Удивительный мир растений

Значение растительного мира в жизни человека и животных

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА

Хранение цветов

Помидоры

Грибы

Ядовитые растения

Яблоневый сад

Крушина

Ягодные растения

Георгины

Статьи

Статьи на разные темы

 

 

 

 

Характеристика основных групп биоцидов

В настоящее время описано несколько тысяч биоцидов, относящихся к различным классам химических соединений.

Неорганические биоциды. Ряд катионов и прежде всего катионов тяжелых металлов, а также некоторые анионы обладают токсическим действием на живые организмы. Например, токсическими концентрациями Ag+, Cd2+, Hg2+, TL+ для грибов рода Aspergillus являются 10-4-10-6 моль. Менее чувствительны они к катионам Pb2+, Zn2+, Си2+, Ni2+, Со2+, AL3+, Cr2+ (10-3 моль), щелочных и щелочно-земельных металлов (10-1-10-2 моль). Наиболее токсичны из анионов HAsO4-2 (10-3 моль) и CrO4-2 (10-4 моль). Есть некоторая корреляция фунгитоксичности металлов с их положением в периодической системе: внутри одной группы биоцидность возрастает с увеличением массы атома. По степени фунгицидности основные металлы можно разделить на три группы: наиболее токсичные – серебро, ртуть, медь; средняя токсичность – кадмий, хром, свинец, кобальт, цинк; наименьшая токсичность – железо, кальций. Оказалось, что степень токсичности коррелирует с электроотрицательностью перечисленных металлов и, в соответствии с этим, со стабильностью их хелатов и нерастворимостью сульфидов. Ионы специфически и неспецифически реагируют с различными функциональными группами белков, что приводит к нарушению их структурной организации и функционирования. К сульфгидрильным группам большое сродство имеют катионы ртути, серебра. Соединяясь с сульфгидрильными группами активного центра тиоловых ферментов, они необратимо их ингибируют и нарушают обмен веществ клетки. Ионы Fе3+ взаимодействуют с активным центром РНК-азы дрожжей, являясь конкурентным ингибитором фермента. Ряд катионов (Hg2+, Cd2+, As3+, Сг6+, Ag+ и др.) подавляет рост клеток, вызывая деградацию ДНК..

Действие солей зависит от активной реакции среды. Так, мицелий Penicillium nigricans относительно устойчив к солям тяжелых металлов (Fе3+, Со2+, Ni2+) при кислых значениях рН, в то время как при нейтральной реакции среды чувствительность к ним повышается. По-видимому, это связано с действием рН на характер диссоциации белков и проницаемость мембран гриба для катионов.

Оловоорганические соединения. Высокой антимикробной активностью обладают триалкилоловохлориды. Есть указания, что наибольший эффект они оказывают на мицелиальные грибы и меньший на бактерии и дрожжи. Токсичность этого типа соединений возрастает с увеличением числа атомов углерода в цепи. Это показано на примере ряда: триметил-, триэтил-, трипропил- и трибутилоловохлорид; ЭДТА усиливает антимикробный эффект триалкилоловохлоридов. Биоцидными свойствами обладают и полимерные оловоорганические соединения, представляющие значительно меньшую опасность для окружающей среды, нежели известные низкомолекулярные. Биологическая активность показана для сополимеров на основе бутилметакрилата и малеинового ангидрида с привитыми биоцидными оловоорганическими группами, n-триорганостаннилимидов, соединений типа R3SnХ, где R – алкильный или арильный радикал, Х – электроотрицательная группа.

Установлено, что токсичность оловоорганических соединений, в частности трифенилбутилолова, объясняется их ингибирующим действием на транспорт электронов при окислительном фосфорилировании. Это происходит благодаря влиянию указанных соединений на мембранно-связанные компоненты АТФаз. Кроме того, трифенилбутилолово является ионофором, осуществляющим обмен между анионами. Имеются также сведения, что соединения олова тормозят синтез клеточной стенки мицелиальных грибов.

Ртутьорганические соединения. Механизмы действия ртутьорганических соединений на метаболизм организмов разнообразны. Благодаря наличию в них катиона тяжелого металла, они блокируют тиогруппы ферментов, денатурируют белки. Так, ртутьборфенил подавляет дыхание, синтез белка, РНК, ДНК в результате связывания с различными белками. Фенилмеркурацетат влияет на мембранную систему клеток грибов и вызывает ряд цитологических изменений. Предполагается также и ингибирование ферментативных процессов, связанных с образованием меланина. Под влиянием органических соединений ртути показано уменьшение проницаемости цитоплазматических мембран для белков. По данным А. А. Анисимова, В. Ф. Смирнова и др., торможение биосинтеза белка в мицелии А. niger наблюдается в присутствии мертиолата. Наиболее вероятным является действие мертиолата на процесс трансляции. Мертиолат существенно снижает активность дегидрогеназ, катализирующих реакции цикла Кребса (МДГ, СДГ, ИДГ), что приводит к резкому падению количества органических кислот в культуральной жидкости, а также изменению качественного состава органических кислот гриба А. niger. Мертиолат подавляет также активность ферментов и других этапов дыхания – терминальных оксидоредуктаз (каталазу, пероксидазу, цитохромоксидазу).

Хлорорганические соединения. Многие хлорорганические соединения обладают токсическим эффектом благодаря их влиянию на процессы дыхания, Подавление активности дыхательных процессов у гриба А. niger отмечено при внесении в культуральную жидкость монохлорацетаминоканифоли, 4,5,6-трихлорбензоксазолинона. Показано, что монохлорацетаминоканифоль ингибирует один из ферментов гликолиза – альдолазу, а также ключевой фермент пентозофосфатного пути дыхания – глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Снижение потребления кислорода, активность цитохромоксидазы вызывает полифункциональное хлорорганическое соединение – 1,4-дихлор-2,5-диметоксибензол.

Подавление активности гидролитических ферментов (целлюлазы, амилазы), принимающих участие в превращении питательных веществ, отмечено при действии гексахлорциклогексана на мицелиальные грибы. Дихлорпропионовая кислота вызывает торможение синтеза белка как на стадии включения аминокислот в белки, так и на более ранних этапах – при синтезе аминокислот, в результате угнетения процессов переаминирования. Снижение содержания белка в мицелии гриба А. niger имело место и при действии 4, 5, 6-трихлорбензоксазолинона. Высказывается предположение, что точка приложения данного фунгицида близка к таковой антибиотика пуромицина, роль которого заключается в нарушении роста полипептидной цепи вследствие сходства его структуры с концевым участком АМФ в аминоацил-тРНК, Однако отмечается, что конкретный механизм действия 4,5,6-трихлорбензоксазолинона на этой фазе синтеза белка иной, чем у пуромицина, так как это вещество не имеет сходства с тРНК.

Хлор- и бромсодержащие углеводороды в концентрации 0,001-1,0 %, как правило, не проявляют антимикробное действие, даже полигалогенуглеводороды. Наиболее активен из них 1,2-дибромгексахлоргексан, подавляющий рост грибов и бактерий в концентрации 0,01-0,001 %. Углеводороды, содержащие одновременно как хлор, так и бром, более активны, чем аналогичные только хлор- или только бромсодержащие. Предельные хлоруглеводороды более активны по отношению к бактериям, чем к микромицетам.

При переходе от галогеналканов к галогеналкенам наблюдается усиление биоцидности. Особенно высокими антисептическими свойствами обладают полигалоидбутадиены с сопряженными двойными связями. Введение дополнительно нитрогруппы усиливает антимикробность. Для защиты материалов от повреждения плесневыми грибами эти соединения можно вводить в 10-100 раз меньшей концентрации, чем при использовании пентахлорфенола или оксихинолята меди. Непредельные хлор- и бромуглеводороды угнетают дыхание, биосинтез белка, влияют на проницаемость мембран микромицетов. Резистентность у грибов к указанным соединениям развивается очень медленно.

Фторсодержащие соединения. Антисептические свойства фторсодержащих соединений связаны в основном с ингибированием фтором многих ферментов. Таким действием обладают как анионы фтора минеральных солей, так и фторорганические соединения. Особенно сильное ингибирующее влияние фтор оказывает на металлоферменты (они содержат прочно связанный ион металла) и металлоактивируемые ферменты (для проявления максимальной каталитической активности требуется присутствие ионов металлов). Механизм ингибирования в этих случаях связан со способностью фтора образовывать прочные комплексы с металлами и таким образом выводить их из процесса катализа. Наиболее прочные комплексы фтор образует с катионами магния, несколько менее – железа, марганца. Поэтому магнийзависимые ферменты очень чувствительны к фтору. Поливалентные органические анионы (например, некоторые аминокислоты) защищают ферменты от воздействия фтора.

Сильным токсическим действием обладает фторцитрат, блокирующий цикл трикарбоновых кислот на стадии аконитатгидратазы.

Примерами фтор содержащих фунгицидов могут быть фтординитробензолы, используемые для защиты от биоповреждений ПВА-материалов, кож и других материалов. Фунгицидными свойствами обладают также фтористый натрий, калий, аммоний.

Четвертичные аммониевые соединения (катапин, этоний, цетримид-цетилтриметиламмоний бромистый и др.). Действуют в основном как ПАВ, являются агентами, вызывающими денатурацию белка и нарушающими целостность клеточных мембран. Изменение структуры цитоплазматической мембраны у мицелиальных грибов под влиянием ПАВ показано с помощью метода спиновой метки. Зафиксирован также сдвиг в осмотическом равновесии клеток вследствие структурных переходов в мембранах.

В опытах с 32P установлено, что при постепенном повышении концентрации цетримида утрата клетками жизнеспособности хорошо коррелирует со степенью утечки из них радиоактивного материала. Это хорошо подтверждает механизм действия цетримида через нарушение структуры мембран. Аналогичные результаты получены с другим поверхностно-активным биоцидом – хлоргексидином.

Фенолы. Одним из механизмов токсического действия соединений фенольной структуры является нарушение работы ферментативных систем цепи переноса электронов, в результате чего снижается интенсивность дыхания. В частности, это относится к ряду галоид-и нитрозамещенных фенолов, которые могут служить проводниками протонов («протонофорами») в биомембранах и выступать, следовательно, как агенты, разобщающие дыхание и фосфорилирование (например, 2,4-динитрофенол). Снижение интенсивности дыхания плесневых грибов показано, например, при действии пентахлорфенола, подавление активности пиридиновых дегидрогеназ – под влиянием гексахлорофена. Однако в обоих случаях не было установлено, являлся ли указанный эффект результатом действия фенольных групп или хлора. При действии на бактериальные клетки (St. aureus) относительно небольшие концентрации гексахлорофена уже подавляют поглощение О2. Это дает основание считать ингибирование дыхания одним из первичных механизмов действия гексахлорофена. При более высоких концентрациях нарушается проницаемость плазматической мембраны, подавляется гликолиз. Фенолы также способны образовывать нерастворимые комплексные соединения с полисахаридами клеточной стенки, нарушая; ее свойства.

Хиноны. Их биоцидность связывают с высокой реакционноспособностъю. Взаимодействуя с клеточными метаболитами, хиноны блокируют их, выключают из обменных процессов. Основными мишенями их действия являются, видимо, аминогруппы и тиолы. Ингибируя тиоловые и аминосодержащие ферменты, хиноны в первую очередь нарушают дыхательные системы, разобщают окислительное фосфорилирование, инактивируют коэнзим А. Заместители вблизи кетогрупп увеличивают биоцидность, если только они не замедляют проникновение данного хинона через клеточную оболочку (как, например, алкилы). Фунгитоксичность уменьшается с изменением ядра хинона в следующем порядке: нафтохинон > фенантрахинон > бензохинон > антрахинон. Галоидирование увеличивает биоцидность в такой последовательности: J < Вг < CL.

Дитиокарбаматы. Широко распространенные и эффективные фунгициды. Известны два их ряда: диалкил- и моноалкил-. Они отличаются по своей биологической активности, которая зависит также от длины углеродной цепи. Максимальная токсичность у диметилпроизводных, с увеличением длины цепи алкильных групп токсичность уменьшается. Сульфиды и соли металлов более фунгитоксичны, чем эфиры дитиокарбаминовой кислоты. Предполагают, что поступлению дитиокарбаматов в клетку гриба способствует образование ими хелата меди. Фунгициды этой группы (цирам, фербам, ТМТД – тетраметилтиурамдисульфид) образуют комплексы с металлами и вследствие этого являются сильными ингибиторами металлсодержащих ферментов. Дитиокарбаматы ингибируют также сульфгидрильные группы ферментов дыхания, причем токсичность такого типа соединений связывается не только с действием дитиокарбаматного иона, но и с продуктами распада этих фунгицидов в мицелии грибов: вторичных аминов, этилентиомочевины.

Фталимиды (каптан, фталан). Действующее вещество каптана – N-трихлорметилтиотетрагидрофталимид:
Характеристика основных групп биоцидов
Фунгицидность каптана обусловлена ингибированием ферментов, содержащих сульфгидрильные группы. Установлено, что токсическое действие каптана обусловлено присутствием в нем – S–ССL3-группы. Она не только способствует проникновению каптана в клетку, но и атакует ее жизненно важные компоненты. В результате взаимодействия каптана с сульфгидрилъными группами ферментов и других белков образуется сильно токсичный тиофосген. Ингибируя ферменты, каптан вызывает нарушение процессов обмена вещества, в частности подавляет эндогенное дыхание спор грибов.

Антибиотики. Имеются попытки применения антибиотиков в качестве средств защиты от биоповреждений. Положительные результаты получены при введении в, лакокрасочные покрытия нистатина и гризеофульвина, в эпоксидный компаунд – стрептомицина. Молекулярные механизмы действия различных антибиотиков весьма разнообразны. Они могут ингибировать энергетический обмен, функционирование мембран, синтез белка, обмен нуклеиновых кислот, синтез пептидогликанов клеточной стенки микроорганизмов, действовать как поверхностно-активные вещества. Биоцидный эффект стрептомицина связывается с подавлением биосинтеза белка, что наблюдается в результате специфического взаимодействия с малыми субчастицами рибосом и предотвращения эффективного связывания аминоацил-РНК. Многие аминогликозиды (в том числе стрептомицин) нарушают биосинтез белков, вызывая ошибочное считывание кода синтеза. Гризеофульвин ингибирует синтез иРНК на ДНК-матрице; полиеновые антибиотики, к которым относится нистатин, нарушают проницаемость клеточных мембран, содержащих стеролы (дрожжи, мицелиальные грибы).

Азостероиды. Гидроксимин, метоксимин нарушают структуру мембран, угнетают транспорт в клетки предшественников, необходимых для синтеза таких макромолекул, как белки, нуклеиновые кислоты (тимидина, уридина, лейцина). Синтетические аналоги азостероидов ингибируют глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу, окисление глутамата. Азостероиды действуют также или непосредственно на электронтранспортную систему, или косвенно, влияя на мембраны и тем самым нарушая электронтранспортные процессы.

Антимикробное действие азостероидов усиливается рядом антибиотиков – хлорамфениколом, актиномицином D, полимиксином и циркулином, ванкомицином, в то время как пенициллин и эритромицин не дают синергического эффекта. Предполагается, что азостероид и антибиотик формируют молекулярный комплекс, который приводит к изменению биологической активности азостероидов.

Другие органические биоциды. N -тридецил-2,6-диметилморфолин затормаживает синтез полисахарида клеточной стенки грибов – хитина, ингибируя активность фермента хитинсинтетазы и тем самым подавляя включение в хитин меченого УДФ-ацетилглюкозамина. Кроме того, этот биоцид ингибирует дыхание грибов, снижает активность целлюлазы, полигалактуроназы. Первичное действие фунгицида имазалила заключается в ингибировании биосинтеза эргостерина. Механизм биоцидного действия азотсодержащих гетероциклических фунгицидов трифорина и диклобутразола также связан с ингибированием ими синтеза стеролов – важных компонентов мембран микромицетов. Сильное ингибирование дыхательной цепи вызывают малеимиды вследствие взаимодействия их с сульфгидрильными группами ферментов. Показано влияние производных мочевины на наследственный аппарат клетки. Так, фенилдиалкилмочевина изменяет частоту встречаемости пиримидиновых изоплитов при одновременном снижении содержания гекса-, пенга- и высших пиримидиновых олигонуклеотидов.

Ингибирование роста дрожжевых клеток в присутствии бензимидазола объясняется конкуренцией за фосфорибозилпирофосфат и тем самым блокированием синтеза de поуо пуринов и пиримидинов. Такой антимикробный агент, как фенилиндол, является мембраноактивным веществом, он влияет на содержание фосфолипидов и свободных жирных кислот в мембранах.

Фуралаксин, металаксил и офурейс (системные фунгициды, используемые в основном для борьбы с грибными болезнями растений) не влияют на дыхание, синтез клеточных стенок мицелия и проницаемость мембран, но тормозят деление ядер, ингибируют синтез белков и особенно образование РНК. Последнее считают первичным механизмом действия указанных фунгицидов.

Пропиконазол ([2-(2,4-дихлорфенил) -4-пропил-1,3-диоксолан-2-илметил]-1,2,4-триазол) подавляет дыхание, синтез нуклеиновых кислот, белков и липидов у грибов рода Ustilago. Наиболее чувствителен к этому фунгициду процесс синтеза стерола и его производных.

Карбоновые кислоты обычно обладают невысокой противомикробной активностью, даже при введении галогенов, нитро- и аминогрупп. Относительно более активна из них трихлоркротоновая. У сложных эфиров биоцидность сильнее выражена, чем у соответствующих кислот. Увеличение спиртового радикала, а также изостроение последнего приводит к снижению антимикробности сложных эфиров. Эфиры галогенсодержащих кислот более активны, чем эфиры без галогенов. Особенно активны среди этого класса соединений метиловый и этиловый эфиры трихлоркротоновой и нитрохлоркротоновой кислот, эфиры моно- и диброммалоновых кислот. Такие соединения обладают широким антимикробным спектром в концентрации 0,001-0,0001 %.

Своеобразными биоцидами являются структурные аналоги метаболитов. К ним относятся все сульфаниламидные препараты, многие антибиотики (оксамицин, пуромицин и др.), фунгицид 2-гептодецил-2-имидазолин, имеющий структурное сходство с гуанином и ксантином. Некоторые производные бензимидазолона, обладающие фунгицидным действием, являются антагонистами биотина. Действие их на метаболические процессы очень специфично. Сходства структурных аналогов метаболитов с истинными метаболитами может быть достаточно, чтобы аналог вступил в цепь реакций обмена веществ микроорганизма вместо самого метаболита. Однако различия между аналогами и настоящими метаболитами не позволяют первым вступать в дальнейшие реакции, и цепь биохимических реакций на этом прерывается, микроорганизм вследствие этого гибнет.

В последнее время при поиске и синтезе новых фунгицидов, бактерицидов стали широко применяться методы математического прогнозирования, «внеэкспериментальных» биологических испытаний («расчетный» скрининг). Объясняется это тем, что химический синтез во второй половине ХХ в. дает ежегодно многие десятки тысяч новых соединений. Испытывать все их на возможные виды биологической активности становится экономически невыгодно и в целом малоэффективно. Внеэкспериментальные методы дают возможность провести отсев малоперспективных соединений и отбор биологически активных еще до их синтеза. При этом проводят сравнение структуры планируемого к синтезу соединения со структурой известных биоцидов, хранящейся в памяти ЭВМ. Определяют также вклад в величину биоцидности различных заместителей в данном ряду соединений, рассматривают количественную зависимость биологической активности от физико-химических и структурных параметров. Особенно перспективно привлечение методов квантовой химии для решения этих задач. Квантово-хнмические индексы могут непосредственно использоваться в качестве переменных в уравнениях, связывающих структуру с биологической активностью, а также при расчете предпочтительных конформаций биоцидов. Большой интерес представляет квантово-химическое моделирование взаимодействий малой молекулы биоцида с рецепторами.


Смотрите также:
Борьба с бактериями и вирусами
Борьба с грибными заболеваниями
Азотистые соединения
Хромосомы растений связаны с передачей наследственных признаков

 



 

 

биоциды

Rambler's Top100