Biochemie arzenu - Arsenic biochemistry
Biochemie arsenu se týká biochemických procesů, které mohou využívat arsen nebo jeho sloučeniny, jako je arzeničnan . Arsen je v zemské kůře středně hojným prvkem , a přestože je mnoho sloučenin arsenu často považováno za vysoce toxické pro většinu života, biologicky se vyrábí široká škála organoarsenových sloučenin a různé organické a anorganické sloučeniny arsenu jsou metabolizovány mnoha organismy . Tento vzorec je obecný pro další související prvky, včetně selenu , které mohou vykazovat prospěšné i škodlivé účinky. Biochemie arsenu se stala aktuální, protože v některých zvodních vrstvách se nachází mnoho toxických sloučenin arsenu , které potenciálně postihují mnoho milionů lidí prostřednictvím biochemických procesů.
Zdroje arsenu
Organoarsenické sloučeniny v přírodě
Byl přezkoumán důkaz, že arsen může být prospěšnou živinou ve stopových hladinách pod pozadím, kterému jsou živé organismy běžně vystaveny. Některé organoarsenic sloučeniny nalezené v přírodě jsou arsenobetaine a arsenocholine, oba se nacházejí v mnoha mořských organismech. Jsou také známy některé nukleosidy obsahující As (deriváty cukru). Některé z těchto organoarsenických sloučenin vznikají methylačními procesy. Například forma Scopulariopsis brevicaulis produkuje významné množství trimethylarsinu, pokud je přítomen anorganický arsen. Organická sloučenina arsenobetain se nachází v některých mořských potravinách, jako jsou ryby a řasy, a také ve houbách ve větších koncentracích. V čistém prostředí jedlý druh houby Cyanoboletus pulverulentus hyperakumuluje arsen v koncentracích dosahujících dokonce 1 300 mg/kg suché hmotnosti; kyselina kakodylová je hlavní sloučeninou As. Velmi neobvyklé složení organoarsenických sloučenin bylo nalezeno u jeleních lanýžů ( Elaphomyces spp.). Průměrný příjem člověka je asi 10–50 µg/den. Hodnoty kolem 1 000 µg nejsou po konzumaci ryb nebo hub neobvyklé; při konzumaci ryb je však malé nebezpečí, protože tato sloučenina arsenu je téměř netoxická.
- Reprezentativní organoarsenické sloučeniny nacházející se v přírodě.
Arsenobetain , jedna z nejběžnějších sloučenin arsenu v přírodě. Častý je také arsenocholin, který má místo CO 2 H CH 2 OH ).
Trimethylarsine , produkovaný mikrobiální působení na arzeničnan odvodil pigmentů
Deriváty ribózy obsahující arsen (R = několik skupin)
Aktuálním zdrojem arsenu jsou zelené pigmenty, které byly kdysi populární v tapetách, např. Paris Green . Tato sloučenina byla obviňována z různých nemocí, i když její toxicita byla přehnaná.
Trimethylarsin , kdysi známý jako Gosiova plyn, je silně zapáchající organoarsenická sloučenina, která se běžně vyrábí mikrobiálním působením na anorganické substráty arsenu.
Sloučeniny arsenu (V) se snadno redukují na arsen (III) a mohly sloužit jako akceptor elektronů na prvotní Zemi. Jezera, která obsahují značné množství rozpuštěného anorganického arsenu, uchovávají biotu tolerantní k arsenu .
Nesprávná tvrzení o životě na bázi arsenu (náhrada fosforu)
Přestože jsou fosfáty a arzeničany strukturálně podobné, neexistuje žádný důkaz, že arsen nahrazuje fosfor v DNA nebo RNA . Experiment z roku 2010 zahrnující bakterie GFAJ-1, který učinil toto tvrzení, byl vyvrácen do roku 2012.
Antropogenní sloučeniny arsenu
Antropogenní (umělé) zdroje arsenu, stejně jako přírodní zdroje, jsou hlavně oxidy arsenu a související anionty. Mezi umělé zdroje arsenu patří odpady ze zpracování nerostů, chovů prasat a drůbeže. Například mnoho rud, zejména sulfidových minerálů , je kontaminováno arsenem, který se uvolňuje při pražení (hoření na vzduchu). Při takovém zpracování se arsenid převádí na oxid arsenitý , který je při vysokých teplotách těkavý a uvolňuje se do atmosféry. Chovy drůbeže a prasat hojně využívají organoarsenickou sloučeninu roxarsone jako antibiotikum v krmivech. Některé dřevo je ošetřeno arzenáty mědi jako konzervačním prostředkem. Mechanismy, kterými tyto zdroje ovlivňují „navazující“ živé organismy, zůstávají nejisté, ale jsou pravděpodobně různé. Jedna běžně uváděná cesta zahrnuje methylaci .
Monomethylovaná kyselina, kyselina methearsonová (CH 3 AsO (OH) 2 ), je prekurzorem fungicidů (obchodní název Neoasozin) při pěstování rýže a bavlny. Jako krmné přísady pro hospodářská zvířata se používají deriváty kyseliny fenylarsonové (C 6 H 5 AsO (OH) 2 ), včetně kyseliny 4-hydroxy-3-nitrobenzenearsonové (3-NHPAA nebo Roxarsone), kyseliny ureidofenylarsonové a kyseliny p- arsanilové . Tyto aplikace jsou kontroverzní, protože zavádějí rozpustné formy arsenu do životního prostředí.
Léky na bázi arsenu
Navzdory, nebo možná kvůli své dlouho známé toxicitě, lektvary a drogy obsahující arsen mají v medicíně a šarlatánství historii, která pokračuje až do 21. století. Počínaje počátkem 19. století a pokračováním do 20. století byl prodán Fowlerův roztok , toxický odvar arzenitu sodného . Organoarsenická sloučenina Salvarsan byla první syntetickou chemoterapeutickou látkou , kterou objevil Paul Ehrlich . Léčba však vedla k mnoha problémům, které způsobovaly dlouhodobé zdravotní komplikace. Kolem roku 1943 byl nakonec nahrazen penicilinem . Podobný lék Melarsoprol se stále používá proti pozdní africké trypanosomióze (spavé nemoci), a to navzdory své vysoké toxicitě a pravděpodobně smrtelným vedlejším účinkům.
Oxid arsenitý (As 2 O 3 ) inhibuje růst buněk a indukuje apoptózu (programovanou buněčnou smrt) u určitých typů rakovinných buněk, které jsou normálně nesmrtelné a mohou se množit bez omezení. V kombinaci s kyselinou all-trans retinovou je schválen FDA jako léčba první linie pro promyelocytickou leukémii .
Metylace arsenu
Anorganický arsen a jeho sloučeniny jsou při vstupu do potravinového řetězce postupně metabolizovány (detoxikovány) procesem methylace . Methylace se vyskytuje prostřednictvím střídavého redukčních a oxidačních reakcí, metylace, to znamená, že redukce pětimocného na trojmocný arsen následuje přidání methylové skupiny (CH 3 ).
U savců dochází k methylaci v játrech methyltransferázami , přičemž produkty jsou (CH 3 ) 2 AsOH ( dimethylarsinous acid ) a (CH 3 ) 2 As (O) OH ( dimethylarsinic acid ), které mají oxidační stavy As (III) a As (V). Ačkoli mechanismus methylace arsenu u lidí nebyl objasněn, zdrojem methylu je methionin , což naznačuje roli S-adenosyl methioninu . Expozice toxickým dávkám začíná, když je methylační kapacita jater překročena nebo inhibována.
Existují dvě hlavní formy arsenu, které mohou vstoupit do těla, arsen (III) a arsen (V). Arsen (III) vstupuje do buněk prostřednictvím aquaporinů 7 a 9, což je typ aquaglyceroporinu. Sloučeniny arsenu (V) používají transportéry fosfátů ke vstupu do buněk. Arsen (V) může být přeměněn na arsen (III) enzymem purin nukleosid fosforyláza . Toto je klasifikováno jako krok bioaktivace, protože ačkoli arsen (III) je toxičtější, je snadněji methylován.
Existují dva způsoby, kterými jsou methylovány anorganické sloučeniny arsenu. První cesta používá methyltransferázu Cyt19 arsen k metylaci arsenu (III) na sloučeninu mono-methylovaného arsenu (V). Tato sloučenina se poté převede na sloučeninu mono-methylovaného arsenu (III) za použití glutathion S-transferázy Omega-1 ( GSTO1 ). Monometylovanou sloučeninu arsenu (V) lze poté znovu metylovat pomocí Cyt19 arsenic methyltransferase, která tvoří sloučeninu dimethyl arsen (V), kterou lze převést na sloučeninu dimethyl arsen (III) pomocí Glutathion S-transferázy Omega-1 ( GTSO1). Druhá cesta používá glutathion (GSH) ke konjugaci s arsenem (III) za vzniku komplexu arsenu (GS) 3 . Tento komplex může za použití Cyt19 arsenic methyltransferase tvořit komplex monomethylovaného arsenu (III) GS a tento monomethylovaný komplex GS je v rovnováze s monomethylovaným arsenem (III). Cyt19 arsenová methyltransferasa může methylovat komplex ještě jednou, a tím se vytvoří komplex dimethylovaného arsenu GS, který je v rovnováze s komplexem dimethyl arsen (III). Monometylované i di-methylované sloučeniny arsenu lze snadno vyloučit močí. Ukázalo se však, že monomethylovaná sloučenina je reaktivnější a toxičtější než anorganické sloučeniny arsenu pro lidské hepatocyty (játra), keratinocyty v kůži a bronchiální epiteliální buňky (plíce).
Studie na experimentálních zvířatech a lidech ukazují, že jak anorganický arsen, tak methylované metabolity procházejí placentou k plodu , nicméně existují důkazy, že methylace je během těhotenství zvýšena a že by mohla být pro ochranný organismus vysoce ochranná.
Enzymatická methylace arsenu je detoxikační proces; může být methylován na methylarsenit, dimethylarsenit nebo trimethylarsenit, všechny jsou trojmocné. Methylace je u savců katalyzována methyltransferázou arsenu (AS3MT), která přenáší methylovou skupinu na kofaktoru S-adenomethioninu (SAM) na arsen (III). Ortolog AS3MT se nachází v bakteriích a nazývá se CmArsM. Tento enzym byl testován ve třech stavech (bez ligandu, vázaný na arsen (III) a vázaný na SAM). Vazebná místa arsenu (III) obvykle používají thiolové skupiny cysteinových zbytků. Katalýza zahrnuje thioláty Cys72, Cys174 a Cys224. Při reakci SN2 kladný náboj na atomu síry SAM táhne vazebný elektron z uhlíku methylové skupiny, který interaguje s párem osamoceného arsenu za vzniku vazby As -C a opouští SAH.
Vylučování
U lidí je hlavní cestou vylučování většiny sloučenin arsenu močí . Biologický poločas anorganického arsenu je asi 4 dny, ale je o něco kratší po expozici arzenátu než arsenitu. Hlavními metabolity vylučovanými močí lidí vystavených anorganickému arsenu jsou mono- a dimethylované kyseliny arsenové spolu s některým nemetabolizovaným anorganickým arsenem.
Biotransformace arsenu pro vylučování se primárně provádí cestou jaderného faktoru erythroid 2 souvisejícího faktoru 2 ( Nrf2 ). Za normálních podmínek je Nrf2 vázán na Kelch-like ECH asociovaný protein 1 ( Keap1 ) v jeho neaktivní formě. S příjmem arsenu v buňkách a následnými reakcemi, které vedou k produkci reaktivních forem kyslíku (ROS), se Nrf2 uvolňuje a stává se aktivním. Keap1 má reaktivní thiolové skupiny, které vážou ROS nebo elektrofilní druhy arsenu, jako je monomethylovaný arsen (III), a indukuje uvolňování Nrf2, který pak putuje cytoplazmou do jádra . Nrf2 pak aktivuje element reagující na antioxidanty (ARE) a také elektrofilní reagující prvek (EpRE), které přispívají ke zvýšení antioxidačních proteinů. V těchto antioxidačních proteinech je zvláště důležitá hemová oxygenáza 1 ([HO-1], NAD (P) H-chinon oxidoreduktáza 1 (NQO1) a γ-glutamylcystein syntáza (γGCS), které fungují ve spojení s redukcí oxidačních druhů, jako je jako peroxid vodíku ke snížení oxidačního stresu na buňku. Zvýšení γGCS způsobuje zvýšenou produkci arsenite triglutathionine (As (SG), 3 ) významným adukt, který se vyjme buď léčivům protein spojený 1 nebo 2 ( MRP1 nebo MRP2 ), který odstraňuje arzen z buňky a do žluči za vylučování. Tento adukt se také může rozložit zpět na anorganický arsen.
Zvláště důležité při vylučování arsenu je několik methylačních kroků, které probíhají a které mohou zvýšit toxicitu arsenu v důsledku toho, že MMeAsIII je silným inhibitorem glutathionperoxidázy, glutathionreduktázy, pyruvátdehydrogenázy a thioredoxin reduktázy.
Toxicita arsenu
Arsen je příčinou smrtelnosti po celém světě; související problémy zahrnují srdeční, respirační, gastrointestinální, jaterní, nervová a ledvinová onemocnění.
Arsen zasahuje do buněčné dlouhověkosti alosterickou inhibicí komplexu esenciálního metabolického enzymu pyruvát dehydrogenázy (PDH), který katalyzuje oxidaci pyruvátu na acetyl-CoA pomocí NAD + . Když je enzym inhibován, energetický systém buňky je narušen, což má za následek epizodu buněčné apoptózy . Biochemicky arsen brání použití thiaminu, což má za následek klinický obraz připomínající nedostatek thiaminu . Otrava arsenem může zvýšit hladinu laktátu a vést k laktátové acidóze .
Genotoxicita zahrnuje inhibici opravy DNA a methylace DNA. Karcinogenní účinek arsenu vyplývá z oxidačního stresu vyvolaného arzenu. Vysoká toxicita arsenu přirozeně vedla k vývoji různých sloučenin arsenu jako chemických zbraní , např. Dimethylarsenicchloridu. Někteří byli zaměstnáni jako chemičtí váleční agenti , zejména v první světové válce . Tato hrozba vedla k mnoha studiím o protijedech a rozšířeným znalostem o interakci sloučenin arsenu s živými organismy. Jedním z výsledků byl vývoj protilátek, jako je britský anti-Lewisit . Mnoho takových protilátek využívá afinitu As (III) k thiolátovým ligandům , které převádějí vysoce toxické organoarenické látky na méně toxické deriváty. Obecně se předpokládá, že arzenáty se váží na cysteinové zbytky v proteinech.
Oxid arsenitý je naopak schváleným a účinným chemoterapeutickým léčivem pro léčbu akutní promyelocytické leukémie (APL).
Toxicita pětimocných arzenálů
Díky své podobné struktuře a vlastnostem jsou pětimocné metabolity arsenu schopné nahradit fosfátovou skupinu mnoha metabolických cest. Nahrazení fosfátu arsenátem se zahájí, když arsenát reaguje in vitro s glukózou a glukonátem. Tato reakce vytváří glukózo-6-arsenát a 6-arsenoglukonát, které působí jako analogy pro glukózo-6-fosfát a 6-fosfoglukonát. Na úrovni substrátu se během glykolýzy glukóza-6-arsenát váže jako substrát na glukóza-6-fosfát dehydrogenázu a také inhibuje hexokinázu prostřednictvím negativní zpětné vazby. Na rozdíl od důležitosti fosfátu v glykolýze přítomnost arzenátu omezuje tvorbu ATP tvorbou nestabilního anhydridového produktu reakcí s D-glyceraldehyd-3-fosfátem. Vytvořený anhydrid 1-arsenato-3-fosfo-D-glycerát snadno hydrolyzuje v důsledku delší délky vazby As-O ve srovnání s PO. Na mitochondriální úrovni arzenát rozpojuje syntézu ATP vazbou na ADP v přítomnosti sukcinátu , čímž vzniká nestabilní sloučenina, která v konečném důsledku vede ke snížení čistého zisku ATP. Metabolity arsenitu (III) mají naopak omezený účinek na produkci ATP v červených krvinkách.
Toxicita trojmocných arzenik
Enzymy a receptory, které obsahují funkční skupiny thiolu nebo sulfhydrylu, jsou aktivně zaměřeny metabolity arsenitu (III). Tyto sloučeniny obsahující síru jsou obvykle glutathion a aminokyselina cystein. Deriváty arsenitu mají obecně vyšší vazebnou afinitu ve srovnání s metabolity arsenátu. Tato vázání omezují aktivitu určitých metabolických cest. Například pyruvátdehydrogenáza (PDH) je inhibována, když se kyselina monomethylarsonová (MMA III ) zaměřuje na thiolovou skupinu kofaktoru kyseliny lipoové. PDH je prekurzorem acetyl-CoA , takže inhibice PDH nakonec omezuje produkci ATP v elektronovém transportním řetězci , stejně jako produkci meziproduktů glukoneogeneze .
Oxidační stres
Arsen může způsobit oxidační stres tvorbou reaktivních forem kyslíku (ROS) a reaktivních druhů dusíku (RNS). Reaktivní druhy kyslíku jsou produkovány enzymem NADPH oxidázou , který přenáší elektrony z NADPH na kyslík, přičemž syntetizuje superoxid , což je reaktivní volný radikál. Tento superoxid může reagovat za vzniku peroxidu vodíku a reaktivních forem kyslíku. Enzym NADPH oxidáza je schopen generovat více reaktivních druhů kyslíku v přítomnosti arsenu, protože podjednotka p22phax, která je zodpovědná za přenos elektronů, je upregulována arsenem. Reaktivní druhy kyslíku jsou schopné stresovat endoplazmatické retikulum , což zvyšuje množství signálů reakce rozvinutého proteinu. To vede k zánětu, proliferaci buněk a nakonec k buněčné smrti. Další mechanismus, ve kterém reaktivní druhy kyslíku způsobují buněčnou smrt, by byl přesmyk cytoskeletu , který ovlivňuje kontraktilní proteiny.
Reaktivní druhy dusíku vznikají, jakmile reaktivní druhy kyslíku zničí mitochondrie . To vede k tvorbě reaktivních druhů dusíku, které jsou zodpovědné za poškození DNA při otravě arsenem. Je známo, že mitochondriální poškození způsobuje uvolňování reaktivních druhů dusíku v důsledku reakce mezi superoxidy a oxidem dusnatým (NO). Oxid dusnatý (NO) je součástí buněčné regulace, včetně buněčného metabolismu , růstu, dělení a smrti. Oxid dusnatý (NO) reaguje s reaktivními druhy kyslíku za vzniku peroxynitritu . V případech chronické expozice arsenu jsou hladiny oxidu dusnatého vyčerpány v důsledku superoxidových reakcí. Enzym NO synthase (NOS) používá L-arginin k tvorbě oxidu dusnatého, ale tento enzym je inhibován monomethylovanými sloučeninami arsenu (III).
Poškození DNA
Uvádí se, že arsen způsobuje modifikace DNA, jako je aneuploidie , tvorba mikrojader , chromozomální abnormalita , deleční mutace , výměna sesterských chromatidů a zesíťování DNA s proteiny. Bylo prokázáno, že arsen neinteraguje přímo s DNA a je považován za špatný mutagen , ale místo toho pomáhá mutagenitě jiných karcinogenů . Například bylo pozorováno synergické zvýšení mutagenní aktivity arsenu s UV světlem v lidských a jiných savčích buňkách po vystavení buněk ošetřených UV zářením arzenu. Řada experimentálních pozorování naznačuje, že genotoxicita arsenu je primárně spojena s tvorbou reaktivních druhů kyslíku (ROS) během jeho biotransformace. Produkce ROS je schopna generovat DNA adukty , přerušení řetězců DNA, křížové vazby a chromozomální aberace. Oxidační poškození je způsobeno modifikací nukleobáz DNA , zejména 8-oxoguaninu (8-OHdG), což vede k mutacím G: C až T: A. Anorganický arsen může také způsobit přerušení řetězce DNA i při nízkých koncentracích.
Inhibice opravy DNA
Inhibice procesů opravy DNA je považována za jeden z hlavních mechanismů genotoxicity anorganického arsenu. Oprava excize nukleotidů (NER) a oprava excize bází (BER) jsou procesy, které se podílejí na opravě poškození báze DNA vyvolané ROS po expozici arzenu. Zejména mechanismus NER je hlavní cestou k opravě objemných zkreslení dvojité šroubovice DNA, zatímco mechanismus BER se podílí hlavně na opravách zlomů jednoho vlákna indukovaných ROS, ale anorganický arsen může také potlačit mechanismus BER.
Neurodegenerativní mechanismy
Arsen je velmi škodlivý pro vrozený a adaptivní imunitní systém těla. Když je množství nesložených a špatně složených proteinů při stresu endoplazmatického retikula nadměrné, aktivuje se reakce rozvinutého proteinu (UPR), aby se zvýšila aktivita několika receptorů, které jsou zodpovědné za obnovu homeostázy. Inositol-vyžadující enzym-1 (IRE1) a protein kináza RNA-endoplazmatická retikulum kináza (PERK) jsou dva receptory, které omezují rychlost translace. Na druhé straně jsou rozvinuté proteiny korigovány produkcí chaperonů , které jsou indukovány aktivačním transkripčním faktorem 6 (ATF6). Pokud se počet chybných proteinů zvýší, je aktivní další mechanismus, který spouští apoptózu . Arsen evidentně prokázal zvýšení aktivity těchto proteinových senzorů.
Imunitní dysfunkce
Expozice arsenu u malých dětí narušuje poměr pomocných buněk T ( CD4 ) k cytotoxickým T buňkám ( CD8 ), které jsou zodpovědné za imunodepresi. Kromě toho arsen také zvyšuje počet zánětlivých molekul vylučovaných makrofágy . Nadměrné množství granulocytů a monocytů vede k chronickému stavu zánětu, který může vést k rozvoji rakoviny .
Léčba otravy arsenem
Existují tři molekuly, které slouží jako chelatační činidla, která se vážou na arsen. Tito tři jsou britský anti-Lewisite (BAL, Dimercaprol), sukcimer ( DMSA ) a unithiol ( DMPS ).
Když tato činidla chelatují anorganický arsen, přemění se na organickou formu arsenu, protože je vázán na organické chelatační činidlo. Tyto síry atomy thiolových skupin jsou místem interakce s arsenu. Důvodem je, že thiolové skupiny jsou nukleofilní, zatímco atomy arsenu jsou elektrofilní . Po navázání na chelatační činidlo mohou být molekuly vyloučeny, a proto jsou z těla odstraněny volné anorganické atomy arsenu.
Lze použít i jiná chelatační činidla, ale mohou způsobit více nežádoucích účinků než britský anti-Lewisit (BAL, Dimercaprol), sukcimer ( DMSA ) a ( DMPS ). DMPS a DMSA mají také vyšší terapeutický index než BAL.
Tyto léky jsou účinné při akutní otravě arsenem, což se týká okamžitých účinků způsobených otravou arsenem. Například bolesti hlavy, zvracení nebo pocení jsou některé z běžných příkladů okamžitého účinku. Pro srovnání, chronické jedovaté účinky vznikají později a neočekávaně jako poškození orgánů. Obvykle je příliš pozdě jim zabránit, jakmile se objeví. Proto by měla být přijata opatření, jakmile se objeví akutní jedovaté účinky.