Хлорка склеила внутренности

Хлорноватистая кислота нарушает структуру бактериальных белков

Оказывается, хлорка, уже 200 лет используемая для дезинфекции воды, «склеивает» устойчивые белки и «раскручивает» неустойчивые. Бактерии, впервые встретившиеся с хлорноватистой кислотой в крови млекопитающих, уже научились сопротивляться пагубному действию чистящих порошков, активируя белки-шапероны, поддерживающие внутриклеточную стабильность. Смогут ли ученые нарушить шаткое равновесие жизни на кухонном столе и под ободком унитаза — покажет время.

Каждая домохозяйка, вооруженная чистящим средством с хлорноватистой кислотой или её солями, на самом деле регулярно занимается не просто обеззараживанием, а настоящей тонкой химической технологией, вызывая нестабильность одних белков и образование комплексов других. К такому выводу пришли Урсула Якоб и её коллеги из Мичиганского университета, впервые за 200 лет истории хлорки разобравшиеся в реальном механизме её бактерицидного действия.

Оказалось, что хлорноватистая кислота нарушает трехмерную структуру белков, что делает выполнение возложенных на них функций просто невозможным.

Уровни структуры белка

Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в процессе сворачивания (фолдинга). Трёхмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка:

Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — сочетания аминокислот, важных для функции белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Пример вторичной структуры — α-спирали (плотные витки вокруг длинной оси молекулы) и β-листы (складчатые слои).

Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи — взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие ковалентные связи (между двумя цистеинами — дисульфидные мостики); ионные (электростатические) взаимодействия (между противоположно заряженными аминокислотными остатками); водородные связи и гидрофобные взаимодействия.

Для некоторых белков характерна и четверичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.

В живых организмах белок представляет из себя не прямую нить аминокислот, образующуюся после синтеза с матричной РНК, а объемную структуру, идеально подходящую для выполнения стоящих перед ним задач. Высокая температура (обычно >45^o), изменения кислотности или концентрации ионов приводят к тому, что белковый «комочек» раскручивается, а активные центры, играющие ключевую роль в биохимических реакциях, исчезают. Обратный процесс хотя и возможен, но очень редко идет в нужном направлении. Классический пример из лекции по биохимии: белок яйца, сваренного всмятку, уже никогда не станет прозрачным.

Примерно то же, по мнению Якоб, и происходит при действии хлорки с тем дополнением, что устойчивые к высоким температурам белки, а такие в нашем организме тоже есть, вместо того чтобы терять третичную структуру, начинают образовывать конгломераты, тоже никак не способствующие хорошему самочувствию бактерии.

Однако бактерии обладают системой, направленной на предотвращение такого пагубного воздействия.

Это белки шапероны, известные ещё как «белки теплового шока», встречающиеся у всех живых организмов. Основная функция шаперонов — восстановление нормальной третичной структуры поврежденных белков. Лишив кишечную палочку возможности синтезировать характерный для неё Hsp33, ученые добились большего токсического эффекта при меньшей концентрации хлорноватистой кислоты.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2847893",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2882634_i_2"
}

Причем хлорка оказалась весьма специфическим активатором этого шаперона, созданного бактериями для противостояния окислительному стрессу. В то время как, казалось бы, более опасная перекись водорода требует предшествующего нагревания клетки, хлорноватистая кислота активирует Hsp33 даже при температуре тела.

Учёные полагают, что этим феноменом можно воспользоваться, чтобы усилить антибактериальные свойства нашей собственной иммунной системы. Например, нейтрофилы — одни из самых первых «защитников», приходящих в очаг инфекции в попытке уничтожить все живое вокруг, образуют большое количество как раз перекиси водорода и хлорноватистой кислоты. Этого не всегда достаточно: как и наши собственные клетки, бактериальные могут обладать разными механизмами защиты от активных форм кислорода.

Прицельная инактивация бактериальных шаперонов дала бы нашим собственным клеткам гораздо больше шансов в борьбе с захватчиками.

Механизмы действия существующих групп антибиотиков

Нарушение синтеза клеточной стенки посредством ингибирования синтеза пептидогликана (пенициллин, цефалоспорин, монобактамы), образования димеров и их переноса к растущим цепям пептидогликана (ванкомицин, флавомицин) или синтеза хитина (никкомицин, туникамицин). Антибиотики, действующие по подобному механизму обладают бактерицидным действием, не убивают покоящиеся клетки и клетки, лишенные клеточной стенки.

Нарушение функционирования мембран: нарушение целостности мембраны, образование ионных каналов, связывание ионов в комплексы, растворимые в липидах, и их транспортировка. Подобным образом действуют нистатин, грамицидины, полимиксины.

Подавление синтеза нуклеиновых кислот: связывание с ДНК и препятствование продвижению РНК-полимеразы (актидин), сшивание цепей ДНК, что вызывает невозможность её расплетания (рубомицин), ингибирование ферментов.

Нарушение синтеза пуринов и пиримидинов (азасерин, саркомицин).

Нарушение синтеза белка: ингибирование активации и переноса аминокислот, функций рибосом (стрептомицин, тетрациклин, пуромицин).

Ингибирование работы дыхательных ферментов (антимицины, олигомицины).

Впрочем, скорой разработки новых антибактериальных препаратов на основе выявленного механизма действия ждать не стоит. Дело в том, что одно из основных условий применения антибиотиков — избирательность их действия именно на бактериальные клетки, обладающие особенной клеточной стенкой, другим белоксинтезирующим аппаратом и собственными дыхательными ферментами. Как это сделать в случае с шаперонами — неясно.

Другой, не затронутый в публикации в Cell вопрос — действие хлорки на клеточную стенку. Как и перекись, она должна нарушать стабильность мембраны, формируя поры и разрывы. Происходит ли это при ежедневной уборке — пока остается для ученых загадкой. Да и детали действия хлорки на наши собственные клетки тоже не известны, так что микробиологам предстоит ещё немало работы по изучению давно вошедшего в обиход асептика.