The Bactericidal Action of The

8/3/2019 The Bactericidal Action of The

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LXXII. THE BACTERICIDAL ACTION OF THEQUINONES AND ALL IED COMPOUNDS.BY GILBERT THOMAS MORGAN AND EVELYN ASHLEY COOPER.

F r o m t h e U n i v e r s i t y o f B i r m i n g h a m .( R e c e i v e d A u g u s t 1 0 t h , 1 9 2 1 . )

W U R S T E R [ 1 8 8 9 ] a n d R a c i b o r s k i [ 1 9 0 7 ] f i r s t s h o w e d t h a t v a r i o u s q u i n o n e sg a v e r e d c o l o r a t i o n s w i t h p r o t e i n s , p r o t e o s e s , a n d a m i n o - a c i d s . M e u n i e r a n dS e y e w e t z [ 1 9 0 8 ] f u r t h e r m o r e s h o w e d t h a t h i d e c o u l d b e t a n n e d b y q u i n o li n t h e p r e s e n c e o f o x y g e n a n d a l k a l i o r b y b e n z o q u i n o n e i t s e l f , a n d s u g g e s t e dt h a t t h e t a n n i n g p r o c e s s w a s d u e t o t h e r e a c t i o n b e t w e e n t h i s q u i n o n e a n dt h e a m i n o - g r o u p s o f t h e t i s s u e . F i s c h e r a n d S c h r a d e r [ 1 9 1 0 ] f o u n d t h a tq i u n o n e s r e a c t e d w i t h e t h y l g l y c i n e w i t h t h e f o r m i a t i o n o f q u i n o l a n d a s u b -s t a n c e a n a l o g o u s t o d i - a n i l i n o q u i n o n e .

O n e o f u s [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] c o n f i r m e d t h e o b s e r v a t i o n s o f W u r s t e r a n dR a c i b o r s k i a n d i n v e s t i g a t e d i n m o r e d e t a i l t h e r e l a t i o n s o f p - b e n z o q u i n o n et o p r o t e i n s . I t w a s f o u n d t h a t n o t o n l y w e r e p r o t e i n s c o l o u r e d p e r m a n e n t l yr e d b y t r e a t me n t w i t h s o l u t i o n s o f t h i s q u i n o n e , b u t o t h e r p h y s i c a l p r o p e r t i e s ,e . g . s o l u b i l i t y a n d p r e c i p i t a b i l i t y , w e r e a l s o c h a n g e d , a n d e v i d e n c e w a s a d d u c e dt h a t t h e q u i n o n e r e a c t e d a s i n t h e c a s e o f f o r m a l d e h y d e w i t h t h e a m i n o -g r o u p s o f t h e p r o t e i n s . S h o r t l y a f t e r w a r d s S c h a r v i n [ 1 9 1 3 ] a l s o o b s e r v e d t h a tv a r i o u s p r o t e i n s w e r e d y e d b y b e n z o q u i n o n e a n d i t s h o m o l o g u e s , a n d c a m et o t h e s a m e c o n c l u s i o n a s t h e f o r m e r w o r k e r s i n r e g a r d t o t h e n a t u r e o f t h ed y e i n g p r o c e s s . A n t h r a q u i n o n e a n d p h e n a n t h r a q u i n o n e w e r e w i t h o u t a c t i o n .

S u i d a [ 1 9 1 3 ] a l s o f o u n d t h a t w o o l w a s d y e d b y s o l u t i o n s o f b e n z o q u i n o n e ,t o l u q u i n o n e a n d 3 : 6 - o - x y l o q u i n o n e i n a c e t i c a c i d s o l u t i o n , b u t n o t b y2 : 5 - p - a n d 2 : 5 - n - x y l o q u i n o n e s , t h v m o q u i n o n e , a n t h r a q u i n o n e o r p h e n a n -t h r a q u i n o n e . H e p o i n t e d o u t t h a t t h e q u i n o n e s a c t i v e i n d y e i n g a l l c o n t a i n e dt h e -CO-CH=CH-CO- g r o u p a n d c o n c l u d e d t h a t t h e y r e a c t e d w i t h t h ea m i n o - c o n s t i t u e n t s o f t h e w o o l .T h e s e f a c t s t h e m s e l v e s s u g g e s t t h a t q u i n o n e s w o u l d b e p o w e r f u l g e r m i c i d e s

a n d T h a l h i m e r a n d P a l m e r [ 1 9 1 1 ] f o u n d ( a p a r t f r o m t h e s e c o n s i d e r a t i o n s )t h a t b e n z o q u i n o n e g r e a t l y e x c e e d e d p h e n o l , c r e s o l , q u i n o l , a n d o t h e r s u b -s t a n c e s i n g e r m i c i d a l p o w e r , t h i s b e i n g c o n f i r m e d b y C o o p e r [ 1 9 1 2 , 1 ] .A f u r t h e r s t u d y o f t h e e f f i c a c y o f t h e q u i n o n e s a n d t h e i r d e r i v a t i v e s a sd i s i n f e c t a n t s h a s s i n c e b e e n m a d e w i t h t h e o b j e c t o f d i s c o v e r i n g s u b s t a n c e s


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G . T . MORGAN AND E . A . COOPERs u i t a b l e f o r u s e a s g e r m i c i d e s i n t h e l i v i n g o r g a n i s m , a n d t h e r e s u l t s s o f a ro b t a i n e d a r e s e t o u t i n t h e p r e s e n t p a p e r . F i r s t o f a l l , h o w e v e r , r e f e r e n c es h o u l d b e m a d e t o c e r t a i n o b s e r v a t i o n s o f t h e o r e t i c a l i n t e r e s t , b e a r i n g o nt h e m e c h a n i s m o f t h e r e a c t i o n w h i c h p r o c e e d s b e t w e e n q u i n o n e s a n d p r o t e i n s .

I . THE R E L A T I O N S OF Q U I N O N E TO P R O T E I N S .( a ) G e n e r a l O b s e r v a t i o n s .

A s s t a t e d i n a p r e v i o u s p a p e r [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] w h e n g e l a t i n w a s i m m e r s e di n a q u e o u s p - b e n z o q u i n o n e s o l u t i o n s , i t b e c a m e p e r m a n e n t l y r e d a n d i n -s o l u b l e i n w a t e r . E g g - a l b u m i n s u s p e n s i o n s a l s o g a v e a r e d c o l o r a t i o n , b u tt h e p r o t e i n w a s n o t p r e c i p i t a t e d . S u b s e q u e n t l y , h o w e v e r , i t w a s f o u n d t h a ti f t h e a l b u m i n s o l u t i o n w e r e m i x e d w i t h s t r o n g s o l u t i o n s o f t h i s q u i n o n e ( 0 5 t o1 % ) a n d t s h e m i x t u r e l e f t f o r s e v e r a l d a y s , a r e d f l o c c u l e n t n i t r o g e n o u s p r e -c i p i t a t e s e p a r a t e d . T h i s p r o d u c t w a s i n s o l u b l e e v e n i n l a r g e v o l u m e s o f w a t e ra n d a l c o h o l , a n d w a s n o t d e c o l o r i s e d b y b o i l i n g i n e i t h e r m e d i u m . U n l i k ea l b u m i n c o a g u l a t e d b y h e a t , o r p h e n o l , t h e p r e c i p i t a t e w a s i n s o l u b l e i n h o ta n h y d r o u s p h e n o l o r m - c r e s o l a n d i n a c i d , a n d w a s o n l y s l o w l y d i s p e r s e d b ya l k a l i . T h e d i s p e r s i o n w a s d e s t r o y e d b y t h e a d d i t i o n o f a c i d a n d b y d i l u t eammonium s u l p h a t e , s a t u r a t e d s o l u t i o n o f m a g n e s i u m s u l p h a t e a n d s o d i u mc h l o r i d e , a s i s t h e c a s e w i t h a l b u m i n d e n a t u r a t e d b y h e a t o r p h e n o l .

- T h e e f f e c t o f s o m e o f t h e h o m o l o g u e s o f b e n z o q u i n o n e h a s a l s o b e e ns t u d i e d . T o l u q u i n o n e a l s o g a v e i n t e n s e r e d c o l o r a t i o n s w i t h g e l a t i n , e g g -a l b u m i n , a n d c a s e i n o g e n ; x y l o q u i n o n e a n d t h y m o q u i n o n e g a v e h o w e v e r n oc o l o r a t i o n s .

E q u a l a m o u n t s o f w a s h e d d r y g e l a t i n w e r e i m m e r s e d a t r o o m t e m p e r a t u r e si n e q u i m o l e c u l a r s o l u t i o n s o f p - b e n z o q u i n o n e , t o l u q u i n o n e , x y l o q u i n o n e , a n dt h y m o q u i n o n e ( 0 . 0 2 3 , 0 * 0 3 7 , 0 0 4 , 0 0 5 % r e s p e c t i v e l y ) . I m m e r s i o n f o r l e s st h a n 2 4 h o u r s i n t h e b e n z o q u i n o n e s o l u t i o n w a s s u f f i c i e n t t o r e n d e r t h e g e l a t i ni n t e n s e l y r e d a n d i n s o l u b l e i n w a t e r . T h e g e l a t i n s u s p e n d e d i n t h e t o l u q u i n o n es o l u t i o n f o r t h e s a m e l e n g t h o f t i m e w a s c o l o u r e d l e s s i n t e n s e l y a n d e v e n a f t e rs i x w e e k s w a s n o t r e n d e r e d i n s o l u b l e . T h e g e l a t i n i m m e r s e d i n t h e s o l u t i o n so f t h e h i g h e r h o m o l o g u e s w a s u n a f f e c t e d . F r o m t h e s e o b s e r v a t i o n s i t s e e m st h a t a s . t h e h o m o l o g o u s s e r i e s i s a s c e n d e d t h e r e a c t i v i t y o f t h e q u i n o n e st o w a r d s p r o t e i n s d i m i n i s h e s ; i n t h e c a s e o f t h e p h e n o l s a n d a l c o h o l s , o n t h eo t h e r h a n d , i t w a s f o u n d [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] t h a t t h e i r p r o t e i n - p r e c i p i t a t i n g p o w e ri n c r e a s e d a s s u c c e s s i v e h o m o l o g u e s w e r e c o n s i d e r e d .

( b ) T h e r e m o v a l o f q u i n o n e f r o m s o l u t i o n b y p r o t e i n s .T h e e x p e r i m e n t s d e s c r i b e d i n t h i s - s e c t i o n w e r e c a r r i e d o u t w i t h t h e o b j e c to f i n v e s t i g a t i n g t h e i n f l u e n c e o f c o n c e n t r a t i o n a n d o t h e r f a c t o r s u p o n t h e

a m o u n t o f q u i n o n e r e m o v e d b y p r o t e i n s f r o m a q u e o u s s o l u t i o n .M a t e r i a l s u s e d . T h e p r o t e i n s u s e d w e r e g e l a t i n , e g g - a l b u m i n a n d c a s e i n o g e n .

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BACTERICIDAL ACTION OF QUINONESG e l a t i n . T h e S w i s s G o l d L a b e l b r a n d w a s u s e d . T h e g e l a t i n w a s w a s h e di n r u n n i n g w a t e r f o r 2 4 h o u r s , d r a i n e d , a i r - d r i e d a n d t h e n c u t i n t o s m a l ls l i p s a n d d r i e d a t 1 1 0 0 .E g g - a l b u m i n . C r y s t a l l i n e e g g - a l b u m i n p r e p a r e d b y t h e m e t h o d o f H o p k i n s

a n d P i n k u s [ 1 8 9 8 ] w a s u s e d . T h e c r y s t a l l i n e p r o t e i n w a s d i a l y s e d i n r u n n i n gw a t e r a n d e m p l o y e d a s a c o l l o i d a l s u s p e n s i o n .C a s e i n o g e n , p r e p a r e d a c c o r d i n g t o H a m m a r s t e n , w a s e m p l o y e d . I t w a sd r i e d a t 1 1 0 0 b e f o r e u s e .E s t i m a t i o n o f q u i n o n e s . T h e m e t h o d u s e d , w h i c h w a s t h a t d e v i s e d b yV a l e u r f o r p - b e n z o q u i n o n e , a n d i t s h o m o l o g u e s a n d d e r i v a t i v e s , d e p e n d s o nt h e f a c t t h a t a q u i n o n e s e t s f r e e i o d i n e f r o m a m i x t u r e o f h y d r o c h l o r i c a c i da n d p o t a s s i u m i o d i d e .

E X P E R I M E N T A L M E T H O D S .D e f i n i t e a m o u n t s o f a p r o t e i n w e r e i m m e r s e d i n e q u a l v o l u m e s o f q u i n o n es o l u t i o n s o f k n o w n s t r e n g t h . A t s t a t e d t i m e s t h e a m o u n t s o f q u i n o n e l e f t i n

t h e s o l u t i o n s w e r e a g a i n e s t i m a t e d .( a ) E x p e r i m e n t s w i t h p r e c i p i t a t e d c a s e i n o g e n .

T h e d i a l y s i n g m e t h o d o f M o o r e a n d B i g l a n d [ 1 9 1 0 ] w a s e m p l o y e d , t h ep r o t e i n b e i n g r e s t r i c t e d t o o n e r e g i o n o f t h e w a t e r - p h a s e b y m e a n s o f p a r c h -m e n t p a p e r , s o t h a t t h e c o n t e n t o f q u i n o n e i n t h e a q u e o u s s o l u t i o n c o u l d b ea c c u r a t e l y d e t e r m i n e d .I t w a s f o u n d t h a t t h e q u i n o n e d i a l y s e d r a p i d l y a n d w a s n o t t a k e n u p b y t h ep a r c h m e n t . W i t h p h e n o l u n d e r t h e s e c i r c u m s t a n c e s e q u i l i b r i u m w a s a t t a i n e da t 2 0 w i t h i n 4 0 h o u r s [ C o o p e r , 1 9 1 3 ) , b u t w i t h q u i n o n e , t h e c o n c e n t r a t i o ni n t h e w a t er - p h a s e c o n t i n u e d t o f a l l a f t e r a m u c h l o n g e r p e r i o d a n d e q u i l i b r i u mw a s n o t r e a c h e d i n 1 0 d a y s . F o r t h i s r e a s o n d i s p e r s e d p r o t e i n s w e r e s u b -s e q u e n t l y u s e d .

( b ) E g g - a l b u m i n ( c o l l o i d a l s o l u t i o n ) .T e n c c . o f a d i a l y s e d s u s p e n s i o n ( 1 8 % ) w e r e p l a c e d w i t h i n t h e d i a l y s i n g

b a g a t 2 0 0 a n d 2 5 c c . o f b e n z o q u i n o n e s o l u t i o n o u t s i d e .T a b l e I .I n i t i a l s t r e n g t h s o f q u i n o n e s o l u t i o n 1 . 0 . 2 8 4 %

, , 9 , , , ,p 2 0 2 8 43 . 0 K 1 9 24 . - 0 1 9 2T h e c o n c e n t r a t i o n o f q u i n o n e c o n t i n u e d t o f a l l d u r i n g f o u r w e e k s , u n t i l

b y t h e 3 0 t h d a y n o q u i n o n e c o u l d b e d e t e c t e d . I n t h e c a s e o f p h e n o l , h o w e v e r ,t h e maximum a m o u n t w a s a b s o r b e d b y t h e p r o t e i n w i t h i n 2 4 h o u r s . [ C o o p e r ,1 9 1 2 , 1 ] i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p a r t i t i o n - l a w . From t h e a b o v e r e s u l t s i t i sf o u n d t h a t 1 * 8 g . o f a l b u m i n r e m o v e d 0 0 9 9 a n d 0 0 5 0 g . o f q u i n o n e r e s p e c t i v e l yf r o m t h e s o l u t i o n s o f 0 * 2 8 4 a n d 0 1 9 2 % . T h e a m o u n t s o f p h e n o l a b s o r b e d b y

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G . T . MORGAN AND E . A . COOPERt h e s a m e w e i g h t o f p r o t e i n f r o m t h e s a m e i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n s w e r e 0 - 0 1 2a n d 0 - 0 0 6 g . [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] , ( c a l c u l a t e d f r o m p a r t i t i o n - c o e f f i c i e n t s ) . Q u i n o n ew a s t h u s r e m o v e d b y e g g - a l b u m i n i n m u c h g r e a t e r a m o u n t t h a n p h e n o l f r o mt h e s a m e c o n c e n t r a t i o n .

( c ) G e l a t i n .A s a t 2 0 g e l a t i n i s n o t a p p r e c i a b l y s o l u b l e i n w a t e r , i n t h e f o l l o w i n ge x p e r i m e n t s t h e d i a l y s e r w a s d i s p e n s e d w i t h .

T a b l e I I .W e i g h t o f p r o t e i n 2 g . V o l u m e o f q u i n o n e s o l u t i o n 1 0 0 c c . 2 0 0 .

I n i t i a l c o n c e n t r a t i o n s 1 . 1 - 0 4 %, , , , 2 . 052, , 3 . 0 * 2 6A f a l l i n q u i n o n e c o n c e n t r a t i o n w a s a g a i n o b s e r v e d t o c o n t i n u e f o r s e v e r a l

w e e k s , a n d a t t h e e n d o f 5 0 d a y s n o q u i n o n e w a s l e f t i n s o l u t i o n . T h e u p t a k eo f p h e n o l b y g e l a t i n h o w e v e r w a s c o m p l e t e w i t h i n t w o m i n u t e s [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] .T h e r e s u l t s s h o w t h a t 2 g . o f g e l a t i n r e m o v e d - 1 - 0 4 , 0 - 5 2 , 0 - 2 6 g . o f q u i n o n er e s p e c t i v e l y f r o m t h e t h r e e s o l u t i o n s . T h e a m o u n t s o f p h e n o l r e m o v e d b y t h es a m e a m o u n t o f p r o t e i n f r o m t h e s a m e c o n c e n t r a t i o n s o f p h e n o l , o n t h e o t h e rh a n d , w e r e 0 - 0 6 , 0 0 3 , 0 - 0 1 5 g . r e s p e c t i v e l y [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] , ( c a l c u l a t e d f r o mp a r t i t i o n - c o e f f i c i e n t s ) . A s i n t h e c a s e o f a l b u m i n , m o r e q u i n o n e t h a n p h e n o lw a s t h u s r e m o v e d b y g e l a t i n f r o m t h e s a m e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s e s u b s t a n c e s .F u r t h e r m o r e , w h i l e t h e a b s o r p t i o n o f p h e n o l b y g e l a t i n a n d a l b u m i n w a sr e v e r s i b l e , i t w a s n o t p o s s i b l e t o r e c o v e r a n y q u i n o n e f r o m t h e p r o t e i n s e v e na f t e r b o i l i n g i n w a t e r .E x p e r i m e n t s w e r e n e x t c a r r i e d o u t w i t h s m a l l e r a m o u n t s o f g e l a t i n w i t ht h e o b j e c t o f d e t e r m i n i n g a n e q u i l i b r i u m - p o i n t .

T a b l e I I I .( a ) W e i g h t o f g e l a t i n 0 5 g . V o l . o f q u i n o n e s o l u t i o n 1 5 0 c c . T e m p . 2 0 :

Q u i n o n e c o n c e n t r a t i o n i n T o t a l amount o f q u i n o n eI n i t i a l q u i n o n e w a t e r - p h a s e a f t e r r e m o v e d b y t h e p r o t e i nc o n c e n t r a t i o n 8 w e e k s a f t e r 8 w e e k s1 . ( a ) 0 . 6 2 0 % 0 - 1 9 8 % 0 - 6 3 3 g .( b ) 0620 0 * 1 9 8 0 - 6 3 32 . ( a ) 0 - 3 1 0 0 - 1 0 6 0 3 0 6

( b ) 0 - 3 1 0 0 - 1 0 6 0 - 3 0 63 . ( a ) 0 - 1 2 4 0 - 0 3 3 0 - 1 3 6( b ) 0 . 1 2 4 0 - 0 3 3 0 - 1 3 64 . 0 - 0 6 2 0 0 0 9 0 * 0 8 0( b ) W e i g h t o f g e l a t i n 0 - 2 5 g .

1 . 0 - 6 2 0 % 0 - 3 2 0 % 0 - 4 5 0 g .2 . ( a ) 0 - 3 1 0 0 - 1 7 6 0 - 2 0 1( b ) 0 - 3 1 0 0 - 1 7 6 0 - 2 0 13 . 0 - 1 2 4 0 - 0 6 2 0 - 0 9 34 . 0 - 0 6 2 0 - 0 2 9 0 - 0 5 0F r o m a l l t h e f o r e g o i n g c o n c e n t r a t i o n s t h e g e l a t i n c o n t i n u e d t o r e m o v e

q u i n o n e f o r s e v e r a l w e e k s , a n d e q u i l i b r i u m w a s n o t e v e n a t t a i n e d a f t e r

5 9 0


5/8

BACTERICIDAL ACTION OF QUINONESe i g h t w e e k s . I t i s s e e n f r o m t h e t a b l e t h a t g e l a t i n r e m o v e d o r r e a c t e d w i t hv e r y l a r g e a m o u n t s o f q u i n o n e , 0 ' 2 5 g . o f t h e p r o t e i n f o r e x a m p l e r e m o v i n gf ro m a n i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n o f 0 - 6 2 % a s m u c h a s 0 4 5 g . o f q u i n o n e . T h er e s u l t s i n e i g h t w e e k s a l s o s h o w t h a t t h e a m o u n t o f q u i n o n e d i s a p p e a r i n gd e p e n d s u p o n t h e i n i t i a l c o n c e n t r a t i o n , b e i n g i n f a c t a p p r o x i m a t e l y p r o p o r -t i o n a l t o t h e c o n c e n t r a t i o n .

T h e o b s e r v a t i o n s s o f a r s t r o n g l y s u g g e s t t h a t a s l o w c h e m i c a l r e a c t i o np r o c e e d s b e t w e e n q u i n o n e a n d p r o t e i n s , e s p e c i a l l y a s B e n e d i c e n t i [ 1 8 9 7 ] f o u n dt h a t f o r m a l d e h y d e , w h i c h r e a c t s c h e m i c a l l y w i t h p r o t e i n s , i s g r a d u a l l y r e -m o v e d b y t h e p r o t e i n s f r o m a q u e o u s s o l u t i o n s f o r s e v e r a l w e e k s , u n t i l f i n a l l ya maximum u p t a k e i s i n d i c a t e d .

S o m e w a s h e d g e l a t i n a n d d i a l y s e d e g g - a l b u m i n w e r e n e x t a d d e d t o a q u e o u ss o l u t i o n s o f q u i n o n e a n d w h e n a l l t h e q u i n o n e h a d d i s a p p e a r e d , t h e s o l u t i o n sw e r e e x t r a c t e d w i t h e t h e r . I t w a s p o s s i b l e i n e a c h c a s e t o d e t e c t q u i n o l i nt h e e t h e r e a l e x t r a c t . T h i s s u g g e s t e d t h a t q u i n o n e w a s b e h a v i n g a s a p e r o x i d ea n d t h a t s u b s t a n c e s w e r e f o r m e d i n t h e i n t e r a c t i o n o f p r o t e i n s a n d t h e q u i n o n ea n a l o g o u s i n c o n s t i t u t i o n t o t h e a n i l i n o - d e r i v a t i v e s i n t h e c a s e o f e t h y l g l y c i n e .I t d o e s n o t e x c l u d e , h o w e v e r , t h e p o s s i b i l i t y o f t h e a l t e r n a t i v e r e a c t i o n i nw h i c h q u i n o n e b e h a v e s a s a d i k e t o n e a s f o r m e r l y s u g g e s t e d [ C o o p e r , 1 9 1 3 ] .T h e r e s u l t s s h o w c o n c l u s i v e l y t h a t q u i n o n e r e a c t s w i t h p r o t e i n s , a n d t h a t t h ei n t e r a c t i o n i s o f s o m e c o m p l e x i t y .

I I . THE B A C T E R I C I D A L A C T I O N OF THE Q U I N O N E S .T h e r e m a r k a b l y h i g h b a c t e r i c i d a l p o w e r o f q u i n o n e h a s a l r e a d y b e e n

r e f e r r e d t o i n p r e v i o u s c o m m u n i c a t i o n s [ C o o p e r , 1 9 1 2 , 2 , a n d 1 9 1 3 ] a n d t h ee v i d e n c e t h e r e i n p r e s e n t e d s u g g e s t e d t h a t t h i s r e a c t i v i t y w a s a s s o c i a t e d w i t ha c h e m i c a l a c t i o n o n c e r t a i n c o n s t i t u e n t s o f t h e b a c t e r i a l p r o t o p l a s m . A sb e n z o q u i n o n e e x h i b i t s d y n a m i c i s o m e r i s m a n d i s c a p a b l e o f r e a c t i n g a s e i t h e ra d i k e t o n e o r a p e r o x i d e , i t w a s f e l t t h a t a f u r t h e r s t u d y o f t h i s v e r y r e a c t i v es u b s t a n c e a n d i t s h o m o l o g u e s f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f t h e i r b a c t e r i c i d a lp o w e r a n d r e l a t i o n w i t h p r o t e i n s w o u l d b e o f g r e a t i n t e r e s t .

T a b l e I V . C a r b o l i c a c i d c o e f f i c i e n t s . T e m p . 2 0 0 .B . t y p h O 8 U 8 S t a p h y k o C c C u s p y . a u r .

r A _ ', A AD i s i n f e c t a n t 1 5 m i n s . 3 0 m i n s . 1 5 m i n s . 3 0 m i n s .p . B e n z o q u i n o n e 1 9 0 0 1 2 - 6 2 1 - 0, , 1 . 8 0 - 0 - 1 0 . 0p - T o l u q u i n o n e 2 0 - 0 7 0 0 < 4 - 0 3 - 2 5X y l o q u i n o n e < 1 9 - 0 < 1 9 - 0T h y m o q u i n o n e < 1 9 . 0 < 1 9 - 0P h e n o l 1 . 0 1 . 1 . ( ) 1 . 0o . C r e s o l 2 - 6 - 2 . 1

m - C r e s o l 2 - 6 - 2 - 0p - C r e s o l 2 X 6 2 X 4T h y m o l 2 5 - 0Q u i n o l 1 X 0 -F o r m a l d e h y d e 0 - 5 - 0 - 3B e n z a l d e h y d e 1 0 . 0 1 0 * 0

5 9 1


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G . T . MORGAN AND E . A . COOPERF o r t h i s p u r p o s e b a c t e r i c i d a l p o w e r h a s b e e n m e a s u r e d i n t e r m s o f c a r b o l i c -c o e f f i c i e n t s , d e t e r m i n e d b y t h e m e t h o d o f C h i c k a n d M a r t i n [ 1 9 0 8 ] i n t h e

a b s e n c e o f o r g a n i c m a t t e r .I t w a s t h o u g h t p o s s i b l e t h a t t h e h i g h g e r m i c i d a l p o w e r o f t h e q u i n o n e sw a s d u e t o t h e i n h i b i t o r y a c t i o n o f t r a c e s c a r r i e d o v e r t o t h e b ro t h - t u b e sd u ri n g t h e p r o c e s s o f s u b - c u l t u r i n g . T o a s c e r t a i n i f t h i s w e r e t h e c a s e , t h eo r g a n i s m s w e r e g r o w n i n b r o t h a t 3 7 0 i n t h e p r e s e n c e o f d e f i n i t e c o n c e n t r a t i o n so f t h e q u i n o n e s . T h e f o l l o w i n g r e s u l t s w e r e o b t a i n e d :

T a b l e V .B e n z o q u i n o n e G r o w t h a n d T o l u q u i n o n e G r o w t h a n dc o n c e n t r a t i o n n o g r o w t h c o n c e n t r a t i o n n o g r o w t h1 i n 1 0 , 0 0 0 - 1 i n 1 0 , 0 0 01 i n 1 0 0 , 0 0 0 + 1 i n 2 5 , 0 0 0 +1 i n 1 , 0 0 0 , 0 0 0 + 1 i n 1 0 0 , 0 0 0 +1 i n 1 0 , 0 0 0 , 0 0 0 + 1 i n 1 , 0 0 0 , 0 0 0 +T h e r e s u l t s s h o w t h a t n o m a r k e d i n h i b i t o r y a c t i o n t o o k p l a c e , a n d i t m ay

b e c o n c l u d e d t h a t t h i s f a c t o r d i d n o t i n t e r f e r e i n t h e c a r b o l i c c o e f f i c i e n td e t e r m i n a t i o n s .S e v e r a l m a t t e r s o f i n t e r e s t a r i s e f r o m t h e r e s u l t s , s e t o u t i n T a b l e I V . I nt h e f i r s t p l a c e , i t i s s e e n h o w e x t r a o r d i n a r i l y s e l e c t i v e b e n z o q u i n o n e w a sf o u n d t o b e i n i t s b a c t e r i c i d a l a c t i o n . N o t o n l y w e r e t h e r e w i d e d i f f e r e n c e si n t h e c a r b o l i c c o e f f i c i e n t s d e t e r m i n e d w i t h d i s t i n c t o r g a n i s m s , b u t a c o n -s i d e r a b l e d i v e r g e n c e a l s o e x i s t e d w h e n d i f f e r e n t c u l t u r e s o f t h e s a m e o r g a n i s mw e r e e m p l o y e d . A l t h o u g h s e l e c t i v e a c t i o n i s w e l l k n o w n i n d i s i n f e c t i o n , t h ed i f f e r e n c e s o b s e r v e d a r e n o t u s u a l l y s o m a r k e d a s f o u n d i n t h e c a s e o f b e n z o -q u i n o n e . W h e t h e r t h e s e r e m a r k a b l e d i f f e r e n c e s a r e d u e t o s p e c i f i c a c t i o n u p o nt h e b a c t e r i a l p r o t o p l a s m , o r t o s e l e c t i v e p e r m e a b i l i t y a r e m a t t e r s f o r f u r t h e ri n v e s t i g a t i o n . T h e r e s u l t s a l s o s h o w t h a t t h e b a c t e r i c i d a l p o w e r o f b e n z o -q u i n o n e w a s e n o r m o u s l y g r e a t e r t h a n t h a t o f p h e n o l , a n d q u i n o l . T h e b a c t e r i -c i d a l p o w e r o f t h e q u i n o n e s h o w e v e r d i m i n i s h e d a s t h e h o m o l o g o u s s e r i e sw a s a s c e n d e d , w h i l e i n t h e c a s e o f t h e p h e n o l s t h e r e w a s a m a r k e d i n c r e a s e .I t i s t h u s s e e n t h a t w h i l e t o l u q u i n o n e w a s s t i l l s u p e r i o r t o o - c r e s o l , t h e d i f f e r e n c ew a s n o t s o g r e a t a s i n t h e c a s e o f t h e f i r s t m e m b e r s o f t h e s e r i e s . F u r t h e r m o r e ,t h y m o q u i n o n e w a s a c t u a l l y i n f e r i o r t o t h y m o l i n g e r m i c i d a l e f f i c i e n c y . M o r g a na n d C o o p e r [ 1 9 1 2 ] p r e v i o u s l y f o u n d t h a t t h e r e w a s a r i s e i n b a c t e r i c i d a l p o w e ri n a s c e n d i n g a n h o m o l o g o u s s e r i e s n o t o n l y i n t h e c a s e o f p h e n o l s , b u t a l s o i nt h e c a s e o f t h e m o n o h y d r i c a l c o h o l s a n d t h e a l i p h a t i c a n d a r o m a t i c a m i n e s ;h e p t y l a m i n e , f o r e x a m p l e , p o s s e s s i n g t h e v e r y h i g h c a r b o l i c c o e f f i c i e n t o f 2 7 .

T h e b e h a v i o u r o f t h e q u i n o n e s i s t h u s e x c e p t i o n a l a n d c a l l s f o r s o m es p e c i a l e x p l a n a t i o n .I t i s w e l l - k n o w n t h a t b e n z o q u i n o n e e x h i b i t s d y n a m i c i s o m e r i s m , w h i l et h e h o m o l o g o u s q u i n o n e s e x i s t m a i n l y i n o n e ( p e r o x i d e ) f o r m . T h e s u p e r i o r i t yo f b e n z o q u i n o n e i n b a c t e r i c i d a l e f f i c a c y m a y t h e r e f o r e b e d u e t o t h e c o n t i n u a ll i b e r a t i o n o f i t s m o l e c u l e s i n t h e n a s c e n t r e a c t i v e c o n d i t i o n .

5 9 2


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BACTERICIDAL ACTION OF QUINONESD e t e r m i n a t i o n s o f t h e b a c t e r i a l p o w e r o f c e r t a i n a l i p h a t i c k e t o n e s w e r e

n e x t c a r r i e d o u t , a n d t h e r e s u l t s a r e t a b u l a t e d b e l o w .T a b l e V I . C a r b o l i c a c i d c o e f f i e n t s .O r g a n i s m O r g a n i s m

S u b s t a n c e B . t y p h o s u s S u b s t a n c e S t a p h y l o c o c c u s p y . a u r .B e n z o q u i n o n e 1 9 0 . 0 Q u i n o n e 1 2 - 6 0A c e t y l a c e t o n e 0 - 2 0 A c e t o n e 007F o r m a l d e h y d e 0 . 5 0 D i a c e t y l 0 3 0

F o r m a l d e h y d e 0 ' 3 0i 8 o - P r o p y l a l c o h o l 0 0 4

I t i s s e e n t h a t t h e t h r e e k e t o n e s : a c e t o n e , d i a c e t y l , a n d a c e t y l a c e t o n e ,a r e r e m a r k a b l y f e e b l e g e r m i c i d e s , a n d a r e n o t o n l y l e s s e f f i c a c i o u s t h a n q u i n o n e ,b u t e v e n w e a k e r t h a n p h e n o l a n d f o r m a l d e h y d e .

A c e t o n e , a l s o , i s n o t a p p r e c i a b l y s t r o n g e r t h a n t h e s e c o n d a r y a l c o h o l , i s o -p r o p y l a l c o h o l , f r o m w h i c h i t i s d e r i v e d .I t i s a l s o s e e n t h a t t h e a l i p h a t i c , B - d i k e t o n e a c e t y l a c e t o n e w h i c h y i e l d sa t a u t om e ri c " e n o l i c " f o r m i s m u c h f e e b l e r i n b a c t e r i c i d a l p o w e r t h a n b e n z o -q u i n o n e w h i c h f o r m s a p e r o x i d e i s o m e r i d e .

S U M M A R Y .1 . When p r o t e i n s a r e a d d e d t o s o l u t i o n s o f p - b e n z o q u i n o n e , t h e l a t t e rs l o w l y d i s a p p e a r s , a n d e q u i l i b r i u m i s n o t a t t a i n e d e v e n a f t e r s e v e r a l w e e k s .

Q u i n o l c a n b e d e t e c t e d i n t h e c o u r s e o f t h e r e a c t i o n .2 . p - B e n z o q u i n o n e t h u s a p p e a r s t o r e a c t c h e m i c a l l y w i t h p r o t e i n s a s ap e r o x i d e , a n d d i f f e r s f u n d a m e n t a l l y f r o m t h e p h e n o l s , w h i c h a r e d i s t r i b u t e db e t w e e n w a t e r a n d p r o t e i n s a c c o r d i n g t o t h e p a r t i t i o n - l a w a n d b e h a v e m e r e l ya s p r o t e i n p r e c i p i t a n t s .

A s p r e v i o u s l y p o i n t e d o u t , p - b e n z o q u i n o n e may p o s s i b l y a l s o r e a c t a s ak e t o n e w i t h p r o t e i n s , a s i m p l e c o n d e n s a t i o n t a k i n g p l a c e a s i n t h e c a s e o ff o r m a l d e h y d e .3 . B e n z o q u i n o n e p o s s e s s e s a r e m a r k a b l y h i g h b a c t e r i c i d a l p o w e r , b e i n gf r o m 8 0 - 1 9 0 t i m e s a s e f f i c a c i o u s i n d e s t r o y i n g B . t y p h o s u s a s q u i n o l a n d p h e n o l .4 . T h e b a c t e r i c i d a l p o w e r o f t h e q u i n o n e s d i m i n i s h e s a s t h e h o m o l o g o u ss e r i e s i s a s c e n d e d , w h i l e w i t h t h e p h e n o l s , a l c o h o l s , a n d a m i n e s t h e o p p o s i t e i st h e c a s e . C o n s e q u e n t l y t h y m o q u i n o n e i s l e s s e f f i c a c i o u s a s a g e r m i c i d e t h a nt h e c o r r e s p o n d i n g p h e n o l , t h y m o l .5 . T h e a l i p h a t i c k e t o n e s , a c e t o n e , d i a c e t y l , a n d a c e t y l a c e t o n e a r e m u c hl e s s e f f i c i e n t a s g e r m i c i d e s t h a n b e n z o q u i n o n e , o r e v e n p h e n o l a n d f o r m a l -d e h y d e .6 . A c e t y l a c e t o n e e x i s t s i n t w o t a u t o m e r i c f o r m s , k e t o n i c a n d e n o l i c , a n di t i s t h u s s e e n t h a t a d i k e t o n e y i e l d i n g a n e n o l i c f o r m i s m u c h f e e b l e r i nb a c t e r i c i d a l e f f i c a c y t h a n o n e , s u c h a s b e n z o q u i n o n e , g i v i n g a p e ro x i d e f o rm .

5 9 3


8/8

5 9 4 G . T . MORGAN AND E . A . COOPERC O N C L U S I O N .

F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s m u s t b e c a r r i e d o u t b e f o r e t h e m e c h a n i s m o f t h eb a c t e r i c i d a l a c t i o n o f b e n z o q u i n o n e i s f u l l y u n d e r s t o o d , b u t s o f a r t h e r e s u l t ss h o w t h a t t h e e x t r a o r d i n a r i l y h i g h b a c t e r i c i d a l p o w e r o f t h i s s u b s t a n c e i sa s s o c i a t e d w i t h i t s p r o p e r t y o f e x h i b i t i n g d y n a m i c i s o m e i i s m a n d i s p r o b a b l yd u e t o t h e c h e m i c a l i n t e r a c t i o n o f t h e n a s c e n t p e r o x i d e m o l e c u l e s w i t h c e r t a i np r o t e i n - c o n s t i t u e n t s o f t h e b a c t e r i a l p r o t o p l a s m .

REFERENCES.B e n e d i c e n t i ( 1 8 9 7 ) . A r c h i v P h y 8 . 2 1 9 .C h i c k a n d M a r t i n ( 1 9 0 8 ) . J . H y g i e n e , 8 , 5 .C o o p e r ( 1 9 1 2 , 1 ) . B i o c h e m . J . 6 , 3 6 2 .( 1 9 1 2 , 2 ) . B r i t . M e d . J . J u n e 1 , 8 , 1 5 .- ( 1 9 1 3 ) . B i o c h e m . J . 7 , 1 8 6 .F i s c h e r a n d S c h r a d e r ( 1 9 1 0 ) . B e r . 4 3 , 5 2 5 .H o p k i n s a n d P i n k u s ( 1 8 9 8 ) . J . P h y 8 i o l . 2 3 , 1 3 0 .M e u n i e r a n d S e y e w e t z ( 1 9 0 8 ) . C o m p t . R e n d . 1 4 0 , 9 8 7 .M o o r e a n d B i g l a n d ( 1 9 1 0 ) . B i o c h e m . J . 5 , 3 2 .M o r g a n a n d C o o p e r ( 1 9 1 2 ) . 8 t h I n t . C o n g . A p p . C h e m . 1 9 , 2 4 3 .R a c i b o r s k i ( 1 9 0 7 ) . C h e m . Z e n t r . 1 , 1 5 9 5 .S c h a r v i n ( 1 9 1 3 ) . Z e i t 8 c h . a n g e w . C h e m . 2 6 , 2 5 4 .S u i d a ( 1 9 1 3 ) . Z e i t 8 c h . p h y 8 i o l . C h e m . 8 5 , 3 0 8 .T h a l h i m e r a n d P a l m e r ( 1 9 1 1 ) . J . I n f e c t . D i 8 e a s e s , 9 , 1 7 2 .W u r s t e r ( 1 8 8 9 ) . C h e m . Z e n t r . 1 , 3 9 2 .

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