Токсичность меди для микроорганизмов

Повреждение клеточной мембраны под действием меди

Первичным местом воздействия меди считается плазматическая мембрана.
Показано, что воздействие высоких концентраций меди на грибы и дрожжи приводит к быстрой потере целостности мембраны, что проявляется в:

• Утечке клеточных растворимых веществ, таких как ионы калия
• Гибели клеток

Например, обработка Saccharomyces cerevisiae 100 мкМ CuCl₂ вызвала потерю барьерной функции плазматической мембраны в течение двух минут при 25°C. Эти данные указывают на избирательное повреждение мембраны медью.

Cervantes, C., Gutierrez-Corona, F. FEMS Microbiol. Rev. 1994, 14, 121.

Ohsumi, Y., Kitamoto, K., Anraku, Y. J. Bacteriol. 1988, 170, 2676.

Stohs, S. J., Bagchi, D. Free Radic. Biol. Med. 1995, 18, 321.

Аналогичные эффекты у высших организмов связывают со способностью меди катализировать образование свободных радикалов , которые запускают перекисное окисление липидов мембран.

Например, ионы Cu²⁺ уникальным образом катализировали перекисное окисление липидов мембран эритроцитов крыс в присутствии 10 мМ H₂O₂, тогда как другие переходные металлы не оказывали значительного эффекта. Это позволяет предположить, что медь-кислородные комплексы непосредственно участвуют в инициации перекисного окисления.

Stohs, S. J., Bagchi, D. Free Radic. Biol. Med. 1995, 18, 321.

Blackett, P. R. и др. Pediatr. Res. 1984, 18, 864.

Ding, A. H., Chan, P. C. Lipids 1984, 19, 278.

Chan, P. C., Peller, O. G., Kesner, L. Lipids 1982, 17, 331.

Серьезное повреждение мембраны неизбежно ведет к гибели клетки. Однако даже незначительные изменения физических свойств биологических мембран могут нарушать ключевые мембранные функции, включая.

• Активность транспортных белков
• Фагоцитоз
• Ионную проницаемость

Hazel, J. R., Williams, E. E. Prog. Lipid Res. 1990, 29, 167.

Avery, S. V., Lloyd, D., Harwood, J. L. Biochem J. 1995, 312 (Pt 3), 811.

Взаимодействие меди с нуклеиновыми кислотами

Ион Cu²⁺ обладает специфическим сродством к ДНК : он связывается с гуаниновыми основаниями и вызывает окислительные повреждения. 

Что подтверждает участие Cu²⁺, Cu⁺, H₂O₂ и OH⁻-радикалов в реакции.

Geierstanger, B. H. и др. J. Biol. Chem. 1991, 266, 20185.

Kagawa, T. F. и др. J. Biol. Chem. 1991, 266, 20175.

Sagripant, J. L., Kraemer, K. H. J. Biol. Chem. 1989, 264, 1729.

Yamamoto, K., Kawanishi, S. J. Biol. Chem. 1989, 264, 15435.

Повреждение белков под действием меди

Медь может:

• Изменять структуру белков
• Подавлять их активность

Например, Cu²⁺ является мощным ингибитором протеинтирозинфосфатазы VHR, которая регулирует рост и дифференцировку клеток. Окисление цистеина в активном центре этого фермента под действием меди было в 200 раз эффективнее , чем под действием H₂O₂.

Медь также специфически атакует остатки:

• Гистидина
• Пролина

в белках, что может приводить к их фрагментации.

Например, при окислительном повреждении LDL-холестерина под действием Cu²⁺ наблюдался разрыв пептидных связей аполипопротеина B.

Kim, J. H. и др. Arch. Biochem Biophys. 2000, 382, 72.

Uchida, K., Kawakishi, S. Arch. Biochem Biophys. 1990, 283, 20.

Dean, R. T. и др. Free Radic. Res Commun. 1989, 7, 97.

Tanaka, K. и др. J. Biochem (Tokyo) 1999, 125.

Противовирусные, противогрибковые и антиалгицидные механизмы

Все описанные механизмы токсичности меди актуальны и для вирусов .

Например, повреждение РНК бактериофага Qβ под действием Cu²⁺ и рибозы происходило через образование гидроксильных радикалов по механизму Фентона

Carubelli, R. и др. Free Radic. Biol. Med. 1995, 18, 265.

Вирус HIV-1 инактивировался медью за счет агрегации его протеазы — критического для репликации вируса фермента. В отличие от бактерий и грибов, вирусы не обладают:

• Системами репарации ДНК
• Механизмами детоксикации металлов

что делает их особенно уязвимыми к меди.

Karlstrom, A. R., Shames, B. D., Levine, R. L. Arch. Biochem. Biophys. 1993, 304, 163.

Karlstrom, A. R., Levine, R. L. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1991, 88, 5552.

Для грибов и водорослей предполагается, что ионы меди:

• Связываются с отрицательно заряженными участками клеточных стенок
• Вызывают стресс
• Повышают проницаемость

Внутри клетки медь блокирует фотосинтез, атакуя серосодержащие аминокислоты в ключевых белках.

Bartlett, L., Rabe, F. W., Funk, W. H. Wat. Res. 2001, 8, 179.

Заключение

В отличие от низкой чувствительности человеческих тканей к меди, микроорганизмы крайне уязвимы к её действию.

Токсичность меди обусловлена повреждением мембран, нуклеиновых кислот и белков, а также нарушением редокс-баланса. Хотя некоторые бактерии и грибы выработали механизмы устойчивости, вирусы, лишенные систем репарации и детоксикации, особенно чувствительны к меди.  

Сегодня медь широко применяется в сельском хозяйстве, но её потенциал в медицине еще не раскрыт полностью. Например, использование медных тканей в больницах может снизить частоту внутрибольничных инфекций, а фильтры с медными волокнами — обеззараживать кровь и грудное молоко.

Реализация даже части этих идей способна значительно улучшить качество жизни людей.  Подробнее о применении меди вы можете узнать в нашей прошлой статье. 

Компания ACON эффективно использует бактерицидные свойства меди в станции обеззараживания воды плавательных бассейнов методо иоизации – SILVERPRO