Механизм действия химических дезинфектантов на микроорганизмы

Начальной стадией действия любого дезинфектанта на бактериальную клетку является его сорбция на клеточной поверхности (О. С. Савлук, 1998). После диффузии дезинфектантов сквозь клеточную стенку мишенями их действия становятся цитоплазматическая мембрана, нуклеоид, цитоплазма, рибосомы, мезосомы. Следующий этап — деградация макромолекулярных, в том числе белковых, структур бактериальной клетки в результате инактивации высоко-реактивноспособных функциональных групп (сульфгидрильных, аминных, фе-нольных, индольных, тиоэтиловых, фосфатных, кетогрупп, эндоциклических атомов азота и пр.). Наиболее чувствительными являются ферменты, содержащие SH-группы, т. е. тиоловые ферменты. Среди них наиболее сильно угнетаются дегидрогеназы, которые обеспечивают дыхание бактерий и локализованы преимущественно в мезосомах.

Среди органелл бактериальной клетки одной из наиболее повреждаемых химическими дезинфектантами является цитоплазматическая мембрана. Это обусловлено ее легкой доступностью для окислителя (сравнительно с другими органеллами) и наличием большого количества активных групп (в том числе сульфгидрильных), которые легко инактивируются. Поэтому для повреждения цитоплазматической мембраны необходимы сравнительно незначительные количества дезинфектантов. Ввиду важности функций цитоплазматической мембраны для жизнедеятельности бактериальной клетки, ее повреждение является чрезвычайно опасным.

Нуклеоид, основную часть которого представляет молекула ДНК, несмотря на наличие реактивноспособных групп, которые потенциально способны взаимодействовать с дезинфектантами, малодоступен для их молекул и ионов. Это вызвано, во-первых, трудностями транспорта дезинфектанта из водного раствора в нуклеоид через внешнюю и цитоплазматическую мембраны бактериальной клетки, а отсюда —- с непродуктивными потерями обеззараживающих агентов. Во-вторых, наличие первичной гидратной оболочки на поверхности ДНК становится препятствием для некоторых дезинфектантов. В частности, эта гидратная оболочка непроницаема для катионов.

Значительное количество дезинфектанта необходимо для инактивации рибосом и полисом, которые содержат рРНК, что обусловлено их высокой концентрацией в бактериальной клетке (по сравнению с ДНК).

Химические дезинфектанты должны иметь максимально широкий спектр бактерицидного действия и минимальную токсичность для организма. С учетом механизма взаимодействия с бактериальными клетками химические дезинфектанты разделены на две группы:

1. Вещества, которые поражают клеточные структуры за счет химико-физического воздействия, т. е. вещества полярной структуры, которые содержат липофильные и гидрофильные группы (спирты, фенолы, крезолы, детергенты, полипептидные антибиотики). Растворяют фрагменты клеточных структур — мембран, нарушая их целость и соответственно функции. Обладая широким спектром бактерицидного действия благодаря сходству строения клеточных мембран у разнообразных прокариотов, этот класс дезинфектантов эффективен лишь в высоких концентрациях — от 1 до 10 М.

2. Вещества, поражающие клеточные структуры за счет химического взаимодействия. Их можно разделить на 2 подкласса: 1 ) вещества, которые только тормозят рост бактерий; 2) вещества, вызывающие их гибель. Грань между ними достаточно условна и в большой степени определяется концентрацией. К дезинфектантам, которые вызывают гибель клеток, принадлежат почти все тяжелые металлы, образующие с сульфгидрильными группами тяжело диссоциируемые комплексы, а также циан-анионы, которые образуют тяжело диссоциируемые комплексы с железом, чем блокируют функцию терминального дыхательного фермента цитохромоксидазы. Дезинфектанты, которые тормозят рост бактерий, при взаимодействии с функциональными группами клеточных соединений или приводят к их превращению (обратимому в определенных условиях) в другие группы, или ингибируют их вследствие структурного подобия дезинфектантов с нормальными клеточными метаболитами.

Эффективность действия химических дезинфектантов зависит и от возможностей их транспорта через клеточные структуры к мишени в клетке. У граци-ликутных (грамотрицательных) и фирмакутных (грамположительных) бактерий оболочки имеют разное строение, причем основное отличие состоит в том, что грациликутные бактерии имеют дополнительную внешнюю прослойку, состоящую из фосфолипидов, липопротеинов и белков. И двух-, и трехслойная структуры оболочки обеспечивают высокую селективность проникновения извне в клетку чужеродных веществ.

Кроме транспортных ограничений, на эффективность химических дезинфектантов может влиять электролитный состав обеззараживаемой воды. Например, при использовании для дезинфекции катионов тяжелых металлов наличие некоторых анионов (С1~, Вг", I", SO^~, PO J" и пр.) и щелочная среда, может привести к образованию тяжелорастворимых плохо диссоциируемых соединений.

Взаимодействие дезинфектантов с метаболитами клетки и химическими соединениями, которые содержатся в ней, также может привести к изменению физико-химических свойств дезинфектанта. Так, по данным Л. А. Куль-ского (1988), внутриклеточная жидкость содержит почти 3 мг-экв/л анионов, до 100 мг-экв/л HPOj" и почти 20 мг-экв/л SOj", чего вполне достаточно для превращения многих дезинфектантов, например катионов тяжелых металлов, в малодиссоциированные соединения.

Механизм бактерицидного действия позволяет объяснить синергические эффекты, которые наблюдаются экспериментально при обеззараживании воды комбинациями химических дезинфектантов или путем физического влияния и действия химического дезинфектанта. С позиции рассмотренного механизма, действием одного из комбинации дезинфектантов нейтрализуется система "жертвенной защиты" бактериальной клетки, после чего другой дезинфектант получает практически беспрепятственный доступ к основным мишеням и, взаимодействуя с ними, инактивирует клетку. Так, оптимальными бактерицидными свойствами должны обладать комбинации химических дезинфектантов, в которых один способен необратимо связывать сульфгидрильные группы белков оболочки, а другой, имеющий высокоселективные транспортные свойства, быстро диффундирует в цитоплазму клетки и, взаимодействуя с ДНК и РНК, инактивирует бактериальную клетку. Такими высокоэффективными комбинациями дезинфектантов являются системы С12 : Н202, С12: 03, С12 : Ag+, I2 : Ag+ и т. п. При сочетании физического влияния и действия химического дезин-фектанта в результате физического воздействия на оболочку бактериальной клетки происходит дезорганизация или частичное разрушение ее структуры. Это способствует более легкой транспортировке химического дезинфектан-та к мишеням клетки и ее дальнейшей инактивации.

Рассмотренный механизм бактерицидного действия химических дезинфектантов позволяет объяснить закономерности инактивации вирусов и бактериофагов. В частности, повышенная резистентность к химическим дезинфектан-там бактериофагов по сравнению с бактериальными клетками объясняется их пребыванием в цитоплазме бактерии и таким образом низкой доступностью для большинства химических дезинфектантов. Инактивация химическими де-зинфектантами вирусов и бактериофагов вне бактериальной клетки, возможно, осуществляется благодаря денатурации белковых оболочек вируса и взаимодействия с его ферментными системами, расположенными под белковыми оболочками.