Niektóre mikroorganizmy mogą wytwarzać związki, pod wpływem których błony stają się przepuszczalne dla określonych jonów. Te małe, hydrofobowe cząsteczki, zwane antybiotykami jonoforowymi funkcjonują na zasadzie ruchu posuwisto-zwrotnego w celu transportowania jonów przez błonę.1,2 Związki te skłonne są do wiązania różnych cząsteczek lub jonów w aktywnych częściach swojej struktury na zasadzie kompleksów typu gość – gospodarz. Zdolność do wiązania z receptorem uwarunkowana jest powinowactwem i aktywnością wewnętrzną. Zdolność reagowania zależy od stopnia dopasowania struktury cząsteczki związku (gościa) oraz miejsc przyłączających receptor (gospodarza).3 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, akceptory, cząsteczki gospodarza albo jako elementy tworzące kanał dla jonów Na+, K+ czy Ca2+. Jako przenośniki wiążą jon po jednej stronie przenoszą go na drugą stronę.1,2,3
Powinowactwo antybiotyków jonoforowych w stosunku do kationów litowców i berylowców może być rezultatem zarówno ich trójwymiarowej struktury, jak również różnicy energii desolwatacji i kompleksowania. Czynnikami wpływającymi na selektywność jonoforów są w szczególności:
polarność wnęki,
lipofilowość powierzchni,
wiązania wodorowe utrzymujące strukturę,
oddziaływania jon – dipol
Istotną rolę w procesie selektywnego rozpoznania molekularnego odgrywa także pH środowiska, siła jonowa oraz rodzaj rozpuszczalnika.4,5
Mechanizm działania jonoforów typu przenośników polega na związaniu koordynacyjnym jonu metalu z kilkoma atomami tlenu, które otaczają wnękę. Centralnie umieszczone atomy tlenu oraz grupy węglowodorowe, umieszczone na obwodzie przenośnika, pełnią istotną rolę. Antybiotyk jonoforowy wiąże jon poprzez chelatowanie z atomami tlenu w swojej centralnej przestrzeni. Tworzy się kompleks jon-przenośnik (gość – gospodarz), rozpuszczalny w lipidowym wnętrzu błony. Umożliwia to przepływ jonów przez błonę.6
Jonofory, jak dotąd, nie są grupą związków, która posada jednolity system klasyfikacji. Najprościej antybiotyki jonoforowe podzielić można na syntetyczne i naturalne.
Schemat 1. Podział jonoforów
W tej grupie związków wyróznia się zarówno jonofory cykliczne jak i niecykliczne. Antybiotyk jonoforowy jest cząsteczką nie posiadającą ładunku – neutralną, dlatego też uzyskuje on ładunek kompleksowanego jonu.7,8
Transport kationów jednowartościowych przez błony, przy użyciu jonoforów neutralnych przedstawia się następująco :
Jonofor wewnątrz błony (a) dyfunduje do granicy faz (b) gdzie napotyka na jon. Gdy kation znajduje się w odpowiednim położeniu by oddziaływać z jonoforem (c). Solwatująca jon cząsteczka wody jest oddalana i zastępowana przez kompleksujące atomy tlenu we wspólnej reakcji (d). Stabilny kompleks M+I przechodzi z granicy faz do wnętrza błony, gdzie zachodzą procesy f-h, odwrotne do procesów b-d. ostatecznie pusty jonofor dyfunduje do przestrzeni międzykomórkowej (i) powodując zmianę warunków na początkowe (a).8
Walinomycyna
Walinomycyna jest cyklicznym, neutralnym antybiotykiem jonoforowym, należącym do szerokiej klasy peptydów antybakteryjnych, które zmieniają funkcje i integralność dwuwarstwy lipidowej.
Jonofor jest 12 członowym cyklicznym depsypeptydem, składającym się z powtarzalnych, identycznych trzech jednostek zamykających się w pierścień. Ich wzór może być zapisany jako cyklo-(D-walina, L-Lac,L-walina, D-Hyv)3, gdzie Lac oznacza kwas mlekowy, natomiast Hyv – kwas hydroksywalerianowy. Walinomycyna została wyizolowana ze szczepu bakterii Streptomyces fulvissimus przez Brockmanna i Schmidta-Kastnera, w 1955 roku.9,10,11
Prostota molekularnej struktury walinomycny pozwoliła na wykorzystanie cząsteczki jako model selektywnego transportu jonów jedno jak i dwuwartościowych przez błony biologiczne. Kompleks jonoforu z kationem metalu jest bardzo stabilny. Walinomycyna odgrywa bardzo ważną rolę w poprawie przepuszczalności membrany dla jonów potasu.10,11 Selektywnośc dla kationów metali jednowartościowych jest następująca: Rb+>K+>Cs+>Ag+>NH4+>Na+>Li+.3 Dla jonów dwuwartościowych: Ba2+ > Ca2+ > Sr2+ > Mg2+.
Podczas kompleksowania, K+, walinomycyna przyjmuje konformacje „piłki tenisowej” i owija się wokół kationu. Koordynacja jonu następuje przy pomocy atomów tlenu, pochodzących z grup karbonylowych cząsteczki waliny. W kompleksie zostają również utworzone wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe pochodzące z amidowych atomów wodoru. Cały kompleks tworzy strukturę rozpuszczalną w błonach, która może transportować kation.10,11
Konformacja walinomycyny silnie zależy od rodzaju rozpuszczalnika. Badania rentgenograficzne wykazały, że jonofor przyjmuje co najmniej trzy rodzaje konformacji:
nieskompleksowana walinomycyna w rozpuszczalnikach niepolarnych – struktura jest stosunkowo sztywna
nieskompleksowana walinomycyna w rozpuszczalnikach polarnych – struktura jest elastyczna
kompleks K+ - struktura stabilna10,12
Walinomycyna wykazuje silną aktywnośc biologiczną, działa przeciwbakteryjnie, przeciwwirusowo , przeciwnowotworowo i przeciwgrzybiczno. Jednak ze względu na wysoką toksyczność jej zastosowanie jest ograniczone. Jonofor znalazł zastosowanie w selektywnych elektrodach jonowych do wykrywania jonów potasu.
Nazywane także jonoforami polieterowymi, stanowią dużą grupę występujących naturalnie, biologicznie czynnych związków. Są rozpuszczalne w tłuszczach i zdolne do transportu kationów metali przez błony biologiczne. Znanych jest ponad 120 jonoforów występujących naturalnie.13 Komercyjnie jonofory wykorzystuje się jako środek kontrolujący kokcydiozę oraz stymulator wzrostu u przeżuwaczy.14
Wszystkie zastosowania są ściśle związane z ich zdolnością do tworzenia kompleksów z kationami metali, typu gość-gospodarz, i transportu przez membranę lipidową. Kation metalu mieści się w „klatce” utworzonej przez atomy tlenu w jonoforze. Tworzą się obojętne kompleksy antybiotyku polieterowego z jedno-, dwuwartościowymi kationami metalu oraz z zasadami organicznymi. Całość staje się lipofilowa i jest transportowana przez błonę. Struktura kompleksu stabilizowana jest przez wewnątrzcząsteczkowe wiązania wodorowe wytworzone między grupą karboksylową i grupami hydroksylowymi.
Mechanizm transportu kationu przez jonofor wynika z jego zdolności do wymiany kationu i protonu. W tego rodzaju transporcie, antybiotykowy anion wiąże kation metalu (M+ ) lub proton ( H+ ) z wytworzeniem obojętnej soli lub neutralnego polieterowego jonoforu w postaci kwasu. Tylko nienaładowana cząsteczka , zawierająca M+ lub H+, może swobodnie poruszać się w błonie.
Selektywność jonoforów wynika z wielkości „klatki”. Tylko kationy o odpowiednich rozmiarach mogą idealnie dopasować się we wnękę, zbyt duże odkształcają wnękę natomiast małe nie znajdują optymalnej koordynacji.15,16,17,18,19
Obecnie poznano wiele metody syntezy związków przejawiających właściwości kompleksujące w stosunku do kationów metali 1 i 2 grupy układu okresowego. Syntetyczne antybiotyki odgrywają bardzo ważną rolę we współczesnej chemii, biologii, ochronie środowiska. Tworzą podłoże do budowy wielu biomolekularnych urządzeń, których wykorzystanie ciągle wzrasta.20,21,22
Murray R. K., Granner D. K., Mayes P. A., Rodwell V. W. Biochemia Harpera. Warszawa : Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 1995. ISBN 83-200-1798-X.↩
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, 2009, 103, p. 1419–1424.↩
Schroeder, G., Gierczyk B., Syntetyczne receptory jonowe – jonofory, Syntetyczne receptory jonowe, „BETAGRAF”P.U.H. Poznań, 2005, p. 4-6, ISBN 83-89936-05-4↩
W. Burgermeister, R. Winkler-Oswatitsch, Topics in Current Chem., 69, 91, 1977↩
R. Hilgenfeld, W. Saenger, Top. Curr. Chem.,101, 1, 1982↩
L., Stryer. Biochemia. Warszawa : Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003.↩
R. Ferdani, G.W. Gokel: Ionophores. W: Encyclopedia of supramolecular chemistry. s. 1401–1411↩
Berton Pressman. Biological applications of ionophores. „Annu. Rev. Biochem.”. 45, s. 501–530, 1976↩
L. K. STEINRAUF, „Crystal structures of valinomycin with potassium tetrachloroaurate and rubidium tetrachloroaurate with comparisons to other monovalent cation complexes” Proc. Int. Symp.Biomol. Struct Interactions, Suppl. J· Biosci.,8 (1985), p. 293-306↩
A. Ozdemir, I. K. Lednev , S. A. Asher, UVRR spectroscopic studies of valinomycin complex formation in different solvents, Spectrochimica Acta Part A, 2005, 61, p. 19–26↩
C. M. Halsey, D. A. Benham, R. D. JiJi, J. W. Cooley, Influence of the lipid environment on valinomycin structure and cation complex formation, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2012, 96, p. 200–206↩
I. L. Karle, Conformation of Valinomycin in a Triclinic Crystal Form, Journal Of The American Chemical Society, 1975, 97, p. 4379-4386 ↩
C.J. Dutton, B.J. Banks, C.B. Cooper, Polyether ionophores, Natural Product Reports, 1995, 12, p. 165-181.↩
T.R. Callaway, T.S. Edrington, J.L. Rychlik, T.L. Genovese, T.L. Poole, Y.S. Jung, K.M. Bischoff, R.C. Anderson, D.J. Nisbet, Ionophores: Their use as ruminant growth promotants and impact on food safety, Current Issues in Intestinal Microbiology, 2003, 4, pp. 43-51.↩
M. Dobler, Natural Cation-binding Agents, In Comprehensive Supramolecular Chemistry: Molecular Recognition: Receptors for Cationic Guests: Vol. 1; Gokel G.W. (Ed), Pergamon, New York, NY, USA, pp. 267-313, 2004.↩
B.C. Pressman, Antibiotics and their complexes, Marcel Dekker Inc., 1985, p. 1-18.↩
H. Tsukube, K.Takagi, T. Higashiyama, T. Iwachido, N. Hayama, Biomimetic membrane transport: Interesting ionophore functions of naturally occurring polyether antibiotics toward unusual metal cations and amino acid ester salts, Inorganic Chemistry, 1994, 33, pp. 2984-2987.↩
H.H. Mollenhauer, D.J. Morre, L.D. Rowe, Alteration of intracellular traffic by monensin; mechanism, specificity and relationship to toxicity, Biochimica et Biophysica Acta – Reviews on Biomembranes, 1990, 1031, pp. 225-246, 1990.↩
M. Inabayashi, S. Miyauchi, N. Kamo, T. Jin, Conductance change in phospholipid bilayer membrane by an electroneutral ionophore, monensin, Biochemistry, 1995, 34, pp. 3455-3460.↩
T.Schrader, A.D.Hamilton, Functional Synthetic Receptors, Wiley- VCH, Weinheim, 2005↩
I.Willner, E.Katz, Bioelectronics, From Theory to Applicacations, Wiley-VCH, Weinheim, 2005↩
J. Aidley, P.R.Stanfield, Ion Channels Molecules in Action, University Press, Cambridge, 2003↩