Лекция Молекулярные основы транспорта лекарственных средств через клеточные мембраны

ФАРМАКОКИНЕТИКА (от др.-греч. φάρμακον — лекарство и κίνησις — движение) — раздел медицины, изучающий кинетические закономерности химических и биологических процессов, происходящих с лекарственным средством в организме человека. Условно взаимодействие лекарства с  организмом человека разделяют на 2 фазы: фармакокинетическую и фармакодинамическю.

В фармакокинетическую фазу происходят химические превращения лекарства в организме. Иначе говоря, фармакокинетика — это судьба отдельно взятой молекулы лекарственного вещества (биохимическая трансформация молекул лекарства в организме). В фармакодинамикую фазу происходит действие лекарства на организм человека. Иначе говоря, фармакодинамика – это судьба организма после действия этого лекарственного вещества (механизм действия и эффекты лекарств.)

Для дальнейшего понимания процессов фармакокинетки необходимо разлбраться в некоторых терминах. Итак, лекарственное вещество (ЛВ) – это действующее начало лекарственных средств. ЛВ получают химическим синтезом из лекарственного сырья путём специальной обработки.

Лекарственное средство (ЛС) – это ЛВ в определённой лекарственной форме. Наряду с ЛВ в состав ЛС входят вспомогательные вещества, необходимые для приготовления ЛС в готовой лекарственной форме. Синонимы: лекарство, лечебное средство, лекарственый или медицинский препарат.

Лекарственная форма (ЛФ) – придаваемое ЛВ удобное для практического применения состояние, для достижения необходимого лечебного или профилактического эффекта.

Напомним, что выделяю жидкие ЛФ (растворы, настои, отвары, настои, экстракты, микстуры, эмульсии, суспензии); мягкие ЛФ (мази, пасты, пластыри); твёрдые ЛФ ( порошки, гранулы, драже, таблетки, пилюли).

Основными фармакокинетическими процессами в организме являются следующие: высвобождение действующего вещества из лекарственной формы; абсорбция ЛВ; распределение ЛВ в биологических жидкостях, органах и тканях организма человека; биотрансформация ЛВ; экскреция ЛВ.

После поступления лекарственного средства в организм происходит высвобождение действующего вещества из лекарственной формы. Затем в процеесе абсорбции ЛВ происходит проникновение (транспорт) ЛВ через клеточные мембраны в сосудистое русло. Сегодня на лекции мы рассмотрим механизмы транспорта ЛВ через клеточные мембраны.

Затем происходит распределение ЛВ в биологических жидкостях, органах и тканях организма человека и связывание со специфическими клеточными рецепторами. Третьим этапом является биотрансформация ЛВ, включающая биохимические процессы превращения (метаболизма) лекарств с изменением их фармакологических свойств и образованием метаболитов, которые могут выводиться из организма. И, наконец, экскреция ЛВ, включающая физиологические и биохимические процессы, направленные на выведение лекарств и/или их метаболитов через различные анатомо-физиологические системы выделения.

Для того чтобы понимать механизмы транспорта ЛВ через мембраны необходимо вспомнить строение мембран клеток. Жидкостно-мозаичная модель строения биомембраны: основу  мембран в клетках составляет слой липидов, имеющий два ряда молекул. Поскольку молекулы липидов полярны (один полюс у них гидрофилен, т. е. притягивается водой, а другой гидрофобен, т. е. отталкивается от воды), то и располагаются они в определенном порядке. Гидрофильные концы молекул одного слоя направлены в сторону водной среды – в цитоплазму клетки, а другого слоя – наружу от клетки – в сторону межклеточного вещества. Молекулы белков мозаично встроены в бимолекулярный слой липидов. Выделяют периферические белки (они расположены только по внутренней или наружной поверхности мембраны), интегральные (они прочно встроены в мембрану, погружены в нее, способны менять свое положение в зависимости от состояния клетки). Функции мембранных белков: рецепторная, структурная  (поддерживают форму клетки), ферментативная, адгезивная, антигенная, транспортная.

Выделяют 2 основным вида транспорта ЛВ через мембраны: пассивный и активный. Принципиальным отличием этих видов транспорта заключается в необходимости использовать энергию. Пассивный транспорт осуществляется без затрат энергии, в то время как для активного транспорта необходимы затраты энергии.

Пассивный транспорт подразделяется на следующие виды: простая физическая диффузия, диффузия через мембранные (водные) каналы и транспорт с помощью белков-переносчиков (или облегчённая диффузия).

Активный транспорт осуществляется через натриевый-калиевый насос, путём эндо-или экзоцитоза.

Рассмотрим первый вид пассивного транспорта – простую физическую диффузию. Большинство ЛВ транспортируется через клеточную мембрану пищеварительного тракта путём пассивной диффузии без затрат энергии.  Движущая сила в этом типе транспорта через мембрану – разность концентрации между средой в полости пищеварительного тракта и системным кровообращением. Это означает, что концентрация препарата больше на участке поглощения. Рассматривая большой объём системного кровотока и меньший объём жидкости в пищеварительном тракте, можно констатировать, что концентрация препарата на участке всасывания больше, чем концентрация свободного препарата в системном кровотоке.

Путем простой физической диффузии транспортируются слабые органические кислоты (ацетилсалициловая кислота, диакарб, тиопентал-натрий, барбитал); слабые органические основания (амидопирин, резерпин, аминазин); органические неэлектролиты (этиловый спирт, мочевина).

Рассмотрим механизм пассивной физической диффузии диффузию через липидный бислой: жирорастворимые (липофильные) вещества, находящиеся в водной фазе по одну сторону мембраны, растворяются в липидном слое мембраны, диффундируют в глубь липидного или белкового слоя, и переходят в водную фазу с противоположной стороны мембраны.

Таким образом можно понять, что скорость и степень всасывания ЛВ зависят от того, является ли оно преимущественно водорастворимым (ионизированным, диссоциированным, полярным) или жирорастворимым (неионизированным, неполярным).

Следующим видом пасивного транспорта является диффузия через мембранные «водные» каналы. Эпителиальные клетки разделены очень узкими промежутками (0, 4-1, 0 нм), через которые проходят только молекулы, имеющие массу 100-150 дальтон (вода, литий, этанол, мочевина, нистатин). «Водные» же каналы между клетками эндотелия капилляров значительно больше, и через них могут проникать молекулы, имеющие массу до 30000 дальтон (исключение составляют капилляры мозга, в основном не имеющие таких пор).

Заряженные молекулы не способны проникать через мембраны путём простой диффузии через липидный бислой. Транспорт полярных гидрофильных молекул через клеточные мембраны обусловлен их проникновением через специфические заполненные водой каналы. Фильтрация через «водные» каналы мембран зависит от гидростатического и осмотического давления. Однако данный механизм транспорта мало значим, так как большинство современных лекарств имеет большой молекулярный вес.

Следующим видом пассивного транспорта является трансцеллюлярная диффузия посредством переносчика (облегченная диффузия), которая происходит когда абсорбция напоминает пассивную диффузию, но при этом опосредованно использует белок-носитель или курьер. Такой тип транспорта используется для крупных гидрофильных молекул, которые не распадаются в липидной части барьера, и если их размеры больше, чем поры барьера. Мембрана содержит макромолекулы, которые действуют как переносчик и тем самым облегчают прохождение препарата через мембрану, не затрачивая при этом энергию.

Хотя облёгченный транспорт – это процесс, не требующий энергетических затрат и который не противостоит градиенту концентрации, тем не менее он имеет существенные отличия от простой физической диффузии: этот процесс зависит от количества курьеров, находящихся в барьере, что, в свою очередь, может проявиться так называемым феноменом насыщения, когда происходит уменьшение количества рецепторов, не связанных с ЛВ и транспорт резко замедляется или полностью прекращается. Поэтому при высоких концентрациях препаратов абсорбционная кинетика может стать нелинейной. Облегчённый транспорт используют эндокринные стероиды (рецептор – опосредованная клеточная абсорбция) и витамин В12 (гликопротеин-опосредо-ванный кишечный транспорт).

Скорость прохождения препарата через мембрану при облегчённом транспорте зависит от следующих факторов:

  •  градиента концентрации препарата;
  •  количества макромолекул, т.е. переносчиков, предоставленных для абсорбции;
  •  уровня взаимодействия препарата с переносчиком (т.е., и вместе – на входе в мембрану, и порознь – на выходе из мембраны);
  •  коэффициента прохождения комплекса переносчик-препарат через мембрану.

Очевидно, что воздействие любого из предложенных механизмов может ограничивать абсорбцию.

Следующим видом пасивного транспорта является транцеллюлярная диффузия посредством P-гликопротеина. Гликопротеин-Р – это АТФ-зависимый белок-транспортёр с молекулярной массой 170 кД, который взаимодействует с большим количеством ксенобиотиков. Этот белок распространён в большом количестве тканей, особенно в эпителиальных клетках пищеварительного тракта, печени, почках, поджелудочной железе и в капиллярах эндотелия мозга и яичек.

Главная физиологическая роль гликопротеина-Р – предотвращение смерти клетки путём перекачки препарата из клетки против градиента концентрации. Этот белок известен как ответственный за так называемое множественное лекарственное сопротивление. Его роль состоит в ограничении абсорбции в пищеварительном тракте и в биодоступности ЛС, имеет важное защитное значение для организма человека. Снижая внутриклеточные концентрации препаратов, он препятствует им в достижении их терапевтических целей. 

Активный транспорт возникает тогда, когда требуется перенос через клеточную мембрану лекарственных средств против градиента концентрации. Этот вид транспорта осуществляется белками переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Источником энергии служат молекулы АТФ или другие источники химической энергии.

Одной из наиболее изученных систем активного транспорта является натрий-калиевый насос. Концентрация К+ внутри клетки значительно выше, чем за её пределами, а Na+– – наоборот. Поэтому К+ через калиевые каналы мембраны пассивно диффундируют в клетки, а Na+– через натриевые каналы в клетку.

Система активного транспорта в высшей степени специфична. Поскольку активный транспорт требует затрат энергии, а концентрация переносчиков белка ограничена, то этот процесс  способен к проявлению эффекта насыщения. Кроме того, курьеры белка подвержены конкурентному ингибированию составами подобной структуры. Он избирательно может подавляться блокирующими агентами (например, сердечный гликозид уабаин, введенный во внеклеточную среду, блокирует К+/Na+-насос). Молекулы лекарственного препарата, структурно похожие на некоторые питательные вещества, могут использовать те же самые пути абсорбции. Например, противоопухолевый препарат фторурацил использует путь урацила, а другой противопухолевый препарат – метотрексат – использует путь производных фолата.

Важно помнить, что влиять на активный транспорт мы практически не можем.

Активный транспорт происходит, главным образом, только в некоторых органах – в кишечнике, печени и почках. Пути активного транспорта в тонком кишечнике необходимы для транспорта определённых питательных веществ, типа урацила, холина, производных фолата и солей жёлчи. Таким же путём осуществляется перенос аминокислот, сахаров, пиримидиновых оснований через гематоэнцефалический барьер, плаценту, слабых кислот – в проксимальных канальцах почек.

Выделяют 2 основных механизма активного транспорта. Белковый переносчик может захватить молекулу препарата, пройти через не требующее энергии конформационное изменение и, перевернувшись на 180°, выпустить молекулу лекарственного вещества в противоположной стороне.

При следующем механизме активного транспорта белковый курьер может быть очень большой молекулой со связанными между собой участками и функциональными группами через всю свою поверхность, что позволяет тем самым перевозить молекулы препарата между связанными участками к противоположной стороне.

Выделяют следующие виды активного транспорта первичный и вторичный. Первичный получает энергию, высвобождаемую непосредственно при гидролизе фосфогена, например АТФ.

Вторичный – заключается в транспорте веществ против градиента, обеспечиваемом энергией, которая высвобождается при транспорте другого вещества по градиенту. Выделяют 2 типа вторичного активного транспорта: симпорт (контранспорт) и антипорт (контртранспорт).

Симпорт (контранспорт) происходит, когда молекула переносчика связывает и Na+, и молекулу органического субтрата и осуществляет их совместный транспорт. Например, транспорт сахаров и аминокислот осуществляется посредством общего переносчика, который совершает пассивные челночные движения между двумя сторонами мембраны без непосредственных затрат энергии. При этом такой вид транспорта сопряжен с направленным внутрь пассивным перемещением Na+ по градиенту концентрации, в результате которого получается энергия для сопряжённого транспорта молекул лекарственного вещества против градиента концентрации.

Следующий вид вторичного активного транспорта – антипорт (контртранспорт) обеспечивается энергией, которая получается при выведении Ca+ из клетки в обмен на пассивно поступающий в неё Na+ и противоположно направленный потоки указанных ионов, сопряжённые друг с другом, обеспечиваются переносчиком обменником.

Очень важными видами активного транспорта являются эндоцитоз и экзоцитоз. Плазматическая мембрана способна транспортировать некоторые вещества в составе маленьких пузырьков (везикул). Эндоцитоз – это освобождение содержимого из везикул в цитоплазму клетки при их переваривании или разрушении.

Различают пиноцитоз – поглощение жидкостей. Пиноцитоз особенно важен для транспорта лекарственных средств полипептидной структуры, молекулярная масса которых превышает 1000 дальтон, например комплекса цианокобаламина (витамин В-12). Фагоцитоз – поглощение твёрдых частиц. Фагоцитоз более важен для обезвреживания бактерий.

Экзоцитоз – это включение везикул в мембрану клетки с высвобождением всего содержимого (гормонов, нейромедиаторов и случайно захваченных молекул) во внеклеточное пространство, где они затем диффундируют.

Благодарю за внимание!