Mecanismos de acción de las isotiazolonas

mecanismo-biocidas-isotiazolonaHablar de isotiazolonas es hablar de un biocida que ha demostrado una alta eficacia y rendimiento para el control microbiano en una variedad de aplicaciones de tratamiento de aguas industriales. La comprensión del mecanismo de acción de los biocidas industriales es importante en la optimización de su uso y la lucha contra la resistencia bacteriana a los mismos. Las isotiazolonas utilizan un mecanismo de dos etapas, una rápida (en minutos) y una lenta (horas), dando como resultado la muerte de las células. Las células se inhiben por la interrupción de las rutas metabólicas que implican enzimas deshidrogenasas (NADH, etc…). Otras funciones fisiológicas críticas se inhiben rápidamente en las células, como es el caso del crecimiento, la respiración (consumo de oxígeno), y la generación de energía (síntesis del ATP o adenosín tri-fosfato). La muerte celular llega como resultado de la destrucción de los aminoácidos tioles de las proteínas y por la producción de radicales libres. Vamos a ver los principales:

Inhibición enzimática, de la respiración celular y de la síntesis del ATP

Las células aerobias consumen oxígeno (respiración celular) mediante el ciclo de Krebs para producir energía en forma de ATP (adenosín tri-fosfato). Las isotiazolonas son capaces de actuar en una serie de enzimas esenciales en dicho ciclo, por lo que la célula no es capaz de oxidar la glucosa, por tanto no se consume oxígeno para producir energía para el crecimiento y el metabolismo. Con ello, todos los procesos aeróbicos dejan de funcionar. Los procesos anaeróbicos, los cuales no se basan en oxígeno, también son inhibidos por las isotiazolonas, ya que estas afectan a las encimas que se encargan de la producción de ATP.

Las enzimas específicas que isotiazolonas inhiben incluyen piruvato deshidrogenasa, deshidrogenasa alfa-cetoglutarato, succinato deshidrogenasa, NADH deshidrogenasa, lactato deshidrogenasa, y la alcohol deshidrogenasa. La desactivación de estas enzimas deshidrogenasa puede dar lugar a la inhibición completa de las funciones metabólicas críticas de la célula.

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fig. 1: Ciclo de krebs, donde se han marcado los principales puntos donde actúan las isotiazolonas. Nótese que el Acetil-CoA es una molécula con azufre, por lo que es presumible su unión mediante puentes disulfuro con las isotiazolonas.

Como se ilustra en la figura, las isotiazolonas o bloquean los sitios de control que entran, salen en ciclo de Krebs. Por lo tanto, las células no pueden procesar los productos intermedios para el crecimiento o la generación de energía en la cadena de transporte de electrones (con oxígeno). La paralización de esta vía clave es el principal mecanismo de inhibición de los biocidas basados en las isotiazolonas.

Todas las funciones de las células necesitan del ATP para impulsar sus reacciones bioquímicas. Sin ATP, las células no pueden crecer, dividirse, o reparar las funciones dañadas. Los biocidas de isotiazolonas inhiben rápidamente la producción de ATP en las células bacterianas en un período de contacto corto. Junto con la pérdida de respiración y pérdida de la producción de ATP paralizará células, evitando tanto el crecimiento y la reparación de componentes dañados.

Reacción con nucleófilos (proteínas tioles)

Los biocidas de isotiazolona son conocidos por reaccionar con materiales nucleofílicos. Esto, en parte, afecta a su estabilidad en presencia de agentes reductores, así como define su mecanismo de acción para los sitios de reacción de células críticos. Los tioles son sitios activos clave en muchas proteínas y enzimas. Está demostrado que las isotiazolonas reaccionan con los tioles de los aminoácidos (metionina y cisteina) que forman las proteínas formando puentes disulfuro, dando como resultado la destrucción de dicha proteínas. Una vez que el biocida reacciona con un tiol, se abre el anillo, y la isotiazolona se desactiva.

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fig. 2: Reacción de las isotiazolonas por formación de puentes disulfuro

Producción de radicales intracelulares

El mecanismo bactericida de las isotiazolonas está vinculado a las acciones inhibidoras del biocida, pero la inhibición por sí sola no tiene en cuenta la destrucción celular observada en un período de contacto de varias horas. La alteración del metabolismo y la reactividad de los tioles crea un desorden dentro de los complejos procesos de regulación microbiana, el crecimiento y la reparación. Si las células no pueden reparar el daño, entonces este se irá cumulando y finalmente terminará por dominar a las células y la muerte se inevitable. Las células microbianas tienen diversos sistemas de reparación, todos los cuales requieren de energía (ATP) y que funcionan los procesos metabólicos de eficiencia.

Los radicales libres son producidos por las células microbianas como una función normal del metabolismo, incluyendo el crecimiento, la reproducción, la generación de energía, y el consumo de oxígeno o la desintoxicación. Las células sanas normalmente limpian o desintoxican los radicales dentro de las células, reduciendo su toxicidad. El exceso de producción de radicales o la falta de su control hará que la célula se inhabilite, que tiene como resultado la muerte celular. Los biocidas como las isotiazolonas también pueden producir radicales no deseados tras el contacto con los microorganismos.

 Conclusión

El mecanismo de acción de los biocidas de isotiazolona es compleja y debe considerarse un proceso en dos etapas que implica la inhibición del crecimiento que conduce a una pérdida de viabilidad. La inhibición del crecimiento es el resultado de una rápida interrupción de las rutas metabólicas centrales de la célula mediante la inhibición de varias enzimas específicas, incluyendo deshidrogenasas. Las enzimas deshidrogenasa específicas que reaccionan con las isotiazolonas incluyen los implicados en el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo de Krebs) (alfa-cetoglutarato, piruvato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa, y lactato deshidrogenasa) y la generación de energía (NADH dehidrogenasa).

mecanismos isotiazolona
fig. 3: Mecanismos de acción de las isotiazolonas

Actividades fisiológicas clave que son inhibidas rápidamente en las células microbianas son la respiración (consumo de oxígeno) y la generación de energía (la síntesis de ATP).

Muchas de estas enzimas clave están presentes en microorganismos aeróbicos y anaeróbicos, lo que explica por que las isotiazolonas sean consideradas unos biocidas de amplio espectro.

La inhibición de la actividad celular por isotiazolonas es rápida y se produce en cuestión de minutos, mientras que la muerte celular (actividad bactericida) se observa después de varias horas de contacto. Como se interrumpen algunas de las vías críticas en el metabolismo celular, se producen radicales libres, los que también tienen como resultado la muerte celular. Las isotiazolonas también inhiben la síntesis y utilización de ATP, lo que afecta a la capacidad de las células para mantener el balance de energía para el crecimiento y la reparación celular.

Aunque la resistencia microbiana a las isotiazolonas se ha constatado, se encontró con poca frecuencia en los sistemas industriales y fácilmente subsanable por rotación de biocidas, utilización de combinaciones con otras sustancias activas, o la adición de surfactantes o adyuvantes para mejorar la eficacia.

fig. 1 sacada de wikipedia

5 comentarios en “Mecanismos de acción de las isotiazolonas”

  1. hola. que porcentaje de isotiazolonas ( biocida) recomienda para la producción de pasta profesional para cubrir paredes, puede indicarme fabricantes

    1. Hola Carlos,

      Desconozco la cantidad de isotiazolona de estos productos pero en esmaltes cerámicos está alrededor del 0,05 % de materia activa, pero todo depende de la cantidad de materia orgánica que lleve el formulado. Fabricantes hay unos cuantos, encontrándola en forma líquida estabilizada con un 14 % de materia activa o también al 1,4 %.

      Un saludo

  2. la nota que publicaste me fue demasiado util, voy a aprovecharla y mandarsela a un amigo por fb que estaba buscando lo mismo, muchas gracias por compàrtir la data 😀

  3. Pingback: Mecanismos de acción del DBNPA - Radical Libre - El blog de Dídac Forner

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