Mecanismos de acción del DBNPA

bacterias y esporas de hongos

El DBNPA es el nombre químico para un ingrediente activo usado como biocida, el 2,2-dibromo-3-nitrilopropionamida. Es un biocida utilizado en la industria de papel, como conservantes para revestimientos y suspensiones acuosas, en industrias metalúrgicas y para controlar el crecimiento microbiano en los sistemas de agua de proceso. El DBNPA es un biocida que tiene una acción muy rápida y que se degrada (hidroliza) también muy rápidamente, tanto en condiciones ácidas y alcalinas, por lo que se prefiere su uso debido a su eficacia y su inestabilidad en agua, ya que mata rápidamente y luego rápidamente degrada a amoníaco y ión bromuro.  Es un biocida potente contra una variedad de bacterias, hongos y algas y no es corrosivo en las dosis que se recomienda, pero tiene el inconveniente de se incompatible con sulfuros y aminas.

El DBNPA reacciona fácilmente con muchos microorganismos importantes. Su principal objetivo, al igual que el de las isotizolonas (ver entrada Mecanismos de acción de las isotizaolonas) se centra en los nucleófilos que contienen azufre tales como glutatión, metionina o cisteína, pero no se clasifica como un biocida oxidante o biocida liberador de halógenos.

EL DBNPA (2,2-dibromo-3-nitrilopropionamida)

DBNPA
fig. 1; estructura química del DBNPA

El DBNPA, también conocido como dibromocianoacetamida, α,α-dibromo-α-cianoacetamida, 2,2-dibromo-2-carbamoilacetonitrilo, 2,2-dibromo- 2-cianoacetamida, 2,2-dibromo-3-nitrilopropionamida o slimicide 508, es un sólido cristalino de color blanco, con olor a antiséptico. Su punto de fusión es de 126 °C. Su solubilidad en agua es de 15,000 mg/L y su solubilidad en acetona es de 35 g/100 mL y de 25 g/100mL en etanol.

Como he comentado antes, es un compuesto que se degrada rápidamente, y es sensible a la luz ultravioleta (en solución acuosa se descompone en un 99% en 28 días), por lo que es conveniente el uso de envases adecuados.

Reacciona con nucleófilos, en especial con los grupos tiol (aminoácidos cisteina y metionina) y también, aunque mas lentamente con aminoácidos amínicos (como la arginina o la lisina).

La molécula de DBNPA comienza funcionar como un agente antimicrobiano inmediatamente tras la introducción en un sistema; la tasa de esta actividad no se ve afectada por el pH, y el control antimicrobiano se consigue por lo general antes de que ocurra la degradación completa. Esta rapidez, tanto en la acción biocida como en la rápida descomposición química hace del DBNPA tanto un biocida rentable como ecológico.

Las formulaciones líquidas de DBNPA contienen además de DBNPA (generalmente al 20 %), bromuro de sodio, ácido bromhídrico, ácido hipobromoso, tetraetilenglicol, y agua. La formulación líquida es una formulación oxidante y es similar a combinaciones con bromuro de Bleach Bleach y sodio. La formulación líquida es oxidante debido al ácido hipobromoso en la formulación.

DBNPA disuelve en el agua formando una solución relativamente estable en un intervalo de pH ácido. Su solubilidad inusual y estabilidad en tetraetilenglicol de peso molecular medio, unos 200 Da, hacen de este un glicol disolvente preferido. Las soluciones acuosas se hidrolizan en condiciones alcalinas con la tasa de la descomposición con el aumento de la alcalinidad. Sin embargo, la velocidad de hidrólisis no es suficientemente rápido como para interferir con la actividad antimicrobiana de fresco, alcalino (pH 7 a 9,5) soluciones. Esto no impide que el DBNPA sea un biocida de gran alcance con dos características únicas: mata microorganismos rápidamente después de la adición y se degrada rápidamente. [1]

Aunque es DBNPA compatible con muchas clases químicas, incluyendo agentes oxidantes, reaccionará fácilmente con agentes nucleófilos y agentes reductores que contienen azufre. La reacción es fácil con nucleófilos que contienen azufre comunes a los microorganismos, tales como glutatión, el acetilCoA, la metionina o la cistenia (como he comentado antes), y es la base de su acción biocida, desactivándose. El DBNPA no es es por lo tanto un oxidante típico ni tampoco halogenoliberador. A diferencia de otros biocidas tiolreactivos, como las isotiazolonas (ver entrada «Mecanismos de acción de las isotiazolonas«), su acción es tal que los aminoácidos a base de tiol, como la cisteína o metionina, son oxidados más allá de la formación de especies de disulfuro. Esta reacción altera irreversiblemente la función de los componentes de la superficie celular, interrumpiendo el transporte a través de las membranas celulares, y la inhibición de las funciones biológicas clave.

Reacción con nucleófilos (proteínas tioles)

Los biocidas basados en el DBNPA 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 biocidas basados en DBNPA 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, este producto puede interaccionar con otro tiol o con agua, con el consiguiente cambio de estructura y daño celular.

Nucleofília del DBNPA
fig. 2; esquema de la reacción de nucleofilia del DBNPA. Nótese que cada molécula de DBNPA puede interactuar con dos tioles, ya que tiene dos bromos

Producción de radicales intracelulares

Los radicales libres se producen de forma normal debido al metabolismo celular, como 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 el DBNPA también pueden producir radicales no deseados tras el contacto con los microorganismos, especialmente al partir los puentes disulfuro formados. También por la disminución de los niveles de moléculas como el glutatión que ayudan a disminuir los efectos de estos radicales libres.

Vías de degradación del DBNPA

DBNPA se degrada rápidamente por tanto nucleófila, mediante sustitución nucleofílica, por reacción con rayos ultravioleta y las vías hidrolíticas a productos relativamente no tóxicos. La velocidad de hidrólisis de DBNPA es fuertemente dependiente del pH:

  • a pH 6,0 y 25 ºC, la molécula de DBNPA tiene una media de vida de 155 horas
  • a pH 8,0 y 25 ºC, su vida media es de  aproximadamente 2 horas

Los productos de la degradación por la vía de la sustitución nucleofílica son en primer lugar monobromonitrilopropionamida (MBNPA) por perdida de bromo y en segundo lugar este producto se degrada a cianoacetamida (CAM) por la perdida de su segundo bromo, careciendo este compuesto de bromo y por tanto su actividad biocida.

La segunda vía, la de la hidrólisis, produce ión bromuro, dióxido de carbono y amoniaco, produciéndose en primer lugar dibromoacetonitrilo (DBAN), que se transforma en dibromoacetamida (DBAM). Después la DBAM es oxidada a ácido dicloroacético, luego pasa a ácido glioxílico, ácido oxálico y finalmente a dióxido de carbono.

Un esquema general para estas dos vías de degradación es el que aparece en la fig. 3:

degradación DBNPA
fig. 3; degradación del DBNPA

 Conclusión

El mecanismo de acción del DBNPA es compleja y debe considerarse un proceso en varias etapas que implican la inhibición de rutas metabólicas en las que intervengan productos con tioles o azufre (AcetilCoa, etc…) y también la destrucción de la estructura terciaria de ciertas proteínas, y por tanto su utilidad, por la formación de puentes disulfuro, que ademas pueden degradarse mediante una cascada radicalaria, provocando un daño celular y por consiguiente la muerte celular.

efectos del DBNPA
fig. 4; esquema de los efectos biocidas del BDNPA

Fuentes de datos

HET COLLEGE VOOR DE TOELATING VAN GEWASBESCHERMINGSMIDDELEN EN BIOCIDEN

[1] Wolf, P. A. and Sterner, P. W., 2,2-Dibromo-3-Nitrilopropionamide, a compound
with slimicidal activity, J. Appl. Microbiol. 24: 581-584 (1972).

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