Механизмы токсичности меди для микроорганизмов
Медь , как металл, абсолютно безопасна для человека , что подтверждается, в частности, длительным использованием медных внутриматочных спиралей (ВМС) [4,5]. В отличие от низкой чувствительности человеческих тканей (кожи и других) к меди [6], микроорганизмы крайне восприимчивы к её воздействию.
Предложено несколько механизмов токсичности меди для микроорганизмов:
- Вытеснение жизненно важных металлов из их естественных связывающих участков
- Взаимодействие с лигандами
- Изменения в конформационной структуре нуклеиновых кислот и белков
- Нарушение окислительного и осмотического баланса
Благодаря своим редокс-свойствам медь может также способствовать образованию высокореактивных гидроксильных радикалов , которые повреждают липиды, белки, ДНК и другие биомолекулы (рис. 1) .
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.
Разрывы цепей ДНК пропорциональны:
- Времени инкубации
- Температуре
- Концентрации Cu²⁺ и H₂O₂
Этот процесс подавляется:
- Хелаторами металлов
- Каталазой
- Высокими концентрациями свободных радикалов
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 методом ионизации –SILVERPRO.
__________________________________________________________________________________________
Статья написана и подготовлена к публикации специалистами компании ACON
ACON - Российский производитель автоматики для бассейнов № 1*
* По ассортименту и объему выручки в 2024 г., по данным исследования Маркетинговой группы «Текарт» (май 2025 г.)