Pamiętacie ten przestrach, gdy jako dziecko rozbiliście termometr rtęciowy? „Nie dotykaj tych kuleczek, bo wypadną Ci zęby!” – tak straszono od najmłodszych lat. Choć rtęć nie wchłania się przez skórę i nawet połknięcie jednej dawki z termometru nie wywoła ostrego zatrucia, to bezwonne opary, które rtęć wydziela w temperaturze pokojowej, mogą okazać się groźne.
Z dorosłości znamy też przestrogę, by nie przesadzać z konsumpcją owoców morza i ryb i ona ma już swoje racjonalne podstawy. Naukowcy uświadomili sobie niebezpieczeństwo zatrucia metylortęcią, gdy doszło do katastrofalnego odkrycia w zatoce Minamata w Japonii.
Miejscowy zakład chemiczny przez ponad 30 lat odprowadzał ciecze zawierające ekstremalnie wysokie stężenia metylortęci, a ta gromadziła się w przewodach pokarmowych ryb. Gdy te znalazły się na talerzach okolicznych mieszkańców, zaczęły powodować zatrucia i poważne choroby. Jedno z tych schorzeń zyskało nawet własną nazwę: choroba z Minamaty.
Rtęć została więc sklasyfikowana przez Światową Organizację Zdrowia jako jedna z dziesięciu substancji chemicznych stanowiących największe zagrożenie dla zdrowia publicznego.
Dlaczego znany od wieków pierwiastek i jego organiczne związki stanowią tak poważne zagrożenie dla zdrowia? Naukowcy wiedzą, że metylortęć jest bardzo toksyczna, ale wciąż badają, co dokładnie robi w komórkach i dlaczego tak skutecznie zaburza ich pracę.
Badania zrealizowane przez dr. Andrzeja Gawora oraz prof. Ewę Bulską z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z naukowcami z IPREM (Institute of Analytical Sciences and Physico-Chemistry for Environment and Materials) (Pau, Francja), miały na celu określenie, które struktury komórkowe są najbardziej podatne na oddziaływanie metylortęci. Trop zaprowadził badaczy do szczególnej grupy enzymów, które na co dzień chronią komórki przed uszkodzeniami. Wyniki badań wskazały, że wiązanie metylortęci z tymi białkami może prowadzić do zaburzenia ich funkcji ochronnych, a w konsekwencji osłabienia naturalnych mechanizmów obronnych komórki.
Dwie ofiary Merkurego
Selenoenzymy, bo o nich mowa, to białka, które przy prawidłowej budowie zawierają nieorganiczny pierwiastek – selen, wbudowany w ich strukturę przede wszystkim pod postacią aminokwasu, selenocysteiny.
Białka te pełnią w organizmie kilka ważnych funkcji: wspierają odporność, pomagają regulować gospodarkę hormonalną i chronią komórki przed skutkami stresu oksydacyjnego, czyli stanu, w którym w komórce powstaje zbyt dużo wolnych rodników mogących uszkadzać białka, błony komórkowe i DNA.
Do selenoenzymów należy m.in. reduktaza tioredoksyny, oznaczana skrótem TrxR. To enzym, który pomaga utrzymać w komórkach chemiczną równowagę i wspiera naprawę innych cząsteczek uszkodzonych przez utlenianie. Reguluje także wzrost komórek.
Drugim ważnym celem metylortęci jest peroksydaza glutationowa, czyli GPx. Ten enzym pomaga chronić błony komórkowe i DNA przed uszkodzeniami.
Oba białka mają jedną wspólną cechę: zawierają selen. Bez niego nie mogą działać prawidłowo. A ponieważ metylortęć szczególnie chętnie wiąże się właśnie z selenem, badacze postanowili sprawdzić, jak dokładnie dochodzi do tego chemicznego „przejęcia”.
Chemiczne śledztwo i komputerowa symulacja
Naukowcy połączyli laboratoryjne śledztwo z komputerową symulacją. Najpierw wykorzystali spektrometrię mas połączoną z chromatografią cieczową, czyli metodę znaną jako LC-MS (ang. liquid chromatography–mass spectrometry).W dużym uproszczeniu działa ona trochę jak bardzo precyzyjny filtr i waga jednocześnie.
Chromatografia pozwala rozdzielić składniki badanej próbki, bo różne związki przechodzą przez specjalną kolumnę w różnym tempie. Spektrometria mas pozwala potem sprawdzić, z czym dokładnie mamy do czynienia, m.in. na podstawie masy badanych cząsteczek.
Dzięki temu badacze mogli zobaczyć, które fragmenty białek reagują z metylortęcią i gdzie przyłącza się toksyczny związek.
– Zastosowana metoda umożliwiła bardzo dokładne badanie, w jaki sposób metylortęć wiąże się z białkami. Dzięki temu mogliśmy dosłownie „zobaczyć”, które fragmenty białka reagują z rtęcią. Z drugiej strony zastosowaliśmy obliczenia kwantowo-chemiczne (DFT), czyli zaawansowane symulacje komputerowe opisujące zachowanie atomów i elektronów – tłumaczy dr Andrzej Gawor z CNBCh.
Na naukowy podziw zasługuje połączenie obu podejść: eksperymentów i obliczeń. Umożliwiło ono nie tylko obserwację efektu, lecz także zrozumienie jego molekularnych przyczyn.
Wyniki badań dostarczyły jednych z pierwszych tak bezpośrednich dowodów na to, że w badanych enzymach powstają wiązania rtęć–selen. I pozwoliły odtworzyć cały mechanizm reakcji krok po kroku, by odpowiedzieć na pytanie, dlaczego metylortęć za cel obrała sobie selen zawarty w selenobiałkach.
– Z chemicznego punktu widzenia atom selenu jest dla rtęci bardzo atrakcyjnym partnerem reakcji. Selen łatwiej niż siarka oddaje elektrony i tworzy z rtęcią wyjątkowo trwałe połączenia chemiczne. Można powiedzieć, że rtęć i selen mają do siebie bardzo duże „powinowactwo chemiczne”. Problem polega na tym, że selen znajduje się w kluczowych enzymach chroniących nasze komórki przed stresem oksydacyjnym. Gdy metylortęć przyłącza się do selenu w tych białkach, może zaburzać ich działanie i osłabiać naturalne mechanizmy obronne organizmu – wyjaśnia naukowiec.
Uwięzić toksycznego bożka
Badania nad rolą selenu i jego reakcjami z metylortęcią są ważne nie tylko dla zrozumienia samej toksyczności rtęci. Mogą też pomóc farmacji i biotechnologii w szukaniu skuteczniejszych sposobów neutralizowania metylortęci po zatruciach u ludzi i zwierząt.
Wyniki zespołu z UW pokazują, jak metale ciężkie wiążą się z ważnymi cząsteczkami w organizmie, a taka wiedza może być punktem wyjścia do projektowania związków, które będą je wychwytywać i unieszkodliwiać niczym „molekularne kajdanki”.
W dalszej perspektywie podobne badania mogą wspierać także rozwój inżynierii metalo-leków, czyli leków wykorzystujących właściwości metali, na przykład w terapiach przeciwnowotworowych lub przeciwbakteryjnych.
