Механизм действия биоцидов

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

Экологический подход определяет все более жесткие требования к современным антисептическим препаратам и веществам, входящим в их состав. Синтез и использование биоцидов должны осуществляться с учетом наименьшей опасности для лиц, работающих с этими веществами, и окружающей среды, а также знания структуры, свойств микробных клеток и в первую очередь цитоплазматической мембраны, которая регулирует поступление в клетку молекул, ионов и выход их наружу.

Цитоплазматическая мембрана образует осмотический барьер на пути свободной диффузии малых молекул и контролирует внутриклеточные концентрации метаболитов с помощью специальных механизмов переноса. Барьерную функцию мембран значительно увеличивает прочная клеточная стенка. В состав клеточной стенки грибов входят полисахариды: хитин, глюканы, маннаны, а также липиды и белки. У бактерий клеточная стенка состоит из пептидогликана (муреина), полисахаридов, белков, липидов, липополисахаридов, тейхоевых кислот. Плазматические мембраны микроорганизмов построены из липидов, преимущественно фосфолипидов, белков, сахаров. Последние химически связаны с белками и липидами. Целостность мембраны зависит от взаимодействия белков и липидов. Нарушение (или деградация) липопротеидных структур приводит к утрате избирательной проницаемости. Для жизнедеятельности клеток важен транспорт веществ через мембраны, а многие биоциды (антибиотики, фенолы, поверхностно-актив­ные вещества, ртутьорганические соединения) подавляют жизнедеятельность микроорганизмов в результате разрушения структуры и нарушения функций биомембран и клеточных стенок.

Препараты, действующие на цитоплазматическую мембрану, делятся на три группы: 1) вещества, вызывающие дезорганизацию структуры мембраны; 2) вещества, ингибирующие связанный с мембраной белок, участвующий в процессах транспорта; 3) вещества, обусловливающие специфические изменения проницаемости для определенных ионов.

Таким образом, барьерная роль мембраны определяется особой организацией составляющих ее липопротеидных слоев, вследствие чего вещества, способные влиять на взаимодействия липидов и белков, обладают антимикробным действием.

На проницаемость биоцидов через мембрану микробных клеток большое влияние оказывают условия среды (температура, рН и др.). При увеличении температуры от 20 до 30°С скорость поглощения ионов Сu²⁺, поступающих посредством активного транспорта внутрь клеток Candida utilis, возрастает более чем в 3 раза. Увеличение температуры до 42°С ингибирует процесс поглощения. Мицелий гриба Aspergillus niger при рН от 1 до 4 поглощает бихромат аммония в максимальном количестве, а при рН 10 его поступление снижается в 3 раза.

Проникнув в клетку, биоциды (фунгициды, бактериоциды) взаимодействуют с функциональными группами веществ микробной клетки, которые играют основную роль в метаболизме и образовании клеточных структур. Наиболее часто биоциды взаимодействуют с сульфгидрильными (тиоловыми) группами. Через сульфгидрильные группировки осуществляется функционирование кофермента А, липоевой кислоты, глутатиона, цистеина. К сульфгидрильным группам большое сродство имеют катионы тяжелых металлов (Hg²⁺, Ag⁺), хиноны, дитиокарбоматы и другие соединения. Соединяясь с сульфгидрильными группами активного центра тиоловых ферментов, они их необратимо ингибируют и нарушают обмен клетки.

Наряду с тиоловыми группами, акцепторами биоцидов в клетке являются аминогруппы, карбоксильные, альдегидные, спиртовые группы. Взаимодействие биоцидов с функциональными группировками может осуществляться по типу окислительно-восста­новительного процесса, нуклеофильного замещения, образования хелатов и др. Токсичность многих биоцидов обусловлена подавлением активности ферментов. Биоциды могут ингибировать ферментные реакции, взаимодействуя с активным центром фермента, коферментами, субстратами. Так, грибостойкость хлопчатобумажным тканям придает используемый для их отбелки метилол-меламин. Он реагирует с волокнами целлюлозы и предотвращает действие целлюлолитических ферментов.

Однако, не все ферменты и не всегда ингибируются биоцидами. В некоторых случаях, наоборот, может наблюдаться активация ферментов. Так, многие неорганические соли в малых концентрациях активируют ферменты, а в больших — ингибируют. У бактерий наблюдается явление субстратного индуцирования ферментов. В качестве примера можно привести действие пенициллина, который в малых дозах индуцирует синтез фермента пенициллазы, а она, в свою очередь, разрушает пенициллин. Индукция ферментов биоцидом (антибиотиком) в таких случаях представляет собой защитную реакцию бактерий.