Kaip veikia metileno mėlynasis? Redokso chemija ir veikimo mechanizmai

Užkimšta kolba ant laboratorinio stalo yra trumpiausias sąžiningas paaiškinimas, kaip veikia metileno mėlynasis. Vanduo, gliukozė, žiupsnelis natrio hidroksido ir tiek dažiklio, kad skystis taptų sodria, neabejotinai mėlyna spalva. Palaukite kelias minutes, ir mėlyna spalva išnyks, kol kolba atrodys tarsi pripildyta vandens. Pakratykite ją, ir spalva akimirksniu sugrįš. Tada ji vėl išbluks, ir tai kartosis tol, kol bus gliukozės, pasirengusios atiduoti elektronus, ir deguonies, pasirengusio juos priimti.

Pačiame dažiklyje nepasikeitė niekas, išskyrus jo nešamų elektronų skaičių. Oksiduotas jis yra mėlynas. Redukuotas – ne. Beveik visa kita šios molekulės terapinėje ir mokslinių tyrimų literatūroje kyla iš šio vieno grįžtamojo žingsnio, nes molekulė, galinti paimti elektronus iš vieno partnerio ir perduoti juos kitam, yra tarpininkas, o tarpininkas pats savaime nieko nedaro. Jo veikimas visiškai priklauso nuo to, kas yra abiejuose grandinės galuose.

Dvi formos ir kodėl ši pora svarbi

Oksiduota forma yra plokščia, teigiamą krūvį turinti žiedinė sistema. Būtent dėl šios plokščios, įkrautos formos ji išsidėsto prie nukleorūgščių, jungiasi prie sialilintų struktūrų ląstelių membranose ir stipriai sugeria regimąją šviesą maždaug tarp 600 ir 700 nanometres – tai spektro dalis, kurią žmogaus akis suvokia kaip mėlyną spalvą.

Redukuota forma yra kitokia. Ji neturi krūvio, tirpsta riebaluose, o ne vandenyje, ir yra bespalvė. Jos jonizacija esant organizmo viduje vyraujančiam pH yra labai maža, kelių per cent dydžio. Todėl redukuota molekulė lengvai difuzijos būdu pereina ląstelės membraną, o patekusi į vidų, kur aplinka yra labiau oksiduojanti, gali būti vėl oksiduota ir praktiškai sulaikyta. Oksiduota žiedinė sistema yra plokščia; redukuota gali persisukti. Šios struktūrinės pasekmės ir pats spalvos pokytis yra neatsiejama dviejų formų istorijos dalis, išsamiau aptariama metileno mėlynojo ir leukometileno mėlynojo palyginime.

Elektronų priėmimas

Oksiduotas dažiklis gali priimti elektronus iš daugybės donorų. Vienas jų yra gliukozė demonstracinėje kolboje. Ląstelės viduje kiti donorai yra redukuoti piridino nukleotidai ir mitochondrijų elektronų pernašos grandinės komponentai. Kai metileno mėlynasis redukuojamas deguonies turinčiame audinyje, jo sukuriamas ciklas sunaudoja ir redukuojančią medžiagą, ir deguonį bei sukuria reaktyviąsias deguonies formas, daugiausia vandenilio peroksidą. Dažiklis iš ciklo išeina nepakitęs ir yra pasirengęs jį kartoti.

Šis paskutinis aspektas paaiškina prieštaravimą, kuris kitaip atrodytų kaip neatsargumas. Literatūroje metileno mėlynasis apibūdinamas ir kaip prooksidantas, ir kaip antioksidantas, ir abu apibūdinimai gali būti pagrįsti. Jis gali slopinti superoksido susidarymą veikdamas kaip dirbtinis elektronų akceptorius ir nukreipdamas elektronų srautą nuo fermentų vietų, kuriose deguonis kitaip būtų paverčiamas superoksido radikalais. Kepenų ląstelių kultūrose parodyta, kad jis indukuoja 2-osios fazės antioksidacinės apsaugos fermentus, įskaitant tioredoksino reduktazę 1 ir NADPH chinono oksidoreduktazę. Kurią iš šių dviejų savybių matysite, priklauso nuo to, kuriame perdavimo grandinės gale tuo metu trūksta elektronų. Klausimas „ar metileno mėlynasis yra antioksidantas“ nėra tinkamai suformuluotas, kol nenurodoma, kokioje sistemoje, kokios koncentracijos ir kokių kitų medžiagų aplinkoje jis vertinamas.

Elektronų perdavimas toliau

Kai dažiklis turi papildomą elektroną, toliau gali įvykti trys labai skirtingi dalykai, nors jie dažnai aprašomi po viena antrašte. Taip neturėtų būti.

Jis gali perduoti elektroną metalo centrui. Aiškiausias pavyzdys yra hemoglobinas, kurio geležis oksiduota iš dvivalentės į trivalentę būseną. Tokioje būsenoje hemoglobinas negali pernešti deguonies. Raudonuosiuose kraujo kūneliuose fermentas redukuoja dažiklį, o redukuotas dažiklis tuomet nefermentiniu būdu perduoda elektronus oksiduotai hemo geležiai, taip atkurdamas veikiantį hemoglobiną ir grąžindamas dažiklį į oksiduotą formą. Dažiklis šiame procese nesunaudojamas; jis cirkuliuoja cikle. Klinikinis šios reakcijos taikymas yra ligoninės aplinkos tema, o metileno mėlynojo taikymo methemoglobinemijos atveju paaiškinime aptariama, kaip jis naudojamas ir kodėl tai daroma taip atidžiai prižiūrint.

Svarbi pastaba apie šaltinių interpretaciją: dvi apžvalgos, kuriomis grindžiamas šis straipsnis, fermentinio etapo redukuojančiu kofaktoriumi įvardija ne tą pačią medžiagą – vienoje nurodomas NADH, kitoje NADPH. Šaltiniuose, kuriais čia disponuojama, šis neatitikimas yra realus ir neišspręstas, todėl saugiausia apibūdinti kiekvienos dalies vaidmenį, o ne nurodyti vieną kofaktoriaus pavadinimą.

Esant šviesai, jis gali perduoti energiją arba elektroną deguoniui. Šis kelias egzistuoja tik esant apšvietimui. Sužadintas dažiklis pereina į tripletinę būseną, iš kurios galimi du mechanizmai. Pirmuoju atveju sužadintas dažiklis tiesiogiai sąveikauja su šalia esančia molekule, paimdamas vandenilį arba perduodamas elektroną, todėl susidaro radikalai; taip reaguojant su vandeniu susidaro hidroksilo radikalai. Antruoju atveju sužadinimo energija perduodama pačiam deguoniui ir susidaro singletinis deguonis – labai elektrofili rūšis, suyranti per microseconds ir paprastai laikoma pagrindiniu mechanizmu, kuriuo apšviestas metileno mėlynasis pažeidžia mikrobines ląsteles. Tarp dokumentuotų pasekmių yra reakcijos su ląstelės apvalkalo lipidais ir peptidais bei su guanino bazėmis DNA.

Praktinė šio kelio pasekmė yra ta, kad apšvietimas pakeičia skaitines reikšmes keliais dydžio laipsniais. Wainwright ir Crossley surinktuose duomenyse metileno mėlynojo minimali baktericidinė koncentracija prieš Pseudomonas aeruginosa tamsoje yra apie 500 micromolar, o esant 12 joules per square centimetre šviesos dozei – apie 25 micromolar. Vienai Staphylococcus aureus padermei tiek tamsoje, tiek apšvietus nustatyta 5 micromolar reikšmė. Kitaip tariant, ar molekulė apskritai laikytina antimikrobine, nėra vien pačios molekulės savybė; tai molekulės ir šviesos derinio savybė.

Jis gali veikti tiesiogiai fermento vietoje, be elektronų perdavimo grandinės. Metileno mėlynasis oksiduoja su azoto oksido sintaze susijungusią dvivalentę geležį, todėl fermentas tampa neveiklus. Jis blokuoja tirpiąją guanilatciklazę, o 1–10 micromolar yra įprasta laboratorinė koncentracija, naudojama šiam tikslui. Jis slopina A tipo monoaminooksidazę, kurios IC50 yra tarp 27 ir 180 nanomolar; šis mechanizmas lemia gerai dokumentuotą sąveiką su serotonino reabsorbcijos inhibitoriais ir yra priežastis, dėl kurios metileno mėlynojo sąveikos su vaistais sudaro atskirą kategoriją.

Šie trys keliai chemiškai skiriasi. Jų sutraukimas į vieną teiginį, kad metileno mėlynasis veikia per redokso ciklą, yra pagrindinė priežastis, kodėl tiek daug tekstų apie jį vienu metu skamba užtikrintai ir neapibrėžtai.

Keturi skirtumai, lemiantys, ar teiginys apie mechanizmą apskritai ką nors reiškia

Kuri forma. Redukuotas dažiklis nėra lygiavertis oksiduotam dažikliui. Acetilcholinesterazės slopinimas gerai parodo šią problemą: per ilgą in vitro inkubaciją metileno mėlynasis palaipsniui redukuojamas į bespalvę formą, o slopinimas silpnėja, nes redukuota molekulė šio fermento neslopina. Pakankamai ilgai vykdomas tyrimas, per kurį pasikeičia forma, parodys silpnesnį poveikį ir paskatins klaidingą paaiškinimą.

Kokia koncentracija. Laboratorinis tirpiosios guanilatciklazės slopinimo intervalas yra 1–10 micromolar. Glutamato perduodamam signalui žiurkių hipokampo pjūviuose visiškai nuslopinti reikėjo 5–50 micromolar. Toksiškas poveikis ląstelių kultūrose nurodomas virš 100 micromolar. Tai nėra tas pats eksperimentas, o mechanizmas, patvirtintas esant 50 micromolar, nėra automatiškai aktualus pacientui, kurio koncentracija plazmoje sudaro tik dalį šios reikšmės.

Koks vartojimo būdas. Absoliutus geriamojo vartojimo biologinis prieinamumas yra apie 72 per cent, o galutinis pusinės eliminacijos laikas plazmoje – 5–7 hours. Vartojant per burną didesnės koncentracijos susidaro žarnyne ir kepenyse; vartojant į veną – smegenyse. Vartojimo būdas lemia, kuris audinys susidurs su elektronais.

Koks modelis ir ar buvo įjungta šviesa. Didelė mechanistinės literatūros dalis paremta ląstelių kultūrų ir graužikų tyrimais, o šios molekulės in vitro rezultatai priklauso nuo apšvietimo, membranos potencialo ir ląstelių redokso būsenos, nes net mikroskopo lempa yra pakankama jai fotosensibilizuoti. Nuo 65 iki 85 per cent suvartotos dozės raudonuosiuose kraujo kūneliuose ir periferiniuose audiniuose redukuojama į bespalvę formą. Kiekvienas iš šių kintamųjų skiria aiškų mechanizmą laboratorinėje lėkštelėje nuo teiginio apie žmogų.

Kodėl grynumo klausimas yra chemijos klausimas

Apšvietimas demetilina metileno mėlynąjį. Pirmasis produktas yra Azure B, po jo – Azure A, tada tioninas, o didesnis šviesos intensyvumas sukelia didesnį skilimą nei mažesnis. Todėl molekulė, kurios naudingumas grindžiamas gebėjimu priimti ir atiduoti elektronus, kartu yra molekulė, kurios tikėtini skilimo produktai yra artimi cheminiai giminaičiai, liekantys tame pačiame tirpale. Talpyklos turinio sudėtis nėra kosmetinė detalė.

Todėl pirkėjui prasmingas kriterijus yra atitiktis USP specifikacijai. Jos neatitinkantis produktas yra dažiklis, o dažiklyje gali būti priemaišų, įskaitant Azure B, sunkiuosius metalus ir likutinius tirpiklius, kurių jį vartojantis žmogus nenori. Dar viena problema – pardavėjas, kuris ištiria tik sunkiuosius metalus ir rezultatą pateikia kaip visiškos atitikties įrodymą. Blupreme bendradarbiauja su farmaciniu metileno mėlynojo gamintoju ir tikrina visą specifikaciją: tapatybę, grynumą, organines priemaišas, likutinius tirpiklius, elementines priemaišas, likutį po kaitinimo, mikrobiologines ribas ir bakterinius endotoksinus. Kiekvienos partijos laboratorinių tyrimų dokumentas yra viešai skelbiamas, o tiekėjo pasirinkimas iš esmės reiškia patikrinti, ar toks dokumentas egzistuoja ir ką jis apima.

Viena grįžtamoji pora. Keli iš jos išeinantys keliai. Nuo kelio priklauso, ką galima teigti.