The Role of Metals in Carcinogenesis

8/13/2019 The Role of Metals in Carcinogenesis

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E n v i r o n m e n t a l H e a l t h P e r s p e c t i v e sV o l . 4 0 , p p . 2 3 3 - 2 5 2 , 1 9 8 1

T h e R o l e o f M e t a l s i n C a r c i n o g e n e s i s :B i o c h e m i s t r y a n d M e t a b o l i s mb y K . W e t t e r h a h n J e n n e t t e *

T h e o x y a n i o n s o f v a n a d i u m , c h r o m i u m , m o l y b d e n u m , a r s e n i c , a n d s e l e n i u m a r e s t a b l e f o r m so f t h e s e e l e m e n t s i n h i g h o x i d a t i o n s t a t e s w h i c h c r o s s c e l l m e m b r a n e s u s i n g t h e n o r m a lp h o s p h a t e a n d / o r s u l f a t e t r a n s p o r t s y s t e m s o f t h e c e l l . O n c e i n s i d e t h e c e l l , t h e s e o x y a n i o n s maya ct a s p h o s p h a t e a n d / o r s u l f a t e a n a l o g s , i n h i b i t i n g e n z y m e s i n v o l v e d i n c a t a l y z i n g p h o s p h o r y l o rs u l f u r y l t r a n s f e r r e a c t i o n s . O f t e n t h e o x y a n i o n s s e r v e a s a l t e r n a t e e n z y m e s u b s t r a t e s b u t f o r me s t e r p r o d u c t s w h i c h a r e h y d r o l y t i c a l l y u n s t a b l e c o m p a r e d w i t h t h e s u l f a t e a n d p h o s p h a t e e s t e r sa n d , t h e r e f o r e , d e c o m p o s e r e a d i l y i n a q u e o u s s o l u t i o n . A r s e n i t e a n d s e l e n i t e a r e c a p ab le o fr e a c t i n g w i t h s u l f h y d r y l g r o u p s i n p r o t e i n s . Some c e l l s a r e a b l e t o m e t a b o l i z e r e d o x a c t i v eo x y a n i o n s t o f o r m s o f t h e e l e m e n t s i n o t h e r s t a b l e o x i d a t i o n s t a t e s . S p e c i f i c e n z y m e s may b ei n v o l v e d i n t h e m e t a b o l i c p r o c e s s e s . T h e m e ta b ol i te s o f t h e s e e l e m e n t s may f o r m c o m p l e x e s w i t hs m a l l m o l e c u l e s , p r o t e i n s a n d n u c l e i c a c i d s w h i c h i n h i b i t t h e i r a b i l i t y t o f u n c t i o n p r o p e r l y .T h e d i v a l e n t i o n s o f b e r y l l i u m , m a n g a n e s e , c o b a l t , n i c k e l , c a d m i u m , m e r c u r y , a n d l e a d a r es t a b l e f o r m s o f t h e s e e l e m e n t s w h i c h may m i m i c e s s e n t i a l d i v a l e n t i o n s s u c h a s m a g n e s i u m ,c a l c i u m , i r o n , c o p p e r , o r z i n c . T h e s e i o n s may c o m p l e x s m a l l m o l e c u l e s e n z y m e s , a n d n u c l e i ca c i d s i n s u c h a way t ha t t h e n o r m a l a c t i v i t y o f t h e s e s p e c i e s i s a l t e r e d . F r e e r a d i c a l s may b ep r o d u c e d i n t h e p r e s e n c e o f t h e s e m e t a l i o n s w h i c h d a m a g e c r i t i c a l c e l l u l a r m o l e c u l e s .

T h e b i o c h e m i s t r y a n d m e t a b o l i s m o f i n o r g a n i cs p e c i e s i n v o l v e d i n c a r c i n o g e n e s i s e n c o m p a s s e st r a n s p o r t o f i n o r g a n i c s p e c i e s a c r o s s t h e c e l l m e m -b r a n e , e n z y m a t i c a n d c h e m i c a l t r a n s f o r m a t i o n o fr e d o x a c t i v e i n o r g a n i c s p e c i e s w i t h i n t h e c e l l ,c o o r d i n a t i o n o f i n o r g a n i c s p e c i e s t o c e l l u l a r s m a l lm o l e c u l e s a n d m a c r o m o l e c u l e s , a n d i n h i b i t i o n , a c t i -v a t i o n o r c h a n g e o f s p e c i f i c i t y o f c e l l u l a r e n z y m e sb y i n o r g a n i c s p e c i e s . I n o r g a n i c s p e c i e s may m i m i cf o r m s o f e s s e n t i a l e l e m e n t s i n t h e s e p r o c e s s e s . T h ek i n e t i c a n d t h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s o f i n o r g a n i cs p e c i e s m a y b e s u b s t a n t i a l l y d i f f e r e n t f r o m t h o s e o fe s s e n t i a l e l e m e n t s a n d , t h e r e f o r e , may u l t i m a t e l yd e t e r m i n e t h e m a n i f e s t a t i o n o f c e l l u l a r d a m a g e ,i n c l u d i n g c a r c i n o g e n i c a n d c o c a r c i n o g e n i c e f f e c t s .F o r e x a m p l e , i n o r d e r f o r a n i n o r g a n i c c o m p o u n d t ob e a m u t a g e n i t m u s t e n t e r t h e c e l l ; h o w e v e r , a ni n o r g a n i c c o m p o u n d m a y b e a b l e t o a c t a s ac o c a r c i n o g e n w i t h o u t p e n e t r a t i o n i n t o t h e c e l l b yi n t e r a c t i n g w i t h t h e c e l l s u r f a c e . O n c e i n s i d e t h ec e l l t h e i n o r g a n i c s p e c i e s o r i g i n a l l y t r a n s p o r t e d

* D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y , D a r t m o u t h C o l l e g e , H a n o v e r ,New H a m p s h i r e 0 3 7 5 5 .A u g u s t 1 9 8 1

a c r o s s t h e c e l l m e m b r a n e may b e t r a n s f o r m e d i n t oa d i f f e r e n t f o r m b y r e a c t i o n w i t h c e l l u l a r c o m p o -n e n t s . T h e t r a n s f o r m a t i o n may r e s u l t i n a c o m p l e xw h i c h i s e a s i l y e x c r e t e d , h e n c e d e a c t i v a t e d .A l t e r n a t i v e l y , t h e e l e m e n t may b e a c t i v a t e d a n db i n d t o e n z y m e s a n d / o r n u c l e i c a c i d s , a l t e r i n g t h e i ra b i l i t y t o f u n c t i o n p r o p e r l y i n t h e c e l l . T h e u l t i m a t ed i s p o s i t i o n o f t h e e l e m e n t w i l l d e p e n d o n t h ec h e m i c a l p r o p e r t i e s o f t h e i n d i v i d u a l i n o r g a n i cs p e c i e s i n v o l v e d .

O x i d e C o m p l e x e sT h e e a r l y t r a n s i t i o n e l e m e n t s h a v e a t e n d e n c y t oe x i s t i n h i g h o x i d a t i o n s t a t e s a s o x y o r h y d r o x yc o m p l e x e s i n a q u e o u s s o l u t i o n ( 1 ) . T h e n a t u r e o f t h eo x y s p e c i e s d e p e n d s o n c o n c e n t r a t i o n a n d p H . F o re x a m p l e , i n n e u t r a l a q u e o u s s o l u t i o n a t c o n c e n t r a -t i o n s l e s s t h a n 10M, v a n a d i u m ( V ) e x i s t s m a i n l ya s H 2 V O - ; c h r o m i u m ( V I ) e x i s t s a s c h r o m a t e ,C r O 4 2 - ; m a n g a n e s e ( V I I ) e x i s t s a s p e r m a n g a n a t e ,M n O 4 ; m o l y b d e n u m ( V I ) e x i s t s a s m o l y b d a t e , M o O 4 v .A s t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s e s p e c i e s i s i n c r e a s e d ,t h e m o n o n u c l e a r i o n s a g g r e g a t e t o f o r m p o l y a n i o n s .2 3 3


2/20

I n a d d i t i o n t o t h e e a r l y t r a n s i t i o n e l e m e n t s , c e r t a i nm a i n g r o u p e l e m e n t s a l s o t e n d t o e x i s t a s o x y a n i o n s( 1 ) . A t pH 7 , p h o s p h o r u s ( V ) e x i s t s a s a n e q u i l i b -r i u m m i x t u r e o f H 2 P O 0 4 a n d H P 0 4 2 ; a r s e n i c ( V )e x i s t s a s a n e q u i l i b r i u m m i x t u r e o f H 2 A s 0 4 a n dH A s O 4 2 ; s u l f u r ( V I ) e x i s t s a s s u l f a t e , S 0 4 2 - ; a n ds e l e n i u m ( V I ) a s s e l e n a t e , S e O 4 2 - . A l l o f t h e s eo x y a n i o n s h a v e a t e t r a h e d r a l g e o m e t r y ( F i g . 1 ) .O t h e r s t a b l e o x y - c o m p l e x e s o f s e v e r a l o f t h e s ee l e m e n t s a l s o e x i s t ( 1 ) . V a n a d i u m ( I V ) c o m p l e x e sa r e g e n e r a l l y f i v e - o r s i x - c o o r d i n a t e a n d t y p i c a l l yc o n t a i n t h e v a n a d y l i o n , V 0 2 . P y r a m i d a l s t r u c -t u r e s a r e f o u n d f o r a r s e n i c ( L I I ) w h i c h e x i s t s i nn e u t r a l a q u e o u s s o l u t i o n m a i n l y a s p r o t o n a t e d a r -s e n i t e , A s ( O H ) 3 , s u l f u r ( I V ) w h i c h e x i s t s a s s u l f i t e ,S 3 2 a n d s e l e n i u m ( I V ) w h i c h e x i s t s a s s e l e n i t e ,S e O 3 .T r a n s p o r t

S i n c e p h o s p h a t e a n d s u l f a t e a r e k n o w n t o c r o s sc e l l m e m b r a n e s b y p a s s i v e t r a n s p o r t a n d m e d i a t e dp e r m e a t i o n ( 2 ) , t h e o t h e r o x y a n i o n s m a y u s e t h e s et r a n s p o r t s y s t e m s t o e n t e r t h e c e l l s . A r s e n a t e w a sf o u n d t o e n t e r y e a s t c e l l s b y t h e p h o s p h a t e t r a n s p o r ts y s t e m ( 3 ) . A r s e n a t e w a s a c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r o f0

V I0 o -

O -s u l f a t e

s I VI - o / lX- Os u l f i t e

01 1S e v 1o -s e l e n a t e

S e I V- o / 0 X- Os e l e n i t e

0CrVI0 \0-

O -c h r o m a t e

01 1o V I0m o l y b d a t e

p h o s p h a t e u p t a k e i n t o 3 T 3 m o u s e f i b r o b l a s t c e l l s ,h o w e v e r , c h r o m a t e a n d v a n a d a t e s h o w e d v e r yl i t t l e i n h i b i t i o n o f t h e p h o s p h a t e t r a n s p o r t s y s t e m( 4 ) . V a n a d a t e c r o s s e d t h e r e d b l o o d c e l l m e m b r a n eb y t h e a n i o n - e x c h a n g e s y s t e m r e s p o n s i b l e f o r p h o s -p h a t e t r a n s p o r t ( 5 ) . V a n a d a t e u p t a k e w a s i n h i b i t e db y d i n i t r o s t i l b e n e d i s u l f o n a t e , a k n o w n i n h i b i t o r o fa n i o n e x c h a n g e ( 5 ) . V a n a d a t e i n h i b i t e d p h o s p h a t et r a n s p o r t i n t o r e d c e l l s ( 5 ) .C h r o m a t e w a s a b l e t o c r o s s t h e m e m b r a n e s a n de n t e r r e d b l o o d c e l l s ( 6 ) , E h r l i c h a s c i t e s c a r c i n o m ac e l l s ( 7 ) , m a s t o c y t o m a c e l l s ( 8 ) a n d EL4 a s c i t e sl e u k e m i a l y m p h o b l a s t s ( 9 ) . T h e v e l o c i t y o f c h r o -m a t e u p t a k e b y h u m a n l e u k o c y t e s w a s s l i g h t l yi n h i b i t e d b y s u l f a t e , t u n g s t a t e a n d m o l y b d a t e ;m e t a v a n a d a t e w a s a c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r o f c h r o -m a t e t r a n s p o r t ; a r s e n i t e a n d p - c h l o r o m e r c u r i b e n z e n es u l f o n a t e w e r e p o t e n t i n h i b i t o r s o f c h r o m a t e i n f l u x( 1 0 ) . T r a n s p o r t o f m o l y b d a t e a c r o s s r a t i n t e s t i n a lm e m b r a n e s w a s i n h i b i t e d b y s u l f a t e , s e l e n a t e a n dc h r o m a t e , b u t n o t p h o s p h a t e ( 1 1 ) . S u l f a t e w a s ac o m p e t i t i v e i n h i b i t o r o f m o l y b d a t e t r a n s p o r t i ne v e r t e d s a c s o f r a t a n d o v i n e s m a l l i n t e s t i n e s( 1 2 - 2 4 ) . T u n g s t a t e , s e l e n a t e a n d t h i o s u l f a t e a l s oi n h i b i t e d s u l f a t e t r a n s p o r t b y r a t i l e u m i n v i t r o ( 1 2 ,1 3 ) . S u l f a t e i n h i b i t e d t h e a b s o r p t i o n o f m o l y b d a t e

0 pv- O OH

O ( H )p h o s p h a t e

A s vO / \OHO ( H )

a r s e n a t e

0

O |IOHO ( H )

v a n a d a t e

A s 1 I IHO OHOH

a r s e n i t e

H 2 0 \ 1 O H 2V I V

H20/ I\OH2O H 2v a n a d y l i o n

F I G U R E 1 . O x y a n i o n s a n d o x o - c o m p l e x e s s t a b l e i n d i l u t e n e u t r a l a q u e o u s s o l u t i o n .E n v i r o n m e n t a l H e a l t h P e r s p e c t i v e s3 4


3/20

i n i s o l a t e d c h i c k i n t e s t i n a l l o o p s e g m e n t s ( 1 5 ) .A c t i v e s u l f a t e u p t a k e i n t h e y e a s t S a c c h a r o m y c e sc e r e v i s i a e w a s i n h i b i t e d b y c h r o m a t e , m o l y b d a t e ,s e l e n a t e , t h i o s u l f a t e , s u l f i t e , a n d t e l l u r i t e ( 1 6 ) . T h ea c t i v i t y o f t h e s u l f a t e t r a n s p o r t s y s t e m i n t h ef i l a m e n t o u s f u n g u s P e n i c i l l i u m n o t a t u m w a s s t r o n g l yi n h i b i t e d b y s e l e n a t e , m o l y b d a t e , t h i o s u l f a t e , c h r o -m a t e , a n d s u l f i t e ( 1 7 ) . An a c t i v e t r a n s p o r t s y s t e mf o r m o l y b d a t e w a s c h a r a c t e r i z e d f o r t h e m o l y b -d e n u m - r e q u i r i n g n i t r o g e n - f i x i n g b a c t e z i u m C l o s t r i d -i u m p a s t e u r i a n u m ( 1 8 ) . T u n g s t a t e a n d s u l f a t ew e r e c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r s o f m o l y b d a t e u p t a k e i nt h e s e o r g a n i s m s , h o w e v e r , t h i o s u l f a t e a n d v a n a -d a t e w e r e n o t i n h i b i t o r s o f m o l y b d a t e u p t a k e ( 1 8 ) .T h e t r a n s p o r t o f s u l f a t e i n t o t h e b a c t e r i u m S a l m o -n e l l a t y p h i m u r i u m w a s s t r o n g l y i n h i b i t e d b y s u l f i t e ,c h r o m a t e , t h i o s u l f a t e a n d s e l e n a t e a n d w a s m o d e r -a t e l y i n h i b i t e d b y m o l y b d a t e , v a n a d a t e , a n d t u n g -s t a t e ( 1 9 ) .

I n s u m m a r y , o x y a n i o n s o f c h r o m i u m , v a n a d i u m ,m o l y b d e n u m , t u n g s t e n , a r s e n i c , a n d s e l e n i u m , r e a d -i l y p e r m e a t e d t h e c e l l m e m b r a n e s o f p r o k a r y o t e sa n d e u k a r y o t e s . T h e o x y a n i o n s e n t e r e d t h e c e l l s b yu s i n g t h e n o r m a l a c t i v e t r a n s p o r t s y s t e m s f o rp h o s p h a t e a n d s u l f a t e .E n z y m e I n t e r a c t i o n

T h e o x y a n i o n s h a v e b e e n s h o w n t o a f f e c t t h ea c t i v i t i e s o f p h o s p h o t r a n s f e r a s e s a n d p h o s p h o h y -d r o l a s e s . Human l i v e r a n d w h e a t g e r m a c i d p h o s -p h a t a s e s w e r e c o m p e t i t i v e l y i n h i b i t e d b y a r s e n a t e ,v a n a d a t e , m o l y b d a t e , a n d t u n g s t a t e ( 2 0 ) . A r s e n a t e( 2 1 ) , v a n a d a t e , a n d v a n a d y l i o n , V O 2 ( 2 2 ) , w e r ep o t e n t c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r s o f E . c o l i a l k a l i n ep h o s p h a t a s e ; p e r m a n g a n a t e w a s a n i r r e v e r s i b l ei n h i b i t o r , w h e r e a s c h r o m a t e a n d p e r c h l o r a t e w e r en o t i n h i b i t o r s ( 2 3 ) . M o l y b d a t e w a s a p o t e n t i n h i b i -t o r o f p h o s p h o p r o t e i n p h o s p h a t a s e i s o l a t e d f r o mb o v i n e t r a c h e a l s m o o t h m u s c l e e x t r a c t ( 2 4 ) . M o l y b -d a t e w a s a n o n c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r o f NADP+2 ' - n u c l e o t i d a s e f r o m H e v e a b r a s i l i e n s i s ( 2 5 ) .O x o v a n a d i u m ( I V ) i o n , a n d c o m p l e x e s o f u r i d i n e

2 ' 0

OH2F I G U R E 2 . P r o p o s e d t r i g o n a l b i p y r a m i d a l t r a n s i t i o n s t a t e i nRN A h y d r o l y s i s b y r i b o n u c l e a s e A ( 2 6 ) .A u g u s t 1 9 8 1

w i t h o x o v a n a d i u m ( I V ) a n d v a n a d a t e w e r e c o m p e t i -t i v e i n h i b i t o r s o f r i b o n u c l e a s e A ( 2 6 ) . T h e c o m p e t i -t i v e i n h i b i t i o n o f e n z y m e a c t i v i t y w a s p r o p o s e d t ob e b a s e d o n t h e a b i l i t y o f t h e s e i o n s t o f o r m t r i g o n a lb i p y r a m i d a l c o m p l e x e s o f t h e t y p e s h o w n i n F i g u r e2 , w h i c h a c t a s t r a n s i t i o n - s t a t e a n a l o g s i n r e a c t i o n si n v o l v i n g p h o s p h a t e e s t e r s ( 2 0 , 2 6 ) . T h e i r r e v e r s i b l ei n h i b i t i o n o f a l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y b y p e r -m a n g a n a t e a p p e a r e d t o b e d u e t o o x i d a t i o n o f t h ee n z y m e ( 1 6 , 2 0 ) .V a n a d a t e w a s f o u n d t o b e a p o t e n t i n h i b i t o r o f( N a + , K + ) A T P a s e s f r o m d o g k i d n e y ( 2 7 , 2 8 ) , p i gk i d n e y ( 2 9 ) , d o g b r a i n ( 2 8 ) , p i g b r a i n ( 3 0 ) , e e le l e c t r o p l a x ( 2 8 ) , r e d b l o o d c e l l s ( 5 ) , a n d s q u i d a x o n s( 3 1 ) , d y n e i n A T P a s e s f r o m s e a u r c h i n s p e r m ( 3 0 ,3 2 ) a n d T e t r a h y m e n a p y r i f o r m i s ( 3 2 ) , m y o s i nA T P a s e s f r o m h u m a n p l a t e l e t s ( 3 2 ) , a n d r a b b i tm u s c l e ( 3 2 , 3 3 ) , a n d ( C a ) A T P a s e s f r o m r e d b l o o dc e l l s ( 3 2 ) a n d s q u i d a x o n s ( 3 5 ) . V a n a d a t e d i d n o ti n h i b i t r a b b i t m u s c l e s a r c o p l a s m i c r e t i c u l u m( C a ) A T P a s e o r b e e f h e a r t m i t o c h o n d r i a l F 1 A T P a s e( 2 8 ) .V a n a d a t e f o r m e d a s t a b l e s t o i c h i o m e t r i c t e r n a r yc o m p l e x w i t h ADP a n d m y o s i n A T P a s e [ E q . ( 1 ) ]a n d i t w a s p r o p o s e d t h a t t h e v a n a d a t e w a s c o o r d i -n a t e d t o n u c l e o p h i l e s i n t h e a c t i v e s i t e o f t h ee n z y m e ( 3 3 ) . V a n a d a t e i n t e r a c t e d s t r o n g l y w i t h t h el o w a f f i n i t y ATP s i t e o f d o g k i d n e y ( N a + , K+ ) A T P a s e[ E q . ( 2 ) ] a n d i n c r e a s e d t h e a f f i n i t y o f t h e e n z y m ef o r M g 2 ' a n d K+ ( 3 6 ) . I n t h e p r e s e n c e o f p o t a s s i u m ,v a n a d a t e b l o c k e d t h e c o n f o r m n a t i o n a l c h a n g e o f( N a + , K + ) A T P a s e ( E 2 K - * E 1 K ) w h i c h n o r m a l l yf o l l o w s t h e h y d r o l y s i s o f t h e p h o s p h o e n z y m e ( 3 7 ) .I t w a s s u g g e s t e d t h a t i n h i b i t i o n o f ( N a + , K + ) A T P a s ea c t i v i t y w a s d u e t o t h e f o r m a t i o n o f a s t a b l e t e r n a r yc o m p l e x o f e n z y m e , v a n a d a t e , m a g n e s i u m , a n dp o t a s s i u m ( 3 7 ) . I t w a s p r o p o s e d t h a t v a n a d a t e ' sa b i l i t y t o a c t a s a p h o s p h a t e t r a n s i t i o n - s t a t e a n a l o g( F i g . 2 ) w a s r e s p o n s i b l e f o r t h e h i g h a f f i n i t y o fv a n a d a t e f o r t h e p h o s p h a t a s e s i t e o n t h e e n z y m e .T h e a f f i n i t y o f p h o s p h a t e a n d a r s e n a t e f o r t h i s s i t ew a s a p p r o x i m a t e l y 1 0 5 _ 1 0 6 t i m e s l o w e r t h a n t h a t o fv a n a d a t e . A r s e n a t e a l s o i n h i b i t e d d o g k i d n e y ( N a ,K + ) A T P a s e b y b i n d i n g t o t h e w e a k ATP s i t e ( 3 6 ) .E + A DP + H2V7 . E ' * A DP * H 2 V O 4E = m y o s i n A T P a s eK+ * E 2 * ATP + H2 VO + M g 2 e + T

( 1 )

( 2 )K+ * E 2 ATP H 2 V O 7 F M g 2 +

V a n a d a t e m a r k e d l y e n h a n c e d a d e n y l a t e c y c l a s ea c t i v i t y i n v e n t r i c u l a r m u s c l e f r o m r a t , r a b b i t ,2 3 5


4/20

g u i n e a p i g a n d c a t ( 3 8 ) a n d i n r a t f a t c e l l s ( 3 9 ) , a n di n h i b i t e d s t i m u l a t i o n o f s o d i u m a n d w a t e r t r a n s p o r tb y c y c l i c A MP i n f r o g s k i n ( 4 0 ) . S i n c e v a n a d a t e h a sn o e f f e c t o n p u r i f i e d c y c l i c A M P p h o s p h o d i e s t e r a s et h e m e c h a n i s m f o r t h e s e e f f e c t s w a s p r o p o s e d t o b et h e i n h i b i t i o n o f A T P a s e o r G T P a s e b y v a n a d a t e( 3 8 - 4 0 ) . M o l y b d a t e w a s a r e v e r s i b l e a c t i v a t o r o fa d e n y l a t e c y c l a s e f r o m r a t l i v e r p l a s m a m e m b r a n e s ,r a t e r y t h r o c y t e g h o s t s a n d r a t c a r d i a c , k i d n e y , a n db r a i n h o m o g e n a t e s ( 4 1 ) . T h e m o l y b d a t e d i d n o ta c t i v a t e t h e s o l u b l e r a t t e s t i c u l a r a d e n y l a t e c y c l a s e ,a n d t h e r e f o r e i t w a s s u g g e s t e d t h a t m o l y b d a t ei n d i r e c t l y a c t i v a t e d t h e e n z y m e b y i n h i b i t i n g G T P a s ea c t i v i t y . C h r o m a t e a n d t u n g s t a t e i n h i b i t e d r a t l i v e ra d e n y l a t e c y c l a s e a c t i v i t y a t c o n c e n t r a t i o n s w h e r em o l y b d a t e m a r k e d l y s t i m u l a t e d a c t i v i t y ( 4 1 ) .A r s e n a t e p r e v e n t e d t h e a l k a l i n e p h o s p h a t a s e -m e d i a t e d i n a c t i v a t i o n o f g l u c o c o r t i c o i d b i n d i n g c a -p a c i t y o f u n b o u n d s o l u b l e r e c e p t o r s f r o m L 9 2 9m o u s e f i b r o b l a s t s ( 4 2 ) . M o l y b d a t e i n h i b i t e d t h ea l k a l i n e p h o s p h a t a s e a c t i v i t y o f r a t t h y m u s p e l l e t sa n d p r e v e n t e d t h e r e d u c t i o n i n g l u c o c o r t i c o i d b i n d -i n g c a p a c i t y o f u n o c c u p i e d r a t l i v e r r e c e p t o r s c a u s e db y t h y m u s p e l l e t s ( 4 3 ) . M o l y b d a t e a l s o i n h i b i t e d t h ei n a c t i v a t i o n o f u n b o u n d s o l u b l e g l u c o c o r t i c o i d r e -c e p t o r f r o m L 9 2 9 m o u s e f i b r o b l a s t s ( 4 3 ) , w h e r e a st u n g s t a t e h a d n o e f f e c t o n r e c e p t o r i n a c t i v a t i o n( 4 4 ) . T h e t r a n s f o r m a t i o n o f g l u c o c o r t i c o i d b o u n dr e c e p t o r f r o m m o u s e f i b r o b l a s t s i n t o t h e f o r mw h i c h b i n d s DN A w a s b l o c k e d b y m o l y b d a t e a n dt u n g s t a t e ( 4 4 ) . C h i c k o v i d u c t c y t o s o l p h o s p h a t a s ea c t i v i t y w a s i n h i b i t e d b y a r s e n a t e , c h r o m a t e , m o -l y b d a t e , t u n g s t a t e , a n d v a n a d a t e ( 4 5 ) . M o l y b d a t e ,t u n g s t a t e , a n d v a n a d a t e ( b u t n o t c h r o m a t e o ra r s e n a t e ) w e r e p o t e n t i n h i b i t o r s o f t h e a c t i v a t i o n o fp r o g e s t e r o n e r e c e p t o r f r o m c h i c k o v i d u c t t o t h es t a t e w h i c h b i n d s DN A ( 4 5 ) . I t w a s p r o p o s e d t h a tm o l y b d a t e i n t e r a c t e d d i r e c t l y w i t h t h e s t e r o i dr e c e p t o r s , p o s s i b l y b y f o r m i n g a p h o s p h a t e c o m -p l e x w i t h t h e p h o s p h o r y l a t e d r e c e p t o r a n d t h e r e b yp r e v e n t i n g i t s b i n d i n g t o DN A ( 4 4 , 4 5 ) .V a n a d a t e a n d a r s e n a t e m a r k e d l y s t i m u l a t e d p h o s -p h a t e t r a n s f e r t o g l u c o s e b y p h o s p h o g l u c o m u t a s e ,w h e r e a s t u n g s t a t e , m o l y b d a t e , a n d n i o b a t e h a d n oe f f e c t ( 4 6 ) . T h e h a l f - m a x i m a l r a t e o f p h o s p h a t et r a n s f e r o c c u r r e d a t pH 9 . 8 a n d w a s s h i f t e d t o 9 . 5 i nt h e p r e s e n c e o f a r s e n a t e a n d t o 7 . 7 i n t h e p r e s e n c eo f v a n a d a t e . I t w a s c o n c l u d e d t h a t a r s e n a t e a n dv a n a d a t e b i n d t o p h o s p h o g l u c o m u t a s e a n d l o w e rt h e p K a o f t h e a c t i v e s i t e t y r o s i n e h y d r o x y l g r o u p .A r s e n a t e , s u l f a t e , m o l y b d a t e , a n d t u n g s t a t e w e r ec o m p e t i t i v e i n h i b i t o r s o f 6 - p h o s p h o g l u c o n a t e d e h y -d r o g e n a s e w i t h r e s p e c t t o t h e s u b s t r a t e 6 - p h o s p h o -g l u c o n a t e a n d w e r e n o n c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r s w i t hr e s p e c t t o t h e NADP + c o f a c t o r ( 4 7 ) . P e r m a n g a n a t e ,p e r i o d a t e , p e r c h l o r a t e , a n d c h r o m a t e i r r e v e r s i b l y2 3 6

i n a c t i v a t e d 6 - p h o s p h o g l u c o n a t e d e h y d r o g e n a s e , a n di n t h e c a s e o f p e r m a n g a n a t e t h e i n a c t i v a t i o n w a sa s c r i b e d t o t h e o x i d a t i o n o f c y s t e i n e t o c y s t e i c a c i d( 4 7 ) . F e r t a t e i n a c t i v a t e d r a b b i t m u s c l e p h o s p h o -r y l a s e b a n d p r e v e n t e d t h e b i n d i n g o f 5 ' - A M P t ot h e e n z y m e ( 4 8 ) . T h e a c t i o n o f f e r r a t e w a s a s c r i b e dt o t h e o x i d a t i o n o f t y r o s i n e r e s i d u e s a t t h e p h o s -p h a t e b i n d i n g s i t e . B o t h a r s e n a t e a n d v a n a d a t er e p l a c e d p h o s p h a t e a s a s u b s t r a t e i n t h e g l y c e r -a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e d e h y d r o g e n a s e r e a c t i o n ( 4 9 ) .V a n a d a t e a n d a r s e n a t e f o r m e d a n a l o g s o f 1 , 3 -d i p h o s p h o g l y c e r i c a c i d w h i c h w e r e l a b i l e i n a q u e o u ss o l u t i o n . T h e n o r m a l p a t h w a y o f f o r m a t i o n o f ATPf r o m 3 - p h o s p h o g l y c e r a l d e h y d e a n d p h o s p h a t e t h r o u g ht h e s t a b l e 1 , 3 - d i p h o s p h o g l y c e r a t e i n t e r m e d i a t e i ss h o w n i n E q . ( 3 ) , w h e r e GAPDH d e n o t e s g l y c e r -a l d e h y d e - 3 - p h o s p h a t e d e h y d r o g e n a s e . S u b s t i t u t i o no f v a n a d a t e o r a r s e n a t e f o r p h o s p h a t e [ E q . ( 4 ) ]r e s u l t s i n t h e f o r m a t i o n o f u n s t a b l e a c y l v a n a d a t eo r a c y l a r s e n a t e i n t e r m e d i a t e s w h i c h a r e q u i c k l yh y d r o l y z e d i n a q u e o u s s o l u t i o n s ( 4 9 ) . H y d r o l y t i cd e c o m p o s i t i o n o f t h e a c y l v a n a d a t e o r a c y l a r s e n a t ed r o v e t h e r e a c t i o n t o c o m p l e t i o n . A r s e n a t e w a sf o u n d t o s p o n t a n e o u s l y f o r m a n e s t e r - l i k e p r o d u c tw i t h d i h y d r o x y a c e t o n e ( 5 0 ) . T h i s a r s e n a t e a n a l o g o fd i h y d r o x y a c e t o n e p h o s p h a t e w a s r e c o g n i z e d a s as u b s t r a t e b y g l y c e r o l 3 - p h o s p h a t e d e h y d r o g e n a s e .S i m p l e a r s e n a t e a n d v a n a d a t e t r i a l k y l e s t e r s w e r ef o u n d t o b e v e r y l a b i l e c o m p a r e d t o p h o s p h a t ee s t e r s a n d a p p e a r e d t o u n d e r g o r a p i d e x c h a n g e o fa l c o h o l v i a a f i v e - c o o r d i n a t e t r a n s i t i o n s t a t e ( 5 1 ) .V a n a d i u m ( V ) i n t h e f o r m o f t h e d e c a v a n a d a t ep o l y a n i o n w a s a p o t e n t i n h i b i t o r o f a d e n y l a t e k i n a s ef r o m r a t l i v e r m i t o c h o n d r i a a n d r a b b i t s k e l e t a lm u s c l e ( 4 9 ) . S h e e p h e a r t p h o s p h o f r u c t o k i n a s e w a si n h i b i t e d b y v a n a d a t e i n a m a n n e r s i m i l a r t o ATPi n h i b i t i o n ( 5 2 ) .M o l y b d a t e , s e l e n a t e , s u l f a t e , s u l f i t e , a n d a r s e n i t ew e r e c o m p e t i t i v e i n h i b i t o r s o f c h i c k e n l i v e r m i t o -c h o n d r i a l p y r u v a t e c a r b o x y l a s e w i t h r e s p e c t t oS - a c e t y l C o A a n d d e c r e a s e d t h e r a t e o f i n a c t i v a t i o no f t h e e n z y m e u p o n i n c u b a t i o n a t 2 C ( 5 3 ) . A r s e -n a t e i n h i b i t i o n o f p y r u v a t e c a r b o x y l a s e w a s n o n -c o m p e t i t i v e w i t h r e s p e c t t o S - a c e t y l C o A a n d i t w a sc o n c l u d e d t h a t u n l i k e t h e o t h e r o x y a n i o n s a r s e n a t ea c t e d a t t h e n u c l e o t i d e s i t e r a t h e r t h a n t h e S -a c e t y l C o A s i t e ( 5 3 ) .I n a d d i t i o n t o a c t i n g a s p h o s p h a t e a n a l o g s , t h eo x y a n i o n s h a v e a l s o b e e n s h o w n t o a c t a s s u l f a t ea n a l o g s a n d , t h e r e f o r e , i n t e r f e r e w i t h s u l f u r m e -t a b o l i s m . T h e e n z y m e A T P - s u l f u r y l a s e c a t a l y z e st h e f o r m a t i o n o f a d e n o s i n e - 5 ' - p h o s p h o s u l f a t e ( A P S )f r o m ATP a n d s u l f a t e [ E q s . ( 5 ) - ( 8 ) ] , t h e f i r s t s t e p i ns u l f a t e r e d u c t i o n a n d i n f o r m a t i o n o f t h e a c t i v es u l f a t e d o n o r , a d e n o s i n e - 3 ' - p h o s p h a t e - 5 ' - p h o s p h o -s u l f a t e ( P A P S ) . S u l f a t e i s a c t i v a t e d b y f o r m a t i o n o f

E n v i r o n m e n t a l H e a l t h P e r s p e c t i v e s


5/20

0C HH-C-OH

C H 2 - O P 0 3 2 -D - g l y c e r a l d e h y d e -3 - p h o s p h a t e

0C HH-C-OH

C H 2 - O P 0 3 2

0C - O P O 3 -

GAPDH |+ H P 0 4 2 = i- C - O HC H U - O P 0 3 2 -

A D P - k i n a s e

1 , 3 - d i p h o s p h o -g l y c e r a t e

H V O 4 2 -+

H A s O 4 '

0C - O V 0 3 2 - ( o r - O A s O 3 2 - )

GAPDH |N H - s - HC H z - O P O 3 2 -

0C-O-H-C-OH

C H 2 - O P O 3 23 - p h o s p h o -g l y c e r a t e

0C -O -H 2 0H H - C - O Hr a p i d

C H 2 - O P O 3 2 -

a d e n y l s u l f a t e ( A P S ) , w h i c h a c t s as a s u l f u r y l d o n o ri n s u b s e q u e n t e n z y m a t i c r e a c t i o n s s u c h as s u l f a t i o no f p o l y s a c c h a r i d e s [ E q s . ( 5 ) - ( 7 ) ] . S e l e n a t e , m o l y b -d a t e , c h r o m a t e , a n d t u n g s t a t e f o r m u n s t a b l e AMP-a n h y d r i d e s w h i c h ar e h y d r o l y z e d [ E q . ( 8 ) ] t o f o r mA M P a n d r e g e n e r a t e t h e o x y a n i o n s ( 5 4 ) . M o l y b d a t ew a s an i r r e v e r s i b l e i n h i b i t o r o f D e s u l f n 7 i b r i o A T P -s u l f u r y l a s e ( 1 1 ) . S u l f i t e , c h r o m a t e , m o l y b d a t e , a n dt u n g s t a t e c a u s e d i r r e v e r s i b l e c l e a v a g e o f A TP t oA M P b y b a k e r ' s y e a s t A T P - s u l f u r y l a s e ( 5 4 ) . M o -l y b d a t e , c h r o m a t e , t u n g s t a t e , a n d s e l e n a t e i n h i b i t e dt h e f o r m a t i o n o f APS b y A T P - s u l f u r y l a s e p u r i f i e df r o m N i t r o b a c t e r a g i l i s ( 5 5 ) . M o l y b d a t e a n d s e l e -n a t e i n h i b i t e d A T P - s u l f u r y l a s e a c t i v i t y b y c o m p e t -i n g w i t h s u l f a t e f o r t h e a c t i v e s i t e o n ATP-s u l f u r y l a s e s p u r i f i e d f r o m P e n c i l l i u m c h r y s o g e n u m( 5 6 ) a n d s p i n a c h l e a v e s ( 5 7 ) . M o l y b d a t e c a u s e d t h ef o r m a t i o n o f AMP f r o m A T P , h o w e v e r , n o AMPwas f o r m e d w i t h s e l e n a t e as s u b s t r a t e f o r t h es p i n a c h l e a f A T P - s u l f u r y l a s e ( 5 7 ) . S e l e n a t e wasf o u n d t o a c t as a s u b s t r a t e f o r b a k e r ' s y e a s tA T P - s u l f u r y l a s e a n d f o r m a d e n o i s i n e - 5 ' - p h o s p h o -s e l e n a t e ( A P S e ) w h i c h was s t a b l e e n o u g h t o i s o l a t ea n d c h a r a c t e r i z e ( 5 4 ) . T h e APSe was e a s i l yh y d r o l y z e d , h o w e v e r , r e s u l t i n g i n t h e f o r m a t i o n o fA M P a n d s e l e n a t e . I n c o n t r a s t , APSe a n d AMPw e r e n o t d e t e c t e d w h e n s e l e n a t e was u s e d as as u b s t r a t e f o r p u r i f i e d A T P - s u l f u r y l a s e s f r o m A s -t r a g a l u s b i s u l c a t u s ( a s e l e n i u m - a c c u m u l a t o r spe-c i e s ) , A s t r a g a l u s h a m o s u s ( a n o n a c c u m u l a t o r s p e -c i e s ) , a n d s p i n a c h ( 5 7 , 5 8 ) . I t was p r o p o s e d t h a t t h em e c h a n i s m o f i n h i b i t i o n b y t h e s e a n i o n s [ E q s .( 5 ) - ( 8 ) ] i n v o l v e d t h e f o r m a t i o n o f u n s t a b l e a d e n o -s i n e - 5 ' - p h o s p h o a n i o n a n h y d r i d e s w h i c h q u i c k l yh y d r o l y z e d t o f o r m AMP a n d t h e a n i o n ( 5 4 ) . K i n e t i cs t u d i e s o n p u r i f i e d A T P - s u l f u r y l a s e s f r o m S a c -c h u r m n y c e s c e r e v i s i a e ( 5 9 ) , P e n i c i l l i u m c h r y s o g e n u mA u g u s t 1 9 8 1

( 5 6 ) , a n d F u r t h mouse m a s t o c y t o m a ( 6 0 ) s u g g e s t e da s e q u e n t i a l m e c h a n i s m f o r t h e e n z y m e , w h e r e b o t hm o l y b d a t e ( o r s u l f a t e ) a n d MgATP b i n d t o t h ee n z y m e b e f o r e t h e p r o d u c t s , p y r o p h o s p h a t e a n dAMP-MoO4 ( o r A P S ) , ar e r e l e a s e d .M o l y b d a t e was a r e v e r s i b l e c o m p e t i t i v e i n h i b i t o ro f s u l f a t e t r a n s p o r t i n t h e u n i c e l l u l a r r e d a l g a ,P o r p h y r i d i u m a e r u g i n e u m ( 6 1 ) . M o l y b d a t e e n t e r e dt h e s e c e l l s a n d i n h i b i t e d t h e i n t r a c e l l u l a r u t i l i z a t i o no f t h e s u l f a t e p o o l i n t h e s y n t h e s i s o f c a p s u l a rp o l y s a c c h a r i d e s . S u l f a t i o n l e v e l s o f c e l l - a s s o c i a t e ds u l f a t e d p o l y s a c c h a r i d e a n d t h e s e c r e t e d e x t r a c e l l u -l a r s u l f a t e d p o l y s a c c h a r i d e were d e p r e s s e d b y mol y b d a t e ( 6 1 ) . M o l y b d a t e a n d s e l e n a t e a t c o n c e n t r a -t i o n s w i t h o u t e f f e c t o n g r o w t h i n h i b i t e d t h ei n c o r p o r a t i o n o f s u l f a t e i n t o c e l l u l a r c o n s t i t u e n t s o fE s c h e r i c h i a c o l i ( 6 2 ) . M o l y b d a t e i n h i b i t e d s u l f a t er e d u c t i o n t o s u l f i d e b y rumen m i c r o o r g a n i s m s w i t h -o u t a f f e c t i n g s u l f i t e r e d u c t i o n b y t h e s e b a c t e r i a( 6 3 ) . M o l y b d a t e was n o t t o x i c i n a m u t a n t o fS a l m o n e l l a t y p h i m u r i u m l a c k i n g A T P - s u l f u i r y l a s e( 6 4 ) . M o l y b d a t e a n d s e l e n a t e i n h i b i t e d t h e s y n t h e -s i s o f APS i n e x t r a c t s f r o m t o b a c c o X D c e l l s ( 6 5 ) .M o l y b d a t e d e r e p r e s s e d A T P - s u l f u r y l a s e i n t o b a c c oc e l l s b y e s s e n t i a l l y c a u s i n g s u l f u r s t a r v a t i o n t h r o u g hi n h i b i t i o n o f s u l f a t e u p t a k e a n d s u l f a t e a c t i v a t i o n b yA T P - s u l f u r u y l a s e . S e l e n a t e d e r e p r e s s i o n o f ATP-s u l f u r y l a s e d i d n o t occur b y a m e c h a n i s m i n v o l v i n gs u l f u r s t a r v a t i o n a n d i t was p r o p o s e d t h a td e r e p r e s s i o n was t h e r e s u l t o f t h e f o r m a t i o n o f as e l e n o - a n a l o g w h i c h was a n a n t a g o n i s t t o somep r o d u c t i n t h e s u l f a t e p a t h w a y ( 6 5 ) .A r s e ni t e h a s b e e n s h o w n t o i n h i b i t t h i o l - c o n t a i n i n ge n z y m e s ( 6 6 , 6 7 ) , e s p e c i a l l y t h o s e c o n t a i n i n g t w os u l f h y d r y l groups i n c l o s e p r o x i m i t y , e . g . , c h i c k e na n d r a t l i v e r c i t r a t e c l e a v a g e e nzy m e a n d t h e l i p o i ca c i d - c o n t a i n i n g p y r u v a t e o x i d a s e s y s t e m ( 6 8 ) . O t h e r

2 3 7

+ ATP ( 3 )

H V O 4 2 -+ ( 4 )

H A S O 4 2 -


6/20


7/20

OHA s

SH S H S SH 3 A s 0 3 + C H z - C H l - C H ( C H 2 ) 4 C O O H 2 . 0 H 2 - C H _ u C H ( 0 H 2 ) 4 C O O H 2 H 2 0D i h y d r o l i p o i c a c i d -

OHA sS H S H S S

H 3 A s 0 3 + C H u - C H - C H 2 0 H 2 OH2 CH-CH20H + 2 H 2 0BAL

p e r s u l f i d e a n a l o g b y g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e ( 7 8 ) .T h e s e l e n o p e r s u l f i d e p r o d u c e d [ E q . ( 1 2 ) ] d e c o m -p o s e d t o g l u t a t h i o n e a n d s e l e n i u m ( O ) . S e l e n i t e r e a c t e dw i t h r e d u c e d p a n c r e a t i c r i b o n u c l e a s e A f o r m i n g as l i g h t l y u n f o l d e d s t r u c t u r e c o n t a i n i n g i n t r a m o l e c u -l a r s e l e n o t r i s u l f i d e l i n k a g e s w h i c h was d e v o i d o fa c t i v i t y ( 7 9 ) . S e l e n i t e was a b l e t o r e l e a s e m e t h y l -m e r c u r y b o u n d t o s u l f h y d r y l g r o u p s i n b l o o d p r o -t e i n s s u c h as a l b u m i n i n t h e p r e s e n c e o f r e d b l o o dc e l l s , a n d l i v e r , k i d n e y a n d b r a i n h o m o g e n a t e s f r o mr a t s a n d m i c e ( 8 0 ) . S e l e n i t e was e f f e c t i v e i n r e m o v -i n g b o u n d m e t h y l m e r c u r y f r o m h u m a n b l o o d , w h e r e a ss e l e n a t e was i n e f f e c t i v e . I n vivo a d m i n i s t r a t i o n o fs e l e n i t e t o m i c e p r e v i o u s l y e x p o s e d t o m e t h y l m e r c u r yr e s u l t e d i n t h e r e l e a s e o f f r e e m e t h y l m e r c u r y f r o mb l o o d , l i v e r a n d k i d n e y t i s s u e , b u t n o t f r o m b r a i nt i s s u e ( 8 0 ) .I n t h e p r e s e n c e o f g l u t a t h i o n e s e l e n i t e s t i m u l a t e dt h e s w e l l i n g o f l i v e r m i t o c h o n d r i a i s o l a t e d f r o ms e l e n i u m - d e f i c i e n t r a t s ( 8 1 ) . S e l e n a t e , a r s e n i t e ,a r s e n a t e , s u l f i t e , t h i o s u l f a t e , m o l y b d a t e , t e l l u r a t e ,a n d v a n a d a t e h a d l i t t l e o r n o e f f e c t o n m i t o c h o n -d r i a l s w e l l i n g i n t h i s s y s t e m w h e r e a s t e l l u r i t e wass l i g h t l y a c t i v e . T h e s w e l l i n g e f f e c t o f s e l e n i u m wasa t t r i b u t e d t o t h e a b i l i t y o f s e l e n i t e t o c a t a l y z e t h er e d u c t i o n o f c y t o c h r o m e c b y g l u t a t h i o n e ( 8 2 ) .S e l e n o c y s t e i n e a l s o c a t a l y z e d g l u t a t h i o n e r e d u c t i o no f c y t o c h r o m e c , s e l e n a t e h a d o n l y a s l i g h t e f f e c ta n d s e l e n o m e t h i o n i n e was i n e f f e c t i v e . I t was p r o -p o s e d t h a t t h e m e c h a n i s m f o r s e l e n i t e c a t a l y s i s o fc y t o c h r o m e c r e d u c t i o n b y g l u t a t h i o n e i n v o l v e d t h ef o r m a t i o n o f a s e l e n o p e r s u l f i d e i n t e r m e d i a t e ( 8 2 ) .I n r a t e r y t h r o c y t e s , s e l e n i t e s t i m u l a t e d r e d u c t i o no f m e t h e m o g l o b i n i n t h e presence o f g l u t a t h i o n e a tc o n c e n t r a t i o n s w h i c h h a d n o e f f e c t o n N AD H -A u g u s t 1 9 8 1

m e t h . e m o g l o b i n r e d u c t a s e a c t i v i t y ( 8 3 ) . S e v e r a lp r o t e i n s i n v o l v e d i n e l e c t r o n t r a n s p o r t processes,e . g . , f o r m a t e d e h y d r o g e n a s e , g l y c i n e r e d u c t a s e ,a n d g l u t a t h i o n e p e r o x i d a s e , h a v e b e e n i d e n t i f i e d ass e l e n o p r o t e i n s ( 8 4 ) .I n s u m m a r y , o x y a n i o n s o f v a n a d i u m , c h r o m i u m ,m o l y b d e n u m , t u n g s t e n , a r s e n i c , a n d s e l e n i u mi n h i b i t e d t h e a c t i v i t y o f enzymes i n v o l v e d i n p h o s -p h a t e a n d s u l f a t e m e t a b o l i s m . S e l e n i t e a n d a r s e n i t ei n h i b i t e d processes r e q u i r i n g f r e e s u l f h y d r y l groups.S e l e n i t e a f f e c t e d e l e c t r o n t r a n s p o r t r e a c t i o n s . C e l -l u l a r r e g u l a t o r y p r ocess es may b e a f f e c t e d b y t h e s eo x y a n i o n s t h r o u g h t h e i r d i s t u r b a n c e o f o x i d a t i v ep h o s p h o r y l a t i o n , i n h i b i t i o n o f o x i d a s e s a n d A T P a s e s ,a n d i n t e r f e r e n c e w i t h s t e r o i d e f f e c t s o n l e v e l s o fc A M P , e . g . , a c t i v a t i o n o f a d e y n l a t e c y c l a s e a c t i v i -t y , a n d i n t e r f e r e n c e w i t h s t e r o i d - r e c e p t o r - D N Ai n t e r a c t i o n s .M e t a b o l i s m

T h e o x y a n i o n s , e x c e p t p h o s p h a t e , ar e r e d o xa c t i v e a n d h a v e o t h e r f o r m s i n d i f f e r e n t o x i d a t i o ns t a t e s w h i c h ar e s t a b l e i n a qu e o us s o l u t i o n ( 1 ) .M e t a b o l i c processes. may b e a b l e t o c o n v e r t t h eh i g h o x i d a t i o n s t a t e m e t a l s i n o x y a n i o n s t o s t a b l ec o m p l e x e s w i t h t h e m e t a l i n a l o w e r o x i d a t i o ns t a t e .L i v e r a n d k i d n e y s f r o m r a t s t r e a t e d w i t h van a-d a t e e x h i b i t e d a n e l e c t r o n p a r a m a g n e t i c r e s o n a n c e( E P R ) s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c o f v a n a d i u m ( I V ) i n d i -c a t i n g t h e s e t i s s u e s were a b l e t o r e d u c e v a n a d a t eb y o n e e l e c t r o n ( 8 5 ) . L u n g s c o n t a i n e d o n l y s m a l la m o u n t s o f v a n a d i u m ( I V ) a n d h e a r t t i s s u e h a d n od e t e c t a b l e V ( I V ) . T o x i c l e v e l s o f v a n a d a t e h a d n o2 3 9

( 9 )

( 1 0 )


8/20

4 y - g l u - c y s - g l y + H 2 S e O 3 - . y - g l u - c y s - g l y + y - g l y - c y s - g l y + 3 H 2 0SH SGS H S S e

y - g l y - c y s - g l y SGSSG y - g l u - c y s - g l y

GSSeSGG 1 SGSSG + S e GlutathioneG S S e S G h > GS H + GSSeHR e d u c t a s e

e f f e c t o n t h e a c t i v i t i e s o f t w o m o l y b d e n u m en-zymes, s u l f i t e o x i d a s e a n d x a n t h i n e o x i d a s e . I t wass u g g e s t e d t h a t t h e t o x i c i t y o f v a n a d i u m was r e l a t e dt o t h e o n e e l e c t r o n r e d u c t i o n o f V ( V ) a n d s u b s e -q u e n t b i n d i n g o f t h e V ( I V ) t o p r o t e i n . I n t a c t r e db l o o d c e l l s c o n v e r t e d v a n a d a t e t o a f o r m w h i c hb o u n d t o h e m o g l o b i n ( 5 ) . R e d c e l l g h o s t s a n d p u r eh e m o g l o b i n were i n a c t i v e i n v a n a d a t e c o n v e r s i o n .T h e v a n a d i u m a s s o c i a t e d w i t h h e m o g l o b i n h a d t h eEPR s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c o f v a n a d y l i o n i n d i c a t -i n g t h a t r e d u c t i o n o f v a n a d a t e t o v a n a d i u m ( I V )h a d o c c u r r e d ( 8 6 ) . I n c o n t r a s t t o v a n a d a t e w h i c hm a r k e d l y i n h i b i t e d ( N a + , K + ) A T P a s e , v a n a d i u m( I V ) was a m u c h l e s s e f f e c t i v e i n h i b i t o r ( 8 6 ) . R a p i do x i d a t i o n o f NADH o c c u r r e d i n t h e p r es ence o fv a n a d a t e a n d p u r i f i e d c a l f c a r d i a c c e l l m e m b r a n e sc o n t a i n i n g ( N a + , K + ) A T P a s e ( 8 7 ) . T h i s e f f e c t wasa t t r i b u t e d t o t h e p r es ence o f a h e a t l a b i l e NADH-v a n a d a t e r e d u c t a s e a c t i v i t y i n c a r d i a c m e m b r a n e s .C a t e c h o l , w h i c h r e d u c e d v a n a d i u m ( V ) t o v a n a d i u m( I V ) a n d f o r m e d a c o m p l e x w i t h v a n a d i u m ( I V )r e v e r s e d t h e v a n a d i u m ( V ) i n h i b i t i o n o f r e a c t i v a t e dse a u r c h i n s p e r m m o t i l i t y , d y n e i n A T P a s e a n d( N a + , K + ) A T P a s e ( 3 0 ) . N o r e p i n e p h r i n e r e v e r s e dv a n a d a t e i n h i b i t i o n o f d o g k i d n e y ( N a + , K + ) A T P a s eb y r e d u c t i o n o f v a n a d i u m ( V ) a n d c o m p l e x a t i o n o ft h e v a n a d i u m ( I V ) f o r m e d ( 8 8 ) .Human b r e a s t , l i v e r , a n d t h y r o i d t i s s u e s w h i c hh a d b e e n t r e a t e d w i t h d i c h r o m a t e o r w i t h t h e C r( V I ) c o n t a i n i n g t i s s u e p r e s e r v a t i v e , Z e n k e r ' s s o l u -t i o n , s h o w e d a n EPR s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c o f c h r o -mium ( I I I ) ( 8 9 ) . T h e i n t r a c e l l u l a r c h r o m i u m i nc h r o m a t e t r e a t e d t u m o r c e l l s was f o u n d as c h r o -mium ( I I I ) c o m p l e x e d w i t h o r g a n e l l e s ( n u c l e i ,m i t o c h o n d r i a a n d m i c r o s o m e s ) , s o l u b l e p r o t e i n sa n d s m a l l m o l e c u l e s ( 7 - 9 ) . T h e i n t r a c e l l u l a r c h r o -mium ( I I I ) c o m p l e x e s e v e n i n t h e f o r m o f l o w2 4 0

( 1 2 )> GS H + S e o

m o l e c u l a r w e i g h t c o m p l e x e s , were r e t a i n e d i n t h ec e l l i n d i c a t i n g t h e c e l l m e m b r a n e was r e l a t i v e l yi m p e r m e a b l e t o t r i v a l e n t c h r o m i u m . O n l y c h r o -mium ( I I I ) was d e t e c t e d i n BHK21 h a m s t e rf i b r o b l a s t s t h a t h a d b e e n t r e a t e d w i t h d i c h r o m a t e( 9 0 ) .T r e a t m e n t o f r e d b l o o d c e l l s w i t h c h r o m a t er e s u l t e d i n u p t a k e o f c h r o m i u m a n d r e c o v e r y o fc h r o m i u m b o u n d t o t h e g l o b i n ( n o n h e m e ) p o r t i o n o fh e m o g l o b i n ( 6 ) . I n c o n t r a s t t o t h e i n a c t i v i t y o fp u r i f i e d h e m o g l o b i n i n v a n a d a t e r e d u c t i o n ( 5 ) h e -m o g l o b i n was c a p a b l e o f r e d u c i n g c h r o m a t e a n db i n d i n g c h r o m i u m ( I I I ) ( 6 , 9 1 ) . W i t h b o t h r e d b l o o dc e l l - l a b e l e d h e m o g l o b i n a n d i s o l a t e d h e m o g l o b i n a,I a n d y p o l y p e p t i d e s , c h r o m i u m ( I I I ) was f o u n dp r e f e r e n t i a l l y t o b i n d t o t h e B c h a i n s ( 9 1 ) . C h r o -mium ( I I I ) was n o t t a k e n up b y r e d b l o o d c e l l ss u g g e s t i n g t h a t t h e e r y t h r o c y t e m e m b r a n e wasa l s o i m p e r m e a b l e t o C r ( I I I ) c o m p l e x e s ( 6 ) . C h r o -m a t e i n h i b i t e d g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e a c t i v i t y o fe r y t h r o c y t e s , w h e r e a s c h r o m i u m ( I I I ) h a d n o e f f e c t( 9 2 ) . C h r o m a t e h a d n o e f f e c t o n a c e t y l c h o l i n e s t e r a s e ,a n d g l y o x a l a s e a c t i v i t i e s , a n d o n a c t i v i t i e s o f e n-zy m e s o f t h e g l y c o l y t i c a n d p e n t o s e - p h o s p h a t ep a t h w a y s o f e r y t h r o c y t e s ( 9 2 ) .Chromium ( V I ) i n h i b i t e d b e n z p y r e n e ( B P )h y d r o x y l a s e a c t i v i t y i n r a t l u n g h o m o g e n a t e s ( 9 3 ) .C h r o m i u m ( I I I ) , a r s e n i t e a n d s e l e n i t e h a d n o e f f e c to n BP h y d r o x y l a s e i n v i t r o ( 9 3 ) . P o t a s s i u m c h r o -m a t e i n h i b i t e d h y d r o x y l a t i o n o f BP b y mouse l i v e rh o m o g e n a t e s , h o w e v e r , t h e same s t u d y s h o w e dt h a t p o t a s s i u m d i c h r o m a t e e n h a n c e d BP h y d r o -x y l a t i o n a t l o w c o n c e n t r a t i o n s a n d i n h i b i t e d a t h i g hc o n c e n t r a t i o n s ( 9 4 ) . C h r o m i u m ( I I I ) i n h i b i t e d BPh y d r o x y l a s e a c t i v i t y i n r a t l i v e r m i c r o s o m e s ( 9 5 ) .T h e m i c r o s o m a l f r a c t i o n o f r a t l i v e r c e l l s wasf o u n d t o b e c a p a b l e o f m e t a b o l i z i n g c h r o m a t e t o


( 1 1 )


9/20

c h r o m i u m ( I I I ) u s i n g N AD P H o r NADH a s c o f a c -t o r ( 9 6 , 9 7 ) . T h e e n z y m e s c o m p o s i n g t h e e l e c t r o n -t r a n s p o r t c y t o c h r o m e P - 4 5 0 s y s t e m w e r e s h o w n( 9 8 ) t o b e i n v o l v e d i n t h e m i c r o s o m a l r e d u c t i o n o fc h r o m a t e . T h e N A D P H - d e p e n d e n t c h r o m a t e r e -d u c t a s e a c t i v i t y o f m i c r o s o m e s w a s i n h i b i t e d b yc a r b o n m o n o x i d e a n d m e t y r a p o n e , k n o w n i n h i b i -t o r s o f c y t o c h r o m e P - 4 5 0 a c t i v i t y ( 9 8 ) . T h e a b i l i t yo f c y t o c h r o m e P - 4 5 0 t o f u n c t i o n a s a NADH- o rN A D P H - d e p e n d e n t r e d u c t a s e , r a t h e r t h a n am o n o o x y g e n a s e , h a s b e e n w e l l d o c u m e n t e d f o r an u m b e r o f o r g a n i c s u b s t r a t e s ( 9 9 ) . S o m e o f t h ec h r o m i u m ( I I I ) p r o d u c e d b y m i c r o s o m a l r e d u c t i o nr e m a i n e d b o u n d t o m i c r o s o m a l p r o t e i n a n d t h em a j o r i t y w a s c o m p l e x e d t o t h e NAD+ o r NADP+c o f a c t o r ( 9 7 ) . S i n c e c h r o m a t e i s n o t a s t r o n g o x i d i z -i n g a g e n t a t p h y s i o l o g i c a l p H , n o i n t e r a c t i o n b e -t w e e n t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d c h r o m a t e i o n a n d t h en e g a t i v e l y c h a r g e d DNA p o l y m e r w a s o b s e r v e d i na q u e o u s pH 7 . 4 s o l u t i o n s i n v i t r o ( 9 7 , 1 0 0 ) . H o w -e v e r , t h e p r e s e n c e o f a m i c r o s o m a l m e t a b o l i z i n gs y s t e m c a p a b l e o f r e d u c i n g c h r o m a t e t o c h r o m i u m( I I I ) c a u s e d s i g n i f i c a n t a m o u n t s o f c h r o m i u m t ob i n d t o DN A ( 9 7 ) .T h e s e r e s u l t s l e a d t o a n u p t a k e - r e d u c t i o n m o d e l( F i g . 3 ) t o e x p l a i n t h e c a r c i n o g e n i c i t y o f c h r o m i u m( V I ) ( 9 7 ) . C h r o m i u m i n t h e f o r m n o f c h r o m a t ep e n e t r a t e s t h e c e l l m e m b r a n e u s i n g t h e s u l f a t et r a n s p o r t s y s t e m w h e r e a s c h r o m i u m ( I I I ) d o e s n o tc r o s s c e l l m e m b r a n e s a n d i s e f f e c t i v e l y e x c l u d e df r o m t h e c e l l . C e l l u l a r m e t a b o l i z i n g s y s t e m s , i n -c l u d i n g t h e m i c r o s o m a l e l e c t r o n - t r a n s p o r t c y t o c h r o m eP - 4 5 0 s y s t e m , r e d u c e c h r o m a t e t o c h r o m i u m ( I I I ) .

E X T R A C E L L U L A R

CrO[extracellularreductionsystem3 + -

I ~

CELLMEMBRANE

uptakeB u l f a t et r a n s p o rs y s t e m

cellularr e d u i c t i o ns 3 y s t e mmicrosomes+ NADPH

e x c r e t i o n

T h e m e t a b o l i c a l l y p r o d u c e d c h r o m i u m ( I I I ) b i n d s t on u c l e i c a c i d s , p r o t e i n s a n d s m a l l m o l e c u l e s s u c h a sn u c l e o t i d e s . T h e c h r o m i u m ( I I I ) b o u n d t o DN Aa n d / o r p r o t e i n i n d u c e s d a m a g e t o t h e DN A t h a te v e n t u a l l y l e a d s t o a m u t a t i o n a n d h e n c e c a n c e r .P o s s i b l e c o c a r c i n o g e n i c e f f e c t s o f c h r o m i u m may b ee n z y m e i n h i b i t i o n b y b o u n d c h r o m i u m a n d / o r b yc h r o m i u m - s m a l l m o l e c u l e c o m p l e x e s . E x t r a c e l l u l a rc h r o m i u m may i n t e r f e r e w i t h n o r m a l r e c e p t o r a c -t i v i t i e s a t t h e m e m b r a n e a n d t h e r e b y d i s r u p tc e l l u l a r r e g u l a t o r y p r o c e s s e s .C h r o m i u m ( I I I ) - n u c l e o t i d e c o m p l e x e s h a v e b e e ns y n t h e s i z e d w h i c h h a v e C r 3 + b o u n d t o p h o s p h a t eg r o u p s ( 1 0 1 , 1 0 2 ) . T h e s e C r 3 + - n u c l e o t i d e s h a v e b e e nu s e d a s i n h i b i t o r s a n d / o r s u b s t r a t e s o f a n u m b e r o fp h o s p h o r y l t r a n s f e r e n z y m e s , e . g . , a c e t a t e , p y r -u v a t e a n d 3 - p h o s p h o g l y c e r a t e k i n a s e s , h e x o k i n a s e ,g l y c e r o k i n a s e , c r e a t i n e k i n a s e , a n d p h o s p h o f r u c t o -k i n a s e ( 1 0 3 ) . CrADP w a s s h o w n t o c o m p e t e w i t hMgATP, t h e n o r m a l s u b s t r a t e f o r h e x o k i n a s e , f o rb i n d i n g a t t h e a c t i v e s i t e o f t h e e n z y m e , w h e r e a s ,P - - y - C r A T P w a s s h o w n t o b e a s u b s t r a t e f o rh e x o k i n a s e ( 1 0 4 ) .A f t e r o r a l a d m i n i s t r a t i o n o f c h r o m i u m ( I I I ) t or a t s t h e c h r o m i u m s p e c i f i c a l l y w a s b o u n d t o t h es e r u m p r o t e i n t r a n s f e r r i n ( 1 0 5 ) . T h e a f f i n i t y o f C r 3 +f o r t r a n s f e r r i n w a s c l o s e t o t h a t o f i r o n ( I I I ) . R a t si n j e c t e d i n t r a v e n o u s l y w i t h v a n a d a t e r e t a i n e d v a -n a d i u m i n t h e p l a s m a a s a v a n a d i u m - t r a n s f e r r i nc o m p l e x ( 1 0 6 ) . B o t h C r 3 + a n d V O 2 + h a v e b e e n s h o w nt o b i n d t o t h e F e 3 s i t e s o f t r a n s f e r r i n ( 1 0 7 ) .T r a n s f e r r i n h a s b e e n s h o w n t o b i n d t o r e c e p t o r s o nr e t i c u l o c y t e s a n d b e c o m e i n t e r n a l i z e d b y e n d o c y t o s i s

INTRACELLULAR

n u c l e o p h i l e sn f b na I I I s r yC r 3 + m a c r o m c

n u c l e o p h i l e sof s m a l lm o l e c u l l e sC r 3 + - c o m p l e x e s -

t a i v e r e d r e g u i a t i o n '

U z L L . ye n z yi n h i

j u l e s > C r 3 + - D N AC r 3 + - p r o t e i n

m u t a t i o nr m e. b i t i o n ANCER

F I G U R E 3 . U p t a k e r e d u c t i o n m o d e l f o r t h e c a r c i n o g e n i c i t y o f c h r o m i u m ( V I ) .A u g u s t 1 9 8 1

i 0r e c e p t o - r i ' O - - . 6

, L U . C Lo l a e c

C r 3 + - [

2 4 1

. kJ r


10/20

( 1 0 8 ) . T h e a f f i n i t y o f C r 3 + - s a t u r a t e d t r a n s f e r r i n f o rr e t i c u l o c y t e s w a s a b o u t h a l f t h a t o f F e 3 + s a t u r a t e dt r a n s f e r r i n ( 1 0 9 ) . T h e r e t i c u l o c y t e s d o n o t t a k e u pC r 3 + f r o m C r 3 + - t r a n s f e r r i n b o u n d a t t h e r e c e p t o rs i t e ( 1 0 9 ) . I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t r a n s f e r r i nm a y f u n c t i o n a s a c a r r i e r f o r m e t a l s o t h e r t h a n i r o n ,i . e . , C o 2 + , C r 3 + , M n 2 + , C u 2 + , Z n 2 + , M o 4 + , a n dV 4 + ( 1 0 7 ) .R u m e n f l u i d t h a t h a d b e e n i n c u b a t e d w i t h m o -l y b d a t e e x h i b i t e d a n EPR s i g n a l c h a r a c t e r i s t i c o fMo ( V ) ( 1 1 ) . M i c r o o r g a n i s m s s u c h a s t h e y e a s tP i c h i a g u i l l e r m o n d i i a n d t h e b a c t e r i u m M i c r o c o c -c u s r e d u c e d m o l y b d e n u m t r i o x i d e a n d m o l y b d a t e t om o l y b d e n u m b l u e w h i c h i s c h a r a c t e r i s t i c o f p e n t a -v a l e n t m o l y b d e n u m c o m p l e x e s ( 1 1 0 ) . Mo ( V ) EPRs i g n a l s h a v e b e e n d e t e c t e d i n b a c t e r i a , p l a n t a n da n i m a l t i s s u e s w h i c h c o n t a i n m o l y b d e n u m e n z y m e ss u c h a s x a n t h i n e o x i d a s e , s u l f i t e o x i d a s e a n d f o r -m a t e d e h y d r o g e n a s e ( 1 1 1 ) . R a t s w e r e c a p a b l e o fi n c o r p o r a t i n g m o l y b d e n u m i n t o l i v e r s u l f i t e o x i d a s ea n d x a n t h i n e o x i d a s e w h e n i n j e c t e d w i t h m o l y b -d a t e , h o w e v er , m o l y b d a t e w a s n o t a b l e t o r e c o n s t i -t u t e t h e a p o e n z y m e s i n v i t r o ( 1 1 2 ) . P e n t a v a l e n t a n dh e x a v a l e n t m o l y b d e n u m w e r e r a p i d l y e x c r e t e d f r o mt h e r a t a f t e r I V i n j e c t i o n ; h o w e v e r , a t h i g h d o s e s( 4 . 6 mg M o / k g b o d y w e i g h t ) p e n t a v a l e n t m o l y b d e -num w a s r e t a i n e d t o a g r e a t e r e x t e n t t h a n t h eh e x a v a l e n t f o r m i n b l o o d , l i v e r a n d j e j u n o i l e o c o e c u m( 1 1 3 ) . I t w a s p r o p o s e d t h e b i l i a r y e x c r e t i o n o fh e x a v a l e n t m o l y b d e n u m i n v o l v e d t h e s e c r e t o r ya c t i v i t y o f h e p a t i c c e l l s a n d t h e l i v e r c e l l s o x i d i z e dm o l y b d e n u m ( V ) t o m o l y b d e n u m ( V I ) w h i c h w a st h e n e x c r e t e d i n b i l e ( 1 1 3 ) . When c u p r i c m o l y b d a t ew a s a d d e d t o s e r u m , t h e m o l y b d a t e r e m a i n e d i ns o l u t i o n a s t h e f r e e a n i o n ( 1 1 ) . M o l y b d e n u m w a sa s s o c i a t e d w i t h r e d c e l l s a n d p l a s m a i n t h e b l o o d o fs h e e p a f t e r o r a l a d m i n i s t r a t i o n o f m o l y b d a t e ( 1 1 4 ) .A l l o f t h e m o l y b d e n u m i n b l o o d w a s d i a l y s a b l e a n di t w a s s u g g e s t e d t h a t i t s f o r m i n b o t h p l a s m a a n dr e d b l o o d c e l l s w a s m o l y b d a t e ( 1 1 4 ) . I n c u b a t i o n o fh u m a n e r y t h r o c y t e s w i t h m o l y b d e n u m ( V ) c o m p l e x e sr e s u l t e d i n l a b e l i n g o f t h e p h o s p h o r y l a t e d mem-b r a n e p r o t e i n s p e c t r i n ( 1 1 5 ) . I n c u b a t i o n o f h u m a na n d r a t s e r u m w i t h m o l y b d a t e r e s u l t e d i n m o l y b d e -num b o u n d t o a 2 - m a c r o g l o b u l i n s ( 1 1 6 ) .M o u s e l i v e r e x t r a c t s e n z y m a t i c a l l y c o n v e r t e ds e l e n i t e i n t o d i m e t h y l s e l e n i d e ( 1 1 7 ) . G l u t a t h i o n ea n d S - a d e n o s y l - L - m e t h i o n i n e w e r e r e q u i r e d f o r t h el i v e r m i c r o s o m a l r e d u c t i o n a n d m e t h y l a t i o n o f s e l e -n i t e a n d a r s e n i t e w a s a n i n h i b i t o r o f t h e r e a c t i o n( 1 1 7 ) . P u r i f i e d y e a s t g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e c a t a l y z e dt h e r e d u c t i o n o f s e l e n i t e t o h y d r o g e n s e l e n i d eu n d e r a n a e r o b i c c o n d i t i o n s i n t h e p r e s e n c e o f g l u t a -t h i o n e a n d N AD P H ( 1 1 8 ) . I t w a s p r o p o s e d t h a t t h em e c h a n i s m o f s e l e n i t e r e d u c t i o n i n v o l v e d t h e f o r -m a t i o n o f s e l e n o d i g l u t a t h i o n e f r o m n o n e n z y m a t i c2 4 2

r e a c t i o n o f g l u t a t h i o n e a n d s e l e n i t e w h i c h w a sr e d u c e d s t e p w i s e b y g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e t o g l u -t a t h i o n e s e l e n o p e r s u l f i d e a n d t h e n t o h y d r o g e ns e l e n i d e ( 1 1 8 ) . D i m e t h y l s e l e n i d e w a s e x h a l e d b yr a t s f e d s e l e n a t e o r s e l e n i t e ( 1 1 9 ) . T r i m e t h y l s e l e -n o n i u m i o n ( C H 3 ) 3 S e ' , w a s t h e m a j o r u r i n a r y m e -t a b o l i t e i n r a t s i n j e c t e d w i t h s e l e n i t e , s e l e n a t e ,s e l e n o c y s t i n e , s e l e n o m e t h i o n i n e a n d m e t h y l s e l e n o -c y s t e i n e , o r f e d s e l e n i f e r o u s w h e a t ( 1 2 0 ) . H y d r o g e ns e l e n i d e w a s r e l e a s e d u p o n a c i d i f i c a t i o n o f l i v e rh o m o g e n a t e s f r o m s e l e n i t e - t r e a t e d r a t s a n d w a sm a i n l y a s s o c i a t e d w i t h t h e m i t o c h o n d r i a l a n de n d o p l a s m i c r e t i c u l u m f r a c t i o n s ( 1 2 1 , 1 2 2 ) . I n a d d i -t i o n t o s e l e n i d e , s e l e n i t e a n d h i g h e r o x i d a t i o ns t a t e s o f s e l e n i u m i n c l u d i n g o r g a n i c d e r i v a t i v e sw e r e f o u n d i n t h e l i v e r o f r a t s t r e a t e d o r a l l y w i t hs e l e n i t e ( 1 2 2 ) . S e l e n i u m - b o u n d p r o t e i n s w e r e i s o -l a t e d f r o m t h e p l a s m a o f r a t s i n j e c t e d w i t h s e l e n i t e( 1 2 3 ) . I n c u b a t i o n o f s e l e n i t e w i t h p l a s m a o r w h o l eb l o o d i n v i t r o d i d n o t p r o d u c e t h e s e l e n i u m - b o u n dp l a s m a p r o t e i n s . I t w a s s u g g e s t e d t h a t m e t a b o l i s mo f s e l e n i t e w a s n e c e s s a r y f o r i n c o r p o r a t i o n o f s e l e -n i u m i n t o t h e s e p r o t e i n s ( 1 2 3 ) . T h e a c t i v i t y o fg l u t a t h i o n e p e r o x i d a s e , a s e l e n o - e n z y m e , w a s r a i s e di n m o u s e n e u r o b l a s t o m a c e l l s u p o n e x p o s u r e t os e l e n i t e ( 1 2 4 ) . S e l e n a t e p r o d u c e d n o i n c r e a s e i ne n z y m e a c t i v i t y a n d i t w a s s u g g e s t e d t h a t t h e s ec e l l s h a d n o m e c h a n i s m c a p a b l e o f r e d u c i n g s e l e n a t et o s e l e n i t e ( 1 2 4 ) . S e l e n i t e w a s r a p i d l y t a k e n u p b ym o u s e l u n g f i b r o b l a s t s a n d i n c o r p o r a t e d i n g l u t a t h i o n ep e r o x i d a s e w h e r e a s , s e l e n o m e t h i o n i n e w a s s l o w l yt a k e n u p b y t h e c e l l s a n d i t s s e l e n i u m b e c a m ea s s o c i a t e d w i t h g l u t a t h i o n e p e r o x i d a s e o n l y a f t e r al o n g l a g p e r i o d ( 1 2 5 ) . S e l e n o c y s t e i n e h a s b e e ni d e n t i f i e d a s t h e f o r m o f s e l e n i u m i n r a t l i v e rg l u t a t h i o n e p e r o x i d a s e ( 1 2 6 ) .S e l e n i u m w a s i n c o r p o r a t e d i n t o p r o l y l - t R N A o fC l o s t r i d i u m s t i c k l a n d i i i n c u b a t e d w i t h s e l e n i t e o rs e l e n o c y s t e i n e b y a p r o c e s s h i g h l y s p e c i f i c f o rs e l e n i u m n o t b y s e l e n i u m s i m p l y a c t i n g a s a n a l o g o fs u l f u r ( 1 2 7 ) . Rumen m i c r o o r g a n i s m s w e r e c a p i b l eo f r e d u c i n g s e l e n a t e t o s e l e n i t e a n d m e t a b o l i z i n gt h e s e l e n i t e t o a f o r m ( p r o b a b l y s e l e n o c y s t e i n e )w h i c h w a s i n c o r p o r a t e d i n t o m i c r o b i a l p r o t e i n ( 1 2 8 ) .No s y n t h e s i s o f s e l e n o m e t h i o n i n e b y r u m e n f l u i do c c u r r e d f r o m s e l e n i t e o r s e l e n a t e a n d s u l f a t e h a dn o e f f e c t o n t h e i n c o r p o r a t i o n o f s e l e n i u m i n t op r o t e i n . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e m e t a b o l i s m o fi n o r g a n i c s e l e n i u m b y r u m e n m i c r o o r g a n i s m s w a sd i f f e r e n t f r o m t h a t o f i n o r g a n i c s u l f u r ( 1 2 8 ) . T h ef u n g u s P e n i c i l l i u m p r o d u c e d d i m e t h y l s e l e n i d e , u p o ni n c u b a t i o n w i t h s e l e n i t e , s e l e n a t e , o r s o d i u m s e l e -n i d e ( 1 2 9 ) . D i m e t h y l s e l e n i d e , d i m e t h y l d i s e l e n i d e ,a n d d i m e t h y l s e l e n o n e o r m e t h y l m e t h y l s e l e n i t e w a sf o r m e d b y s o i l a n d s e w a g e s l u d g e m i c r o o r g a n i s m st r e a t e d w i t h s e l e n i t e o r e l e m e n t a l s e l e n i u m ( 1 3 0 ) .



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I n j e c t i o n o f a r s e n a t e i n t r a v e n o u s l y i n d o g s r e -s u l t e d i n e x c r e t i o n o f s o m e a r s e n i t e i n t h e u r i n e( 1 3 1 ) . R e n a l r e d u c t i o n o f a r s e n a t e o c c u r r e di n t r a c e l l u l a r l y . V e r y l i t t l e r e d u c t i o n o f a r s e n i t eo c c u r r e d u p o n i n c u b a t i o n w i t h b l o o d o r u r i n e i nv i t r o . R e n a l t u b u l a r c e l l s w e r e p e r m e a b l e t o b o t ha r s e n i t e a n d a r s e n a t e a n d p h o s p h a t e w a s a n i n h i b i -t o r o f t r a n s p o r t o f b o t h i o n s ( 1 3 1 ) . L i v e r t i s s u e f r o mc o w s f e d a r s e n a t e s h o w e d o n l y p e n t a v a l e n t a r s e n i c ,i n d i c a t i n g n o r e d u c e d f o r m o f a r s e n i c w a s r e t a i n e di n t h e t i s s u e s ( 1 3 2 ) . T h e s a m e r e s u l t s w e r e f o u n d i n .a s i m i l a r s t u dy w i t h a r s e n i t e ( 1 3 3 ) . M o r e t h a n 5 0o f a r s e n i c e x c r e t e d i n t h e u r i n e o f d o g s a n d c o w s f e da r s e n a t e o r a r s e n i t e w a s m e t h a n e a r s o n a t e ( 1 3 4 ) .L i v e r s o f r a t s f e d a r s e n a t e s h o w e d o n l y p e n t a v a -l e n t a r s e n i c ( 1 3 5 ) . R a t s w e r e u n i q u e a m o n g a n i m a l st e s t e d i n t h e i r a b i l i t y t o r e t a i n l a r g e q u a n t i t i e s o fa r s e n i c i n t h e b l o o d w h e n f e d e i t h e r p e n t a v a l e n t o rt r i v a l e n t a r s e n i c ( 1 3 2 ) . T h e a r s e n i c w a s f o u n d t o b eb o u n d m a i n l y t o h e m o g l o b i n i n t h e b l o o d ( 1 3 6 ) .C a c o d y l i c a c i d w a s n o t c o n v e r t e d i n t o i n o r g a n i ca r s e n i c b y r a t s a d m i n i s t e r e d t h e c o m p o u n d b yi n t r a v e n o u s i n j e c t i o n , i n t r a t r a c h e a l i n s t i l l a t i o n o ro r a l g a v a g e ( 1 3 7 ) . T h e m a j o r s i t e o f r e t e n t i o n o fc a c o d y l i c a c i d w a s i n t h e r e d b l o o d c e l l s ( 1 3 7 ) .A r s e n i c i n h u m a n u r i n e w a s p r e d o m i n a n t l y i n t h ef o r m o f c a c o d y l i c a c i d , A s ( C H 3 ) 2 0 2 H , w i t h l e s s e ra m o u n t s o f a r s e n a t e a n d s m a l l a m o u n t s o f m e t h a -n e a r s o n i c a c i d a n d a r s e n i t e p r e s e n t ( 1 3 8 ) . C o p p e rs m e l t e r w o r k e r s e x p o s e d m a i n l y t o a i r b o r n e a r s e -n i c ( I I I ) e x c r e t e d m a i n l y d i m e t h y l a r s i n i c a c i d ( 6 5 )a n d m e t h y l a r s o n i c a c i d ( 2 0 ) , a l o n g w i t h s m a l la m o u n t s o f a r s e n i t e ( 9 ) a n d a r s e n a t e ( 6 ) i n t h e i ru r i n e ( 1 3 9 ) . I n g e s t i o n o f w i n e c o n t a i n i n g a r s e n i c( I I I ) b y h u m a n s r e s u l t e d i n u r i n a r y e x c r e t i o n o fd i m e t h y l a r s i n i c a c i d ( 5 0 ) , m e t h y l a r s o n i c a c i d ( 1 4 ) ,a r s e n i t e ( 8 ) , a n d a r s e n a t e ( 8 ) ( 1 4 0 ) . A r s e n a t ew a s r a p i d l y e x c r e t e d i n t h e u r i n e o f h u m a n s a f t e ri n g e s t i o n o f a r s e n a t e i n w e l l w a t e r ; s l o w e r e x c r e -t i o n o f s m a l l a m o u n t s o f a r s e n i t e a n d s u b s t a n t i a la m o u n t s o f d i m e t h y l a r s i n i c a c i d a n d m e t h y l a r s o n i ca c i d w a s o b s e r v e d ( 1 4 0 ) .T h e m i c r o o r g a n i s m s S c o p u l o r i o p s i s b r e v i c a u l i s ,C a n d i d a h u m i c o l a , a n d G l i o c l a d i u m r o s e u m p r o -d u c e d v o l a t i l e t r i m e t h y l a r s i n e w h e n i n c u b a t e d w i t ha r s e n i c t r i o x i d e ( A s 2 0 3 ) , m e t h y l a r s o n i c a c i d o rd i m e t h y l a r s i n i c a c i d ( 1 4 1 ) . T h e m e t h y l d o n o r u s e df o r t h e b i o l o g i c a l m e t h y l a t i o n o f a r s e n i c b y t h e s em i c r o o r g a n i s m s w a s S - a d e n o s y l m e t h i o n i n e ( 1 4 1 ) .M e t h y l c o b a l a m i n s e r v e d a s t h e m e t h y l d o n o r i n t h em e t h y l a t i o n o f a r s e n i t e o r a r s e n a t e t o d i m e t h y l a r s i n eb y c e l l e x t r a c t o f M e t h a n o b a c i l l u s s t r a i n M . 0 . H .( 1 4 2 ) . B a c t e r i a c u l t u r e d f r o m s e a w a t e r r e d u c e da r s e n a t e t o a r s e n i t e ( 1 4 3 ) . T h e m a r i n e a l g a ,T e t r a s e l m i s c h u i i , a n d D a p h n i a m a g n a i n c o r p o -r a t e d a r s e n i c f r o m a r s e n a t e i n t o t h e l i p i d f r a c t i o nA u g u s t 1 9 8 1

( 1 4 4 ) . T h e a r s e n i c c o m p o u n d w a s h y d r o l y z e d b yp h o s p h o l i p a s e s a n d w a s t e n t a t i v e l y i d e n t i f i e d a s a na r s e n i c - c o n t a i n i n g c h o l i n e . An a r s e n y l a t e d l o w m o -l e c u l a r w e i g h t s u b s t a n c e w h i c h c o c h r o m a t o g r a p h e dw i t h p h o s p h a t i d y l e t h a n o l a m i n e w a s i s o l a t e d f r o ma r s e n a t e - t r e a t e d r a t l i v e r m i t o c h o n d r i a ( 1 4 5 ) .A n u m b e r o f m e t a b o l i c p r o c e s s e s h a v e b e e ni d e n t i f i e d t o b e i n v o l v e d i n b i o l o g i c a l c o n v e r s i o n s o fo x y a n i o n s i n t o d i f f e r e n t f o r m s , e . g . , N A D ( P ) H -d e p e n d e n t r e d o x p r o c e s s e s , r e a c t i o n s i n v o l v i n ga c t i v e s u l f h y d r y l g r o u p s , a n d m e t h y l t r a n s f e r a s er e a c t i o n s .

M u t a g e n i c i t yC h r o m a t e h a s b e e n d e t e c t e d a s a m u t a g e n i n t h eS a l m o n e l l a t y p h i m u r i u m Ames a s s a y w h e r e a sc h r o m i u m ( I I I ) w a s n o t m u t a g e n i c i n t h i s s y s t e m

( 1 4 6 ) . A d d i t i o n o f a c o m p l e t e m i c r o s o m a l a c t i v a t i o ns y s t e m d e c r e a s e d t h e m u t a g e n i c i t y o f c h r o m a t e( 1 4 7 ) . S i n c e a m i c r o s o m a l s y s t e m h a s b e e n s h o w n t oc o n v e r t c h r o m a t e t o c h r o m i u m ( I I I ) ( 9 6 ) , t h e d e -c r e a s e i n m u t a g e n i c i t y c a n b e e x p l a i n e d b y t h em i c r o s o m a l c o n v e r s i o n o f t h e m u t a g e n i c c h r o m i u m( V I ) t o t h e n o n m u t a g e n i c c h r o m i u m ( I I I ) . A r s e n i t ea n d a r s e n a t e w e r e n o t m u t a g e n i c i n t h e Amesa s s a y ( 1 4 6 ) . T h e r e a r e c o n f f i c t i n g r e p o r t s o n t h em u t a g e n i c i t y o f s e l e n i t e i n t h e Ames a s s a y . I n o n ec a s e b o t h s e l e n i t e a n d s e l e n a t e w e r e f o u n d t o b em u t a g e n i c ( 1 4 8 ) w h e r e a s t h e o t h e r r e p o r t f o u n dm u t a g e n i c i t y w i t h s e l e n a t e b u t n o t w i t h s e l e n i t e( 1 4 6 ) . T h e B a c i l l u s s u b t i l i s r e c - a s s a y s h o w e d t h a tb o t h a r s e n i t e a n d a r s e n a t e w e r e m u t a g e n i c a l -t h o u g h a r s e n i t e w a s a s t r o n g e r m u t a g e n ( 1 4 9 ) . T h er e c - a s s a y s h o w e d t h a t c h r o m a t e w a s m u t a g e n i c b u tn o t c h r o m i u m ( I I I ) ; p e r m a n g a n a t e w a s n o t m u t a -g e n i c b u t m a n g a n e s e ( I I ) w a s p o s i t i v e ; m o l y b d a t ew a s p o s i t i v e b u t p e n t a c h l o r o m o l y b d e n u m ( V ) w a sn e g a t i v e ; b o t h s e l e n a t e a n d s e l e n i t e w e r e n e g a t i v e( 1 5 0 ) a t l o w c o n c e n t r a t i o n s b u t w e r e p o s i t i v e a th i g h e r c o n c e n t r a t i o n s ( 1 4 4 ) ; a n d b o t h v a n a d y l c h l o -r i d e a n d v a n a d a t e w e r e p o s i t i v e ( 1 5 0 ) . A r s e n i t e ,d i c h r o m a t e a n d m o l y b d a t e w e r e m u t a g e n i c i n E .c o l i s t r i n g s w h i c h w e r e r e c A + b u t n o t i n a s t r a i nc a r r y i n g r e c k ( 1 4 8 ) . C h r o m a t e w a s m u t a g e n i c i nE . c o l i WP2 w i l d s t r a i n a n d i n e x r A k a n d u v r A -s t r a i n s , w h e r e a s c h r o m i u m ( I I I ) , a n d s o l u b l e s a l t so f m o l y b d e n u m a n d t u n g s t e n w e r e n o t m u t a g e n i c( 1 5 1 ) . F l u c t u a t i o n t e s t s w h i c h u s e E . c o l i WP2T r p + r e v e r s i o n d e t e c t e d c h r o m a t e a s a m u t a g e n( 1 5 2 ) . A r s e n i t e d e c r e a s e d t h e s u r v i v a l o f UV-i r r a d i a t e d w i l d - t y p e E . c o l i W P2 b u t h a d n o e f f e c to n t h e s u r v i v a l o f a r e c A m u t a n t , s u g g e s t i n ga r s e n i t e i n h i b i t e d r e c A - d e p e n d e n t DN A r e p a i r ( 1 5 3 ) .A r s e n i t e w a s n o t m u t a g e n i c t o E . c o l i WP2 a t l o w

2 4 3


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c o n c e n t r a t i o n s ( 1 5 4 ) . M e t h y l a t e d f o r n s o f a r s e n i cw e r e n o t m u t a g e n i c i n b a c t e r i a l a s s a y s ( 6 6 ) .C h r o m a t e a n d a r s e n i t e e n h a n c e d t h e t r a n s f o r m a -t i o n o f S y r i a n h a m s t e r e m b r y o c e l l s b y s i m i a na d e n o v i r u s S A 7 ( 1 5 5 ) . C h r o m a t e t r a n s f o r n e d BHK21c e l l s i n v t i t r o ( 1 5 6 ) ; c h r o m a t e a n d a r s e n a t e t r a n s f o r m e dS y r i a n h a m s t e r e m b r y o c e l l s , h o w e v e r , t u n g s t e nd i d n o t c a u s e t r a n f o r m a t i o n ( 1 5 7 ) . C h r o m o s o m a la b e r r a t i o n s w e r e i n d u c e d i n c u l t u r e d FM3A m o u s emammary c a r c i n o m a c e l l s b y c h r o m i u m ( V I ) a n dp e r m a n g a n a t e , b u t n o t b y c h r o m i u m ( I I I ) a n d o n l ya t a l o w l e v e l b y m a n g a n e s e ( I I ) ( 1 5 8 ) . C h r o m a t e ,b u t n o t c h r o m i u m ( I I I ) , i n d u c e d c h r o m o s o m a l a b e r -r a t i o n s a n d s i s t e r c h r o m a t i d e x c h a n g e s ( S C E ) i nh u m a n f i b r o b l a s t s ( 1 5 9 ) a n d i n C h i n e s e h a m s t e ro v a r y c e l l s ( 1 6 0 ) . T h e n u m b e r o f c h r o m o s o m a la b e r r a t i o n s i n S y r i a n h a m s t e r e m b r y o c e l l s c a u s e db y c h r o m i u m ( V I ) w a s d i m i n i s h e d u p o n a d d i t i o n o ft h e r e d u c i n g a g e n t s u l f i t e ( 1 6 1 ) . A r s e n a t e i n d u c e dd o s e - d e p e n d e n t S C E ' s a n d c h r o m o s o m a l a b e r r a -t i o n s i n n o r m a l h u m a n l y m p h o c y t e s ( 1 6 2 ) . A r s e n i t ea n d a c e t y l a r s a n c a u s e d c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s i nh u m a n l e u k o c y t e c u l t u r e s , h o w e v e r , n o c h r o m o -s o m a l a b e r r a t i o n s w e r e i n d u c e d b y a r s e n a t e , s e l e -n i t e , s e l e n a t e o r m e t a v a n a d a t e ( 1 6 3 ) . A r s e n i t e a l s oi n d u c e d c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s i n h u m a n d i p l o i df i b r o b l a s t s ( 1 6 2 ) . I n a n o t h e r s t u d y , s e l e n i u m ( V I )c o m p o u n d s i n d u c e d c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s i nc u l t u r e d h u m a n l e u k o c y t e s w h e r e a s s e l e n i u m ( I V )c o m p o u n d s w e r e i n a c t i v e ( 1 6 4 ) . S e l e n i t e d i d n o tc a u s e S C E ' s i n p u r i f i e d h u m a n l y m p h o c y t e c u l t u r e so r x e r o d e r m a p i g m e n t o s u m c e l l s , h o w e v e r , a d d i -t i o n o f r e d b l o o d c e l l l y s a t e w i t h s e l e n i t e r e s u l t e d i ni n d u c t i o n o f S CE i n b o t h c e l l t y p e s ( 1 6 5 ) . I n d u c t i o no f c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s a n d D N A - r e p a i r s y n -t h e s i s i n h u m a n d i p l o i d f i b r o b l a s t s b y s e l e n i t e w a se n h a n c e d b y a d d i t i o n o f a m o u s e l i v e r S - 9 m i c r o s o m a lf r a c t i o n a n d NADPH ( 1 6 6 ) . S e l e n a t e i n d u c e d o n l y as m a l l a m o u n t o f D N A - r e p a i r s y n t h e s i s w h i c h c o u l dn o t b e e n h a n c e d b y a d d i t i o n o f t h e S - 9 f r a c t i o n( 1 6 6 ) .A r s e n i c ( V ) , s e l e n i u m ( I V ) , a n d c h r o m i u m ( V I )d i d n o t a f f e c t t h e f i d e l i t y o f i n v i t r o DNA s y n t h e s i sb y a v a r i e t y o f DNA p o l y m e r a s e s c o p y i n g a p o l y [ d( A - T ) ] t e m p l a t e ( 1 6 7 , 1 6 8 ) . C h r o m i u m ( I I I ) c a u s e da l a r g e i n c r e a s e i n t h e e r r o r f r e q u e n c y o f DN Ap o l y m e r a s e s c o p y i n g p o l y [ d ( A - T ) ] o r p o l y [ d ( G - C ) ]t e m p l a t e s ( 1 6 7 , 1 6 8 ) . C e l l u l a r m e t a b o l i s m o f t h eo x y a n i o n s w h i c h i n i t i a l l y e n t e r c e l l s i s o b v i o u s l yi m p o r t a n t i n d e t e r m i n i n g t h e i r m u t a g e n i c p o t e n -t i a l .D i v a l e n t I o n s

M o s t o t h e r t o x i c a n d / o r m u t a g e n i c m e t a l s e x i s t a sd i v a l e n t m e t a l i o n c o m p l e x e s i n n e u t r a l a q u e o u s2 4 4

s o l u t i o n ( 1 ) , e . g . , B e 2 + , M n 2 + , C o 2 + , N i 2 C u 2 2 +Z n 2 + , C d 2 I P t + , H g 2 + , a n d P b 2 + , a l t h o u g h h i g h e ro r l o w e r o x i d a t i o n s t a t e s a r e p o s s i b l e d e p e n d i n g o nt h e p a r t i c u l a r m e t a l a n d c o o r d i n a t e d l i g a n d s . T h ei o n i c r a d i i o f t h e f i r s t r o w d i v a l e n t t r a n s i t i o n m e t a li o n s l i e b e t w e e n t h o s e o f M g 2 + a n d C a 2 ` ( 1 ) . O t h e rd i v a l e n t m e t a l i o n s c a n r e p l a c e o r m i m i c i o n s s u c ha s m a g n e s i u m a n d c a l c i u m , w h i c h a r e e x t r e m e l yi m p o r t a n t i n b i o l o g i c a l s y s t e m s , a n d i r o n , z i n c ,c o p p e r , c o b a l t , a n d m a n g a n e s e , w h i c h a r e e s s e n t i a lc o m p o n e n t s - o f L m a n y e n z y m e s o r c o e n z y m e s .E . c o l i c e l l s w e r e f o u n d t o b e h i g h l y p e r m e a b l e t om a n g a n e s e i o n w h i c h w a s a p o t e n t m u t a g e n i n t h eb a c t e r i a ( 1 6 9 , 1 7 0 ) . M a g n e s i u m c o m p e t e d w i t hm a n g a n e s e u p t a k e b y t h e c e l l s a n d r e d u c e d t h en u m b e r o f m u t a t i o n s ( 1 7 0 ) . M a n g a n e s e w a s a b l e t os u b s t i t u t e f o r m a g n e s i u m d u r i n g i n v i t r o DN As y n t h e s i s b y a v i a n m y e l o b l a s t o s i s DNA p o l y m e r a s e ,h o w e v e r , M n 2 + i n c r e a s e d t h e i n c o r p o r a t i o n o fn o n c o m p l e m e n t a r y n u c l e o t i d e s i n t o t h e c o m p l e m e n -t a r s t r a n d ( 1 7 1 ) . S u b s e q u e n t l y i t w a s f o u n d t h a tB e C d 2 + NO + , a n d P b i n a d d i t i o nt o M n 2 + d e c r e a s e d t h e f i d e l i t y o f DN A s y n t h e s i si n v i t r o ( 1 6 8 ) . I n t h e c a s e o f B e 2 + i n f i d e l i t y w a sa s c r i b e d t o t h e i n t e r a c t i o n o f B e 2 + w i t h t h e DN Ap o l y m e r a s e e n z y m e ( 1 7 1 ) . M a n g a n e s e w a s a l s of o u n d t o b e m u t a g e n i c i n t h e B . s u b t i l l i s r e c -a s s a y a s w e r e c a d m i u m a n d m e t h y l m e r c u r y ,h o w e v e r , i n t h i s c e l l u l a r a s s a y s y s t e m i n o r g a n i cs a l t s o f B e 2 + , C o 2 + , C u 2 + , H g z N i 2 + , a n d P b 2 +w e r e i n a c t i v e ( 1 4 9 ) .

R e p l a c e m e n t o f M g 2 + b y M n 2 + r e l a x e d t h e s p e c i -f i c i t y o f t h e r e s t r i c t i o n e n z y m e s E c o R I a n d H i n d I I I ,c a u s i n g m a n y m o r e c l e a v a g e s o f DNA t o o c c u r( 1 7 3 ) . M a n g a n e s e e n h a n c e d t h e i n h i b i t i o n o f t e r m i -n a l d e o x y n u c l e o t i d y l t r a n s f e r a s e ( T d T ) - c a t a l y z e d DNAs y n t h e s i s b y r i b o n u c l e o s i d e t r i p h o s p h a t e s ( 1 7 4 ) .M n 2 + - d A T P i n h i b i t e d TdT b y b i n d i n g 1 0 - 1 0 0 t i m e ss t r o n g e r t o t h e s u b s t r a t e b i n d i n g s i t e t h a n o t h e rM n 2 + - d e o x y n u c l e o t i d e t r i p h o s p h a t e s a n d t h e r e f o r eb l o c k i n g t h e r e a c t i o n . DNA s y n t h e s i s b y TdT i n t h ep r e s e n c e o f Mt + w a s i n s t a n t l y i n h i b i t e d u p o n t h ea d d i t i o n o f M n + ( 1 7 4 ) . M n 2 + a l t e r e d t h e c o m p o s i t i o no f t h e RN A p r o d u c t s f o n n e d i n v i t r o b y E u g l e n ag r a c i l l u s RN A p o l y m e r a s e s I a n d I I f r o m z i n cs u f f i c i e n t c e l l s a n d t h e s i n g l e RN A p o l y m e r a s ef r o m z i n c d e f i c i e n t c e l l s ( 1 7 4 ) . T h e a b i l i t y o f M n 2 + t oa l l o w DN A p o l y m e r a s e t o s y n t h e s i z e r i b o s u b s t i t u t e dDNA a n d t o a l l o w RNA p o l y m e r a s e t o s y n t h e s i z ed e o x y s u b s t i t u t e d RNA h a s b e e n u s e d f o r n u c l e o -t i d e s e q u e n c e d e t e r m i n a t i o n ( 1 7 5 ) . T h e s p e c i f i c i t yo f c a l f t h y m u s r i b o n u c l e a s e H w a s d e c r e a s e d i n t h ep r e s e n c e o f M n 2 + ( 1 7 6 ) . A l l DNA-RNA h y b r i dc o m b i n a t i o n s w e r e c l e a v e d w i t h M n 2 + w h e r e a s o n l yh y b r i d s c o n t a i n i n g p u r i n e r i b o s t r a n d s w e r e c l e a v e dw i t h M g 2 + ( 1 7 6 ) .



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A d d i t i o n o f M n 2 + o r F e 3 + t o m i x t u r e s o f r a t l i v e rm i c r o s o m e s a n d b e n z o [ a ] p y r e n e ( B P ) s i g n i f i c a n t l ya l t e r e d t h e f o r m a t i o n o f t h r e e d i o l s o f BP ( 1 7 7 ) . I tw a s s u g g e s t e d t h a t M n 2 + a n d F e 3 + c o u l d e n h a n c et h e c a r c i n o g e n i c i t y o f BP b y a l t e r i n g t h e s p e c i f i c i t yo f m i c r o s o m a l m e t a b o l i s m ( 1 7 7 ) . C u 2 + , Z n 2 ,P b 2 + , N i 2 + , F e 2 + F e 3 + , a n d M g 2 + i n h i b i t e d t h em e t a b o l i s m o f BP b y r a t l i v e r m i c r o s o m e s ; M n 2 +a c t i v a t e d m e t a b o l i s m a t l o w c o n c e n t r a t i o n s a n di n h i b i t e d i t a t h i g h c o n c e n t r a t i o n s ( 9 5 ) . A n o t h e rs t u d y s h o w e d C o 2 M g 2 + , a n d A l 3 + e n h a n c e d t h eh y d r o x y l a t i o n o f B P ; a n d Z n 2 + , C u 2 + , P b 2 + ,M n 2 + , C d 2 a n d N i 2 + e n h a n c e d o r i n h i b i t e d h y -d r o x y l a t i o n d e p e n d i n g u p o n t h e c o n c e n t r a t i o n o ft h e m e t a l i o n ( 9 4 ) . An e a r l i e r s t u d y s h o w e d t h a tB e 2 F e 3 + , a n d M n 2 + i n h i b i t e d B P - h y d r o x y l a s ea c t i v i t y i n r a t l u n g h o m o g e n a t e s ; a n d C u 2 + , M g 2 + ,F e 2 + Z n 2 + , N i 2 a n d C o 2 + s t i m u l a t e d t h e e n z y m ea t l o w c o n c e n t r a t i o n s a n d i n h i b i t e d a c t i v i t y a th i g h c o n c e n t r a t i o n s ( 9 3 ) .M n 2 + a n d C u 2 + e n h a n c e d u n s c h e d u l e d DNA s y n -t h e s i s i n d u c e d b y i s o n i a z i d a n d r e l a t e d h y d r a z i n e si n h u m a n f i b r o b l a s t s w h e r e a s F e 3 + h a d n o e f f e c t( 1 7 8 ) . I t w a s s u g g e s t e d t h a t t h e DN A d a m a g e w a sc a u s e d b y h y d r o x y l r a d i c a l s p r o d u c e d b y r e a c t i o n o fh y d r o g e n p e r o x i d e w i t h t h e m e t a l i o n s ( 1 7 8 ) . C u 2 + ,C o 2 + , Mn F e 2 a n d Z n 2 + e n h a n c e d t h e a b i l i t y o ft h y m i n e h y d r o p e r o x i d e t o t r a n s f o r m t h e DN A o fH a e m o p h i l u s i n f l u e n z a e , a n d i t w a s s u g g e s t e d t h a tt h e d a m a g i n g a g e n t s w e r e f r e e r a d i c a l s w h i c hf o r m e d u p o n r e a c t i o n o f t h e m e t a l i o n s w i t hh y d r o p e r o x i d e s ( 1 7 8 ) . C u 2 + , M n 2 + F e 2 + , a n d F e 3 +e n h a n c e d i n d u c t i o n o f c h r o m o s o m a l a b e r r a t i o n s i nC h i n e s e h a m s t e r o v a r y c e l l s b y a s c o r b a t e ( 1 8 0 ) .H y d r o g e n p e r o x i d e , w h i c h p r o d u c e s r e a c t i v e f r e er a d i c a l s , a p p e a r e d t o b e t h e D N A - d a m a g i n g a g e n ti n t h e s e s t u d i e s ( 1 8 0 ) .P b 2 + , C d 2 + , C u 2 + , a n d M n 2 + d e c r e a s e d t h e f i d e l i t yo f D N A - d i r e c t e d RN A s y n t h e s i s b y E . c o l i RN Ap o l y m e r a s e , h o w e v e r , t h e s e i o n s s t i m u l a t e d c h a i ni n i t i a t i o n a t c o n c e n t r a t i o n s w h i c h i n h i b i t e d t o t a lRNA s y n t h e s i s ( 1 8 1 ) . I t w a s s u g g e s t e d t h a t t h e s ei o n s p r o m o t e d RN A i n i t i a t i o n a t s i t e s o n t h e DN At e m p l a t e n o t n o r m a l l y r e c o g n i z e d a s i n i t i a t i o n s i t e s( 1 8 1 ) .M n 2 + r e p l a c e d M g 2 + a t a h i g h a f f i n i t y b i n d i n g s i t eo n t u b u l i n a n d p r o m o t e d t u b u Z n b o l y m e r i z a t i o n t om i c r o t u b u l e s ( 1 8 2 ) . C o 2 + a n d Z n + , b u t n o t C O + ,a l s o b o u n d t o t h e s a m e s i t e , h o w e v e r , t u b u l i ns h e e t s r a t h e r t h a n t h e m i c r o t u b u l e s f o r m e d i n t h e i rp r e s e n c e i n d i c a t i n g t h a t C o 2 + a n d Z n 2 + i n d u c e d ad i f f e r e n t c o n f o r m a t i o n o f t u b u l i n t h a n M n 2 + o r M g 2 +( 1 8 2 ) . R e p l a c e m e n t o f C a 2 + b y M n 2 + i n t h e e x t r a c e l -l u l a r m e d i a r e s u l t e d i n a d e c r e a s e i n t h e t r y p t o p h a nh y d r o x y l a s e a c t i v i t y o f s l i c e s o f r a t b r a i n s t e m( 1 8 3 ) . I t w a s c o n c l u d e d t h a t C a 2 + r e g u l a t e d t r y p t o -A u g u s t 1 9 8 1

p h a n h y d r o x y l a s e a c t i v i t y v i a M n 2 + - s e n s i t i v e C a 2 +c h a n n e l s i n t h e n e r v e m e m b r a n e ( 1 8 3 ) . C o 2 + w a s ap o t e n t i n h i b i t o r o f C a 2 + t r a n s l o c a t i o n m e d i a t e d b yt h e i o n o p h o r e A 2 3 1 8 7 i n t o a h y d r o p h o b i c d o m a i n( 1 8 4 ) . C o 2 ' a g g r e g a t e d a t s y n a p t i c s i t e s a n d o n o rn e a r m i c r o t u b u l e s a l o n g t h e n e u r o n a l m e m b r a n e sa f t e r i n j e c t i o n o f C o 2 + i n t o t h e n e u r o n s o f t h e l o c u s tS c h i s t o c e r c a a m e r i c a n a g r e g a r i a ( 1 8 5 ) . S i n c ec a l m o d u l i n h a s b e e n l o c a l i z e d a t t h e s e s i t e s i t w a ss u g g e s t e d t h a t C o 2 + b o u n d t o c a l c i u m - b i n d i n g p r o -t e i n s i n o r n e a r t h e m e m b r a n e s a n d m i c r o t u b u l e s( 1 8 5 ) . C o 2 + a n d M n 2 + b l o c k e d t h e c a l c i u m c h a n n e l s i nn e r v e c e l l b o d i e s o f T r i t o n i a d i o m e d i a ( 1 8 6 ) a n d i ns q u i d a x o n s ( 1 8 7 ) i n a c o m p e t i t i v e m a n n e r . Mn2 C o 2 + , a n d N i 2 + a l s o d e c r e a s e d t h e Na+ c u r r e n t s i ns q u i d a x o n s b u t h a d n o e f f e c t o n K+ c h a n n e l s ( 1 8 7 ) .M g 2 + , C a 2 + , S r 2 + , M n 2 + a n d N i 2 + d e c r e a s e d t h ec u r r e n t i n d u c e d b y a c e t y l c h o l i n e a t t h e n e u r o m u s -c u l a r j u n c t i o n o f t h e f r o g c u t a n e o u s p e c t o r i s m u s -c l e , h o w e v e r , N i 2 + a n d S r 2 ' m a r k e d l y l e n g t h e n e dt h e c u r r e n t d e c a y r a t e w h e r e a s M g 2 + , C a + , a n dM n 2 ' h a d l i t t l e e f f e c t o n t h e r a t e ( 1 8 8 ) .S u b s t i t u t i o n o f z i n c i n z i n c - m e t a l l o e n z y m e s b yo t h e r m e t a l s r e s u l t e d i n f u l l y a c t i v e e n z y m e s o re n z y m e s w i t h a l t e r e d a c t i v i t i e s . S u b s t i t u t i o n o fN i 2 + f o r Z n 2 + i n t h e r e g u l a t o r y s u b u n i t s o f a s p a r t a t et r a n s c a r b a m o y l a s e r e s u l t e d i n a f u l l y a c t i v e e n z y m eh a v i n g a l l o s t e r i c p r o p e r t i e s o f t h e n a t i v e Z n -e n z y m e ( 1 8 9 ) . H o w e v e r , t h e n a t i v e e n z y m e s h o w e da h i g h e r d e g r e e o f c o o p e r a t i v i t y t h a n t h e N i 2 +s u b s t i t u t e d e n z y m e p o s s i b l y b e c a u s e t h e N i 2 + i n -d u c e d a s l i g h t l y d i f f e r e n t c o n f o n n a t i o n i n t h e p r o -t e i n c h a i n s ( 1 8 9 ) . S u b s t i t u t i o n o f t h e z i n c i n c a r -b o n i c a n h y d r a s e b y N i 2 + r e s u l t e d i n c o m p l e t e l o s s o fe s t e r a s e a c t i v i t y , h o w e v e r , t h e C d 2 + - s u b s t i t u t e de n z y m e s h o w e d e s t e r a s e a c t i v i t y a b o v e pH 9 ( 1 9 0 ) .C o + - s u b s t i t u t e d c a r b o n i c a n h y d r a s e r e t a i n e d f u l le s t e r a s e a c t i v i t y , h o w e v e r , s u b s t i t u t i o n o f C d 2 + ,M n 2 N i 2 + , F e + , C r 3 + , o r F e 3 r e s u l t e d i n l o s s o fa c t i v i t y ( 1 9 1 ) . S u b s t i t u t i o n o f a l l f o u r a t o m s o f z i n ci n h o r s e l i v e r a l c o h o l d e h y d r o g e n a s e ( 1 9 2 ) o r i n E .c o l i a l k a l i n e p h o s p h a t a s e ( 1 9 3 ) b y C o 2 + r e s u l t e d i nd e c r e a s e d e n z y m e a c t i v i t y . A c t i v i t i e s o f v a r i o u sm e t a l - s u b s t i t u t e d a l k a l i n e p h o s p h a t a s e s w e r e c o r -r e l a t e d w i t h t h e d i s t a n c e o f t h e m e t a l t o a b o u n dw a t e r m o l e c u l e ( 1 9 4 ) . T h e M n 2 + - a l k a l i n e p h o s p h a -t a s e w h i c h w a s i n a c t i v e h a d t h e l o n g e s t Mn-H20d i s t a n c e , 4 . 0 A ; t h e C u 2 + - e n z y m e w i t h 3 - 5 t h en a t i v e a c t i v i t y h a d a C u 2 + - H 2 O d i s t a n c e o f 3 . 4 A ;a n d t h e C o 2 + - e n z y m e h a d a n e a r l y n o n n a l d i s t a n c eo f 2 . 8 A a n d r e t a i n e d 1 0 - 2 0 t h e a c t i v i t y o f t h en a t i v e z i n c e n z y m e ( 1 9 4 ) . C o b a l t - l e u c i n e a m i n o -p e p t i d a s e h a d a h i g h e r s p e c i f i c a c t i v i t y w i t hL - l e u c i n e - p - n i t r o a n i l i d e s u b s t r a t e t h a n t h e n a t i v ez i n c e n z y m e ( 1 9 5 ) . S u b s t i t u t i o n o f C o 2 + , Mn2 o rC d 2 + f o r Z n 2 + i n c a r b o x y p e p t i d a s e r e s u l t e d i n m a r k -

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e d l y d i f f e r e n t e f f e c t s o n t h e p e p t i d a s e a n d e s t e r a s e a c -t i v i t i e s o f t h e e n z y m e ( 1 9 6 ) . T h e C o 2 + - , Mn 2 + _ - , a n dC d 2 + - c a r b o x y p e p t i d a s e h a d e s s e n t i a l l y t h e s a m eb i n d i n g a f f i n i t y f o r p e p t i d e s u b s t r a t e s a s t h e n a t i v ez i n c e n z y m e , h o w e v e r , t h e r a

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