Метилирование ртути

Метилирование ртути – это процесс образования метилртути (MeHg). Метилирование может ртути происходить абиотически или биотически. С биотической точки зрения первичными метилаторами ртути являются сульфатредуцирующие и железоредуцирующие бактерии . ^{[ 1 ]} Было предложено три механизма биотического метилирования ртути сульфатредуцирующими бактериями. ^{[ 2 ]} Метилирование ртути может быть проблематичным, поскольку метилртуть токсична и может биоувеличиваться через пищевую сеть. ^{[ 2 ]}

Химия

Химические элементы на Земле циркулируют в атмосферной, земной и водной средах в процессе, называемом биогеохимическим циклом . ^{[ 3 ]} Ртуть проходит свою собственную версию биогеохимического цикла, называемую ртутным циклом , где она циркулирует в окружающей среде и меняет состояния окисления: Hg(0), Hg(I), Hg(II). ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Когда ртуть присутствует в окружающей среде, микробные организмы могут поглощать элементарную форму ртути. ^{[ 2 ]} Это сигнализирует о том, что транскрипция генов hgcA и hgcB транскрибируется для синтеза белков HgcA и HgcB. ^{[ 4 ]} Эти белки могут затем запустить реакцию метилирования с образованием метилртути . ^{[ 4 ]}

Биохимический

микробный

виды из всех трех областей Было обнаружено, что жизни играют роль в метилировании ртути. Благодаря открытию генов hgcAB было обнаружено больше видов, которые генетически способны к метилированию ртути . ^{[ 5 ]} Неизвестно, создают ли белки HgcA и HgcB мультиферментный комплекс или действуют последовательно. Также было показано, что удаление любого гена приводит к полной потере способности метилировать ртуть. ^{[ 6 ]}

К видам бактерий, которые, как известно, метилируют ртуть, относятся основные виды Desulfovibrio spp. (т.е. Desulfovibrio desulfuricans ). ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]} и виды Geobacter. (т.е. Geobacterulfurreducens ) ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]} Другие виды с генами hgcAB , которые, как предполагается, производят MeHg, включают Bacteroidota , Chloroflexota и Nitrospirota . ^{[ 7 ]}

Виды архей, которые, как известно, метилируют ртуть, включают большинство видов метаногенного класса Methanomicrobia , однако , что класс Thermoplasmata было обнаружено несет гены hgcAB . Никаких других видов метаногенов, способных к метилированию ртути, обнаружено не было. ^{[ 7 ]}

Селенопротеины

У бактерий подавляющее большинство белков HgcA на самом деле представляют собой селенопротеины с ранее нераспознанной N-концевой областью расширения, которая включает дипептидный мотив CU (цистеин-селеноцистеин). ^{[ 8 ]} Меньшая часть белков HgcB также является селенопротеинами.

Реакции

Влияние pH на метилирование ртути может варьироваться в зависимости от видов, вступающих в реакцию. Некоторые результаты показывают, что увеличение концентрации ионов водорода привело к значительному увеличению поглощения Hg(II), что привело к потенциальному воздействию на фактическое метилирование ртути. ^{[ 9 ]} Другое открытие продемонстрировало, что снижение pH приводит к изменению производства метилртути. В частности, производство диметилртути снижается, а производство монометилртути увеличивается, но общее количество остается практически постоянным. ^{[ 2 ]}

Достаточно адекватных исследований влияния температуры на метилирование ртути не опубликовано. Метилирование ртути достигает максимальной активности летом. ^{[ 2 ]} но это усиленное метилирование может быть связано с другими факторами, не связанными с температурой. Однако очевидно, что температура влияет на микробную активность, что будет соответствовать влиянию на последующие биохимические реакции, приводящие к метилированию ртути.

Подобно воздействию pH, различные концентрации доступных ионов ртути приводят к образованию различных продуктов и комплексов ртути. ^{[ 10 ]} Кроме того, ферменты HgcA и HgcB имеют очень низкую Km и поэтому легко связываются с доступной ртутью даже при очень низких концентрациях. ^{[ 10 ]}

Транспорт в клетку

Прежде чем ртуть станет метилированной, она должна транспортироваться в клетку через липидную мембрану. Ионы ртути связываются белком-поглотителем ртути MerP. MerP переносит ион ртути к транспортеру цитоплазматической мембраны MerT, а затем к активному центру редуктазы ртути или редуктазы ртути (II) в цитоплазме. ^{[ 2 ]}

Обычно ртуть токсична для клетки, но некоторые микроорганизмы устойчивы к ионам ртути из-за индуцируемого мер оперона . Трансляция оперона приводит к синтезу редуктазы ртути. Ртутьредуктаза восстанавливает ион ртути до элементарной ртути, которая улетучивается из клетки. ^{[ 2 ]} Если редуктаза ртути не используется, метилирование ртути может происходить тремя выявленными путями. ^{[ 2 ]}

Биохимический путь

Культуры сульфатредуцирующих бактерий, выращенные без присутствия сульфата, не метилируют ртуть. Вполне возможно, что дыхание этих клеток связано с метилированием ртути. ^{[ 2 ]}

Путь ацетил-КоА метилирования ртути осуществляется сульфатредуцирующими бактериями и катализируется корриноид- зависимым белком. Предполагается, что по этому пути метильная группа происходит от серина C-3. Для переноса метильной группы от CH3-тетрагидрофолата к белку корриноида необходимы гены hgcA и hgcB . ^{[ 4 ]} Метильная группа, находящаяся сейчас в белке корриноида, затем перейдет к иону ртути. ^{[ 2 ]} Было показано, что эта активность снижается в аэробной среде, что позволяет предположить, что метилирование происходит анаэробно. ^{[ 2 ]}

Путь ацетатного метаболизма (ферменты метилтрансферазы) очень похож на путь ацетил-КоА, в котором используются ферменты метилтрансферазы с участием промежуточных соединений тетрагидрофолата. ^{[ 2 ]}^{[ 11 ]} Показано, что метилирование ртути на три порядка выше в клетках, способных утилизировать ацетат. ^{[ 2 ]}

Метилирование ртути также может происходить с использованием кобаламин- зависимой метионинсинтазы . Кобаламин-зависимый процесс требует использования субстрата S-аденозилметионина, биологического метилирующего агента. ^{[ 2 ]} Поскольку использовалась метионинсинтаза , возможно, что фермент, метилирующий ртуть, также способен переносить метильные группы от CH3-тетрагидрофолата к тиолам. ^{[ 2 ]}

Воздействие на окружающую среду

Здоровье животных

Метилртуть является токсичным веществом для живых организмов. Токсичность метилртути для человека обусловлена тем, что метилртуть проникает через гематоэнцефалический барьер и вызывает лизис клеток в центральной нервной системе. Повреждение клеток необратимо. Период полураспада метилртути в тканях человека составляет 70 дней, что дает ей достаточно времени для накопления до токсичного уровня. Люди подвергаются воздействию метилртути при употреблении в пищу водных организмов. По мере биоаккумуляции ртути в пищевой цепи количество метилртути увеличивается до токсичного уровня. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 10 ]}

См. также

Отравление ртутью

Ссылки

^ Флеминг Э.Дж., Мак Э.Э., Грин П.Г., Нельсон, округ Колумбия (январь 2006 г.). «Метилирование ртути из неожиданных источников: ингибированные молибдатом пресноводные отложения и бактерии, восстанавливающие железо» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (1): 457–64. дои : 10.1128/АЕМ.72.1.457-464.2006 . ПМЦ 1352261 . ПМИД 16391078 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот Быстром Э. Оценка метилирования и деметилирования ртути с акцентом на химическое видообразование и биологические процессы (PDF) (кандидатская диссертация). Технологический институт Джорджии.
^ Перейти обратно: ^а ^б Селин, Ноэль Э. (15 октября 2009 г.). «Глобальный биогеохимический круговорот ртути: обзор» . Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 34 (1): 43–63. doi : 10.1146/annurev.environ.051308.084314 . ISSN 1543-5938 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Пулен А.Дж., Баркай Т. (март 2013 г.). «Наука об окружающей среде. Взлом кода метилирования ртути». Наука . 339 (6125): 1280–1. Бибкод : 2013Sci...339.1280P . дои : 10.1126/science.1235591 . ПМИД 23493700 . S2CID 206547954 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Гимире П.С., Трипати Л., Чжан Ц, Го Дж., Рам К., Хуан Дж., Шарма К.М., Кан С. (20 декабря 2019 г.). «Микробное метилирование ртути в криосфере: прогресс и перспективы». Наука об общей окружающей среде . 697 : 134150. Бибкод : 2019ScTEn.697m4150S . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.134150 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 32380618 . S2CID 202870490 .
^ Дата СС, Паркс Дж.М., Раш К.В., Уолл Дж.Д., Рэгсдейл С.В., Джос А. (04.01.2019). «Кинетика ферментативного метилирования ртути при наномолярных концентрациях, катализируемого HgcAB: дополнительная информация» . bioRxiv : 510180. doi : 10.1101/510180 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Гилмор CC, Баллок А.Л., Макберни А., Подар М., Элиас Д.А. (апрель 2018 г.). Ловли Д.Р. (ред.). «Надежное метилирование ртути у разнообразных метаногенных архей» . мБио . 9 (2): e02403–17, /mbio/9/2/mBio.02403–17.atom. дои : 10.1128/mBio.02403-17 . ПМЦ 5893877 . ПМИД 29636434 .
^ Д.Х. Хафт, М. Гвадз: Восемь неожиданных семейств селенопротеинов в металлоорганической биохимии Clostridium difficile, в транспорте ABC и в биосинтезе метилртути. В: Журнал бактериологии. Лента 205, №1, январь 2023 г., С. e0025922, doi : 10.1128/jb.00259-22 , PMID 36598231, PMC 9879109 .
^ Келли Калифорния, Радд Дж.В., Холока М.Х. (июль 2003 г.). «Влияние pH на поглощение ртути водными бактериями: последствия для круговорота ртути». Экологические науки и технологии . 37 (13): 2941–6. Бибкод : 2003EnST...37.2941K . дои : 10.1021/es026366o . ПМИД 12875398 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дата СС, Паркс Дж.М., Раш К.В., Уолл Дж.Д., Рэгсдейл С.В., Джос А. (июль 2019 г.). Кивисаар М (ред.). «Кинетика ферментативного метилирования ртути в наномолярных концентрациях, катализируемого HgcAB» . Прикладная и экологическая микробиология . 85 (13): e00438–19, /aem/85/13/AEM.00438–19.atom. дои : 10.1128/AEM.00438-19 . ПМК 6581168 . ПМИД 31028026 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ан Дж., Чжан Л., Лу X, Пеллетье Д.А., Пирс Э.М., Джос А. и др. (июнь 2019 г.). «Поглощение ртути Desulfovibrio desulfuricans ND132: пассивное или активное?» . Экологические науки и технологии . 53 (11): 6264–6272. Бибкод : 2019EnST...53.6264A . doi : 10.1021/acs.est.9b00047 . ОСТИ 1530103 . ПМИД 31075193 . S2CID 149454648 .
^ Чжан Л., Ву С., Чжао Л., Лу X, Пирс Э.М., Гу Б. (март 2019 г.). «Сорбция и десорбция ртути на органо-минеральных частицах как источник микробного метилирования» . Экологические науки и технологии . 53 (5): 2426–2433. Бибкод : 2019EnST...53.2426Z . doi : 10.1021/acs.est.8b06020 . ОСТИ 1509536 . ПМИД 30702880 . S2CID 73449064 .

[1] Флеминг Э.Дж., Мак Э.Э., Грин П.Г., Нельсон, округ Колумбия (январь 2006 г.). «Метилирование ртути из неожиданных источников: ингибированные молибдатом пресноводные отложения и бактерии, восстанавливающие железо» . Прикладная и экологическая микробиология . 72 (1): 457–64. дои : 10.1128/АЕМ.72.1.457-464.2006 . ПМЦ 1352261 . ПМИД 16391078 .

[:0-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот Быстром Э. Оценка метилирования и деметилирования ртути с акцентом на химическое видообразование и биологические процессы (PDF) (кандидатская диссертация). Технологический институт Джорджии.

[:4-3] Перейти обратно: ^а ^б Селин, Ноэль Э. (15 октября 2009 г.). «Глобальный биогеохимический круговорот ртути: обзор» . Ежегодный обзор окружающей среды и ресурсов . 34 (1): 43–63. doi : 10.1146/annurev.environ.051308.084314 . ISSN 1543-5938 .

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Пулен А.Дж., Баркай Т. (март 2013 г.). «Наука об окружающей среде. Взлом кода метилирования ртути». Наука . 339 (6125): 1280–1. Бибкод : 2013Sci...339.1280P . дои : 10.1126/science.1235591 . ПМИД 23493700 . S2CID 206547954 .

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Гимире П.С., Трипати Л., Чжан Ц, Го Дж., Рам К., Хуан Дж., Шарма К.М., Кан С. (20 декабря 2019 г.). «Микробное метилирование ртути в криосфере: прогресс и перспективы». Наука об общей окружающей среде . 697 : 134150. Бибкод : 2019ScTEn.697m4150S . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.134150 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 32380618 . S2CID 202870490 .

[6] Дата СС, Паркс Дж.М., Раш К.В., Уолл Дж.Д., Рэгсдейл С.В., Джос А. (04.01.2019). «Кинетика ферментативного метилирования ртути при наномолярных концентрациях, катализируемого HgcAB: дополнительная информация» . bioRxiv : 510180. doi : 10.1101/510180 .

[:3-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Гилмор CC, Баллок А.Л., Макберни А., Подар М., Элиас Д.А. (апрель 2018 г.). Ловли Д.Р. (ред.). «Надежное метилирование ртути у разнообразных метаногенных архей» . мБио . 9 (2): e02403–17, /mbio/9/2/mBio.02403–17.atom. дои : 10.1128/mBio.02403-17 . ПМЦ 5893877 . ПМИД 29636434 .

[PMID36598231-8] Д.Х. Хафт, М. Гвадз: Восемь неожиданных семейств селенопротеинов в металлоорганической биохимии Clostridium difficile, в транспорте ABC и в биосинтезе метилртути. В: Журнал бактериологии. Лента 205, №1, январь 2023 г., С. e0025922, doi : 10.1128/jb.00259-22 , PMID 36598231, PMC 9879109 .

[9] Келли Калифорния, Радд Дж.В., Холока М.Х. (июль 2003 г.). «Влияние pH на поглощение ртути водными бактериями: последствия для круговорота ртути». Экологические науки и технологии . 37 (13): 2941–6. Бибкод : 2003EnST...37.2941K . дои : 10.1021/es026366o . ПМИД 12875398 .

[:5-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дата СС, Паркс Дж.М., Раш К.В., Уолл Дж.Д., Рэгсдейл С.В., Джос А. (июль 2019 г.). Кивисаар М (ред.). «Кинетика ферментативного метилирования ртути в наномолярных концентрациях, катализируемого HgcAB» . Прикладная и экологическая микробиология . 85 (13): e00438–19, /aem/85/13/AEM.00438–19.atom. дои : 10.1128/AEM.00438-19 . ПМК 6581168 . ПМИД 31028026 .

[:6-11] Перейти обратно: ^а ^б Ан Дж., Чжан Л., Лу X, Пеллетье Д.А., Пирс Э.М., Джос А. и др. (июнь 2019 г.). «Поглощение ртути Desulfovibrio desulfuricans ND132: пассивное или активное?» . Экологические науки и технологии . 53 (11): 6264–6272. Бибкод : 2019EnST...53.6264A . doi : 10.1021/acs.est.9b00047 . ОСТИ 1530103 . ПМИД 31075193 . S2CID 149454648 .

[12] Чжан Л., Ву С., Чжао Л., Лу X, Пирс Э.М., Гу Б. (март 2019 г.). «Сорбция и десорбция ртути на органо-минеральных частицах как источник микробного метилирования» . Экологические науки и технологии . 53 (5): 2426–2433. Бибкод : 2019EnST...53.2426Z . doi : 10.1021/acs.est.8b06020 . ОСТИ 1509536 . ПМИД 30702880 . S2CID 73449064 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]