Никотин

Колумб не только Америку открыл

Никотин — одно из веществ, обладающих биологической активностью, содержащихся в растениях, в основном в табаке и в меньших концентрациях в некоторых других растениях. Первые упоминания о свойствах табака относятся ко временам открытия Америки, ещё Христофор Колумб отметил, что индейцы курят свернутые высушенные листья некого растения, к которому относятся особенно, используя его для шаманских обрядов и некоторых других важных мероприятий. Во время второй поездки в Новый Свет (1493) Колумба сопровождал испанский миссионер Фрэй Романо Пане и, познакомившись с табаком, немедленно отослал его Карлу V, после чего тот приказал выращивать его на Кубе. В Европе табачные семена впервые появились в 1520 году, после чего его стали выращивать также в Португалии. Примерно в 1560 году послом из Франции в Португалию был Жан Нико, он послал листочки табака Екатерине Медичи, королеве Франции. Табак был описан королеве как «растение, которое способно облегчить ужасные мигрени». Табак стал называться «травой королевы» и интенсивно употреблялся при королевском дворце, после чего распространился на всю Европу. Сам никотин в неочищенном виде был описан Жаком Гоори как «масло табака», использовавшееся для лечения кожных заболеваний (1579); детально описал метод получения никотина путём перегонки Николя Лефевр (1660). Полученный им продукт использовали для лечения астмы, эпилепсии, воспаления селезенки. В 1809 году французский химик-аналитик Луи Николя Воклен опубликовал работу, в ходе которой он смог выделить довольно чистую фракцию никотина, связанного с яблочной кислотой, а также смог их разделить, однако многие оспаривают его роль первооткрывателя в связи с тем, что он не определил никотин как алкалоид. В 1828 году немецкие химики Кристиан Вильгельм Посселт и Карл Людвиг Райманн открыли активное начало табака и установили, что он является алкалоидом, правда, долго велись споры о достоверности этого открытия, так как многие другие исследователи не верили, что алкалоид может быть жидкостью, но Кристиан и Карл с помощью созыва независимой комиссии доказали свою точку зрения, и именно они считаются в народе первооткрывателями никотина как такового. В 1843 году Луи Мельсеном была эмпирически выведена формула никотина. 1893 году собственно структура была установлена немецким химиком Адольфом Пиннером, но и тут не обошлось без разногласий: для подтверждения структуры требовался синтез данного вещества, чего Адольфу не довелось реализовать. Тем не менее, синтез был реализован Аме Пикте в 1904 году. В своих статьях он упомянул не только никотин, но и продукты его окисления: никотирин и дигидроникотирин. Правда, часть реакций проходила в жестких условиях, что снова породило много сомнений, но последующий (1928) синтез, проведённый в мягких условиях, подтвердил правильность установленной формулы.

#ЛошадьЖиви

Таким образом, не без труда было установлено, что никотин, алкалоид растительного происхождения, как и все алкалоиды — высокоактивное вещество и, как любой из них в высокой концентрации, способен вызвать много нежелательных последствий. В низких же концентрациях многие алкалоиды эффективно используются в медицинских целях. Чтобы понять, как «капля никотина убивает лошадь»[1] (или все-таки нет?), стоит разобраться в механизме его взаимодействия с организмом.

Кто есть кто

Основной нейромедиатор, являющийся посредником передачи нервных импульсов, например, в парасимпатической нервной системе и нервно-мышечных синапсах — ацетилхолин. Накапливаясь в цитоплазме аксонов в виде везикул, он, высвобождаясь при стимуляции преганглионарного нейрона, изливается в синаптическую щель, где взаимодействует с рецептором на мембране постганглионарного нейрона, вызывая биологический ответ, который может выражаться в замедлении сердечных сокращений, расширении периферических кровеносных сосудов и понижении артериального давления, усилении перистальтики желудка и кишечника, сокращении мускулатуры бронхов, матки, желчного и мочевого пузыря, усилении секреции пищеварительных, бронхиальных, потовых и слёзных желез, сужении зрачков. Но это не все! Ацетилхолин является медиатором и в симпатической нервной системе, в ней он является медиатором в преганглионарных нейронах (в то время как постганглионарным является норадреналин), а значит, он вызывает и все ответы, характерные для действия симпатики: учащение сердцебиения, повышение давления, увеличение уровня глюкозы в крови и интенсивности липолиза (распада жиров), плюс, угнетение центров голода (этим обосновывается мнение о том, что от курения худеют). Все это вызывается в первую очередь действием симпатической нервной системы на надпочечники, что вызывает выброс адреналина, который и повинен во всех «бодрящих» эффектах.Рецепторы же к нему делят на 2 больших класса: Мускариновые (М-холинорецепторы, mAChR) и Никотиновые (N-холинорецепторы, nAChR). Названы они в честь своих агонистов (веществ, способных взаимодействовать с рецептором, вызывая биологический ответ): мускарина, выделенного из мухоморов, и никотина, соответственно. В данном случае нас интересует второй рецептор.Никотин имеет схожую с ацетилхолином структуру и действует на рецепторы последнего:

Атом азота пирролидинового (5-членного гетероцикла) кольца в никотине (выделен синим) имитирует четвертичный атом азота в ацетилхолине (выделен красным), а атом азота пиридина (6-членного гетероцикла) является донором электронных пар, как и кислород кетогруппы ацетилхолина (выделены красным). Внешне они, может быть, и не очень похожи, но тут важнее функционал: пространственное распределение электронной плотности обеспечивает практически одинаковый характер связи с рецептором и вызывает аналогичный биологический ответ. Теперь, выяснив, какие эффекты влечёт за собой связывание ацетилхолина (и его функционального «двойника») с рецептором, перейдём к более подробному рассмотрению механизма этих хитрых взаимодействий.

А ларчик просто открывался

В активном центре рецептора к ацетилхолину никотинового типа содержится несколько петель, главная из которых — С-петля, содержащая триптофан. Триптофан, в свою очередь, является ароматической аминокислотой. Он обладает большим отрицательным зарядом, благодаря, во-первых, избытку электронной плотности (половина связей — двойные), во-вторых, циклической структуре. Дело в том, что в этой циклической структуре двойные связи являются «делокализованными», то есть некорректно говорить, что они находятся у 1, 3, 5 атомов углерода или у 2, 4, 6 — они как бы «размазаны» по шестичленному кольцу, к тому же, эти двойные (π) связи имеют электронную плотность в виде объёмной восьмерки, поставленной перпендикулярно плоскости кольца, так что избыточная электронная плотность висит даже не одним колесом, а двумя — над и под плоскостью кольца!

Ароматическое кольцо

Само понятие «избыток электронной плотности» означает, что в этом участке пространства скапливается избыточный отрицательный заряд, попросту — минус. Выше было упомянуто, что атом азота в никотине имеет недостаток электронной плотности, то бишь, плюс. А дальше действуют базовые законы физики: подчиняясь закону Кулона, плюс тянется к минусу и входит в кольцо, как ключ в замок, причём двойной, застревая между отрицательно заряженными «прокладками»! А после этого он оттуда не хочет выходить, следуя принципу минимума энергии, а минимум как раз достигается внутри «минусового кольца».

C-петля и никотин

Это взаимодействие является необычайно сильным, связь крайне прочной, настолько, что превосходит ковалентные взаимодействия и имеет собственное название: катион-π связь[2]. К тому же, между углеродным скелетом триптофана пресловутой С-петли и азотом ароматического кольца никотина образуется водородная связь. Да, она не очень прочная, но, в дополнение к крепкой π-связи, она дополнительно стабилизирует её пространственно, и именно таким образом эта связь оказывается «железной».

Рецептор с никотином

От слов к делу

Теперь о том, к чему вообще были рассмотрены все эти супрамолекулярные механизмы: от связывания к биологическому ответу.

Ацетилхолиновый рецептор по сути своей является трансмембранной белковой порой, состоящей из 5 доменов, причём 2 самых распространённых типа: α3β2 и α2β3 (α и β — названия разных доменов). И есть исследование, показывающее, что α2β3 более чувствителен к никотину[2], и при постоянном поступлении никотина экспрессия этого рецептора возрастает, но зато со временем чувствительность снижается. Так вот, при связывании того или иного агониста конформация белка меняется, пора открывается, и натрий, сосредоточенный в основном во внеклеточном пространстве, бросается в открывшуюся пору, меняя заряд клетки (катионы натрия создавали положительный заряд вне клетки, на её поверхности, относительно отрицательного внутри неё). Этот процесс называется деполяризацией. Собственно, это и есть нервный импульс со всеми вытекающими событиями: либо деполяризуется следующий нейрон, либо вызывается сокращение мышцы, деятельность железы, в ЦНС — когнитивные процессы и великое множество иных процессов, которые запускаются действием ацетилхолина, либо какого-то агониста. Следует упомянуть о том, что на скелетные мышцы никотин не оказывает сколь-либо заметного действия — пара аминокислот в белке рецептора там заменена другой, не образуется стабилизирующая водородная связь (несмотря на то, что катион-π связь так же образуется, но она слабее, чем в нейрональных рецепторах, так как не стабилизирована водородной). Центральное действие (то есть на головной мозг) никотина обосновано активацией им α4β2 рецепторов мозга. Этот рецептор имеет настолько высокое сродство к никотину, что даже ацетилхолин в высокой дозе не способен стать последнему конкурентом в данном случае. Таких рецепторов в мозге на долю всех Н-холинорецепторов приходится более 80 %. А, значит, центральное действие никотина самое заметное. И это настолько же положительная, насколько и отрицательная новость для медицины. А дело вот в чем. Никотиновые рецепторы данного типа, имеющие преимущественно пресинаптическую локализацию, участвуют в выбросе большого спектра медиаторов: например, глутамата, дофамина и ГАМК (γ-аминомасляной кислоты). А, значит, никотин, эффективно активируя эти рецепторы, стимулирует другие типы взаимодействий, что во многих случаях положительно влияет на те или иные мозговые процессы (например, запоминание). В добавок к этому существуют механизмы активации экспрессии (синтеза) никотиновых ацетилхолиновых рецепторов, связанных с взаимодействием никотина с рецептором. Чем больше никотина — тем больше экспрессия. И здесь становится абсолютно неважно, имеют ли эти рецепторы достаточную чувствительность, потому что сам высокий уровень экспрессии приводит к активному метаболизму клеток, что отсрочивает их апоптоз. И эта мысль натолкнула исследователей на идею профилактики болезни Альцгеймера и других дегенеративных заболеваний мозга с помощью никотина [9]. И исследования таки продемонстрировали очень интересную статистику. Среди пациентов с болезнью Альцгеймера не более 26 % курящих, из которых более половины начали курить позже 30 лет[10].

Что происходит с лигандом дальше? Он не остаётся там надолго в макроскопическом понимании времени; то, что эта связь крепкая и долгая, значит, что она долгая по сравнению со средним временем жизни молекулы. После того, как молекула никотина сделала своё дело, она «вымывается» из рецептора, затем с током крови переносится в печень, где метаболизируется посредством цитохрома р450 (гидроксилированием) до своего «наследника» — котинина[3]

Схема метаболизма никотина

(анаграмма от слова «никотин»). В виде котинина выводится 70-80% никотина, 3-5% в виде гидроксиникотина, некоторое количество метаболизируется путём глюкуронирования и никотина, и котинина. Интересно, что котинин вызывает схожие с действием никотина эффекты, хотя и с меньшей интенсивностью: связывается с рецептором, активирует его, оказывая ноотропное, антидепрессантное и психостимулирующее действие. Ещё одна ощутимая разница между никотином и котинином в периодах полувыведения: половина никотина выводится из организма через 2 часа, а вот котинина — 20 часов, вследствие чего котинин является ценным маркёром активного потребления никотина.

Цитохром P450 (лиловый — порфирин гема) и никотин (красно-фиолетовый)

Растениям тоже нужен никотин

Зачем же никотин вообще образуется в растениях? Дело в том, что на синтез такого сложного алкалоида, как никотин, тратится около 10% всей энергии, запасенной в результате фотосинтеза[8]. Такая трата вполне оправдана, так как транспортируясь в листья, алкалоид делает их несъедобными для колорадского жука. У ближайшего «родственника» табака, картофеля, тоже вырабатывается никотин, но его оказывается так мало, что эффективность практически нулевая, и в данном случае траты напрасны. Синтезируется никотин в растениях в пути от орнитина или пролина и никотиновой кислоты. Все эти соединения встречаются в единой системе реакций.

Схема синтеза никотина

О других тараканах

Никотин проявляет противовоспалительные свойства, действуя в качестве холинергического агониста[5], активируя α7 никотиновый ацетилхолиновый рецептор (α7nAChR) на иммунных клетках, в частности, дендритных клетках и макрофагах. Очевидно, что активация никотинового рецептора при помощи либо самого никотина, либо нейромедиатора ацетилхолина может подавлять воспалительные реакции на иммунных клетках и снижать секрецию провоспалительных цитокинов.Никотин и его метаболит котинин отрицательно воздействуют на структуру семенников и циркулирующие уровни тестостерона[6].Было показано, что никотин способен активировать mTOR при инкубировании его в культуру скелетных мышц, из-за чего снижается чувствительность к инсулину[7].

Заключение

Можно было бы еще долго и много говорить о свойствах никотина, как положительных, так и отрицательных. Есть несколько трудов о иммунных влияниях никотина, о влияниях на личность, на сознание и даже на плод. Но все эти темы плохо изучены и не вписываются в данный обзор. Есть данные о том, что никотин и котинин ингибируют ароматазу[4], что, по сути, является очень интересным свойством, которое может найти свое применение в дальнейших исследованиях, но это свойство не является классическим и исключительным, поэтому также не включено в обзор.

Источники:

1. Kellogg J.H. «Tobaccoism» Am J Public Health. 2002 June; 92(6): 932–934.
2. Zhong, W; Gallivan, JP; Zhang, Y; Li, L; Lester, HA; Dougherty, DA (1998). «From ab initio quantum mechanics to molecular neurobiology: A cation–π binding site in the nicotinic receptor». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95 (21): 12088–12093.
3. Benowitz NL, Jacob P 3rd. «Metabolism of nicotine to cotinine studied by a dual stable isotope method. Clin Pharmacol Ther.» (1994)
4. Doering IL, Richter E. «Inhibition of human aromatase by myosmine.» Drug Metab Lett. (2009)
5. Lakhan SE, Kirchgessner A. «Anti-inflammatory effects of nicotine in obesity and ulcerative colitis.» J Transl Med. (2011)
6. Aydos K, et al. «Nicotine toxicity to the ultrastructure of the testis in rats.» BJU Int. (2001)
7. Tzatsos A. «Raptor binds the SAIN (Shc and IRS-1 NPXY binding) domain of insulin receptor substrate-1 (IRS-1) and regulates the phosphorylation of IRS-1 at Ser-636/639 by mTOR.» J Biol Chem. (2009)
8. Семенов А.А. «Очерк химии природных соединений», Сибирская издательская фирма РАН (2000)
9. Lombardo S., Maskos U. «Role of the nicotinic acetylcholine receptor in Alzheimer’s disease pathology and treatment.» J. Neuropharmocology. (2014)
10. James Le Furo «Relationship between cigarette smoking and Alzheimer’s disease in a population‐based case‐control study.» The Times of London. (1993)