Jony metali to zdecydowanie jedne z najpowszechniejszych biologicznych kwasów Lewisa, które są niezbędne do funkcjonowania wielu różnych czynności komórkowych. Jednak nadmiar określonego gatunku jonu metalu może skutkować cytotoksycznością zarówno poprzez katalizowanie pewnych reakcji, jak i hamowanie innych poprzez koordynację z niezwiązanymi parami elektronów obecnymi na atomach wielu makrocząsteczek, zwłaszcza siarki. W przykładach, które prezentuję, wszystkie jony miedzi, cynku i srebra wykazują cytotoksyczność poprzez tworzenie kompleksów koordynacyjnych z cząsteczkami w komórce, utrudniając ich działanie.
Uwaga: ośmieliłem się dokładnie powody, dla których cytotoksyczność w tekście dla ułatwienia czytania.
Miedź $ ^ {[1]} $
Najnowsze dowody sugerują mechanizm toksyczności miedzi, w którym zredukowany jon $ \ ce {Cu +} $ jest instrumentalny. Wielu badaczy zauważa, że toksyczność miedzi dla bakterii jest trwała lub nawet zwiększona w warunkach beztlenowych, w których tworzenie się nadtlenków jest minimalne. $ \ ce {Cu +} $ toksyczność cytozolu E. coli można wytłumaczyć jego intensywną tiofilnością, która jest wystarczająca do konkurencyjnego zakłócenia kluczowej cytoplazmatycznej siarki żelaza enzymy zarówno in vitro, jak i in vivo . Rzeczywiście, stwierdzono, że inne „miękkie” tiofilowe jony metali wywierają porównywalną toksyczność. Wszystkie te dane dostarczają przekonujących dowodów łączących toksyczność miedzi z wypieraniem żelaza z klastrów żelazo-siarka dehydratazy wystawionych na działanie rozpuszczalnika, co skutkuje zaburzeniami metabolicznymi i auksotrofią aminokwasów rozgałęzionych.
Cynk $ ^ {[2]} $
Chociaż prawie 30% wszystkich białek zawiera jony metali, nadmiar niektórych jonów metali przejściowych może mieć znaczną toksyczność. Coraz częściej uznaje się potencjalną rolę takich metali w przeciwdziałaniu inwazji bakterii. W szczególności wykazano ostatnio znaczenie miedzi w makrofagach dla działania bakteriobójczego. Nasze obecne badanie dostarcza pierwszych bezpośrednich dowodów na to, że extracellular $ \ ce {Zn (II)} $ może wywierać toksyczny wpływ na S. pneumoniae przez konkurowanie z $ \ ce {Mn (II)} $ o wiązanie z rozpuszczonym białkiem wiążącym PsaA (Pneumococcal surface adhezyna A), zapobiegając w ten sposób nabycie $ \ ce {Mn (II)} $ poprzez zezwolenie PSA .
Srebro $ ^ {[3]} $
Uważa się, że atomy srebra wiążą się z grupami tiolowymi ( $ \ ce {-SH} $ ) w enzymach, a następnie powodują dezaktywację enzymów. Srebro tworzy stabilne $ \ ce {S-Ag} $ wiąże się ze związkami zawierającymi tiol w błonie komórkowej, które biorą udział w wytwarzaniu energii przezbłonowej i transporcie jonów . Uważa się również, że srebro może brać udział w katalitycznych reakcjach utleniania, w wyniku których powstają wiązania disiarczkowe ( $ \ ce {R-S-S-R} $ ). Srebro robi to poprzez katalizowanie reakcji między cząsteczkami tlenu w komórce a atomami wodoru grup tiolowych: woda jest uwalniana jako produkt, a dwie grupy tiolowe łączą się kowalencyjnie za pomocą wiązania dwusiarczkowego. Katalizowane srebrem tworzenie się wiązań dwusiarczkowych może prawdopodobnie zmienić kształt enzymów komórkowych, a następnie wpłynąć na ich funkcję.
Katalizowane srebrem tworzenie się wiązań dwusiarczkowych może prowadzić do zmian w strukturze białek i inaktywacji kluczowych enzymów, takich jak te potrzebne do oddychania komórkowego. Białko 30S rybosomalnej podjednostki, syntetaza sukcynylo-koenzymu A, transporter maltozy (MalK) i adolaza bisfosforanu fruktozy zostały zidentyfikowane z dużym prawdopodobieństwem jako białka o zmniejszonej ekspresji po potraktowaniu komórek $ \ mathrm {900 \: ppb \: \ ce {Ag + }} $ rozwiązanie. Przypuszcza się, że jony srebra wiążą się z podjednostką rybosomu 30S, dezaktywując kompleks rybosomów i zapobiegając translacji białek. Białka, które okazały się być obniżone po potraktowaniu $ \ ce {Ag +} $ , pełnią ważne funkcje w komórce: syntetaza sukcynylo-koenzymu A, enzym zaangażowany w Cykl TCA, katalizuje konwersję sukcynylo-CoA do bursztynianu podczas fosforylacji ADP z wytworzeniem ATP; adolaza fruktozowo-bisfosforanowa jest enzymem biorącym udział w glikolizie, który katalizuje rozkład fruktozo-1,6-bisfosforanu na gliceraldehydo-3-fosforan i dihydroksyacetonowy fosforan; MalK jest białkiem związanym z błoną cytoplazmatyczną biorącym udział w transporcie maltozy. W taki czy inny sposób wszystkie te białka odgrywają rolę w produkcji energii i ATP w komórce, więc zmniejszona ekspresja któregokolwiek z tych białek może prowadzić do śmierci komórki .
Innym z sugerowanych mechanizmów przeciwbakteryjnej aktywności srebra było to, że $ \ ce {Ag +} $ wnika do komórki i interkaluje pomiędzy parami zasad purynowych i pirymidynowych, wiązanie wodorowe między dwiema antyrównoległymi nićmi i denaturacja cząsteczki DNA. Chociaż nie zostało to jeszcze udowodnione, wykazano, że jony srebra wiążą się z DNA po wejściu do komórki.
[ 1] Chaturvedi, K. S .; Henderson, J. P. Pathogen Adaptations to Host-Derived Antibacterial Copper. Z przodu. Komórka. Infekować. Microbiol. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2014, 4.
[ 2] Mcdevitt, C. A .; Ogunniyi, A. D .; Valkov, E .; Lawrence, M. C .; Kobe, B .; Mcewan, A. G .; Paton, J. C. A Molecular Mechanism For Bacterial Sidence to Cynk. PLoS Pathog PLoS Pathogens. 2011, 7.
[ 3] https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Silver_as_an_Antimicrobial_Agent#Mechanism_of_action