✨Hóa sinh học arsenic

nhỏ|phải|[[S-Adenosylmethionin, một nguồn cung cấp các nhóm methyl trong nhiều hợp chất arsenic nguồn gốc sinh vật.]] Hóa sinh học arsenic là thuật ngữ để nói tới các quá trình hóa sinh học có sử dụng arsenic hoặc các hợp chất của nó, chẳng hạn các arsenat. Arsenic là nguyên tố hóa học khá phổ biến trong lớp vỏ Trái Đất (~ 1,8-2,1 ppm), và mặc dù nhiều hợp chất của arsenic thường được coi là có độc tính cao đối với phần lớn các dạng sự sống, nhưng một loạt các hợp chất arsenic hữu cơ được sản sinh theo con đường sinh học, với nhiều dạng sinh vật có hoạt động trao đổi chất một loạt các hợp chất hữu cơ và vô cơ của arsenic. Mô hình này là chung cho các nguyên tố có liên quan khác, chẳng hạn như selen, những nguyên tố có thể thể hiện cả các tác động có lợi lẫn có hại. Hóa sinh học arsenic đã trở thành vấn đề có tính thời sự do nhiều hợp chất arsenic độc hại được tìm thấy trong một số tầng ngậm nước, có tiềm năng ảnh hưởng tới nhiều triệu người thông qua các quá trình hóa sinh học.

Nguồn cung cấp arsenic

Các hợp chất arsenic hữu cơ trong tự nhiên

nhỏ|trái|Ngộ độc arsenic là vấn đề toàn cầu phát sinh từ arsenic nguồn gốc tự nhiên trong nước ngầm. Chứng cứ cho rằng arsenic có thể là chất dinh dưỡng có lợi khi ở mức dấu vết dưới ngưỡng mà các sinh vật thường phơi nhiễm đã từng được xem xét lại. Một số hợp chất arsenic hữu cơ tìm thấy trong tự nhiên là arsenobetain và arsenocholin, với cả hai đều được tìm thấy trong nhiều loài sinh vật biển. Một số các hợp chất arsenic hữu cơ sinh ra từ các quá trình methyl hóa. Chẳng hạn, loài nấm mốc Scopulariopsis brevicaulis sinh ra một lượng đáng kể trimethylarsin nếu có mặt các hợp chất arsenic vô cơ. Hợp chất arsenic hữu cơ arsenobetain được tìm thấy trong một số thực phẩm nguồn gốc từ biển như cá và tảo cũng như trong một số loài nấm với hàm lượng tương đối lớn. Mức hấp thụ arsenic trung bình của con người là khoảng 10–50 µg/ngày. Các giá trị ở mức khoảng 1000 µg là không bất thường sau khi ăn cá hoặc nấm; tuy nhiên, có rất ít nguy hiểm trong việc ăn cá do hợp chất này của arsenic là gần như vô hại.

Nguồn cục bộ chứa arsenic là các chất nhuộm màu xanh lục, một thời phổ biến trong các loại giấy dán tường, như lục Paris. Một loạt các loại bệnh tật đã từng được quy cho hợp chất này, mặc dù độc tính của nó đã bị thổi phồng.

Trimethylasin ((CH₃)₃As), một thời được biết đến như là khí Gosio, là một hợp chất arsenic hữu cơ nặng mùi được sinh ra khá phổ biến trong các phản ứng vi sinh trên các chất nền chứa arsenic vô cơ.

Các hợp chất arsenic hóa trị 5 dễ dàng bị khử thành hợp chất arsenic hóa trị 3 và có thể đã từng có vai trò như là một tác nhân nhận electron trên Trái Đất nguyên thủy. Các hồ chứa một lượng đáng kể arsenic vô cơ hòa tan là nơi nuôi dưỡng các vùng sinh vật chịu được arsenic.

Các tuyên bố không chính xác về sự sống dựa trên arsenic

Mặc dù các phosphat và arsenat là tương tự về cấu trúc, nhưng không có chứng cứ cho thấy là arsenic thay thế cho phosphor trong DNA hay RNA. Một thực nghiệm năm 2010 sử dụng vi khuẩn GFAJ-1 để ra tuyên bố về sự thay thế này đã bị phủ nhận vào năm 2012.

Các hợp chất arsenic nguồn gốc nhân tạo

Các nguồn arsenic nhân tạo (do con người tạo ra), giống như các nguồn tự nhiên, chủ yếu là các oxide arsenic cùng các anion có liên quan. Các nguồn arsenic nhân tạo, bao gồm cả phế thải từ khai thác chế biến khoáng sản, các trang trại chăn nuôi lợn và gia cầm. Chẳng hạn, nhiều loại quặng, đặc biệt là các loại khoáng vật sulfide, đều chứa arsenic ở một hàm lượng nào đó và nó được giải phóng ra trong quá trình thiêu kết (đốt trong không khí). Trong các quá trình như vậy, arsenide được chuyển hóa thành arsenic trioxide (As₂O₃), là chất bay hơi ở nhiệt độ cao (> 465 °C) và được giải phóng vào khí quyển. Các trang trại chăn nuôi gia cầm và lợn cũng từng sử dụng nhiều hợp chất arsenic hữu cơ roxarsone như là một loại kháng sinh trong thức ăn. Một số loại gỗ được xử lý bằng đồng arsenat trong vai trò của chất bảo quản. Cơ chế mà theo đó các nguồn này tác động tới các sinh vật trong chuỗi kế tiếp là chưa rõ nhưng có lẽ là đa dạng. Một trong những cách thức được nhắc tới nhiều nhất là methyl hóa.

Acid monomethyl hóa, acid methanearsonic (CH₃AsO(OH)₂), là tiền chất cho một số loại thuốc diệt nấm (tên thương mại Neoasozin) trong gieo trồng lúa và bông. Các dẫn xuất của acid phenylarsonic (C₆H₅AsO(OH)₂) được sử dụng như là phụ gia trong thức ăn chăn nuôi, bao gồm acid 4-hydroxy-3-nitrobenzenearsonic (3-NHPAA hay Roxarsone), acid ureidophenylarsonic và acid p-arsanilic. Các ứng dụng này gây nhiều mâu thuẫn do chúng đưa các dạng hòa tan của arsenic vào môi trường.

Dược phẩm chứa arsenic

Mặc cho, hoặc có lẽ là do, độc tính được biết đến từ lâu của nó, các loại dược phẩm và thuốc độc chứa arsenic có lịch sử trong y học và lang băm vẫn còn tiếp diễn trong thế kỷ 21. Từ đầu thế kỷ 19 và tiếp diễn trong thế kỷ 20, dung dịch Fowler, một loại thuốc độc pha chế từ kali arsenit (KAsO₂), đã từng được mua bán như một loại thuốc để điều trị ung thư bạch cầu. Hợp chất arsenic hữu cơ Salvarsan (arsphenamine, hợp chất 606) là tác nhân hóa học trị liệu tổng hợp đầu tiên để điều trị giang mai và bệnh trùng mũi khoan, do Paul Ehrlich phát minh. Vào khoảng năm 1943 nó cuối cùng đã bị thay thế bằng penicillin. Loại thuốc có liên quan là Melarsoprol vẫn còn được sử dụng để điều trị bệnh trùng mũi khoan (bệnh ngủ Trypanosoma châu Phi) giai đoạn cuối, mặc dù độc tính cao và các tác dụng phụ có thể gây tử vong của nó.

Các nghiên cứu in vitro gợi ý rằng arsenic trioxide (As₂O₃) ngăn ngừa sự phát triển của các tế bào u tủy xương thông qua ngăn chặn chu trình tế bào cũng như khởi động sự chết tế bào. Các kết quả này gợi ý rằng arsenic trioxide có thể là hữu ích lâm sàng trong điều trị các bệnh nhân với bệnh u tủy xương đa phát

Methyl hóa arsenic

Arsenic vô cơ và các hợp chất của nó, trong quá trình tham gia vào chuỗi thức ăn, được trao đổi chất (khử độc tính) không ngừng thông qua quá trình gọi là methyl hóa. [[Acid cacodylic hình thành trong gan sau khi hấp thụ arsenic.]] Ở động vật có vú, methyl hóa xảy ra trong gan bởi các methyltransferase, các sản phẩm là (CH₃)₂AsOH (acid dimethylarsinơ) và (CH₃)₂As(O)OH (acid dimethylarsinic), có trạng thái oxy hóa tương ứng là As(III) và As(V). Arsenic (III) đi vào các tế bào thông qua aquaporin 7 và 9, là các kiểu của aquaglyceroporin.

Có hai lộ trình mà theo đó các hợp chất arsenic vô cơ được methyl hóa.

Lộ trình thứ nhất sử dụng Cyt19 arsenic methyltransferase để methyl hóa arsenic (III) thành hợp chất arsenic (V) monomethyl hóa (đơn methyl hóa).

Các nghiên cứu ở động vật thực nghiệm và người chỉ ra rằng cả arsenic vô cơ và các chất trao đổi chất methyl hóa đều đi qua nhau thai để vào bào thai. Tuy nhiên, có chứng cứ cho thấy sự methyl hóa tăng lên trong quá trình mang thai và điều này có nghĩa là nó có thể có tính bảo vệ cao hơn cho các sinh vật đang phát triển.

Methyl hóa bằng enzym của arsenic là một quá trình khử độc tính; nó có thể được methyl hóa thành methylarsenit, dimethylarsenit hay trimethylarsenit, tất cả đều có hóa trị 3. Quá trình methyl hóa được xúc tác bởi arsenic methyltransferase (AS3MT) ở động vật có vú để chuyển giao một nhóm methyl trên phụ nhân tử S-adenomethionin (SAM) cho arsenic (III). Bản sao tương đồng của AS3MT được tìm thấy ở vi khuẩn và được gọi là CmArsM. Enzym này được thử nghiệm trong 3 trạng thái (không phối thể, liên kết arsenic (III) và liên kết SAM). Khu vực liên kết arsenic (III) sử dụng nhóm thiol của phần còn lại của cysein. Sự xúc tác bao gồm thiol hóa Cys72, Cys174 và Cys224. Trong phản ứng SN2, điện tích dương trên nguyên tử lưu huỳnh của SAM hút electron liên kết từ carbon của nhóm methyl, và nó tương tác với cặp electron đơn độc của arsenic để tạo ra một liên kết As−C, giải phóng S-Adenosyl-L-homocystein (SAH).

Bài tiết

Ở người, lộ trình chính để bài tiết phần lớn các hợp chất arsenic là thông qua nước tiểu. Chu kỳ bán thải sinh học các hợp chất arsenic vô cơ là khoảng 4 ngày, nhưng nó là hơi ngắn hơn sau khi phơi nhiễm arsenat so với phơi nhiễm arsenit. Các chất trao đổi chất chính được bài tiết trong nước tiểu của người phơi nhiễm arsenic vô cơ là các acid arsenic mono- và dimethyl hóa, cùng với một số arsenic vô cơ chưa bị trao đổi chất. Trong các điều kiện bình thường, Nrf2 liên kết với protein Keap1 trong trạng thái không hoạt hóa. Với sự hấp thụ arsenic vào trong tế bào và các phản ứng diễn ra sau đó sản sinh ra các loại oxy hoạt hóa (ROS) thì Nrf2 rời liên kết và trở thành hoạt hóa. Keap1 có các bộ phận thiol hoạt hóa liên kết ROS hay các loại arsenic ái lực electron như arsenic (III) monomethyl hóa và gây ra sự giải phóng Nrf2 để sau đó nó di chuyển qua tế bào chất tới nhân tế bào. Nrf2 sau đó kích hoạt yếu tố phản ứng chống oxy hóa (ARE) cũng như yếu tố phản ứng ái lực electron (EpRE), cả hai đều góp phần vào việc gia tăng các protein chống oxy hóa. Đáng chú ý trong các protein chống oxy hóa này là heme oxygenase 1 ([HO-1]), NAD(P)H-quinon oxidoreductase 1 (NQO1) và γ-glutamylcystein synthase (γGCS), làm việc trong sự liên kết để giảm các loại chất oxy hóa như Hydro peroxide để giảm ứng kích oxy hóa trong tế bào. Sự gia tăng trong γGCS gây ra sự sản xuất gia tăng của arsenit triglutathionin (As(SG)₃), một sản phẩm cộng quan trọng được tiếp nhận bởi hoặc là protein MRP1 hoặc là protein MRP2, nhằm loại bỏ arsenic ra khỏi tế bào và đưa vào mật để bài tiết. do MMeAsIII là chất ức chế mạnh của glutathion peroxidase, glutathion reductase, pyruvat dehydrogenase, và thioredoxin reductase.

Độc tính arsenic

Arsenic là một nguyên nhân gây tử vong trên khắp thế giới; các vấn đề gắn liền với nó bao gồm các bệnh về tim, hô hấp, tiêu hóa, gan, thần kinh và thận.

Arsenic can thiệp vào tuổi thọ tế bào bằng ức chế dị không gian một tổ hợp enzym trao đổi chất thiết yếu là pyruvat dehydrogenase (PDH), chất xúc tác sự oxy hóa pyruvat thành acetyl-CoA bởi NAD⁺. Với enzym bị ức chế, hệ thống năng lượng của tế bào bị đứt đoạn và gây ra chết rụng tế bào. Về mặt hóa sinh, arsenic ngăn cản sử dụng thiamin, gây ra hình ảnh lâm sàng tương tự như thiếu hụt thiamin. Ngộ độc arsenic có thể làm tăng mức lactat và dẫn tới nhiễm acid lactic.

Độc tính gen bao gồm ức chế sửa chữa DNA và methyl hóa DNA. Tác động gây ung thư của arsenic sinh ra từ ứng kích oxy hóa gây ra bởi arsenic. Độc tính cao của arsenic tự nhiên dẫn tới sự phát triển của một loạt các hợp chất arsenic như các vũ khí hóa học, chẳng hạn dimethylarsenic chloride. Một số trong các chất này đã từng được sử dụng như là tác nhân chiến tranh hóa học, đặc biệt trong Thế chiến I. Mối đe dọa này đã dẫn tới nhiều nghiên cứu về các thuốc giải độc và một kiến thức mở rộng về tương tác của các hợp chất arsenic với sinh vật. Một kết quả trong đó là sự phát triển của các thuốc giải độc, như dimercaprol. Nhiều loại thuốc giải độc tương tự như vậy khai thác ái lực của As(III) với các phối thể thiolat để chuyển hóa các hợp chất arsenic hữu cơ độc tính cao thành các chất ít độc hơn. Nói chung người ta cho rằng các arsenat gắn với các phần còn lại của cystein trong các protein.

Ngược lại, arsenic oxide lại được phê chuẩn và là một loại dược phẩm trị liệu hóa học có hiệu lực để điều trị ung thư bạch cầu tủy bào cấp tính (APL).

Độc tính

Độc tính của các hợp chất arsenic hóa trị 5

Do cấu trúc và thuộc tính tương tự nên các chất trao đổi chất của arsenic hóa trị 5 có khả năng thay thế nhóm phosphat trong nhiều cách thức trao đổi chất. Sự thay thế phosphat bằng arsenat được khởi đầu khi arsenat phản ứng với glucose và gluconat in vitro. Người ta đã chứng minh rằng arsenic không tương tác trực tiếp với DNA và nó được coi là một tác nhân gây đột biến kém, nhưng thay vì thế nó hỗ trợ tính gây đột biến các tác nhân gây ung thư khác. Chẳng hạn, sự gia tăng hợp lực trong hoạt động gây đột biến của arsenic với tia cực tím đã được quan sát ở tế bào của người và các động vật có vú khác sau khi phơi nhiễm các tế bào đã xử lý bằng tia cực tím với arsenic. Một loạt các quan sát thực nghiệm gợi ý rằng độc tính gen của arsenic chủ yếu liên kết với sự sản sinh các loại oxy hoạt hóa (ROS) trong biến đổi sinh học của nó. Sự sản xuất ROS có thể sinh ra các sản phẩm cộng DNA, phá vỡ sợi DNA, liên kết ngang và các sai lệch nhiễm sắc thể. Tổn thương oxy hóa bị gây ra bởi biến đổi của các nucleobase DNA, cụ thể là 8-oxoguanin (8-OHdG) dẫn tới các đột biến G:C thành T:A. Arsenic vô cơ cũng có thể gây ra phá vỡ sợi DNA ngay cả khi ở các nồng độ thấp.

Ức chế sửa chữa DNA

Ức chế các quá trình sửa chữa DNA được coi là một trong các cơ chế chính của độc tính gen của arsenic vô cơ. Sửa chữa cắt xén nucleotide (NER) và sửa chữa cắt xén base (BER) là các quá trình kéo theo trong sửa chữa tổn thương base DNA gây ra bởi ROS sau phơi nhiễm arsenic. Cụ thể, cơ chế NER là cách thức chủ yếu trong sửa chữa các biến dạng lớn trong chuỗi xoắn kép DNA, trong khi cơ chế BER là chủ yếu trong sửa chữa các đứt gãy sợi đơn gây ra bởi ROS, nhưng arsenic vô cơ cũng có thể ngăn chặn cơ chế BER.

Cơ chế suy thoái thần kinh

Arsenic là rất bất lợi cho hệ miễn dịch bẩm sinh và thích ứng của cơ thể. Khi một lượng protein không gấp nếp và gấp nếp sai trong ứng kích lưới nội bào là thái quá thì phản ứng protein không gấp nếp (UPR) được hoạt hóa để làm tăng độ hoạt động của một vài thụ quan chịu trách nhiệm cho sự phục hồi của cân bằng nội môi. Ngoài ra, arsenic cũng làm tăng số lượng các phân tử viêm nhiễm được tiết ra thông qua các đại thực bào.

Khi các tác nhân này càng hóa arsenic vô cơ, nó được chuyển thành dạng hữu cơ của arsenic do nó được liên kết với tác nhân càng hóa hữu cơ. Các nguyên tử lưu huỳnh của các nhóm thiol là khu vực tương tác với arsenic. Điều này là do các nhóm thiol có ái lực hạt nhân trong khi các nguyên tử arsenic có ái lực electron. Một khi đã liên kết với tác nhân tạo càng thì các phân tử có thể được bài tiết, và vì thế các nguyên tử arsenic vô cơ tự do bị loại bỏ khỏi cơ thể.

Các tác nhân tạo càng khác cũng có thể được sử dụng, nhưng có thể gây ra các tác dụng phụ nhiều hơn so với dimercaprol, DMSA và DMPS. DMPS và DMSA cũng có chỉ số trị liệu (TI) cao hơn so với BAL.