	-	5
Зоман	0,01	0,1

Биологическая активность ФОС зависит не только от их гидролитической стойкости, но и от ингибирующей способности по отношению к холинэстеразам (ХЭ), в особенности к ацетилхолинэстеразе( АХЭ). Этот фермент катализирует гидролиз медиатора нервной системы ацетилхолина (АХ) {СН3С=ООСН2СН2N+(CH3)3}, прерывая нервную передачу.[98].

Фторангидриды и тиохолиновые производные фосфора являются сильнейшими необратимыми ингибиторами АХЭ и известны как нервно-паралитические яды. Механизм взаимодействия ацетилхолина и ФОС с ферментом представляется как атака карбонильного углерода или фосфора по эстеразному участку АХЭ. Эстеразный участок расположен на активной поверхности АХЭ на расстоянии 4-5 А° от анионного. Он представляет собою белок, центральную роль в котором играет гидроксил серина. Рядом с ним располагается имидазол гистидина и гидроксил тирозина. Атака молекулы ацетилхолина (АХ) начинается с сорбции её триметиламмониевого конца на анионном участке фермента. Сорбция фиксирует молекулу на нужном расстоянии от эстеразного центра. В дальнейшем, благодаря водородным связям и плюсовому заряду на атоме карбонильного углерода, медиатор подтягивается к эстеразному участку. Этому способствует и конформационные изменения белка. Это по видимому и есть промежуточный комплекс Михаэлиса. В результате реакции ацетилирования образуется связанный серин и холин, сорбированный на анионном участке. Затем следует десорбция холина и водный гидролиз - деацетилирование фермента. В процессе ацетилирования и деацетилирования важнейшую роль играют атомы азота гистидина, которые возможно активируют гидроксил серина. Реакция расщепления молекулы АХ происходит с громадной скоростью. За одну минуту один активный центр энзима может расщепить около миллиона молекул медиатора. Величина Кd для АХ по отношению к АХЭ равна 2,6 10-4М. Среднее время жизни комплекса 0,5 мс. Эта величина согласуется с временем передачи нервного импульса порядка 1 мс. АХ является наиболее древним и распространённым медиатором. Он синтезируется в клетке с помощью коэнзима А и холина

СоА-S-C=O-CH3+HOCH2CH2-N+(CH3)3 ® CoA-SH + CH3C=OOCH2CH2N+(CH3)3

и хранится в пресинаптических пузырьках. Когда нервный импульс доходит до окончания нервной клетки и деполяризует мембрану, часть (квант) пузырьков изливается в синаптическую щель, наполненную раствором. Молекулы АХ быстро достигают постсинаптической мембраны, где взаимодействуют с холинорецепторами, при этом происходит резкое повышение проницаемости мембраны для ионов и изменение разности потенциалов по обе стороны мембраны. Это нарушение восстанавливается с помощью так называемого «натрий-калиевого насоса», когда ионы натрия в присуствии АТФ входят внутрь клетки, а ионы калия выходят из неё. Эти процессы изменения мембранного потенциала характерны не только для нервных клеток, но и для митохондрий.[99].

Фосфорорганические ингибиторы при взаимодействии с ферментом имитируют реакционную способность природного медиатора АХ. Одни из них, такие как зарин, зоман, ДФФ ( диизопропилфторфосфат), имитируют только эфирную часть медиатора. Другие, имеющие ониевую группировку с плюсовым зарядом, систоксы, VX имитируют аммониевую часть медиатора и проходят все описанные стадии ингибирования фермента. Отличие ФОС от АХ заключается в том, что обратная реакция - дефосфорилирование протекает очень медленно. В результате происходит «необратимое» ингибирование холинэстеразы, а возникший избыток АХ приводит к судороге и летальному исходу. Исследованиями показано, что вблизи от эстеразного и анионного центров имеются гидрофобные участки, также отвечающие за процесс ингибирования. Ввод различных гидрофобных радикалов в молекулу ФОС позволяет получать сильные ингибиторы фермента, хотя коридор атаки при ингибировании фермента ещё уже, чем при обычном щелочном гидролизе. Этот коридор сужается ещё более, когда речь идёт об ацетилхолинэстеразе (АХЭ) в отличие от менее специфичной - ложной холинэстеразы ( БуХЭ), гидролизующей не только АХ, но и ряд других эфиров холина. С другой стороны, быстрота действия многих ФОВ зависит от их гидрофобности, скорости растворения в воде и в крови, т. е. от коэффициента распределения их в системе октанол/ вода, и от скорости преодоления веществом гемато-энцефалического барьера.

Система АХЭ и её ингибиторы содержит за счёт водородных связей молекулы воды. С помощью ЯМР было установлено время жизни молекул воды вблизи заряженных некоторых групп белков. Оно достигает значений 10-3с. Казалось бы, они должны вообще исключить возможность специфических молекулярных реакций, протекающих при весьма низких концентрациях реагентов, но природа постаралась и создала свой механизм узнавания. Вытеснению молекул воды способствует взаимодействие групп лиганда и рецептора: ион-ионое, диполь-дипольное и неполярных групп, т. е. многие вещества могут связываться с рецепторами в форме ионов, диполей или комплексов с переносом заряда и энергия такого взаимодействия обычно на порядок выше, нежели молекул воды. Таким образом, само узнавание ингибитора и рецептора представляется как многостадийный процесс: ионое взаимодействие на дистанции, ориентирование ингибитора на рецепторе и « якорное» взаимодействие молекулы ингибитора с рецептором, т. е. стадия образования стабильного комплекса[150].

В холинергическом синапсе главную роль играет АХЭ. Замена метильного радикала при атоме фосфора, например, в «ордовалях» на другие радикалы - алкильные, алкоксильные, фенильные и др. приводит к падению специфичности к АХЭ. Исключительно точное соответствие химического строения реагирующего субстрата и активного центра фермента очень напоминает случай открывания замка самодельным ключом. Такой ключ вставляется, повёртывается, но вытащить обратно его невозможно.[100]. Такое конкурентное ингибирование часто используется в обычной медицине. Так, болезнетворные бактерии, использующие для роста и размножения парааминобензойную кислоту, погибают от действия исскуственно близких по структуре сульфаниламидов. Известно, что ботулотоксины препятствуют выходу АХ в синаптическую щель, а ионы Са+2, наоборот, ускоряют этот процесс. Ацетилхолин является не единственным медиатором, осуществляющим связь между нервными клетками и рабочими органами.

Другие медиаторы также могут ускорять или замедлять работу сердца, управлять работой мышечной системы, стимулировать работу внутренних желёз и т. д., действуя на М-ХР и Н-ХР. Среди них необходимо отметить адреналин, норадреналин, дофамин, серотонин, гистамин и другие.[104]. Важным медиатором адренэргической передачи является норадреналин, который синтезируется в нервных окончаниях. Он также выходит в синаптическую щель, диффундирует через неё и присодиняется к рецептору в постсинаптической мембране. Избыток его инактивируется катехол-О-метилтрансферазой. Адреналин отвечает за расслабление гладких мышц. Он присоединяется к специальным рецепторам на поверхности мембраны и возбуждает фермент аденилатциклазу, которая отвечает за превращение АТФ в циклический аденозинмонофосфат. Антагонистом адреналина является очень близкое к нему по химическому строению вещество - эфедрин. Эфедрин садится на тот же рецептор, но производит обратное действие - увеличивает сократительную способность мускулатуры. Благодаря такому действию он используется в медицине в качестве стимулятора. Закон «ключа» и «замка» соблюдается и при использовании таких наркотиков, как опий, морфин, низентил, демерол, которые конкурируют с природными медиаторами за опиатные рецепторы. Сродство к М-ХР для АХ Кd равно 1,1 ·10–5 , морфина 1·10-9, дипразина 2,1·10-8, атропина 5,5· 10-10[150]. Ранее опий получали из незрелых коробочек мака и использовали как средство от бессоницы. Выделенная из опия составляющая оказалась ещё более сильным снотворным средством и была названа морфием. После выяснеия его структуры в 1952 году был осуществлён его синтез. Существенными недостатками морфина являются привыкание, побочные действия, токсичность. С целью изыскания более эффективных анальгетиков было синтезировано и обследовано несколько тысяч аналогов морфина, включая его стерические и оптические изомеры. Лучшим был признан пропионовый эфир 1,2,5-триметил-4-фенилпиперидола-4, впоследствии названный промедолом. Наряду с высокой анальгетической активностью (в 2-4 раза активнее морфина) и низкой токсичностью, он обладает также значительным спазмолитическим действием и находит широкое применение в медицинской практике. За рубежом на этой же основе был создан леморан.[105]. К этой же группе медиаторов относятся энкефалины, представляющие собой два пептида, содержащие гидроксильную и азотные группы.[104].

Знаменитый целитель средневековья Парацельс сказал: « В природе всё есть яд и всё есть лекарство - дело в дозе» и это подтверждается на практике.

Издревле индейцы использовали соки растений - яд кураре для намазывания наконечников стрел для охоты. В XIX веке К. Бернар своими опытами с этим ядом не смог объяснить механизм его действия. И только в 1921 г. О. Леви доказал существование медиатора в передаче импульсов с нервного окончания на мышцу. Впоследствии ряд учёных выделили это вещество, определили его формулу и назвали ацетилхолином. Яд кураре блокирует нервную передачу с избирательностью, при которой центральная нервная система остаётся нетронутой. Основным действующим началом яда кураре является d-тубокурарин, молекула которого содержит две четвертичные аммониевые группировки на расстоянии 11-16 атомов углерода. Этот яд блокирует рецепторы на постсинаптической мембране, препяствуя действию АХ. Дальнейшие исследования позволили синтезировать целый ряд аналогов этого яда: галламин, декаметоний, дипласин, пирамион и с кратковременным действием - сукцинилхолин. Последний нашёл широкое применение совместно с анестезией в хирургии. [101]. Из растительных алкалоидов следует отметить также строфантин - африканский яд, и он же является одним из лучших сердечных лекарств. Яды и целебные соединения обнаружены в организмах многих животных. В 1950 г., после многочисленных отравлений в Японии скалозубыми рыбами, был выделен чистый кристаллический препарат - яд, названный тетродотоксином. Затем из двухстворчатого моллюска (калифорнийский саксидомус) был выделен яд, близкий по действию к тетродотоксину и названный сакситоксином. Изучение молекулярной структуры обоих ядов показало, что в состав их молекул входят гуанидиновые группировки. Симтомы отравления этими ядами свидетельствовали о нарушении прохождения импульса вдоль нервного волокна, что связано с нарушением действия «натрий-калиевого насоса». Наука показала, что гуанидиновая группировка ядов входит в натриевые каналы и таким образом блокирует их, прекращая проводимость аксона. Версия ключа и замка в данном случае налицо, но чрезвычайная эффективность этих токсинов может быть связана и с другими конформационными изменениями в аксоне. Эти яды в малых дозах широко используются сегодня в лечебной практике для лечения эпилепсии, гемофилии.[102].

Направленным действием обладают такие известные яды как хлор, хлорциан, синильная кислота, угарный газ и др. Они связывают ионы железа в комплексы, выводя их из дыхательной цепи окисления-восстановления, при этом цитохромы клетки прекращают свою деятельность и тем самым прекращается образование АТФ и жизнь клетки.

Другие хлорорганические производные - диоксины специально не производятся. Они являются нежелательными побочными продуктами промышленных производств, связанных с использованием хлора, а также процессов сжигания органических веществ, содержащих хлор и его производные. Диоксины обладают широким спектром токсического действия, легко проникая в липидные слои и накапливаясь в них. Диоксины канцерогенны, связываются с ДНК и вызывают мутации. Точный механизм вмешательства диоксинов в работу генов не выяснен. Однако известно, что при поступлении в клетку диоксин связывается с растворимым цитоплазматическим белком, названным «Ah-рецептором». Этот белок содержится в клетках различных частей тела: в печени, лёгких, в сердце, в лимфоцитах. Связавшись с Аh- рецептором , диоксин может передвигаться внутрь клетки, где связывается с другим белком, названным «Аrnt», который способствует проникновению этого коплекса в ядро. Попав в ядро клетки, диоксин-Ah-Arnt комплекс связывается с ДНК, регулируя работу генов. Этот комплекс вызывает генетические изменения, приводящие к делению клеток, мутациям и раку. В отличие от природных веществ диоксин не метаболизируется клеткой, а необратимо связывает рецептор. Обследование рабочих завода, выпускающего загрязнённые диоксинами гербициды, показало возрастание риска всех видов рака. Диоксины повреждают сердечную мышцу, вызывают аритмию. Они, как и многие другие фолианты типа : хлорпикрина, ХАФ, СИ-ЭС, СИ-АР, адамсита при температурных перепадах настолько легко проникают в кристаллические структуры таких материалов, как пластики, металлы, целлюлоза, резина, жиры что полностью извлечь их не удаётся ни какими методами дегазации, а огневое обезвреживание материалов требует сверхвысоких температур.[103]. Полупериод разложения диоксинов в почве составляет 10-12 лет. Токсичность LD50 мыши составляет для диоксина 0,114-0,284 мг/кг. Так как диоксины накапливаются в организме в течение всей жизни, то по расчётам ЕРА токсический порог для среднего человека составляет 9 нг/ кг, а диоксиновая нагрузка на организм, которая может нанести вред здоровью равна 14 нг\кг. По крайней мере у 1% населения Земли диоксиновая нагрузка в 7 раз выше нормы. (152).

Интересный случай произошёл в г. Вольске Саратовской области. Бывший прапорщик для охоты на сурков украл из воинской части хлорпикрин и, поссорившись с соседкой, подбросил ей под стенку частного деревянного дома ёмкость с хлорпикрином. Через полгода он умирает, а разлитый хлорпикрин, проникнув через деревянную стену частного дома, начинает беспокоить людей в виде головных болей, слабости. Концентрация его в воздухе была небольшая и всё же, отобрав пробу воздуха 20 л, методом ГЖХ с электронозахватным детектором нам удалось определить, что это действительно токсичный хлорпикрин, который обычно используют для окуривания провогазов. Другой пример: бригада рабочих, производившая работы на могильнике с адамситом, несмотря на двойную защиту, сумела нахватать его столько, что для многих это окончилось летальным исходом. В первую очередь пострадали тракторист и бульдозерист, а техника оказалась брошенной на полигоне.

Определённой протеазной активностью обладают яды гремучих змей, гадюк, а также растительный яд из бобов клещевины - рицин. Рицин привлекает внимание военных химиков из-за своей высокой токсичности и доступности. Основными производителями бобов клещевины являются Китай, Индия, Бангладеш, США. Минимальная летальная доза рицина для человека составляет 0,004 мг/кг. В США в годы второй мировой войны его было наработано 1,7 т. Он может применяться в виде порошка в аэрозольном состоянии, но неэффективен через кожу. У рицина отсуствует быстродействие, токсический эффект наступает при 15-72 часах после интоксикации. Протеиназы вызывают распад белков, ферментов, влияют на свёртывание крови. Токсичность некоторых ядов и ОВ приведена в таблице.[106].

Таблица № 9.

Токсичность некоторых ядов.

Вещество	LD100 мг/кг (мыши, внутрибрюшинно)	Источник
Цианистый натрий	10,0	Химическое вещество
Зоман	0,1	Химическое вещество
VX	0,05	Химическое вещество
Сакситоксин	0,009	Моллюски, устрицы
Тетродотоксин	0,008	Рыба
Тарихатотоксин	0,008	Тритон
Нейротоксин кобры	0,0003	Очковая змея, кобра
Крототоксин	0,0002	Змея гремучая
Столбнячный токсин	0,0000001	Бактерии
Токсин ботулизма	0,	Бактерии

Большинство химических веществ типа: ацетилсалициловая кислота, спирты, кетоны, галоидалканы, обладают политропным действием и, следовательно, их действие осуществляется в концентрациях на несколько порядков выше, нежели у специфических медиаторов.

На основании приведённых выше фактов взаимодействия ряда физиологически активных веществ с рецепторами можно сделать следующие вывод: реакционная способность физиологически активных веществ прежде всего зависит от притяжения между разнозаряженными центрами субстрата и молекулы белка и уже потом - от их структурных особенностей, их комплементарности и, в последнюю очередь, от степени гидратации их молекул. Особенно ярко это проявляется на примере ацетилхолина и его конкурента ФОС. Последние ингибируют ХЭ даже в присуствии АХ, при этом их сольватацинные эффекты примерно одинаковы. Во первых, это связано с разностью зарядов на углероде АХ и фосфоре: по расчётным данным заряд на атоме фосфора ( +0,60 - +0,70) ~ в 1,5 раза выше, чем у карбонильного атома углерода в АХ ( +0,49) , а во вторых, от низкой скорости обратимой реакции АХЭ с ФОС. С другой стороны биохимические реакции отличаются от обычных реакций в водной среде наличием биокатализаторов и, соответственно, большими скоростями.