|
Mechanizm toksyczności kadmu
Kadm jest metalem ciężkim o wysokim powinowactwie do grup chemicznych, np. ditiolowych, karboksylowych czy imidazolowych o istotnym znaczeniu biologicznym. Jest więc toksyczny dla wszystkich żywych organizmów. U człowieka i zwierząt kadm zaburza funkcję narządów miąższowych: nerek, wątroby, płuc oraz układu kostnego, krążenia i immunologicznego; działa również teratogennie i rakotwórczo. Wykazano, że pierwszymi organellami atakowanymi przez kadm w komórkach zwierzęcych są mitochondria - centra energetyczne. Obserwacje te, jak również nasze wstępne badania na modelu bakteryjnym (Staphylococcus aureus) sugerowały, że Cd2+ może być inhibitorem procesów bioenergetycznych zarówno w komórkach Prokaryota jak i Eukaryota.
Badania nad toksycznością kadmu prowadzono w namnażanych tlenowo komórkach spoczynkowych szczepu S. aureus 17810S wykorzystujących glutaminian jako donor energii. Komórki takie transportują [14C]glutaminian, utleniają go i regenerują potencjał protonowy (DmH+), wyrażany w mV jako siła protonomotoryczna (Dp) o wartości około -200 mV, w tym gradient pH (DpH) - około 30 mV, a potencjał elektryczny (Dy) - około -165 mV. Komórki utrzymują wysoką pulę endogennego ATP dzięki stałej regeneracji DmH+ przez łańcuch oddechowy; pobierają również inne substraty na drodze transportu wtórnego zależnego od DmH+.
Cd2+ (10 mM) akumulując się w cytoplazmie komórek szczepu 17810S przez uniporter manganowy o wysokim powinowactwie (Km = 5,4 mM Cd2+) w odpowiedzi na Dy, hamuje transport glutaminianu i jego utlenianie, transport innych substratów oraz silnie obniża pulę komórkowego ATP. Badania enzymatyczne wykazały, że Cd2+ nie hamuje aktywności błonowej dehydrogenazy NADH i oksydazy NADH, a więc i transportu elektronów oraz aktywności cytoplazmatycznej dehydrogenazy glutaminianowej zależnej od NAD. Hamuje tylko (w około 90%) aktywność cytoplazmatycznego kompleksu dehydrogenazy 2-oksoglutaranowej. Wskazuje to, że miejsca wrażliwe na Cd2+ znajdują się w tym kompleksie enzymatycznym katalizującym oksydacyjną dekarboksylację 2-oksoglutaranu i że są to grupy ditiolowe obecne w dihydroliponianie i dehydrogenazie dihydroliponianowej.
Zaproponowano, że Cd2+ blokując grupy ditiolowe wstrzymuje produkcję endogennego NADH. Konsekwentnie, ustaje transport elektronów, pompowanie protonów i stała regeneracja DmH+. Znosi to presję termodynamiczną na kierunek biosyntetyczny syntazy ATP. Odwrócona ATPaza funkcjonuje jako pompa protonowa i hydrolizując ATP powoduje obniżenie jego poziomu. Również transport substratów jest zniesiony. Cd2+ hamuje więc przekształcenia energii swobodnej glutaminianu w komórkowe formy energii swobodnej - potencjał oksydoredukcyjny (DEh) potencjał protonowy (DmH+) potencjał fosforylacyjny (DGp).
Dodanie egzogennego NADH do zawiesiny komórek szczepu 17810S zatrutych kadmem, przywraca ich aktywność bioenergetyczną. Wskazuje to, że przekształcenia energii swobodnej NADH są całkowicie niewrażliwe na kadm. Przyjęto więc, że w systemie utleniania glutaminianu, pierwotnymi i jedynymi miejscami toksycznego działania kadmu są grupy ditiolowe w kompleksie dehydrogenazy 2-oksoglutaranowej, a obserwowane efekty toksyczne dla przekształceń energetycznych są wtórne w wyniku wstrzymania przez Cd2+ produkcji endogennego NADH. Wskazuje to na istotny udział tych grup ditiolowych w procesie konserwacji energii.
Jedyną naturalną możliwością ochrony wspomnianych grup ditiolowych przed toksycznością Cd2+ w komórkach opornego na kadm S. aureus 17810R utleniających glutaminian jest posiadanie genów cadA na plazmidzie penicylinazy pII17810. Geny te kodują system obronny - Cd2+-ATPazę typu P należącą do nadrodziny transporterów ABC, który usuwa Cd2+ z cytoplazmy tuż po jego wejściu przez uniporter manganowy. Dzięki temu Cd2+ nie blokuje grup ditiolowych, co zapewnia komórkom produkcję NADH oraz jego wykorzystanie jako endogennego źródła energii, mimo obecności toksycznych stężeń Cd2+ w środowisku.
Analiza wyników własnych jak i wyników badań na modelu mitochondrialnym sugeruje, że mechanizm toksyczności kadmu dla procesów bioenergetycznych może być podobny zarówno w komórkach bakteryjnych (S. aureus) jak i w mitochondriach zwierzęcych (w tym człowieka), gdyż obydwa modele badawcze wykazują wysokie podobieństwo funkcjonalne systemów bioenergetycznych.
Zofia Tynecka
Autorka pracuje w Katedrze i Zakładzie Mikrobiologii Farmaceutycznej Akademii Medycznej w Lublinie.
Artykuł jest skrótem referatu wygłoszonego 16 listopada na zorganizowanej przez lubelski Oddział PAN konferencji naukowej "Kadm - jego toksyczność i mechanizmy jej modyfikacji".
powrót do wydawnictwa 
|
