Биохимия мышьяка - Arsenic biochemistry
Биохимия мышьяка относится к биохимическим процессам, в которых может использоваться мышьяк или его соединения, такие как арсенат . Мышьяк - элемент в земной коре с умеренным содержанием , и хотя многие соединения мышьяка часто считаются высокотоксичными для большинства живых организмов , биологически вырабатываются самые разнообразные органические соединения мышьяка, а различные органические и неорганические соединения мышьяка метаболизируются многочисленными организмами . Эта закономерность является общей для других связанных элементов, включая селен , который может проявлять как положительные, так и вредные эффекты. Биохимия мышьяка стала актуальной, поскольку многие токсичные соединения мышьяка обнаружены в некоторых водоносных горизонтах , потенциально влияя на многие миллионы людей посредством биохимических процессов.
Источники мышьяка
Мышьяноорганические соединения в природе
Были рассмотрены доказательства того, что мышьяк может быть полезным питательным веществом в следовых количествах ниже фона, которому обычно подвергаются живые организмы. Некоторые МЫШЬЯКОРГАНИЧЕСКОЕ соединения , встречающиеся в природе являются арсенобетаин и arsenocholine, как существо во многих морских организмов. Также известны некоторые As-содержащие нуклеозиды (производные сахаров). Некоторые из этих мышьякоорганических соединений возникают в результате процессов метилирования . Например, плесень Scopulariopsis brevicaulis продуцирует значительные количества триметиларсина, если присутствует неорганический мышьяк. Органическое соединение арсенобетаин содержится в некоторых морских продуктах, таких как рыба и водоросли, а также в грибах в больших концентрациях. В чистой окружающей среде съедобный вид грибов Cyanoboletus pulverulentus гипераккумулирует мышьяк в концентрациях, достигающих даже 1300 мг / кг в сухом весе; какодиловая кислота является основным соединением As. Очень необычный состав мышьяковоорганических соединений был обнаружен в трюфелях оленя ( Elaphomyces spp.). Средняя доза человека составляет около 10–50 мкг / день. Значения около 1000 мкг не являются необычными после употребления в пищу рыбы или грибов; однако есть небольшая опасность в употреблении в пищу рыбы, поскольку это соединение мышьяка почти нетоксично.
- Типичные органические соединения мышьяка, встречающиеся в природе.
Арсенобетаин , одно из самых распространенных соединений мышьяка в природе. Также распространен арсенохолин, в котором вместо CO 2 H есть CH 2 OH ).
Триметиларсин , продуцируемый микробным воздействием на пигменты , производные арсената.
Производные рибозы, содержащие мышьяк (R = несколько групп)
Актуальным источником мышьяка являются зеленые пигменты, когда-то популярные в обоях, например, Paris green . Это соединение обвиняют в различных заболеваниях, хотя его токсичность преувеличена.
Триметиларсин , когда-то известный как газ Гозио, представляет собой мышьякорганическое соединение с сильным зловонным запахом, которое обычно вырабатывается микробами на неорганических мышьяковистых субстратах.
Соединения мышьяка (V) легко восстанавливаются до мышьяка (III) и могли служить акцептором электронов на исконной Земле. Озера, содержащие значительное количество растворенного неорганического мышьяка, служат убежищем для устойчивой к мышьяку биоты .
Неправильные заявления о жизни на основе мышьяка (замещение фосфора)
Хотя фосфат и арсенат структурно похожи, нет никаких доказательств того, что мышьяк заменяет фосфор в ДНК или РНК . Эксперимент 2010 года с участием бактерии GFAJ-1, который сделал это утверждение, был опровергнут к 2012 году.
Антропогенные соединения мышьяка
Антропогенные (искусственные) источники мышьяка, как и природные источники, в основном представляют собой оксиды мышьяка и связанные с ними анионы. Искусственные источники мышьяка включают отходы переработки полезных ископаемых, свиноводческих и птицеводческих хозяйств. Например, многие руды, особенно сульфидные минералы , загрязнены мышьяком, который выделяется при обжиге (горении на воздухе). При такой обработке арсенид превращается в триоксид мышьяка , который летуч при высоких температурах и выбрасывается в атмосферу. Птицефабрики и свиноводства широко используют мышьяковоорганическое соединение роксарсон в качестве антибиотика в кормах. Некоторая древесина обрабатывается арсенатом меди в качестве консерванта. Механизмы воздействия этих источников на живые организмы «ниже по течению» остаются неясными, но, вероятно, разнообразны. Один из часто упоминаемых путей включает метилирование .
Монометилированная кислота, метаноароновая кислота (CH 3 AsO (OH) 2 ), является предшественником фунгицидов (торговое название Neoasozin) при выращивании риса и хлопка. Производные фениларсоновой кислоты (C 6 H 5 AsO (OH) 2 ) используются в качестве кормовых добавок для домашнего скота, включая 4-гидрокси-3-нитробензоловую кислоту (3-NHPAA или роксарсон), уреидофениларсоновую кислоту и пара -арсаниловую кислоту . Эти применения вызывают споры, поскольку они вводят растворимые формы мышьяка в окружающую среду.
Препараты на основе мышьяка
Несмотря на свою давно известную токсичность, а возможно, и благодаря ей, зелья и лекарства, содержащие мышьяк, имеют историю в медицине и шарлатанстве, которая продолжается и в 21 веке. Начиная с начала 19 века и вплоть до 20 века, раствор Фаулера , токсичная смесь арсенита натрия , продавался. Мышьякоорганическое соединение сальварсан было первым синтетическим химиотерапевтическим агентом , открытым Полем Эрлихом . Однако лечение привело ко многим проблемам, вызывающим длительные осложнения для здоровья. Примерно в 1943 году его окончательно вытеснил пенициллин . Родственный препарат Меларсопрол все еще используется против позднего африканского трипаносомоза (сонной болезни), несмотря на его высокую токсичность и, возможно, смертельные побочные эффекты.
Триоксид мышьяка (As 2 O 3 ) подавляет рост клеток и вызывает апоптоз (запрограммированную гибель клеток) в некоторых типах раковых клеток, которые обычно бессмертны и могут неограниченно размножаться. В сочетании с полностью транс-ретиноевой кислотой он одобрен FDA в качестве препарата первой линии для лечения промиелоцитарного лейкоза .
Метилирование мышьяка
Неорганический мышьяк и его соединения, попадая в пищевую цепь , постепенно метаболизируются (детоксифицируются) в процессе метилирования . Метилирование происходит посредством чередующихся реакций восстановительного и окислительного метилирования, то есть восстановления пятивалентного мышьяка до трехвалентного с последующим добавлением метильной группы (CH 3 ).
У млекопитающих метилирование происходит в печени метилтрансферазами , продуктами которых являются (CH 3 ) 2 AsOH ( диметиларсиновая кислота ) и (CH 3 ) 2 As (O) OH ( диметиларсиновая кислота ), которые имеют степень окисления As (III) и As (V) соответственно. Хотя механизм метилирования мышьяка у людей не выяснен, источником метила является метионин , что предполагает роль S-аденозилметионина . Воздействие токсичных доз начинается, когда способность печени к метилированию превышена или подавлена.
Есть две основные формы мышьяка, которые могут попадать в организм: мышьяк (III) и мышьяк (V). Мышьяк (III) проникает в клетки через аквапорины 7 и 9, которые являются разновидностью акваглицеропорина. Соединения мышьяка (V) используют переносчики фосфата для проникновения в клетки. Мышьяк (V) может быть преобразован в мышьяк (III) ферментом пуриновой нуклеозидфосфорилазой . Это классифицируется как стадия биоактивации, поскольку, хотя мышьяк (III) более токсичен, он более легко метилируется.
Существует два пути метилирования неорганических соединений мышьяка. Первый способ использует метилтрансферазу мышьяка Cyt19 для метилирования мышьяка (III) до монометилированного соединения мышьяка (V). Затем это соединение превращают в монометилированное соединение мышьяка (III) с использованием глутатион-S-трансферазы омега-1 ( GSTO1 ). Монометилированное соединение мышьяка (V) затем может быть снова метилировано метилтрансферазой мышьяка Cyt19, которая образует соединение диметил мышьяка (V), которое может быть преобразовано в соединение диметил мышьяка (III) с помощью глутатион S-трансферазы Омега-1 ( GTSO1). Другой путь использует глутатион (GSH) для конъюгирования с мышьяком (III) с образованием комплекса мышьяка (GS) 3 . Этот комплекс может образовывать монометилированный комплекс GS мышьяка (III) с использованием Cyt19 метилтрансферазы мышьяка, и этот монометилированный комплекс GS находится в равновесии с монометилированным мышьяком (III). Cyt19 метилтрансфераза мышьяка может метилировать комплекс еще раз, и это образует диметилированный комплекс GS мышьяка, который находится в равновесии с комплексом диметил мышьяка (III). И монометилированные, и диметилированные соединения мышьяка легко выводятся с мочой. Однако было показано, что монометилированное соединение более реактивно и более токсично, чем неорганические соединения мышьяка, для гепатоцитов человека (печень), кератиноцитов кожи и эпителиальных клеток бронхов (легкие).
Исследования на экспериментальных животных и людях показывают, что как неорганический мышьяк, так и метилированные метаболиты проникают через плаценту к плоду , однако есть свидетельства того, что метилирование усиливается во время беременности и может иметь высокую степень защиты для развивающегося организма.
Ферментативное метилирование мышьяка - это процесс детоксикации; он может быть метилирован до метиларсенита, диметиларсенита или триметиларсенита, все из которых являются трехвалентными. Метилирование у млекопитающих катализируется метилтрансферазой мышьяка (AS3MT), которая переносит метильную группу кофактора S-аденометионина (SAM) на мышьяк (III). Ортолог AS3MT обнаружен у бактерий и называется CmArsM. Этот фермент был протестирован в трех состояниях (без лиганда, связанный с мышьяком (III) и связанный с SAM). В сайтах связывания мышьяка (III) обычно используются тиоловые группы остатков цистеина. В катализе участвуют тиолаты Cys72, Cys174 и Cys224. В реакции SN2 положительный заряд на атоме серы SAM оттягивает связывающий электрон от углерода метильной группы, который взаимодействует с неподеленной парой мышьяка с образованием связи As-C, оставляя SAH.
Экскреция
У людей основной путь выведения большинства соединений мышьяка - с мочой . Биологический период полураспада неорганического мышьяка составляет около 4 дней, но после воздействия арсената он немного короче, чем после воздействия арсенита. Основными метаболитами, выделяемыми с мочой людей, подвергшихся воздействию неорганического мышьяка, являются моно- и диметилированная мышьяковая кислоты , а также некоторое количество неметаболизированного неорганического мышьяка.
Биотрансформация мышьяка для экскреции в основном осуществляется через ядерный фактор, связанный с эритроидным 2 фактором 2 ( Nrf2 ). В нормальных условиях Nrf2 связывается с Kelch-подобным ECH ассоциированным белком 1 ( Keap1 ) в неактивной форме. По мере поглощения мышьяка клетками и последующих реакций, которые приводят к производству активных форм кислорода (АФК), Nrf2 расщепляется и становится активным. Keap1 имеет реактивные тиоловые фрагменты, которые связывают ROS или электрофильные формы мышьяка, такие как монометиллированный мышьяк (III), и индуцирует высвобождение Nrf2, который затем перемещается через цитоплазму к ядру . Затем Nrf2 активирует антиоксидантный чувствительный элемент (ARE), а также электрофильный чувствительный элемент (EpRE), оба из которых способствуют увеличению антиоксидантных белков. Особо следует отметить, что среди этих антиоксидантных белков гемоксигеназа 1 ([HO-1]), NAD (P) H-хинон оксидоредуктаза 1 (NQO1) и γ-глутамилцистеинсинтаза (γGCS), которые работают вместе для уменьшения окислительных форм, таких как в виде перекиси водорода для уменьшения окислительного стресса в клетке. Повышение γGCS вызывает повышенную продукцию арсенит-триглутатионина (As (SG) 3 ), важного аддукта, который поглощается белком 1 или 2, ассоциированным с несколькими лекарственными средствами ( MRP1 или MRP2 ), который удаляет мышьяк из клетки в желчь для экскреция. Этот аддукт также может разлагаться обратно на неорганический мышьяк.
Особо следует отметить, что при экскреции мышьяка происходят множественные стадии метилирования , которые могут увеличивать токсичность мышьяка из-за того, что MMeAsIII является мощным ингибитором глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы, пируватдегидрогеназы и тиоредоксинредуктазы.
Токсичность мышьяка
Мышьяк является причиной смертности во всем мире; сопутствующие проблемы включают болезни сердца, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, печени, нервной системы и почек.
Мышьяк влияет на долголетие клеток за счет аллостерического ингибирования комплекса важнейшего метаболического фермента пируватдегидрогеназы (ПДГ), который катализирует окисление пирувата до ацетил-КоА под действием НАД + . При ингибировании фермента энергетическая система клетки нарушается, что приводит к эпизоду клеточного апоптоза . Биохимически мышьяк препятствует использованию тиамина, что приводит к клинической картине, напоминающей дефицит тиамина . Отравление мышьяком может повысить уровень лактата и привести к лактоацидозу .
Генотоксичность включает ингибирование репарации ДНК и метилирования ДНК. Канцерогенный эффект мышьяка возникает от окислительного стресса , вызванным мышьяком. Высокая токсичность мышьяка естественным образом привела к разработке различных соединений мышьяка в качестве химического оружия , например хлорида диметиларшьяка. Некоторые из них использовались в качестве боевых отравляющих веществ , особенно во время Первой мировой войны . Эта угроза привела к многочисленным исследованиям противоядий и расширению знаний о взаимодействии соединений мышьяка с живыми организмами. Одним из результатов была разработка антидотов, таких как британский анти-люизит . Многие такие антидоты используют сродство As (III) к тиолатным лигандам , которые превращают высокотоксичные органо-мышьяковые соединения в менее токсичные производные. Обычно считается, что арсенаты связываются с остатками цистеина в белках.
Напротив, оксид мышьяка является одобренным и эффективным химиотерапевтическим препаратом для лечения острого промиелоцитарного лейкоза (APL).
Токсичность пятивалентных мышьяков
Благодаря сходной структуре и свойствам пятивалентные метаболиты мышьяка способны заменять фосфатную группу многих метаболических путей. Замена фосфата арсенатом начинается, когда арсенат вступает в реакцию с глюкозой и глюконатом in vitro. Эта реакция генерирует глюкозо-6-арсенат и 6-арсеноглюконат, которые действуют как аналоги глюкозо-6-фосфата и 6-фосфоглюконата. На уровне субстрата во время гликолиза глюкозо-6-арсенат связывается в качестве субстрата с глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой, а также ингибирует гексокиназу посредством отрицательной обратной связи. В отличие от важности фосфата в гликолизе, присутствие арсената ограничивает образование АТФ за счет образования нестабильного ангидридного продукта в результате реакции с D-глицеральдегид-3-фосфатом. Образовавшийся ангидрид 1-арсенато-3-фосфо-D-глицерат легко гидролизуется из-за большей длины связи As-O по сравнению с PO. На митохондриальном уровне арсенат разъединяет синтез АТФ, связываясь с АДФ в присутствии сукцината , таким образом образуя нестабильное соединение, что в конечном итоге приводит к снижению чистого прироста АТФ. С другой стороны, метаболиты арсенита (III) имеют ограниченное влияние на выработку АТФ в красных кровяных тельцах.
Токсичность трехвалентных мышьяков
Ферменты и рецепторы, содержащие тиоловые или сульфгидрильные функциональные группы, активно нацелены на метаболиты арсенита (III). Эти серосодержащие соединения обычно представляют собой глутатион и аминокислоту цистеин. Производные арсенита обычно имеют более высокое сродство к связыванию по сравнению с метаболитами арсената. Эти связывания ограничивают активность определенных метаболических путей. Например, пируватдегидрогеназа (ПДГ) ингибируется, когда монометиларсоновая кислота (ММА III ) нацелена на тиольную группу кофактора липоевой кислоты. ПДГ является предшественником ацетил-КоА , поэтому ингибирование ПДГ в конечном итоге ограничивает продукцию АТФ в цепи переноса электронов , а также продукцию промежуточных продуктов глюконеогенеза .
Окислительный стресс
Мышьяк может вызывать окислительный стресс за счет образования активных форм кислорода (ROS) и активных форм азота (RNS). Активные формы кислорода производятся ферментом НАДФН-оксидазой , который переносит электроны от НАДФН к кислороду, синтезируя супероксид , который является реактивным свободным радикалом. Этот супероксид может реагировать с образованием перекиси водорода и активных форм кислорода. Фермент НАДФН-оксидаза способен генерировать более активные формы кислорода в присутствии мышьяка из-за субъединицы p22phax, которая отвечает за перенос электронов и регулируется мышьяком. Активные формы кислорода способны воздействовать на эндоплазматический ретикулум , что увеличивает количество сигналов ответа развернутого белка. Это приводит к воспалению, пролиферации клеток и, в конечном итоге, к их гибели. Другой механизм, при котором активные формы кислорода вызывают гибель клеток, - это перестройка цитоскелета , которая влияет на сократительные белки.
Активные формы азота возникают, когда активные формы кислорода разрушают митохондрии . Это приводит к образованию активных форм азота, которые ответственны за повреждение ДНК при отравлении мышьяком. Известно, что повреждение митохондрий вызывает высвобождение активных форм азота из-за реакции между супероксидами и оксидом азота (NO). Оксид азота (NO) является частью регуляции клеток, включая клеточный метаболизм , рост, деление и смерть. Оксид азота (NO) реагирует с активными формами кислорода с образованием пероксинитрита . В случаях хронического воздействия мышьяка уровни оксида азота истощаются из-за супероксидных реакций. Фермент NO-синтаза (NOS) использует L-аргинин для образования оксида азота, но этот фермент ингибируется монометилированными соединениями мышьяка (III).
Повреждение ДНК
Сообщается, что мышьяк вызывает модификации ДНК, такие как анеуплоидия , образование микроядер , хромосомные аномалии , делеционные мутации , обмен сестринскими хроматидами и сшивание ДНК с белками. Было продемонстрировано, что мышьяк не взаимодействует напрямую с ДНК и считается плохим мутагеном , но вместо этого он способствует мутагенности других канцерогенов . Например, синергетическое увеличение мутагенной активности мышьяка с УФ-светом наблюдалось в клетках человека и других млекопитающих после воздействия мышьяка на УФ-обработанные клетки. Серия экспериментальных наблюдений предполагает, что генотоксичность мышьяка в первую очередь связана с образованием активных форм кислорода (АФК) во время его биотрансформации. Производство ROS способно генерировать аддукты ДНК, разрывы цепей ДНК, сшивки и хромосомные аберрации. Окислительное повреждение вызывается модификацией азотистых оснований ДНК , в частности 8-оксогуанином (8-OHdG), что приводит к мутациям G: C в T: A. Неорганический мышьяк также может вызывать разрыв цепи ДНК даже при низких концентрациях.
Подавление репарации ДНК
Ингибирование процессов репарации ДНК считается одним из основных механизмов генотоксичности неорганического мышьяка. Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER) и эксцизионная репарация оснований (BER) - это процессы, участвующие в репарации повреждений оснований ДНК, вызванных ROS после воздействия мышьяка. В частности, механизм NER является основным путем восстановления объемных искажений в двойной спирали ДНК, в то время как механизм BER в основном участвует в восстановлении однонитевых разрывов, вызванных ROS, но неорганический мышьяк также может подавлять механизм BER.
Нейродегенеративные механизмы
Мышьяк очень вреден для врожденной и адаптивной иммунной системы организма. Когда количество развернутых и неправильно свернутых белков в стрессе эндоплазматического ретикулума чрезмерно, активируется ответ развернутого белка (UPR), чтобы увеличить активность нескольких рецепторов, которые отвечают за восстановление гомеостаза. Инозит-требующий фермент-1 (IRE1) и протеинкиназа РНК-подобная киназа эндоплазматического ретикулума (PERK) являются двумя рецепторами, ограничивающими скорость трансляции. С другой стороны, развернутые белки корректируются за счет продукции шаперонов , которые индуцируются активирующим фактором транскрипции 6 (ATF6). Если количество ошибочных белков увеличивается, активируется дополнительный механизм, запускающий апоптоз . Доказано, что мышьяк увеличивает активность этих белковых сенсоров.
Иммунная дисфункция
Воздействие мышьяка на маленьких детей искажает соотношение Т-хелперных клеток ( CD4 ) и цитотоксических Т-клеток ( CD8 ), которые ответственны за иммунодепрессию. Кроме того, мышьяк также увеличивает количество воспалительных молекул, секретируемых макрофагами . Избыточное количество гранулоцитов и моноцитов приводит к хроническому воспалению, которое может привести к развитию рака .
Лечение отравления мышьяком
Три молекулы служат хелатирующими агентами, связывающимися с мышьяком. Это британский анти-люизит (BAL, димеркапрол), сукцимер ( DMSA ) и унитиол ( DMPS ).
Когда эти агенты образуют хелат неорганического мышьяка, он превращается в органическую форму мышьяка, поскольку он связан с органическим хелатирующим агентом. В серы атомами тиоловых групп являются местом взаимодействия с мышьяком. Это связано с тем, что тиоловые группы являются нуклеофильными, а атомы мышьяка - электрофильными . После связывания с хелатирующим агентом молекулы могут выводиться из организма, и поэтому свободные неорганические атомы мышьяка удаляются из организма.
Могут использоваться и другие хелатирующие агенты, но они могут вызывать больше побочных эффектов, чем британский анти-люизит (BAL, димеркапрол), сукцимер ( DMSA ) и ( DMPS ). DMPS и DMSA также имеют более высокий терапевтический индекс, чем BAL.
Эти препараты эффективны при остром отравлении мышьяком, которое относится к мгновенным эффектам, вызванным отравлением мышьяком. Например, головные боли, рвота или потоотделение - некоторые из распространенных примеров мгновенного эффекта. Для сравнения, хронические ядовитые эффекты возникают позже, причем неожиданно, например, повреждение органов. Обычно предотвратить их появление уже поздно. Поэтому следует принимать меры сразу же при возникновении острых ядовитых эффектов.
Смотрите также
- Соединения мышьяка
- Экстремофил
- Геомикробиология
- Гипотетические типы биохимии
- Мышьякоорганическая химия