Зависимость между степенью ионизации ксенобиотиков и их действием
на обездвиживание червя (в г/100 мл морской воды)
| Ксенобиотики | рН 7,0 | рН 8,0 | рН 9,0 |
| Неэлектролиты: | |||
| Изопропиловый спирт | 2,5 | 2,5 | 2,5 |
| Изоамиловый спирт | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Хлороутол | 0,025 | 0,025 | 0,025 |
| Слабые основания (рКа ~ 8,5) | 
| ||
| Кокаин | 0,01 | 0,005 | 0,0025 |
| Прокаин | 0,002 | 0,001 | 0,0005 |
| Бутакаин | 0,001 | 0,0002 | 0,0002 |
 Барбитуровые кислоты (рКа ~ 8,0)
| |||
| Изоамил, этил- | 0,006 | 0,025 | 0,05 |
| Диэтилкарбинил, этил- | 0,006 | 0,012 | 0,05 |
| Н-Амил, этил- | 0,006 | 0,012 | 0,05 |
Направление подавления ионизации
Эффективность слабых оснований (кокаин и др.) возрастает с повышением рН, т. е. пропорционально подавлению их ионизации. Аналогичным образом эффективность слабых кислот повышается при уменьшении рН, опять же с подавлением ионизации.
Ксенобиотики, проявляющие биологическое действие в виде ионов и неионизированных молекул. Многие вещества, особенно со значениями рКа в пределах от 6 до 8, проникнув в клетки в виде неионизированных молекул, проявляют свое биологическое действие как ионы. Например, доказано, что поступление бензойной кислоты в клетки дрожжей обратно пропорционально степени ионизации (рис. 2.4).
Ряд азотсодержащих гетероциклов, ионизирующихся с образованием аниона, сильно ингибируют реакцию Хилла при фотосинтезе. Однако было обнаружено, что при слишком высокой степени ионизации активность этих соединений теряется полностью. Это явление объясняется проникновением ингибиторов через мембрану в виде неионизированных молекул, а затем действием их как анионов. Такой механизм характерен для некоторых гербицидов.
Рис. 2.4. Поступление бензойной кислоты (рКа 4,2) в пекарские дрожжи при разных значениях рН:
1 – кривая зависимости распределения всего вещества (клетка – жидкость);
2 – кривая изменения степени ионизации
Подобные результаты были получены и для оснований. Так, триметиламин (хлоридин), имеющий величину рКа 7,2, лучше поглощается клетками из достаточно щелочных растворов, где он находится в виде неионизированных молекул. Однако ингибирование ключевого фермента (дигидрофолатредуктаза), находящегося внутри клетки, осуществляют только катионы.
Степень ионизации (образование анионов) многих противовоспалительных средств коррелирует положительно с их биологическим действием, если ионизации подвергаются не все молекулы, и их липофильности достаточно для достижения места действия – так происходит ингибирование активности простагландинов. Примерами могут служить индометацин (рКа 4,5) и салицилаты.
Большинство алкалоидов имеют рКа около 8, поэтому при рН 7,3 примерно 16 % этих соединений остаются неионизированными. Они проникают в клетки в виде неионизированных молекул, а биологическое действие осуществляют в виде катионов.
Известно много ксенобиотиков, у которых биологическая активность определяется действием неионизированных молекул и ионизированной части вещества.
При изучении биологической активности слабой кислоты, как мы уже отмечали, обычно оказывается, что для получения стандартной реакции необходимо одинаковое количество ксенобиотика при любых значениях рН, которые на единицу и больше ниже значения рКа. В этих условиях кислота слабо ионизирована и ее биологическая активность определяется прежде всего ионизированными молекулами. Это иллюстрирует левая часть рис. 2.5.
Рис. 2.5. Влияние рН на концентрацию бензойной кислоты, необходимую для ингибирования роста гриба Mucor. Верхняя кривая относится ко всему препарату в целом (ионы + неионизированные молекулы), нижняя – к неионизированным
молекулам
Однако если значения рН начинают превышать значения рКа, то для получения постоянной биологической реакции потребуется все возрастающее количество вещества, т. е. для получения постоянного биологического ответа необходимо либо постоянное число молекул, либо постоянно убывающее, так как анион обладает тем же биологическим действием, что и неионизированные молекулы, но менее выраженным (см. рис. 2.5).
Обнаружено, что у большинства веществ, наиболее активных в неионизированном состоянии, ионы, тем не менее, обладают некоторой активностью. Примером может служить фунгицидное действие 2,4-динитрофенола (рКа 4,0) на грибы Trichoderma viride при различных значениях рН.
Таким образом, среди последней группы ксенобиотиков следует различать вещества, проявляющие биологическую активность в виде ионов и неионизированных молекул, и вещества, проходящие через мембрану в неионизированном состоянии и вызывающие биологический эффект внутри клеточного компартмента в виде ионов.
На взаимодействие ксенобиотиков с мембраной оказывает влияние и ионизация мест связывания. Катионные препараты связываются с анионными центрами, которые могут иметь значения рКа от 2 до 7 (при наличии фосфатных групп), от 2 до 6 (карбоксильных групп) или 10 (в присутствии остатков тирозина, пиримидина, цистеина). Катионные центры должны иметь значения рКа 4 (аденин), 7 (гистидин), 10 (лизин), 13 (аргинин).
Величину рН наружного центра связывания клетки во многих случаях можно оценить, определяя реакцию на препарат при различных рН, если только известно, что клетка не повреждается при изменениях рН, а степень ионизации в этих пределах рН остается постоянной.
В случае внутриклеточных (внутримембранных) мишеней изучение влияния ионизации на характер взаимодействия ксенобиотика становится более трудным. Так, серьезное значение приобретает регистрация внутриклеточной рН среды. Существует ряд методов измерения рН внутри клетки, в частности ЯМР, ионселективные микроэлектроды и т.д.
Рассмотрение изложенных принципов позволяет понять, насколько важно знать константы ионизации ксенобиотиков при изучении их биологического действия. Необходимо установить, в какой форме эти вещества более эффективны – в виде ионов, неионизированных молекул или биологический эффект является суммарным (неионизированные молекулы + ионы).