Prof. zw. dr hab. Bogumił Brzeziński

Poznań, 20.06.2011

Izabela Borowicz

Monenzyna A antybiotyk jonoforowy transportujący jony przez błonę komórkową.

Ionophore antibiotic monensin A transporting ions across the cell membrane.

Projekt licencjacki przedstawiony Komisji Egzaminacyjnej

Wydziału Chemii

im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

celem uzyskania tytułu licencjata.

Poznań 2011

Błona komórkowa

Błony komórkowe to struktury charakterystyczne dla wszystkich komórek. Są one zamkniętymi obszarami wokół cytoplazmy, zbudowanymi z lipidów i białek. Błonę komórkową charakteryzuje przepuszczalność uwarunkowana istnieniem kanałów i pomp dla jonów i substancji oraz występowaniem receptorów dla odbioru sygnałów. Model błony przedstawiono jako model płynnej mozaiki lipidów w postaci dwumolekularnej warstwy, w której znajdują się białka penetrujące. Wśród lipidów błonowych można wyróżnić: fosfolipidy ( fosfoglicerydy, sfingomieliny), glikosfingolipidy (cerebrozydy, glebozydy, gangliozydy), sterole (cholesterol)

Rysunek 1. Cholesterol

Rysunek 2. Sfingomielina

Błony są niesymetrycznymi zamkniętymi strukturami warstwowymi, mającymi powierzchnie zewnętrzną i wewnętrzną. Asymetria związana jest z różnicą składu lipidów w tych warstwach. Składniki lipidowe błon są amfifilowe. Mają polarne „główki” i niepolarne „ogony”.

W warstwy błony wbudowane są białka, które tworzą kanały dla ruchu jonów i małych cząsteczek, a także przenośniki większych molekuł. Fosfolipidy tworzą kanały, w których hydrofilowe rejony skierowane są na zewnątrz równocześnie połączone są przez hydrofobowe wnętrze dwuwarstwy.

Transport przez błony.

Cząsteczki mogą swobodnie przedostawać się przez błony, dzięki rozpuszczaniu się w dwuwarstwie lipidowej.

Transport podzielić można na bierny i aktywny. Podział ten uwarunkowany jest kierunkiem transportu oraz niezbędnością energii chemicznej.

Transport bierny

Transport bierny – dyfuzja przez błony – zachodzi jako: dyfuzja prosta lub ułatwiona.

Dyfuzja prosta

Dyfuzja cząsteczek może odbywać się na zasadzie bezpośredniego przenikania substancji przez błonę oraz przez transport przez specjalne białka błonowe – kanały. Przez błony mogą dyfundować cząsteczki obojętne – woda, obojętne gazy oddechowe i związki lipofilowe. Cząsteczki naładowane – jony – nie mogą być transportowane w dowolnych miejscach hydrofobowej błony, przechodzą one przez specyficzne kanały.

Dyfuzja ułatwiona

Ułatwiona dyfuzja to zjawisko, w którym cząsteczki samodzielnie nie mogą przenikać przez błonę. Zjawisko wykorzystuje białka transportujące i wykazuje swoistość dla jonów, węglowodorów i aminokwasów. Dyfuzja ta dotyczy cząsteczek rozpuszczonych, dyfundujących zgodnie z gradientem stężeń.

Rysunek 4. Transport przez błony: a) dyfuzja prosta b) dyfuzja ułatwiona

Transport aktywny

W transporcie aktywnym potrzebne jest dostarczenie energii. Spowodowane jest to przenoszeniem cząsteczek niezgodnie z gradientem stężeń. Źródłem energii może być: hydroliza ATP, ruch elektronów lub światło.

Transport aktywny napędzany przez ATP

Energia wykorzystywana do transportu jonów pochodzi z hydrolizy ATP. Transport odbywa się przy pomocy pomp lub ATP-azy. ATP oraz substancje przenoszone, np. jony, wiązane są w wyjściowym stanie konformacyjnym pompy. ATP ulega rozszczepieniu, pozwala to na odłączeniu przenoszonej cząsteczki. Jon zostaje uwolniony, a pompa powraca do pierwotnego stanu konformacyjnego.

Rysunek 5. Transport aktywny napędzany przez ATP

Transport aktywny napędzany przez jony

Energia potrzebna do transportu jonów może pochodzić również z przemieszczania innych jonów np. Na⁺ oraz H⁺. Do przemieszczania wykorzystuje się energię wytworzoną w wyniku przepływu jonów w dół gradientu stężenia. Wyróżniamy dwa rodzaje transportu: symport i antysport.^1,2

Antybiotyki jonoforowe

Niektóre mikroorganizmy mogą wytwarzać związki, pod wpływem których błony stają się przepuszczalne dla określonych jonów. Te małe cząsteczki, zwane antybiotykami jonoforowymi funkcjonują na zasadzie ruchu posuwisto-zwrotnego w celu transportowania jonów przez błonę. W swojej budowie jonofory posiadają centra hydrofilowe, które wiążą określone jony. Centra otoczone są przez rejony hydrofobowe. Struktura ta pozwala cząsteczkom dobrze rozpuszczać się w błonach i dyfundować przez nie. Działają one jako przenośniki, albo jako elementy tworzące kanał. Jako przenośniki wiążą jon po jednej stronie przenoszą go na drugą stronę.^1,11

Rysunek 6. Mechanizm działania jonoforów. Jonofor (oznaczony kolorem zielony) kompleksuje kation metalu (czerwony) i przenosi na drugą stronę.

Monenzyna jako przykład karboksylowego antybiotyku jonoforowego.

Monenzyna A jest znanym naturalnym, polieterowym antybiotykiem jonoforowym, zdolnym do transportu jednowartościowych kationów metali przez błony lipidowe, tworząc z jonami pseudo-makrocykliczne kompleksy. Należy więc do grupy cząsteczek wysoko bioaktywnych.^6,11

Rysunek 7. Struktura monenzyny A

Związki należące do tej grupy mają podobną strukturę, najczęściej cykliczną i składają się podstawowego szkieletu do którego najczęściej przyłączane są pierścienie: trzy pierścienie tetrahydrofuranowe, dwa pierścienie tertahydopiranowe. W skład monenzyny wchodzą, także trzy grupy hydroksylowe oraz grupa karboksylowa. Związki te najczęściej różnią się liczbą grup metylowych. Wśród związków monenzyny najczęściej występuje monenzyna A.¹²

Transport kationów przez błony komórkowe za pomocą antybiotyków jonoforowych - monenzyny A

Monenzyna A tworzy kompleksy w wyniku wiązania jednowartościowych kationów metali. Powstaje pseudo-cykliczna struktura stabilizowana przez wiązania wodorowe. Wiązania wodorowe tworzą się między grupą karboksylową, a dwoma grupami hydroksylowymi.

Kationy metalu wiązane są w hydrofilowej wnęce. Kation zostaje osłonięty od środowiska zewnętrznego i pozostaje w wewnętrznej jamie zachowując sześciokrotną koordynację z atomami tlenu. Kompleks łatwo pokonuje barierę błony dzięki swojej rozpuszczalności w hydrofobowych rozpuszczalnikach i obojętności elektrycznej.^4,5,7,11

Pochodne oraz toksyczność monenzyny A

Właściwości monenzyny sprawiły, że stała się ona obiektem zainteresowania chemicznych modyfikacji. W zależności od miejsca modyfikacji pochodne wykazują różnice w stosunku do struktury macierzystej. Pochodne te różnią się selektywnością kompleksowania kationów, strukturą tworzących się kompleksów, toksycznością i aktywnością biologiczną. Pośród otrzymanych pochodnych monenzyny najczęściej spotykamy estry, amidy, uretany.¹²

Rysunek 8. Struktura wybranych pochodnych monenzyny A

Pomimo wielu interesujących i użytecznych efektów stosowania monenzyny A jej wykorzystanie jest ograniczone, ze względu na wiele skutków ubocznych. Toksyczność jonoforu związana jest z zakłóceniami w transporcie jonów jednowartościowych. Prowadzi to do nieprawidłowego funkcjonowania błony komórkowej, co w konsekwencji prowadzi do śmierci komórki.^10,11,13 Prowadzone liczne badania oraz modyfikacje nad strukturą monenzyny A powodują obniżenie toksyczności jonoforu.

Podsumowanie

W pracy zostały przedstawione również substancje wspomagające transport – antybiotyki jonoforowe. Pokrótce przedstawiono ich historię, podział i ogólny mechanizm. Działanie antybiotyków jonoforowych zostało dokładniej przedstawione na przykładzie monenzyny A.

Monenzyna A jest przykładem naturalnego, karboksylowego antybiotyku jonoforowego. Jonofor transportuje jednowartościowe kationy metali przez błony komórkowe. Tworząc pseudo-makrocykliczne kompleksy, które zostają przenoszone na drugą stronę błony.

Pomimo wielu zastosowań monenzyna jest substancja toksyczną dla organizmu. Jej liczne modyfikacje oraz tworzenie nowych pochodnych obniża ryzyko jej stosowania.

Bibliografia

1. Murray R. K., Granner D. K., Mayes P. A., Rodwell V. W. Biochemia Harpera. Warszawa : Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 1995. ISBN 83-200-1798-X.

2. L., Stryer. Biochemia. Warszawa : Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003.

3. Brzeziński B., Huczyński A., Łowicki D.,Stefańska J. Syntheses, structural and antimicrobial studies of a new N-allylamide of monensin A and its complexes with monovalent metal cations. Tetrahedron. 36, September 2009, Vol. 65, pp. 7730-7740 .

4. Huczyński, A., Ratajczak-Sitarz, M., Katrusiak, A., Brzezinski, B. Molecular structure of rubidium six-coordinated dihydrate complex with monensin A. Journal of Molecular Structure. 1-3, October 2008, Vol. 888, pp. 224-229 .

5. Huczyński A., Łowicki D., Brzezinski, Bartl F. Spectroscopic, mass spectrometry, and semiempirical investigations of a new 2-(2-methoxyethoxy)ethyl ester of Monensin A and its complexes with monovalent cations. Journal of Molecular Structure. 1-3, 2008, Vol. 879, pp. 14-24 .

6. Huczyński A., Brzezinski B., Bartl F. Structures of complexes of benzyl and allyl esters of monensin A with Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ cations studied by ESI-MS and PM5 methods. Journal of Molecular Structure. 1-3, 2008, Vol. 886, pp. 9-16.

7. Huczyński A., Stefańska J., Przybylski P., Brzezinski B., Bartl F. Synthesis and antimicrobial properties of Monensin A esters. Bioorganic and Medicinal Chemistry Letters. 8, 2008, Vol. 18, pp. 2585-2589 .

8. Schroeder, Grzegorz. Syntetyczne receptory jonowe. Poznań : „BETAGRAF”P.U.H. Poznań, 2009, pp. 4-6.

9. Janczak J., Huczyński A., Brzezinski B. Crystal structure and FT-IR study of aqualithium 1-naphthylmethyl ester. Journal of Molecular Structure. 1, 2011, Vol. 985, pp. 70-74.

10. Dorne J.L.C.M., Fernández-Cruz M.L., Bertelsen U., Renshaw D.W., Peltonen K., Anadon A., Feil A., Sanders P., Wester P., Fink-Gremmels, J. Risk assessment of coccidostatics during feed cross-contamination: Animal and human health aspects. Toxicology and Applied Pharmacology. 2010.

11. Pantcheva IN, Dorkov P, Atanasov VN, Mitewa M, Shivachev BL, Nikolova RP, Mayer-Figge H, Sheldrick WS. Crystal structure and properties of the copper(II) complex of sodium monensin A. Journal of Inorganic Biochemistry. 10, 2009, Vol. 103, pp. 1419–1424.

12. Stefańska J., Huczyński A. Biologiczne właściwości monenzyny A. Biuletyn Wydziału Farmaceutycznego Warszawskiego Uniwersytu Medycznego. 2, 2008, pp. 12-18.

13. Radko L., Cybulski W., Wessely-Szponder J.,Rzeski W. Badania cytotoksyczności monenzyny i narazyny w hodowli linii ciągłej hepatocytów szczura. Medycyna Wet. 2006, Vol. 62, 7, pp. 834-836.