Widok Wpływ organicznych związków cyny i ołowiu na błony biologiczne i modelowe.

K

osmos

Strony 165-172

PROBLEMY NAUK BIOLOGICZNYCH____________ Polskie Towarzystwo Przyrodników im. Kopernika

Szanownemu Panu Profesorowi Lechowi Wojtczakowi z wyrazami szacunku i sympatii

St a n i s ł a w Pr z e s t a l s k i, j a n i n a Ku c z e r a, Ha l i n a Kl e s z c z y ń s k a,

JANINA GABRIELSKA, JANUSZ SARAPUK, JERZY HŁADYSZOWSKI, TERESA KRAL, Ze n o n Tr e l a

Katedra Fizyki i Biofizyki Akademii Rolniczej we Wrocławiu Norwida 25, 50-375 Wrocław

WPŁYW ORGANICZNYCH ZWIĄZKÓW CYNY I OŁOWIU NA BŁONY BIOLOGICZNE I MODELOWE

W STĘ P

Związki organiczne zawierające w cząstecz­ ce co najmniej jeden atom metalu połączony bezpośrednim wiązaniem z atomem węgla na­ zywamy związkami metaloorganicznymi. Mają one budowę:

RnMeXm,

gdzie R oznacza rodnik organiczny (np. alkilo­ wy, arylowy i inne), Me — metal, X —grupę anionową (może to być np. chlorowiec, grupa alkoksylowa lub inne), n i m — liczby grup funkcyjnych.

Związki te wpływają na organizmy żywe

(T h a y er 1974). Jeśli sam metal jest toksyczny

to jego organiczne pochodne są również toksy­ czne, na ogół bardziej niż metal. Metale, które same przez się nie są szkodliwe, mogą nabyć właściwości toksycznych po połączeniu z gru­ pami organicznymi. Czym większe są grupy organiczne i im bardziej są lipofilowe, tym bar­ dziej są toksyczne odpowiednie związki meta­ loorganiczne. Pochodne alkilowe są odpowie­

dzialne za większą toksyczność aniżeli pochod­ ne arylowe, a wszystkie związki organiczne są bardziej toksyczne aniżeli odpowiednie związki nieorganiczne. Jeśli grupy anionowe związków są dużymi grupami organicznymi, to mogą zmienić aktywność biologiczną związków meta­ loorganicznych; takie duże grupy organiczne mogą mieć wpływ na centralnie położony atom metalu i zmieniać jego toksyczność. Wpływ ten jest nieznaczny, jeśli są małymi i łatwo dysocju­ jącymi grupami.

Organiczne związki ołowiu i cyny wymagają specjalnych badań, ponieważ ich zawartość w naszym otoczeniu stale wzrasta i zwiększa się zagrożenie dla świata organicznego narażonego na ich wpływy. Pomimo prowadzonych od dłuż­ szego już czasu badań nad odziaływaniem tych związków na ludzi, zwierzęta, rośliny, komórki i struktury subkomórkowe oraz molekularne (np. białka cytoplazmatyczne) mechanizm tych oddziaływań nie jest zadawalająco poznany.

W YSTĘPO W ANIE I POCHODZENIE ORGANICZNYCH ZW IĄZKÓ W CYNY I OŁOW IU O RA Z BADANIA ICH W PŁYW U N A ORGANIZM Y ŻYW E

Organiczne związki cyny w środowisku są na ogół pochodzenia antropogenicznego; wyjąt­ kiem są metylowe pochodne cyny, które mogą powstawać również w wyniku metylacji biologi­ cznej. Organiczne związki cyny w zastosowa­ niach przemysłowych zostały zarejestrowane po

raz pierwszy w 1936 roku. Produkcja ich stale wzrasta. W 1955 roku wyniosła ona około 5000 ton, a obecnie roczną produkcję tych związków szacuje się na 50000 ton (M e r c ie r i współaut. 1994). Znajdują one zastosowanie w takich ga­ łęziach przemysłu, ja k przemysł farbiarski

(szczególnie jako środki przeciwporostowe w farbach przeznaczonych do malowania statków i różnych konstrukcji podwodnych), przemysł tworzyw sztucznych (w szczególności jako sta­ bilizatory w produkcji chlorku poliwinylowego i jako katalizatory w produkcji poliuretanu) oraz w produkcji środków ochrony roślin w postaci pestycydów (fungicydów, herbicydów, insekty­ cydów i innych) i środków konserwujących (np. drewno).

Źródłem związków organicznych ołowiu, po­ dobnie jak w przypadku związków cyny, są również różnego rodzaju ksenobiotyki (na przy­ kład pestycydy), ale przede wszystkim (od lat 20-tych) jest nim benzyna zawierająca substan­ cje przeciwstukowe, głównie tetrametyloołów i tetraetyloołów, które przedostają się do atmo­ sfery wraz z gazami silników spalinowych. Wprawdzie stosowanie tych związków w wielu krajach uległo ostatnio ograniczeniu, jednak w wielu innych nawet wzrosło. W latach 80-tych produkcja tych związków była szacowana na 200000 ton rocznie (C r a ig 1982).

Toksyczność związków organicznych cyny i ołowiu jest znacznie większa od toksyczności nieorganicznych form tych metali (na temat toksyczności związków nieorganicznych cyny i ołowiu istnieje obszerna literatura, również w piśmiennictwie polskim, np. B a d u ra 1994, W ie ­

rzb ic k a 1995). Znacznie większą toksyczność

związków organicznych (w odniesieniu do świata zwierzęcego) przypisuje się między innymi wię­ kszej ich rozpuszczalności w tkance tłuszczowej niż ich analogów nieorganicznych (C r a ig 1982). Wskutek wysokiej szkodliwości dla organizmów żywych, z której wynika ich zastosowanie jako biocydów (związki cyny bywają również stosowa­ ne jako leki przeciwnowotworowe; G ie le n 1994). Wpływ tych związków na poziomie komór­ kowym przejawia się między innymi uszkodze­ niem lub zniszczeniem podstawowych organelli komórkowych oraz zaburzeniem wielu istot­ nych procesów biologicznych. Na przykład związki organiczne ołowiu (w szczególności trój- alkilowe pochodne ołowiu) blokują fosforylację oksydacyjną w mitochondriach (A ld r id g e i współaut. 1962), niszczą takie struktury cyto- szkieletu, jak między innymi mikrotubule (ZiM-

mermann i współaut. 1988), w roślinach hamują

aktywność fotosyntetyczną (M a r c h e tt i 1987), wywołują zmiany w aparacie Golgiego i wpływa­ ją na proces mitozy (A h lb e r g i współaut. 1972,

R o d e r e r 1980) oraz hamują aktywny transport

jonów i substancji organicznych.

Podobnie obserwuje się różnorodne wpływy organicznych związków cyny na strukturę ko­ mórek i procesy komórkowe takie jak hamowa­ nie hemotaksji (A rakaw a i W a d a 1984) i trans­ portu elektronów w mitochondriach, chloropla­ stach i komórkach bakterii. W chloroplastach związki cyny powodują: hamowanie fosforyla­ cji, rozprzęganie i inhibicję transportu elektro­ nów. W komórkach bakterii stwierdzono z kolei, że R3Sn+ hamuje aktywność ATPazy membra­ nowej oraz syntezę DNA i RNA (F e n t 1996).

Wpływ związków toksycznych na organizmy żywe bada się różnymi metodami. W stosunku do organizmów doświadczalnych za miarę to­ ksyczności przyjmuje się często CL50, czyli stę­ żenie związku wywołujące śmierć połowy bada­ nej populacji, lub CI50 — czyli stężenie wywo­ łujące zahamowanie wybranych reakcji do 50%. Od pewnego czasu są popularne przewi­ dywania toksyczności metodą QSAR (quantita­ tive structure — activity relationship), co wyma­ ga doboru odpowiednich fizykochemicznych i topologicznych parametrów (V igh i i C alam ari

1985, L a u g h lin i współaut. 1985, E n g i współ­ aut. 1991, Hamasaki i współaut. 1995). Wbrew nadziejom metoda ta ma jednak ograniczoną skuteczność (F e n t 1996).

Niezależnie od rodzaju organizmu żywego rozważane związki albo oddziaływują z błonami biologicznymi (błonami tkankowymi, błonami komórkowymi i błonami organelli komórko­ wych) albo co najmniej przechodzą przez te błony i wywierają swoje działanie wewnątrz róż­ nych przedziałów układu żywego. Tak więc wy­ daje się, że błony w każdym przypadku muszą być zaangażowane w procesach oddziaływań związków metaloorganicznych z organizmami żywymi. Z tego względu można sądzić, że wła­ ściwą drogą do określenia toksyczności rozwa­ żanych związków jest zbadanie ich wpływu na błony biologiczne (lub ich modele). Istnienie wpływu tych związków na błony jest dobrze udo­ kumentowane, jednakże nie ma pełnego obrazu łych oddziaływań na poziomie molekularnym. Określenie mechanizmu ich miałoby znaczenie nie tylko poznawcze, ale mogłoby być pomocne w testowaniu toksyczności tych związków i być mo­ że, w poszukiwaniu środków ochronnych, prze­ ciwdziałających toksycznemu działaniu omawia­ nych związków.

ZWIĄZKI ORGANICZNE OŁOWIU I CYNY

W przedstawionym przeglądzie omawiamy lowymi następujących związków organicznych oddziaływania z błonami biologicznymi i mode- ołowiu i cyny:

Wpływ organicznych związków cyny i ołowiu na błony 167 — chlorotrimetyloołów(Met3PbCl), — chlorotrietyloołów(Et3PbCl), — chlorotripropyloołów(Prop3PbCl), — chlorotributyloołów(But3PbCl), — chlorotrifenyloołów(Fen3PbCl), — chlorotrimetylocyna(Met3SnCl,) — chlorotrietylocyna(Et3SnCl), — chlorotripropylocyna(Prop3SnCl), — chlorotributylocyna(But3SnCl) i — chloro trifenylocyna(Fen3SnCl).

Ogólnie możemy je przedstawić w postaci: R3MeCl,

gdzie R jest rodnikiem alkilowym lub fenylo­ wym, Me — metalem (Pb lub Sn), Cl — chlorem. Badane związki poza związkami fenylowymi stanowią dwa szeregi homologiczne o wzrasta­ jącej długości łańcuchów alkilowych.

W roztworze wodnym powstają różne stru­ ktury zarówno jonowe, jak i cząsteczkowe. Mo­ żemy się spodziewać powstawania następują­ cych form:

R3Me+, R3Me(H20)2+, R3Me(OH), CF i H30 +, przy czym procentowa zawartość różnych form zależy od różnych czynników, takich jak rodzaj związku, pH, siła jonowa i inne. Na przykład

F e n t (1996) wskazuje, że formy jonowe związ­

ków cyny przeważają w środowisku o pH < 7. Dla określenia i opisu oddziaływań rozważa­ nych związków z błonami pożądana byłaby zna­ jomość procentowej zawartości różnych form

ich w wodzie oraz określenie współczynników podziałów między wodą i fazą lipidową. Dotych­ czasowe badania specjacji chemicznej w orga­ nicznych związkach cyny i ołowiu mają chara­ kter jedynie fragmentaryczny. W wielu pracach (np. H a g e r i współaut. 1987, E n d re s i Faul-

s tic h 1989) rozważa się głównie wpływ jonów

typu R3Me+.

Kształt przestrzenny rozważanych cząste­ czek jest stale przedmiotem badań. Na przykład

M usm eci i współpracownicy (1992) uważają, że

R3Sn w błonie erytrocytarnej ma strukturę przestrzenną utworzoną przez złożone podsta­ wami dwie trójścienne piramidy. W tak powsta­ łej dwupiramidzie grupy organiczne są ułożone równikowo wokół centralnego atomu cyny, zaś jej wierzchołki tworzą przyłączone do cyny czą­

steczki wody. Nasze własne poglądy oparte na teoretycznych badaniach metodą modelowania molekularnego sugerują, że rozważane cząste­ czki ołowiu mają podobny kształt do analogicz­ nych cząsteczek cyny, a różnią się jedynie roz­ miarami.

WPŁYW ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH CYNY I OŁOWIU NA BŁONY BIOLOGICZNE

Badania wpływu związków organicznych cy­ ny i ołowiu na błony biologiczne odnoszą się do błon różnego rodzaju. My ograniczymy się do opisania tych wpływów na błony mitochondrial - ne, błony glonów i błony erytrocytarne.

BŁONY MITOCHONDRIALNE

W roku 1955 A l d r i d g e i C r e m e r stwierdzili, że związki organiczne cyny blokują proces fo­ sforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, a w

1962 roku A l d r i d g e i współautorzy opisali po­ dobny efekt wywołany organicznymi związkami ołowiu. Początkowo efekty te stwierdzono w mitochondriach szczura, a następnie w mito­ chondriach innych organizmów. Na przykład

E n d re s i F a u ls tic h (1989) badali wpływ triety- loołowiu na ATPazę mitochondrialną endosper- my rycynusa (Ricinus communis L.) i na pobie­ ranie sacharozy przez jego liścienie. Wykazali oni, że aktywne pobieranie sacharozy przez li­ ścienie jest całkowicie i niespecyficznie hamo­ wane przez trietyloołów, co wynika z zahamo­ wania syntezy ATP i w konsekwencji do zaha­ mowania aktywnego transportu sacharozy. In­ ne badania (S e ly y n 1978) wskazały, że różno­

rodne efekty w błonach mitochondrialnych wy­ w ołu ją również organiczne związki cyny. Wpływ

trójpodstawionych organicznych pochodnych cyny na rozprzęganie lub bezpośrednie hamo­ wanie fosforylacji oksydacyjnej można tłuma­ czyć w trojaki sposób (F e n t 1996). Pierwszym możliwym mechanizmem wydaje się bezpośred­ nie hamowanie syntezy ATP przez FoFi ATPazę. Druga ewentualność może polegać na indukcji procesu wymiany Cl"/OH’ poprzez wewnętrzną błonę mitochondrialną, co prowadzi do wyrów­ nania różnic pH pomiędzy cytoplazmą i mito­ chondrialną matriks. W tej sytuacji badane związki działałyby jak jonofory i związki roz- przęgające. Trzecia możliwość mogłaby polegać na znacznym pęcznieniu mitochondriów pod wpływem rozważanych związków, czemu towa­ rzyszyłby zanik większości funkcji energetycz­ nych. Tak więc badania wpływu organicznych związków cyny i ołowiu na błony mitochondrial - ne nie dostarczyły do chwili obecnej jednozna­ cznego wyjaśnienia mechanizmu tego procesu. Między innymi nie dyskutuje się tu ewentual­ nego wpływu (lub braku wpływu) fazy lipidowej błon na rozważane procesy membranowe w mi­ tochondriach.

BŁONY KOMÓREK GLONÓW

Toksyczny wpływ organicznych związków cyny i ołowiu na komórki glonów przypisuje się między innymi zaburzeniu struktury błon tych organizmów. Na przykład toksyczność alkiloołowiu przypisuje się utracie pierwia­ stków śladowych wypływających z komórek, jeśli związek ten znajduje się w środowisku

(R o d e r e r 1983).

Duże rozmiary niektórych komórek glonów pozwalają na bezpośredni pomiar elektrycz­ nych parametrów tych komórek, a przede wszy­ stkim na pomiary zmian polaryzacji błon glo­ nów. W badaniach międzywęzłowych komórek glonów Nitellopsis obtusa stwierdzono ( T r e la i

P r z e s ta ls k i 1997), że trójfenyloołów zmienia

elektryczne właściwości tych błon. Związek ten, obecny w wodnym środowisku zewnętrznym w stężeniu 50 pM powoduje depolaryzację błony i wzrost jej przewodności elektrycznej. Po godzin­ nej inkubacji komórek w roztworze trójfenylo- ołowiu średnie względne zmiany potencjału transmembranowego i przewodności elektrycz­ nej wynosiły odpowiednio -0,1 ± 0,04 i 0,33 ± 0,08.

Zakładając, że spoczynkowe napięcie mem­ branowe E jest wywołane głównie efektem ele- ktrodyfuzyjnym (jak to zostało założone w ba­ daniach innych substancji amfifilowych i ich wpływu na glony; P r z e s t a ls k i i współaut.

1991), to można je przedstawić za pomocą rów­ nania Goldmana-Hodgkina-Katza

p _ RT i PkKq + PNaNap + PęiCIj F PKKi + PNaNai + PciCIo

gdzie R — stała gazowa, T — temperatura, F — stała Faradaya, Pk, PNa i Pci — współczynniki przenikania odpowiednio dlajonów K+, Na+, Cl", natomiast Ko, Na0, Cl0, Ki, Nai, Cli —- stężenie tych jonów odpowiednio na zewnątrz (o) i we­ wnątrz (i) komórek.

Przewodność elektryczna błony jest związa­ na ze strumieniami dyfuzyjnymi jonów zależny­ mi od współczynników przenikania. Obserwo­ wana pod wpływem trójfenyloołowiu depolary­ zacja błony wraz z towarzyszącym jej wzrostem przewodności elektrycznej pozwala sądzić, że badany związek powoduje wzrost przenikania jednego lub kilku z wymienionych jonów, przy czym licznik w równaniu musi wzrosnąć bar­ dziej niż mianownik (depolaryzacja). Ponieważ w przypadku rozważanych komórek Ko < Ki, Na0 < Nai i Cło < Cli (O k ih ara i K ig o s a w a 1988), otrzymane wyniki mogą sugerować wzrost prze­ wodnictwa jonów chlorkowych. Można więc spekulować, że jony R3Pb+ penetrują błonę

pla-zmatyczną i oddziaływują bezpośrednio lub po­ średnio z białkami kanałowymi odpowiedzial­ nymi za transport jonów chlorkowych. Oddzia­ ływanie takie jest, na przykład, możliwe poprzez zmianę potencjału transmembranowego w wy­ niku wzrostu gęstości powierzchniowej dodat­ niego ładunku elektrycznego kationów trójfeny­ loołowiu, co z kolei może aktywować napięciowo zależne kanały chlorkowe. Alternatywnie moż­ na zaobserwowane efekty wyjaśnić destrukcyj­ nym działaniem trójfenyloołowiu na fazę lipido­ wą błony, powodującym być może lokalne rozluźnienie jej struktury i w konsekwencji nie­ specyficzny wyciek jonów.

BŁONA ERYTROCYTÓW

Błona krwinek czerwonych jest szczególnie często badana. Większość prac poświęconych badaniom wpływu związków organicznych cyny i ołowiu na błony erytrocytów sprowadza się do określenia stopnia hemolizy wywołanego dzia­ łaniem tych związków. Stwierdzono między in­ nymi, że tributylocyna w stężeniach wynoszą­ cych około 1 pM i większych powoduje nieod­ wracalną zmianę kształtu erytrocytów ludz­ kich, a w stężeniach większych od 5 pM hemo- lizę (G ra y i współaut. 1987), wywołaną zmiana­ mi w fizycznym stanie zarówno lipidów, jak i białek membranowych ( B u t t e r f i e l d i współ­ aut. 1991).

Porównanie działania związków organicz­ nych cyny i działania związków organicznych ołowiu na błony krwinek czerwonych świni wskazało, że w badanym zakresie stężeń związ­ ki ołowiu działają bardziej aktywnie aniżeli od­ powiednie związki cyny; a więc na przykład trietyloołów wywoływał większą hemolizę aniże­ li trietylocyna o tym samym stężeniu (K le s z -

czyŃ ska i współaut. 1997). Efekt ten wyjaśniono

na podstawie założenia, że za hemolizę krwinek są odpowiedzialne jony R3M+, a więc jon y Et3Pb+, Prop3Pb+ i But3Pb+ z jednej strony , a jony Et3Sn+, Prop3Sn+ i But3Sn+ — drugiej. Pomiędzy kationami R3Pb+ i R3Sn+ i naładowa­ ną ujemnie (głównie dzięki kwasowi sjalowemu) błoną erytrocytarną dochodzi do oddziaływań elektrostatycznych. Dla zorientowania się w tych oddziaływaniach obliczono (metodą mode­ lowania molekularnego) potencjały elektro­ statyczne badanych jonów (na ich powierzch­ niach Connolly’ego). Otrzymane wyniki są przedstawione w tabeli 1.

Jak widać, potencjał elektryczny każdego z jonów RąPb+ jest większy aniżeli potencjał ele­

ktryczny odpowiedniego jonu R3Sn+. Można więc sądzić, że przyciąganie elektrostatyczne między jonami R3Pb+ i błoną jest nieco większe

Wpływ organicznych związków cyny i ołowiu na błony 169

aniżeli przyciąganie między jonam i R3Sn+ i błoną.

W zawiesinie erytrocytów i kationów R3Me+ dochodzi do zderzania się krwinek i kationów zarówno dzięki termicznemu ruchowi składni­ ków zawiesiny, jak i w wyniku oddziaływań elektrostatycznych. Ze względu na większy po­ tencjał elektryczny jonów R3Pb+ od potencjałów

Tab. 1. Porównanie potencjałów elektrycznych otrzymanych drogą modelowania molekularnego

jonów R3Me+'

EP oznacza maksymalną wartość potencjału elektrycznego (wyrażonego w e/A°, gdzie e jest ładunkiem elementarnym, A° — angstrom) na powierzchni Connolly’ego (Kle s z c z y ń sk a i współaut. 1997).

Jon EP[e/A°] Jon EP[e/A°] Et3Pb+ 149,86 Et3Sn+ 145,50 Prop3Pb+ 143,68 Prop3Sn+ 137,36 But3Pb+ 142,00 But3Sn+ 135,53

jonów R3Sn+ istnieje nieco większe prawdopo­ dobieństwo zetknięcia się tych pierwszych jo ­ nów z błoną niż tych drugich. W konsekwencji można oczekiwać, że jony R3Pb+ będą rzeczywi­ ście wywoływać większą hemolizę aniżeli odpo­ wiednie jony R3Sn+.

Z kolei wyniki badań zawartych w tej samej pracy wskazują, że stopień hemolizy wzrasta wraz z długością rodnika organicznego w szere­ gu homologicznym danego metalu. I ten fakt eksperymentalny znajduje swoje odzwierciedle­ nie w tabeli 1. Wraz ze wzrostem rozmiarów rodnika organicznego zmniejsza się w każdym szeregu potencjał elektryczny, co wskazuje na zwiększanie się hydrofobowości kationów, czyli na wzrost ich lipofilowości i większą łatwość w penetrowaniu fazy lipidowej błony.

Oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy kationami R3Me+ i fosfolipidami w innych bło­ nach biologicznych wskazali również w swoich badaniach Mu s m e c i i współpracownicy (1992).

WPŁYW ORGANICZNYCH ZWIĄZKÓW CYNY I OŁOWIU NA MODELOWE BŁONY LIPIDOWE

Lipidowe błony modelowe są powszechnie i szeroko stosowanym układem w badaniach membranowych, a w szczególności w bada­ niach wpływu różnorodnych substancji biologi­ cznie czynnych na błony. W odniesieniu jednak do organicznych związków cyny i ołowiu są one dotychczas wykorzystywane bardzo rzadko.

W pracy He y w o o d a i współautorów (1989)

wykorzystano liposomy lecytyn owe i wskazano, że związki organiczne cyny najprawdopodobniej wiążą się z powierzchnią błon dzięki oddziały­ waniom kulombowskim pomiędzy kationami R3Sn+ i anionowymi grupami fosforanowymi cząsteczek lipidowych, z których zostały ufor­ mowane liposomy. Am b r o s i n i i współpracowni­

cy (1996) wykorzystali sondy fluorescencyjne i stwierdzili, między innymi, że trifenylocyna gro­ madzi się w hydrofobowym wnętrzu dwuwar- stwy lipidowej, natomiast dibutylocyna — w zewnętrznej warstwie polarnej błony lipidowej.

Nasze własne badania wpływu organicz­ nych związków cyny i ołowiu na modelowe bło­ ny lipidowe miały na celu między innymi okre­ ślenie zmian właściwości mechanicznych tych błon, ich zmian elektrycznych i opis procesu desorpcji wybranych jonów nieorganicznych z błon.

Zmiany trwałości mechanicznej błon bada­ no stosując czarne błony lipidowe (BLM), które formowano z roztworu azolektyny w otworze o średnicy 1,7 mm znajdującym się w teflonowej

przegrodzie naczynia pomiarowego. Trwałość mechaniczna błon była określana za pomocą wielkości CC, stężenia krytycznego, które zosta­ ło określone jak o takie stężenie związków R3Me+, które powodowały pękanie błon lipido­ wych w czasie nie dłuższym aniżeli 5 minut. Wyniki doświadczalne (Ga b r i e l s k a i współaut.

1997) wskazały, że o efektywności oddziaływa­ nia alkiloorganicznych związków ołowiu z bło­ nami decydowała rosnąca ze wzrostem długości łańcucha węglowodorowego lipofilowość dane­ go związku. Efektywność tą można uszerego­ wać w sekwencję

Met3Pb+ < Et3Pb+ < Prop3Pb+ < But3Pb+ a wartości stężeń krytycznych dla tych związ­ ków zawiera poniższa tabela.

Tab. 2. Wartości stężeń krytycznych (CC) badanych alkiloorganicznych związków ołowiu

Związek Met3PbCI Et3PBCI Prop3PbCI But3PbCI CC[M] 7,2 1CT4 5,6 10~4 2,8 10~4 1,2 10~4

Oddziaływanie organicznych związków cyny z płaskimi błonami modelowymi było wyraźnie słabsze i w większości przypadków błony nie ulegały zniszczeniu dla wurtości stężeń związ­ ków równych stężeniom nasycenia (~ 10-4 M ).

Czarne błony lipidowe zostały wykorzystane również do badań zmian ich parametrów ele­ ktrycznych (Ra d e c k a i współaut. 1996).

Pomia-ry napięć elektPomia-rycznych wskazały, że pod wpły­ wem badanych związków organicznych cyny dochodzi do depolaryzacji błon, przy czym sto­ pień depolaryzacji jest związany z rozmiarami rodnika alkilowego, co wskazuje, że efekt ten jest zależny od stopnia lipofilowości rozważa­

nych związków cyny.

Badania desorpcji jonów wapnia Ca2+ i pra- zeodymu Pr3+ zrealizowano (Ku c z e r a i współ­

aut. Appl. Organomet. Chem., w druku) z po­ mocą liposomów. Liposomy lecytynowe inkubo- wano w roztworze zawierającym znaczone jony wapnia 45Ca2+ (względnie jony prazeodymu Pr ). Następnie, stosując metodę izotopową (w odniesieniu do jonów wapnia) lub metodę NMR (w odniesieniu do jonów Pr3+) wykazano, że trialkilowe związki cyny (chlorki trimetylo-, trie- tylo- i tripropylocyny) wywierają wpływ na pro­ cesy desorpcji jonów wapnia i prazeodymu z błon liposomów. Związki te powodowały wzrost stałych kinetycznych procesów wraz ze wzro­ stem stężenia i długości łańcuchów alkilowych, co sugeruje, że trialkilowe jony cyny, konkurują z jonami Ca2+ lub Pr3+ o centra wiążące w grupach fosforanowych części polarnej błony. Wzrost długości łańcuchów alkilowych, powo­ dując wzrost hydrofobowości tych związków zwiększał ich współczynnik podziału między fa­ zę lipidową i fazę wodną, co powodowało wzrost szybkości stałych badanych procesów.

Naturalne środowisko jest skażone nie tylko związkami metaloorganicznymi lecz także inny­ mi związkami, między innymi detergentami. Z tego względu autorzy przeprowadzili badania współdziałania obydwu grup związków. Stwier­ dzono, że procesy desorpcji jonów Ca2+ i Pr3+ z błon liposomów lecytynowych, modyfikowanych uprzednio kationowym detergentem, chlorkiem dodecylotrimetyloamoniowym (TMDA) lub deter­ gentem anionowym, dodecylosulfonianem so­ dowym przebiegają inaczej niż dla błon niemo- dyfikowanych. Detergent anionowy spowodo­ wał znaczne wzmocnienie wpływu związków metaloorganicznych na błony, natomiast deter­ gent kationowy znacznie zahamował desorpcję jonów. Należy przypuszczać, że związki amfifi- lowe, wbudowując się do błony zmieniają jej ładunek powierzchniowy wpływając na oddzia­ ływania elektrostatyczne między błoną i jonami Ca2+, Pr3+ oraz jonami organicznymi cyny, a tym samym na proces desorpcji. Zastosowanie w badaniach obydwu detergentów zostało opar­ te na wynikach poprzednich eksperymentów (Ku c z e r a i współaut. 1996), które wskazały, że

te biologicznie czynne związki przyspieszają proces desorpcji jonów wapnia z błon liposo­ mów. Ponadto zwrócono uwagę, że stałe kinety­

czne tego procesu mogą stanowić miarę toksy­ czności detergentów.

Błony liposomów modyfikowane detergen­ tami anionowymi, zawierające znaczone jony wapnia, wykazywały pod wpływem kationów R3Sn+ znaczne przyspieszenie procesu desor­ pcji jonów wapnia. Natomiast błony liposomów modyfikowane detergentami kationowymi (o stężeniach nie niszczących błon) wykazywały wyraźne zahamowanie tego procesu (rys. 1). Rysunek 1 wskazuje zależność desorpcji jonów wapnia z liposomów nie modyfikowanych i modyfikowanych za pomocą TMDA od stężenia jonów trimetylocyny. Jak widać, TMDA chroni błonę przed działaniem trimetylocyny.

Rys. 1. Zależność między stałą kinetyczną a/a0 pro­ cesu desorpcji jonów wapnia z błon liposomów lecy­

tynowych i stężeniem każdego z badanych z w i ą z k ó w .

a — stała kinetyczna procesu w obecności badanych związ­

ków Prop3SnCl lub (Prop3SnCl + TMDA), a0 — stała kinety­ czna procesu w nieobecności tych związków.

Badania wpływu organicznych związków cy­ ny i ołowiu na błony lipidowe wskazują na ich działanie zarówno na ich właściwości mechani­ czne, jak i elektryczne. Fakt ten pozwala sądzić, że również w błonach biologicznych badane związki oddziaływują z fazą lipidową tych błon. Pozostaje sprawą otwartą wykazanie, w jakim stopniu badane substancje bezpośrednio wpły­ wają na białka membranowe, a w jakim stopniu pośrednio poprzez lipidy dwuwarstwy błony biologicznej. Elektrostatyczne oddziaływania pomiędzy badanymi związkami a błonami za­ równo modelowymi, jak i biologicznymi pozwa­ lają sądzić, że odpowiednie zmiany polaryzacji błon mogą stanowić jedną z możliwych dróg (poza innymi, jak na przykład naturalnymi me­ chanizmami odpornościowymi) prowadzącą do ochrony komórek przed toksycznymi działania­ mi związków organicznych cyny i ołowiu.

Wpływ organicznych związków cyny i ołowiu na błony 171

EFFECT OF ORGANIC COMPOUNDS OF TIN AND LEAD ON MEMBRANES S u m m a ry

The work is concerned with the toxic effect o f organic compounds of tin and lead on living organisms and the menace they constitue to the environment. The effect o f the compounds on living organisms takes place at various levels o f their organization. However, since the compounds are membrane active, in the present paper their interaction with biological and model membranes has been highlighted. The compounds affect various properties of biological mem­ branes (as discussed taking as examples mitochondrial,

algal and erythrocyte membranes) and model lipid mem­ branes (in the form of flat lecithin BLMs and liposome membranes). Among the main conclusions are: 1. The compounds studied affect (among others) both the mech­ anical and electrical properties o f membranes. 2. The com­ pounds do modify the lipid phase o f membranes. 3. Suitable changes in electrical polarization of membranes may have a protective effect against these compounds.

LITERATURA

Ahlberg J., Ra m e l C., Wa c h t m e is t e r C., 1972. Organolead

compounds shown to be genetically active. Ambio 1,

29-31.

Ald rid g eW., Cr e m e rJ., 1955. The biochemistry o f organo-

tin compounds. Biochem. J. 61, 406-418.

Ald r id g e W., Cr e m e r J., Thr e lf a ll C., 1962. Trialkyllead

and oxidative phosphorylation; a study o f the action o f trialkylleads upon rat liver mitochondria and rat brain cortex slices. Biochem. Pharmac. 11, 835-846.

Am b r o s in iA ., Be r t o l iE ., Zo le s eG., 1996. Effect o f organotin

compounds on membrane lipids: Fluorescent spectros­ copy studies. Appl. Organomet. Chem. 10, 53-59.

Arakaw aY., Wa d aO., 1984. Inhibition o f neutrophil chemo-

taxis by organotin compounds. Biochem. Biophys. Res.

Co. 2, 543-548.

Ba d u r aL., 1994. Wpływ metali ciężkich na organizmy żywe.

[W:] Środowisko a zdrowie,Sm ykB., Sz e w c z y kJ. (red.),

RegiaPol. Częstochowa, 31-50.

Bu tte r fie ldD., Sc h n e id e r a., Ra n g a c h ar iA., 1991. Electron

paramagnetic resonance studies o f the effects o f tri-n- butyltin on the physical state o f proteins and lipids in erythrocyte membranes. Chem. Res. Toxicol. 4, M I ­

MS.

Craig P. I., 1982. Environmental aspects o f organometallic chemistry. [W:]Comprehensive Organometallic Chem­ istry, Wilk in s o n G., Go r d o n F., St o n e A ., Ab e l E. (red.),

Pergamon Press, Oxford 979-1019.

End r e s K., Fau ls tic h H., 1989. Triethyllead inhibits mito­

chondrial ATPase o f the endosperm and sucrose uptake in the cotyledons o f Ricinus communis. J. Plant Physiol.

133, 531-536.

Eng G., Tie r n e yE., Ols o n G. I., Br in c k m a nF., Bellam aJ., 1991. Total surface areas o f group IV A organometallic

compounds: Predictors o f toxicity to algae and bacteria.

Appl. Organomet. Chem. 5, 33-37.

Fe n tK., 1996. Ecotoxicology o f organotin compounds. Crit. Rev. Toxicol. 26, 1-117.

Gielen M., 1994. Tin-based antitumour drugs. [W:] Metal-

based drugs, Ko z ło w s k i H. (red.), Freund Publishing House ITD, London, 213-219.

Gr ayB., Po r v a zn ikM., Fl e m m in gC., LeeL., 1987. Organotin-

induced cell hemolysis, shape transformation and intra- membranous aggregates in human erythrocytes. Cell

Biol. Toxicol. 3, 23-38.

Ga b r ie ls k a J.,- Sa r a p u k J., Pr ze stalsk i S., 1997. Role o f

hydrophobic and hydrophilic interactions o f organotin and organolead compounds with model lipid mem­ branes. Z. Naturforsch. 52 c (w druku).

Ha g e r A ., Mo se rI., Be r t h o l dW ., 1987. Organolead toxicity

in plants: Triethyllead (EtaPff) acts as a powerful trans­ membrane C l I OPT exchanger dissipating i f gradients at nano-molar levels. Z. Naurforsch. 42c, 1116-1120.

Ha m a s a k i T., Masu m o t o H., Sa to T., Ha g a s e H., Kito H.,

Yo s h io k aY., 1995. Estimation o f the hemolytic effects o f

various organotin compounds by structure-activity rela­ tionships. Appl. Organomet. Chem. 9, 95-104.

He yw o o d B., Mo llo y K., Wa t e r f ie ld P., 1989. Organotin biocides XV: Modelling the interactions o f triorganotins

with cell membranes. Appl. Organomet. Chem. 3, 443-

450.

Kle s z c z y ń sk aH., Hla d y s zo w s k iJ., Pr u c h n ikH., Pr ze s talsk i

S., 1997. Erythrocyte hemolysis by organic tin and lead

compounds. Z. Naturforsch. 52c (w druku).

Ku c z e r a J., Cho jn ac k i H., Kr a l T., Pr ze s talsk i S., 1996.

Effect o f amphiphilic cationic compounds on calcium ion desorption fro m lecithin liposome membranes. Kinetic studies and quantum chemical calculations. Z. Natur­

forsch. 51c, 219-225.

LaUGHLIN R .B ., JOHANNESEN R., FRENCH W., GUARD H., BRINCK-

m an F., 1985. Structure-activity relationship f o r orga­

notin compounds. Environ. Toxical. Chem. 4, 343-351.

Mar c h e tti R., 1987. Acute toxicity o f alkyl leads to some

marine organisms. Mar. Pollut. Bull. 9, 206-207.

Me r c ie r A., Pe e ll e tie r E., Ha m e l J. F., 1994. Metabolism

and subtle toxic effects o f butyltin compounds in star­ f is h Aquat. Toxicol. 28, 259-263.

Musm ec iM., Ma d o n iaG., Lo Gu id is eM., Silv es tr iA., Ruisi

G .,Ba r b ie r i R., 1992. Interactions with biological sys­

tems. Appl. Organomet. Chem. 6, 127-138.

Ok ih a r aA., Kig osaw a K., 1988. Ion composition o f the Chara

intermode. Plant Cell Physiol. 21, 21-25.

Pr ze s talsk i S., Ja n a s T., Tr e la Z., Wit e k S., Gw o ż d ziń sk i K.,

1991. Voltammetric studies o f the cell membrane o f the

alga Nitellopsis obtusa as amphiphilic derivatives o f glycine esters. Physiol. Plant. 83, 433-440.

Ra d e c k aH., Sa r a p u kJ., Zie l iń s k aD., Pr ze s talsk i S., Ra d e c k i J., Cie c ió r sk i B., 1996. An attempt to explain the toxic

properties o f alkilo-lead derivatives towards plants on the base o f stuudies on model lipid membranes. Medici­

na Preventiva, 4, 87-92.

Ro d e r e rG., 1980. On the toxic effects o f tetraethyl lead and

its derivatives on the Chrysophyte Poterioochromonas malhemensis. I. Tetraethyllead Envir. Res. 23, 371-

384.

Ro d e r e rG., 1983. On the toxic effects o f tetraethyl lead and

its derivatives on the Chrysophyte Poterioochromonas malhamensis IV. Influence o f lead antidotes and related agents. Chem. Biol. Interactions 46, 247-254.

Selvyn M., 1978. Triorganotin compounds as ionofores and

inhibitors o f ion translocating ATPases. [W:] Organotin Compounds: New Chemistry and Applications, Zu c k e r-

m anJ. (red.), American Chemical Society, Washington, DC., 204-226.

Thayer J., 1974. Organometallic compounds and living or­

Tr e l a Z., Pr z e s t a l s k i S., 1997. Effect o f triphenyllead

chloride on the resting potential and electrical conduct­ ance ofNitellopsis obtusa membrane. Polish J. Environ­

mental Study (praca przyjęta do druku).

Vig h i M., Ca l a m a r i D., 1985. QSARs fo r organotin com­

pounds on Dalphnia Magna. Chemosphere 14, 1925-

1932.

Wie r z b ic k a M., 1995. Oddziaływanie metali ciężkich na

rośliny. Kosmos 44, 639-651.

ZlMMERMANN H., FAULSTICH H., HaENCH G., DOENGES K., STAUR-

n o a r a s C., 1988. The interaction o f triethyllead with