Kako deluje metilensko modrilo? Redoks kemija in mehanizmi

Zamašena bučka na laboratorijski mizi je najkrajši pošten uvod v to, kako deluje metilensko modrilo. Voda, glukoza, ščepec natrijevega hidroksida in dovolj barvila, da tekočina postane globoko, nezgrešljivo modra. Počakajte nekaj minut in modrina izgine, dokler bučka ni videti kot bučka z vodo. Pretresite jo in barva se v trenutku vrne. Nato znova zbledi in to se bo ponavljalo, dokler bo na voljo glukoza, pripravljena oddati elektrone, in kisik, pripravljen, da jih sprejme.

Pri barvilu se ni spremenilo nič drugega kot število elektronov, ki jih nosi. V oksidirani obliki je modro. V reducirani ni. Skoraj vse drugo v terapevtski in raziskovalni literaturi o tej molekuli izhaja iz tega enega reverzibilnega koraka, saj je molekula, ki lahko elektrone prevzame od enega partnerja in jih preda drugemu, posrednik, posrednik pa sam po sebi ne naredi ničesar. Njegovo delovanje je v celoti odvisno od tega, kaj je na vsakem njegovem koncu.

Dve obliki in zakaj je par pomemben

Oksidirana oblika je raven, pozitivno nabit obročni sistem. Zaradi te ravne, nabite oblike se nalaga ob nukleinske kisline, se veže na sialilirane strukture na celičnih membranah in močno absorbira vidno svetlobo med približno 600 in 700 nanometri, kar je del spektra, ki ga človeško oko zaznava kot modrega.

Reducirana oblika je drugačna. Nima naboja, raztaplja se v maščobah namesto v vodi in je brezbarvna. Njena ionizacija je pri pH v telesu zelo majhna, reda nekaj odstotkov. Zato reducirana molekula z difuzijo zlahka prečka celično membrano, ko pa je enkrat v notranjosti, kjer je okolje bolj oksidativno, se lahko ponovno oksidira in dejansko ujame. Oksidirani obročni sistem je raven; reducirani se lahko zvije. Te strukturne posledice in sama sprememba barve so pomemben del zgodbe o obeh oblikah, podrobneje pa so obravnavane v primerjavi metilenskega modrila in levkometilenskega modrila.

Sprejemanje elektronov

Oksidirano barvilo sprejema elektrone iz številnih različnih donorjev. Glukoza v predstavitveni bučki je eden od njih. V celici so med drugimi tudi reducirani piridinski nukleotidi in sestavni deli mitohondrijske verige za prenos elektronov. Ko se metilensko modrilo reducira v tkivu, ki vsebuje kisik, cikel, ki ga vzpostavi, porablja tako reducent kot kisik ter proizvaja reaktivne kisikove zvrsti, predvsem vodikov peroksid. Barvilo iz cikla izstopi nespremenjeno in je pripravljeno, da ga ponovi.

Ta zadnja točka pojasni protislovje, ki bi sicer delovalo kot površnost. Metilensko modrilo je v literaturi opisano tako kot prooksidant kot antioksidant in obe oznaki je mogoče utemeljiti. Nastajanje superoksida lahko zavre tako, da deluje kot umetni akceptor elektronov in tok elektronov preusmeri stran od encimskih mest, kjer bi se kisik sicer pretvoril v superoksidne radikale. V kulturah jetrnih celic je bilo dokazano, da spodbuja encime antioksidativne obrambe faze 2, vključno s tioredoksin reduktazo 1 in NADPH kinon oksidoreduktazo. Katero od obeh plati opazite, je odvisno od tega, na katerem koncu prenosa v tistem trenutku primanjkuje elektronov. Vprašanje, kot je »ali je metilensko modrilo antioksidant«, ni dobro opredeljeno, dokler ne navedete, v katerem sistemu, pri kateri koncentraciji in ob prisotnosti katerih drugih snovi.

Predajanje elektronov naprej

Ko barvilo nosi dodaten elektron, se lahko zgodijo tri precej različne stvari, ki pa so običajno opisane pod enim naslovom. Ne bi smele biti.

Elektron lahko preda kovinskemu središču. Najjasnejši primer je hemoglobin, ki je bil oksidiran iz železovega v železov(III) oksidacijski stan. V tem stanju ne more prenašati kisika. V rdečih krvničkah encim reducira barvilo, reducirano barvilo pa nato neencimsko preda elektrone oksidiranemu železu hema, s čimer obnovi delujoči hemoglobin in barvilo vrne v oksidirano obliko. Barvilo se pri tem ne porabi; kroži. Klinična uporaba, ki temelji na tej reakciji, sodi v bolnišnično okolje, razlaga metilenskega modrila pri methemoglobinemiji pa opisuje, kako se uporablja in zakaj je tako skrbno nadzorovano.

Poštena opomba glede virov: pregledna članka, na katerih temelji ta članek, za encimski korak ne navajata istega redukcijskega kofaktorja; eden navaja NADH, drugi NADPH. Neskladje je resnično in v tukaj dostopnih virih ni razrešeno, zato je varneje opisati vlogo posameznega dela kot pa navesti en sam kofaktor.

Če je prisotna svetloba, lahko energijo ali elektron preda kisiku. Ta pot obstaja samo ob osvetlitvi. Vzbujeno barvilo preide v tripletno stanje, od tam pa sta mogoča dva mehanizma. Pri prvem vzbujeno barvilo neposredno reagira s sosednjo molekulo, ji odvzame vodik ali prenese elektron, kar povzroči nastanek radikalov; pri takšni reakciji z vodo nastanejo hidroksilni radikali. Pri drugem se energija vzbujenega stanja prenese neposredno na kisik in nastane singletni kisik, zelo elektrofilna zvrst, ki razpade v nekaj mikrosekundah in je splošno sprejeta kot glavna pot, po kateri osvetljeno metilensko modrilo poškoduje mikrobne celice. Med dokumentiranimi izidi so reakcije z lipidi in peptidi celične ovojnice ter z gvaninskimi bazami v DNA.

Praktična posledica te poti je, da osvetlitev spremeni vrednosti za več velikostnih redov. V podatkih, ki sta jih zbrala Wainwright in Crossley, ima metilensko modrilo proti Pseudomonas aeruginosa minimalno baktericidno koncentracijo okoli 500 mikromolarov v temi in okoli 25 mikromolarov pri svetlobnem odmerku 12 joulov na kvadratni centimeter. Pri enem sevu Staphylococcus aureus sta vrednosti v temi in ob osvetlitvi obe 5 mikromolarov. Z drugimi besedami, ali molekula sploh šteje kot protimikrobna, ni lastnost same molekule; je lastnost molekule skupaj s svetlobo.

Lahko deluje neposredno na encimskem mestu, brez prenosa. Metilensko modrilo oksidira železovo železo, vezano na sintazo dušikovega oksida, s čimer encim onesposobi. Zavira topno gvanilat ciklazo, rutinska laboratorijska koncentracija za ta namen pa je med 1 in 10 mikromolarov. Zavira monoaminooksidazo tipa A z IC50 med 27 in 180 nanomolarov, kar je mehanizem v ozadju dobro dokumentirane interakcije z zaviralci ponovnega privzema serotonina in razlog, da so interakcije metilenskega modrila z zdravili samostojna kategorija.

Te tri poti so kemijsko različne. Združevanje vseh pod eno samo trditev, da metilensko modrilo deluje z redoks kroženjem, je glavni razlog, da toliko besedil o njem deluje hkrati samozavestno in nejasno.

Štiri razlike, ki odločajo, ali trditev o mehanizmu sploh kaj pomeni

Katera oblika. Reducirano barvilo ni zamenljivo z oksidiranim. Zaviranje acetilholinesteraze dobro ponazori past: med dolgim in vitro inkubiranjem se metilensko modrilo postopoma reducira v brezbarvno obliko, zaviranje pa slabi, ker reducirana molekula tega encima ne zavira. Preskus, ki traja dovolj dolgo, da spremeni obliko molekule, bo pokazal šibkejši učinek in spodbudil napačno razlago.

Katera koncentracija. Laboratorijsko območje za zaviranje topne gvanilat ciklaze je 1 do 10 mikromolarov. Za odpravo glutamatno posredovanega prenosa v rezinah podganjega hipokampusa je bilo potrebnih 5 do 50 mikromolarov. Toksični učinki v celičnih kulturah so opisani nad 100 mikromolarov. To niso isti poskusi in mehanizem, potrjen pri 50 mikromolarih, ni samodejno prisoten pri bolniku, katerega plazemska koncentracija je le del te vrednosti.

Katera pot dajanja. Absolutna peroralna biološka uporabnost je okoli 72 odstotkov, terminalni plazemski razpolovni čas pa 5 do 7 ur. Peroralno dajanje povzroči višje koncentracije v črevesju in jetrih; intravensko dajanje povzroči višje koncentracije v možganih. Pot dajanja določa, katero tkivo pride v stik z elektroni.

Kateri model in ali so bile luči prižgane. Velik del literature o mehanizmih temelji na celičnih kulturah in raziskavah na glodavcih, rezultati in vitro pri tej molekuli pa so odvisni od izpostavljenosti svetlobi, membranskega potenciala in redoks stanja celic, saj že svetilka mikroskopa zadostuje za njeno fotosenzibilizacijo. Med 65 in 85 odstotkov uporabljenega odmerka se v rdečih krvničkah in perifernem tkivu reducira v brezbarvno obliko. Vsaka od teh spremenljivk stoji med čistim mehanizmom v laboratorijski posodi in trditvijo o človeku.

Zakaj je vprašanje čistosti kemijsko vprašanje

Osvetlitev demetilira metilensko modrilo. Prvi produkt je Azure B, nato Azure A, nato tionin, pri večji intenzivnosti svetlobe pa nastane več razgradnih produktov kot pri manjši. Molekula, katere uporabnost temelji na sposobnosti sprejemanja in oddajanja elektronov, je zato tudi molekula, katere verjetni razgradni produkti so bližnji kemijski sorodniki, ki ostanejo v isti raztopini. Sestava vsebine v embalaži ni le kozmetična podrobnost.

Zato je skladnost s specifikacijo USP smiselno merilo za kupca. Izdelek, ki je ne izpolnjuje, je barvilo, barvila pa lahko vsebujejo nečistoče, vključno z Azure B, težkimi kovinami in ostanki topil, ki jih oseba, ki izdelek zaužije, noče zaužiti. Dodatna past je prodajalec, ki testira samo težke kovine in rezultat predstavlja kot popolno skladnost. Blupreme sodeluje s farmacevtskim proizvajalcem metilenskega modrila in preverja celotno specifikacijo: identiteto, čistost, organske nečistoče, ostanke topil, elementarne nečistoče, ostanek po žarjenju, mikrobiološke mejne vrednosti in bakterijske endotoksine. Dokument laboratorijskega testiranja za vsako serijo je objavljen, izbira dobavitelja pa je predvsem vprašanje preverjanja, ali tak dokument obstaja in kaj zajema.

En reverzibilen par. Več poti, ki iz njega izhajajo. Pot določa, kaj lahko trditev pomeni.