Arsenic và độc tính của nó đối với màng sinh học
TS. Lê Quốc Tuấn
Khoa Môi trường và Tài nguyên Đại học Nông Lâm Tp.HCM
Các quá trình khử độc arsenic trên màng và trong tế bào
Barry P. Rosen, FEBS Letters 529 (2002) 86-92
Tổng quan
Độc tính của arsenic
Nuran Ercal
et al./Current Topics in Medicinal Chemistry, 1 (2001) 529-539
Fenton-like reactions of metals
Sự chuyển hóa sinh học arsenic vô cơ trong động vật có vú. SAM, S- adenosylmethionine; SAHC, S- adenosylhomocysteine.
Toxicology and Applied Pharmacology 198 (2004) 327–335
Chu trình chuyển hóa arsenic từ +5 đến +3 đến +5. E1 có thể là MMA(V) reductase. E2 là arsenic methyltransferase. E3 là MMA(V) reductase.
ROS
Sản sinh ROS (Reactive Oxygen Species)
• Arsenic
– Nhiều quốc gia bị ảnh hưởng – Các tác động
• Ung thư da, phổi, thận, cật
• Gây chết
• Bệnh đốm chân
– Tiêu chuẩn: 10ug/L Arsenic cho nước uống
• Arsenic có thể tác động ở vị trí
nào…màng tế bào?
Arsenic tác động vào quá trình đồng hóa glucose.
Các vị trí được đánh dấu
Toxicology and Applied Pharmacology 197 (2004) 67– 83
F.S. Walton et al. / Toxicology and Applied Pharmacology 198 (2004) 424–433
Cơ chế dẫn truyền tín hiệu nhằm thực hiện sự hoạt hóa quá trình hấp thu glucose bởi insulin
(a) Hấp thu glucose trực tiếp (b) Hấp thu glucose bằng
cách tiết insulin.
Sự hấp thu glucose trực tiếp bị ức chế bởi nồng độ iAsIII hoặc MAsIIIO.
Felecia S. Walton et al./Toxicology and Applied Pharmacology 198 (2004) 424– 433
Vai trò của protein có chứa nhóm lưu hình (-SH)
Cơ chế gây chết bên trong tế bào của DMAsV và vai trò của Glutathion (GSH) (Toxicology and Applied Pharmacology 198 (2004) 354– 365)
Time (h)
Sự tương tác của GSH với arsonoliposome gây nên sự hóa lỏng của màng nhân tạo
Journal of Nanoscience and Nanotechnology 6 (2006) 2974–2978
Ảnh hưởng của GSH lên arsonoliposomes
Mạng lưới tín hiệu
Các tín hiệu trong tế bào được
sinh ra và dẫn truyền bởi ROS Các con đường dẫn truyền tín hiệu giết chết tế bào
F. Chen, X. Shi/Critical Reviews in Oncology/Hematology 42 (2002) 105–121
Valery M. Dembitsky, Dmitrii O. Levitsky
Progress in Lipid Research 43 (2004) 403–448
Cấu trúc phân tử Arsenolipid với các đám mây điện tử
Màu: carbon-xanh, oxigen-đỏ, As-tím, và phophorus-nâu.
Sự liên kết của arsenic với phân tử lipid
Ivan Stanish, Journal of Membrane Science 192 (2001) 99–113
Các cấu trúc hóa học của chất mang hòa tan trên màng
…Arsenic có thể liên kết với tất cả
Arsenoliposomes tác động mạnh lên tế bào ung thư, nhưng ít gây ảnh hưởng đến tế bào thường.
HL-60: Tế bào ung thư; HUVEC: Tế bào thường
O . Gortzi et al . / European Journal of Pharmaceutical Sciences 18 (2003) 175–183
COO- CH2 NH C=O
C CH2 SH NH
CO CH2 CH2 CH NH3+
COO-
+ As (III)
As glutathione (dạng oxi hóa) Glutathione (dạng khử)
Glutathion có ái lực mạnh với arsenite
Teruaki Sakurai et al. Toxicology and Applied Pharmacology 198 (2004) 354– 365
As (GS)3 3
O O
O PO O
O O
O N+ H
As
1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine - As (POPC-As)
As Case 1
Case 2
Case 2. As links with Choline
AsAs As
Case 1. As links with Phosphate
Cơ chế bơm arsenic qua màng nhờ năng lượng ATP
Barry P. Rosen, et al. Biochimica et Biophysica Acta 1461 (1999) 207-215
Cơ chế loại thải arsenic qua màng tế bào
Cơ chế bơm arsenic qua màng nhờ thay đổi cấu trúc protein màng.
Dung dịch arsenic
Calcein được giải phóng
As
Calcein As
Sự giải phóng calcein dưới tác động của arsenic
Phá hủy màng?
5mM POPC/0.05mM As (100/1 tỉ lệ số mole)
400 500 600
0h 12h
Triton-X100
24h
12h
0h 24h Triton
520 540 560 580
0 200 400 600
control
Sự giải phóng calcein theo thời gian
Sự hấp thu arsenic bởi tế bào
Tế bào hấp thu arsenic Ủ tế bào với arsenic
Tổng arsenic được giữ lại
Vị trí arsenic trên/trong tế bào
(membrane, intracellular…)
Không hấp thu Được tổng hợp
HPLC, NMR, SDS page
Thí nghiệm trên tế bào đơn
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.6
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
Absorption at 336nm
Conc. of arsenic
Tảo (1010 tế bào/L) được ủ với arsenic ở 300C trong 6 giờ
control
?
Ảnh hưởng của arsenic lên màng tế bào
Theoretical curve
Absorption at 650nm
Các tế bào bị phá hủy bởi arsenic ở nồng độ cao.
Màng tế bào cũng bị biến dạng
10μm
So sánh ảnh hưởng độc của arsenic (V) và Fe (III) lên tế bào tảo Chlorella vulgaris
Tuan et al., Toxicology in Vitro, 22 (2008) 1632 – 1638.
Control 1.0 mM 0.8 mM 0.6 mM 0.4 mM 0.2 mM 0.1 mM
Màu của dung dịch tảo thay đổi dưới tác động của
arsenic với các nồng độ khác nhau
Hiệu suất liên kết arsenic với màng sinh học
Hiệu suất liên kết arsenic với màng tế bào tảo. Ủ tảo (1010 tế bào/L) với As ở 300C trong 30 phút.
0.5 1 1.5
0 50 100
Arsenic (V) concentration [mM]
Linking yield of As to agal membrane [%]
Động học hấp thu As (III) của tế bào chuột
Rong-nan Huang et al./Toxicology and
applied Pharmacology 136, 243-249 (1996)
Arsenic hóa lỏng màng tế bào
0 100 200 300 400
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Time-course (min)
Relative fluorescent intensity [a.u]
With arsenic
Without arsenic (control)
Sự hấp thu calcein của tế bào tảo dưới tác dụng độc arsenic
Sự hóa lỏng màng tế bào bởi độc tính của arsenic
Chức năng bảo vệ của màng tế bào yếu đi dẫn đến sự tấn công mạnh mẽ
của các yếu tố khác
Sự chết của tế bào
1. Sự phơi nhiễm càng lâu thì số lượng tế bào chết càng tăng.
2. Nồng độ arsenic càng cao thì số lượng tế bào chết càng nhiều
Tế bào tảo (1010 tế bào/L) được ủ với các nồng độ arsenic khác nhau và thời gian ủ khác nhau ở 300C .
0 0.5 1
20 40 60 80 100
Arsenic (V) concentration [mM]
Cell viability [% compared to control]
12h
24h
48h
0 0.5 1
20 40 60 80 100
Arsenic (V) concentration [mM]
Cell viability [% compared to control]
12h
24h
48h
Ứng dụng một số mô hình và công nghệ xử lý nước nhiễm arsenic
Nước nhiễm arsenic Xử lý kiểu truyền thống Xử lý công nghệ cao
