Действие тяжелых металлов на микробные клетки

МЕХАНИЗМЫМЕТАЛЛ-УСТОЙЧИВОСТИ У БАКТЕРИЙ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРИРОДНЫХ И МОДЕЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Действие тяжелых металлов на микробные клетки

Тяжелые металлы (ТМ) играют двойственную роль в процессах жизнедеятельности микроорганизмов. Некоторые из них являются жизненно необходимыми в «следовых» количествах. Mo, Fe, Cu, Mn, Zn, Ni и Со участвуют в каталитическом ускорении биохимических процессов. Они могут служить кофакторами или входить в состав таких ферментов, как нитрогеназы, супероксиддисмутазы, дегидрогеназы, цитохромоксидазы, уреаза (Ehrlich, 1997; Nies, 1999). Ионы Zn²⁺ стабилизируют структуру ДНК и протеинов клеточной стенки бактерий, так как обладают окислительно-восстановительной стабильностью при определенных значениях рН и Eh, характерных для биологических сред (Nies, 1999). Значительное количество эубактерий к архе-бактеркй способны использовать ионы некоторых металлов (Fe, Mn, Cr) и металлоидов (As) в качестве доноров или акцепторов электронов в энергетическом метаболизме (Ehrlich, 1997). Си и Ni также вовлекаются в бактериальных клетках в окислительно-восстановительные процессы(Nies, 1999).

К металлам, не выполняющим никаких биологических функций, относятся Cd, Pb, Sn, Hg и Ag (Bruins, 2000)

При высоких концентрациях все ТМ — и те, которые относятся к необходимым, и те, которые не имеют биологической значимости, за счет способности к комплексообразованию являются токсичными по отношению к микробам и другим организмам (Gadd, 1990). Токсичность проявляется в изменении конформационных структур нуклеиновых кислот и протеинов, нарушении процессов окислительного фосфорилировиния и поддержания осмотического баланса (Nies, 1999). Ионы Cd²⁺, Hg²⁺, Ag⁺ имеют тенденцию соединяться внутри клетки с сульфгидрильными группами, ингибируя активность чувствительных энзимов. Катионы некоторых металлов могут замещать физиологически значимые ионы в биомолекулах, тем самым, нарушая выполняемые ими функции. Ионы Ni ⁺ и Со ⁺ могут вытеснять ионы Fe²⁺, Zn²⁺ - Mg²⁺, Cd²⁺ и Zn²⁺ - ионы Са²⁺ (Nies, 1999). Кислородсодержащие анионы некоторых ТМ и металлоидов могут вмешиваться в метаболизм структурно сходных анионов таких жизненно важных элементов, как S и Р. Например, хромат-ион может влиять на метаболизм сульфат-иона, арсенат - на метаболизм фосфата(Nies, 1999).

Чтобы вызвать физиологический или токсический эффект большинство ТМ должно попасть внутрь микробной клетки. У микроорганизмов существует два основных типа транспортных систем для ионов ТМ. Один - быстрый, неспецифиче­ский, который экспрессируется конститутивно и управляется хемоосмотическим градиентом через цитоплазматическую мембрану бактерий (Sar, 1998; Hao,1999; Nies, 1999) Второй тип транспортных систем относится к высоко субстрат-специфичным. Это медленный транспорт, часто требующий расходования АТФ как энергетического ресур­са в дополнение к хемоосмотическому градиенту. Этот «энергетически дорогой» тип транспортных систем является индуцируемым и используется клеткой при опреде­ленных метаболических состояниях, например, в состоянии голода (Nies, 1995; Hao,1999)

Очевидно, что существование систем быстрого транспорта ионов по градиенту концентрации является важным фактором, способствующим проявлению ток­сичности ТМ. Когда клетки подвергаются действию высоких концентраций ТМ, способных аккумулироваться через неспецифические транспортные системы, «проход» в цитоплазму может оставаться открытым, даже при «токсикологически опасных» концентрациях металлов в цитоплазме, так как этот процесс является конститутивным (Nies, 1999).

По мнению некоторых авторов, потенциал токсичности ионов металлов, связанный с существованием «открытого прохода» для них внутрь клетки, заставил жизнь на ранних стадиях эволюции развить факторы поддержания гомеостаза для ионов ТМ и генетические детерминанты металл-устойчивости. Металл-резистентные системы могли появиться вскоре после начала прокариотической жизни и быть представлены почти во всех бактериальных типах. (Nies, 1999; Bruins, 2000)

Так как ионы тяжелых металлов не могут подвергаться деградации или суще­ственной модификации подобно токсическим органическим соединениям, у микроорганизмов получили распространение механизмы металл-резистентности, основанные на активном выведении из клетки ионов токсичных металлов, блокирова­нии систем транспорта, связывании ионов внутри и вне клетки с помощью продуктов метаболизма (Gadd, 1990). Микроорганизмы могут иметь один или комбинацию нескольких различных механизмов металл-устойчивости (Silver, 1996; Bruins, 2000). Селективное давление металл-содержащей среды определило развитие систем резистентности фактически ко всем токсичным металлам (Rocsh, 1995).