Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Микроцистин-LR ( MC-LR ) - это токсин, вырабатываемый цианобактериями . Это самый токсичный из микроцистинов .

Структура [ править ]

Микроцистины - это циклические гептапептиды . Семь аминокислот, которые участвуют в структуре микроцистина, включают уникальную β-аминокислоту ( ADDA ). Он содержит аланин ( D- ala), D- β-метилизоаспартат ( D- β-Me-isoAsp) и глутаминовую кислоту ( D- glu). Кроме того, микроцистины содержат два вариабельных остатка, которые позволяют различать варианты микроцистинов. Эти два переменных элемента всегда являются стандартными L- аминокислотами . В микроцистине-LR это лейцин и аргинин .

Химический состав микроцистина-LR, состоящего из 7 аминокислот

На сегодняшний день идентифицировано восемьдесят микроцистинов, представляющих различия в двух вариабельных остатках и некоторые модификации в других аминокислотах. Эти модификации включают деметилирование Masp и Mdha и метилэтерификацию D -Glu. Различные микроцистины имеют разные профили токсичности, причем наиболее токсичным оказался микроцистин-LR. [1] [2]

Биосинтез [ править ]

Микроцистины представляют собой небольшие нерибосомные пептиды . В Microcystis aeruginosa микроцистин-LR синтезируется белками, которые кодируются кластером микроцистин -генов ( mcy ) размером 55 т.п.н., который содержит 6 больших (более 3 т.п.н.) генов, кодирующих белки с активностью поликетидсинтазы, активностью нерибосомной пептид-синтазы ( mcyA-E и G ) и 4 меньших гена ( mcyF и HJ ). Эти большие белки состоят из разных белковых доменов , называемых «модулями», каждый из которых выполняет свою специфическую ферментативную функцию. [3]Хотя ферментные системы, участвующие в биосинтезе микроцистинов, не идентичны у всех цианобактерий, есть большое сходство, и большинство основных ферментов законсервированы. [3] [4]

Биосинтез микроцистина-LR у Microcystis aeruginosa начинается со связывания фенилацетата с ферментом mcyG . В серии реакций, катализируемых разными ферментными модулями, а также разными ферментами, образуется микроцистин-LR. Полный путь биосинтеза микроцистина-LR в Microcystis aeruginosa показан на рисунке.

Биосинтез микроцистина-LR Microcystis aeruginosa .

Первые шаги синтеза включают введение нескольких атомов углерода и кислорода между ацетильной и фенильной группами . Эта часть синтеза катализируется доменами ферментов, которые обладают активностью β-кетоацилсинтазы, ацилтрансферазы, C-метилтрансферазы и кетоацилредуктазы. В конце этой стадии, то есть после первой конденсации глутамата, образуется аминокислота Adda. [3]Вторая часть синтеза включает конденсацию аминокислот, из которых состоит микроцистин. Таким образом, в случае микроцистина-LR последовательная конденсация аминокислот глутаминовой кислоты, метилдегидроаланина, аланина, лейцина, метиласпарагиновой кислоты и аргинина приводит к связанному продукту. Нуклеофильная атака азота в остатке Адда приводит к высвобождению циклического микроцистина-LR. [3]

Различные микроцистины все синтезируются теми же ферментами, что и микроцистин-LR. [5]

Механизм токсичности [ править ]

Микроцистин-LR подавляет активность протеинфосфатаз 1-го и 2-го типа ( PP1 и PP2A ) в цитоплазме клеток печени. Это приводит к увеличению фосфорилирования белков в клетках печени. Взаимодействие микроцистина-LR с фосфатазами включает образование ковалентной связи между метиленовой группой микроцистина-LR и остатком цистина в каталитической субъединице семейства фосфопротеин-фосфатаз (PPP) серин / треонин-специфичных фосфатаз, таких как PP1 и PP2A. Когда микроцистин-LR связывается непосредственно с каталитическим центром ферментов PPP, они полностью блокируют доступ субстрата к активному центру, и происходит ингибирование фермента. Таким образом ингибируется протеинфосфатаза и многое другое.фосфорилированные белки в клетках печени остаются, что отвечает за гепатотоксичность микроцистина-LR.

Активный центр каталитических ферментов PPP представляет собой три поверхностных бороздки: гидрофобную бороздку, кислотную бороздку и С-концевую бороздку, которые имеют Y-образную форму с активным центром в точке бифуркации. Боковая цепь Adda микроцистина-LR приспосабливается к гидрофобной бороздке, карбоксильный сайт D-Glu создает водородные связи с металлическими молекулами воды, а карбоксильная группа сайта Masp создает водородные связи с консервативными остатками аргинина и тирозина в Фермент PPP. Наконец, метиленовая группа в Mdha-сайте микроцистина-LR ковалентно связывается с S-атомом остатка цистеина, а остаток лейцина плотно прилегает к другому консервативному остатку тирозина. [1]

Эффекты [ править ]

Микроцистин-LR токсичен как для человека, так и для животных. Есть эпидемиологические результаты исследований, которые показали симптомы отравления, связанные с присутствием цианотоксинов в питьевой воде. Эффекты делятся на краткосрочные и долгосрочные.

Человеческие отравления [ править ]

Нет достоверных сообщений о случаях смерти людей, которые, как известно, были конкретно вызваны микроцистином-LR, хотя есть сообщения о последствиях для здоровья после воздействия, и были случаи смерти, связанные с микроцистинами в целом. [6] Одним из самых ярких сообщений была вспышка болезни в Каруару , Бразилия , в 1996 году. 116 пациентов испытали множественные эффекты: нарушение зрения, тошноту, рвоту и мышечную слабость. У 100 развилась острая печеночная недостаточность, а 52 страдали симптомами того, что сейчас называется «синдромом Каруару». [7] Синдром был вызван диализной терапией водой, которую не лечили должным образом. [8]

Краткосрочные эффекты [ править ]

Есть несколько краткосрочных эффектов, вызванных воздействием микроцистина-LR. Микроцистины - это в первую очередь гепатотоксические соединения; Таким образом, заметные токсические эффекты проявляются не сразу. Большинство исследований токсичности проводилось на мышах, которым вводили внутрибрюшинные инъекции. Наиболее частым эффектом является повреждение печени [9]. Двумя наиболее часто встречающимися симптомами являются гастроэнтерит и холестатическая болезнь печени .

В эксперименте на мышах животные погибли в течение нескольких часов после введения летальной дозы микроцистина-LR. Повреждение печени можно было заметить через 20 минут. В течение нескольких часов клетки печени погибли. [10]

Долгосрочные эффекты [ править ]

Острая интоксикация микроцистином-LR может привести к длительным травмам, в то время как хроническое воздействие низкого уровня может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья. Исследования на животных доказывают, что при пероральном воздействии микроцистина-LR может возникнуть хроническое повреждение печени. Это может быть даже канцерогенное . Раки были обнаружены во время исследований на животных. Сам по себе Microcystin-LR не вызывает рака, но может стимулировать рост раковых клеток.

Эффекты животных [ править ]

Микроцистин-LR оказал влияние на всех животных, не только на домашних, от купания в реке с питьевой водой с цветением цианобактерий. Симптомы отравления домашних животных включают диарею, рвоту, слабость, лежачее положение и в большинстве случаев приводят к летальному исходу [11] [12]

Миркоцистин-LR токсичен для всех животных, включая животных, потребляемых людьми. Рыбы и птицы также подвержены риску отравления микроцистином LR.

Пути воздействия [ править ]

Цианобактерии предпочитают жить в водоемах, таких как озера, пруды, водохранилища и тихоходные ручьи. Когда вода теплая, бактерии могут выжить в достаточном количестве питательных веществ. Большинство цианобактерий продуцируют токсины, из которых микроцистин - только одна группа. Когда цианобактерия умирает, ее клеточная стенка разрушается, а токсины выделяются в воду. Микроцистины чрезвычайно стабильны в воде и противостоят химическому разрушению, например гидролизу или окислению. Полураспада этого токсина составляет 3 недели при рН 1 и 40 ° C. Однако при обычных условиях окружающей среды период полураспада составляет 10 недель. [9] Загрязнение воды Microcystin-LR устойчиво к кипячению и микроволновой обработке. [13]

После попадания в воду микроцистины активно всасываются рыбами и птицами из отравленной воды и, таким образом, попадают в пищевую цепочку . Люди также подвергаются воздействию микроцистинов при выполнении действий в отравленной воде. [14]

Диспозиция и метаболизм [ править ]

Распоряжение [ править ]

Микроцистин-LR быстро выводится из плазмы крови. Период полувыведения из плазмы для α- и β-стадий, соответствующих распределению и элиминации, составляет соответственно 0,8 и 6,9 минут. [15] [16] Общий клиренс соединения из плазмы составляет около 0,9 мл / мин. Выведение соединения происходит в основном с калом и мочой. Через 6 дней примерно 24% принятой дозы выводится из организма, из которых около 9% выводится с калом и 14,5% - с мочой. [16]

Микроцистин-LR в основном концентрируется в печени. Другие ткани подвергаются гораздо меньшему воздействию. [16]

Метаболизм [ править ]

Данных о метаболизме микроцистина-LR у человека очень мало. Данные о метаболизме и распределении токсина у мышей и крыс более доступны. У этих животных микроцистин-LR быстро концентрируется в печени. [17] Интоксикация мышей микроцистином-LR привела к снижению уровней цитохрома P450 и цитохрома b5 и увеличению цитохрома P420, в который конвертируется CYP450. Вместе с тем фактом, что мыши с индуцированной более высокой концентрацией CYP450 менее подвержены воздействию токсина, это позволяет предположить, что CYP450 играет важную роль в детоксикации соединения.

На этапе 2 биотрансформации соединение конъюгируется с несколькими различными эндогенными веществами. Микроцистин-LR, как известно, выводится в виде конъюгата глутатиона, конъюгата цистеина и окисленного диенового конъюгата ADDA. Глутатион и цистеин конъюгированы с фрагментом Mda. Окисленный ADDA конъюгирован по сопряженной связи . [18]

Токсичность [ править ]

Токсичность цианотоксинов очень разнообразна и включает нейротоксичность , гепатотоксичность , цитотоксичность и дерматотоксичность . Микроцистины обычно связаны с гепатотоксичностью. Токсическое действие микроцистинов связано с их ингибированием протеинфосфатаз. [19]

Острая подострая токсичность [ править ]

Многие исследования проводились с внутрибрюшинным введением . Из-за различий в липофильности и полярности между различными микроцистинами нельзя предположить, что ip LD50 будет предсказывать токсичность после перорального введения. [9]

Микроцистины - это гепатотоксины. После острого воздействия заметно тяжелое поражение печени по нарушению ее клеточной структуры. Вес печени увеличится из-за внутрипеченочного кровоизлияния , гемодинамического шока, сердечной недостаточности и смерти. [9]

После назального введения микроцистина-LR эпителий слизистой оболочки носа как обонятельной, так и респираторной зон страдал от некроза. После перорального приема были замечены даже поражения печени. LD50 для назального введения равна внутрибрюшинному введению.

Повторное пероральное введение [ править ]

Для оценки возможных хронических последствий для здоровья человека наиболее желательны исследования, включающие многократное пероральное введение чистых микроцистинов в различных дозах. В исследовании на мышах чистый мироцистин-LR вводили перорально в дозах 0, 40, 200 или 1000 мкг / кг веса тела. При максимальной дозе почти у всех мышей наблюдались изменения печени, хроническое воспаление и некоторые другие симптомы. У самок мышей при максимальной дозе наблюдались только изменения трансаминаз. [9]

Канцерогенность [ править ]

Только микроцистин [ править ]

У мышей обнаруживались неопластические узелки в печени после 100 пероральных введений в дозе 20 мкг / кг массы тела. Наблюдаемые узелки достигали 5 мм в диаметре. Однако ни у одной мыши не было обнаружено узелков в печени после 100 введений 80 мкг / кг.

Взаимодействие с опухолями [ править ]

Комитет IARC пришел к выводу, что микроцистин-LR, возможно, канцерогенен для человека. Итак, сам микроцистин-LR не является канцерогеном, но он стимулирует рост опухоли. У мышей, получавших канцерогенное соединение диметилбензатрацен, наблюдалось увеличение количества и веса опухолей кожи. [6]

Эксперименты на животных in vivo [ править ]

Об острой токсичности для человека известно очень мало, но были проведены исследования на животных, которые показали следующие результаты.

При внутривенном или внутрибрюшинном введении микроцистины локализуются в печени. По-видимому, это результат поглощения гепатоцитами . В докладе ВОЗ говорится, что микроцистины смертельны для мышей при внутрибрюшинном воздействии от 25 до 150 мкг / кг массы тела. [9] Возможно, из-за плохой абсорбции после воздействия пероральные микроцитины менее токсичны, поскольку летальная доза для мышей составляет от 5 до 10 мкг / кг массы тела. Гепатотоксичность в виде некроза печени возникает в течение 60 минут после внутривенного введения. [19] Цветки Microcystis aeruginosaне вызвали увеличения частоты опухолей в группах мышей, получавших лечение до одного года. Показано, что у мышей, получавших 20 мкг / кг массы тела 4 раза в неделю в течение 28 недель, развились новообразования печени. [19] Однако результаты неоднозначны. При пероральном введении микроцистин-LR проявляет острую токсичность для грызунов. Очевидно, что значительная часть пероральной дозы преодолевает кишечный барьер.

Эффекты развития [ править ]

Микроцистины не проявляют токсичности для развития.

Генотоксичность [ править ]

ВОЗ утверждает, что микроцистин-LR не обладает мутагенным действием. Однако индукция разрывов цепи ДНК в лимфоцитах наблюдалась у мышей после однократного перорального введения. Эффект зависит от времени и дозы. Нет изменений в экспрессии выбранных генов, участвующих в клеточном ответе на повреждение ДНК после 4-часового воздействия. Через 24 часа гены, чувствительные к повреждению ДНК, были активированы, что указывает на то, что микроцистин-LR является косвенным генотоксическим агентом. [21] В Китае самый высокий уровень заболеваемости раком печени наблюдается в районах с многочисленными цианобактериями в поверхностных водах. Развитие опухолей связано с воздействием низких концентраций в течение длительного периода времени. [19]

В пробирке исследования [ править ]

Исследования in vitro показали, что микроцистин-LR является мощным ингибитором протеинфосфатазы 1 (PP-1) и PP2A , но не влияет на протеинкиназу C или циклическую AMP-зависимую киназу . Мутагенность, по-видимому, не проявляется для очищенных токсинов, полученных из Microcystis , хотя токсины были кластогенными для лимфоцитов человека. [19]

Биоразложение [ править ]

Металлопротеазы фермент , выделенный из бактерий на озеро Роторуа , среди других мест, называются microcystinase , является частью фермента 3 биодеградации пути в. Этот конкретный фермент приводит к продукту, токсичность которого снижается в 160 раз. [22]

История [ править ]

Китайский генерал Чжу-Гэ Лян был первым, кто наблюдал отравление цианобактериями около 1000 лет назад. Он сообщил о гибели солдат, которые пили воду зеленого цвета из реки на юге Китая. [ необходима цитата ] Первый опубликованный отчет о случаях отравления цианобактериями датируется отравлением австралийского озера в 1878 году. [23] Кроме того, в Китае и Бразилии люди умирали, выпив воду из озера. Все эти инциденты были приписаны цианобактериям и токсичному соединению микроцистин-LR. Вот почему Всемирная организация здравоохранения(ВОЗ) выпустила руководство по микроцистинам в питьевой воде. Рекомендации ВОЗ по содержанию микроцистинов в питьевой воде на основе микроцистина-LR составляют 1 мкг / л. [15] При высоком уровне эвтрофикации в Южной Африке типичное воздействие может достигать 10 мкг / л. [24] [25] [26] [27]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b С. Перейра, В. Васконселос и А. Антунес, Компьютерное исследование ковалентного связывания микроцистинов с остатками цистеина - реакции, участвующей в ингибировании семейства протеинфосфатаз PPP , FEBS Journal, DOI: 10.1111 / j. 1742-4658.2011.08454.x
  2. ^ А. Кампос и В. Васконселос, Молекулярные механизмы токсичности микроцистина в клетках животных , Int. J. Mol. Sc., 11 (1), с. 268-287.
  3. ^ a b c d D. Tillett et al., Структурная организация биосинтеза микроцистина в Microcystis aeruginosa PCC7806: интегрированная система пептид-поликетидсинтетаза , Chem. Биол., 7 (10), стр. 753-764.
  4. ^ Г. Кристиансен и др., Биосинтез микроцистина в планктотриксе: гены, эволюция и манипуляции , J. Bacteriol., 185 (2), стр. 564-572
  5. ^ T. Nishizawa et al., Ген поликетид-синтазы, связанный с модулем пептид-синтетазы, участвующим в биосинтезе циклического гептапептидного микроцистина , J. Biochem., 127 (5), стр.779-789
  6. ^ a b Bulter, N., Carlisle, JC Microcystins: краткий обзор их токсичности и воздействия, с особым упором на рыбу, диких животных и домашний скот. Департамент водных ресурсов, Калифорния. Январь 2009 г.
  7. ^ Азеведо, С.М. и др., Интоксикация человека микроцистинами во время лечения диализом почек в Каруару, Бразилия. Токсикология, 2002. 181-182 : с. 441-6.
  8. ^ Jochimsen, EM и др., Печеночная недостаточность и смерть после воздействия микроцистинов в центре гемодиализа в Бразилии . N Engl J Med, 1998. 338 (13): p. 873-8.
  9. ^ a b c d e f ВОЗ (2003) Цианобактериальные токсины: Microcystin-LR в питьевой воде. Справочный документ для подготовки Руководства ВОЗ по качеству питьевой воды . Женева, Всемирная организация здравоохранения WHO / SDE / WSH / 03.04 / 57).
  10. ^ Слаткин, Д.Н. и др., Атипичный тромбоз легких, вызванный токсичным цианобактериальным пептидом . Science, 1983. 220 (4604): с. 1383-5.
  11. ^ DeVries, SE, et al., Клинические и патологические данные интоксикации сине-зелеными водорослями (Microcystis aeruginosa) у собак. '' Журнал ветеринарных диагностических исследований, 1993. '' 5 '' (3): стр. 403.
  12. Briand, JF, et al., Опасности для здоровья наземных позвоночных, вызываемые токсичными цианобактериями в экосистемах поверхностных вод. '' Vet Res, 2003. '' 34 '' '(4): p. 361-77.
  13. ^ https://www.researchgate.net/publication/227807451_Microwave_oven_and_boiling_waterbath_extraction_of_hepatotoxins_from_cyanobacterial_cells
  14. ^ Харада, К.И. и др., Стабильность микроцистинов цианобактерий. III. Влияние pH и температуры Phycologia, 1996. 35 (6) с. 83-88.
  15. ^ a b Хор, И., и Дж. Бартрам, Токсичные цианобактерии в воде; Руководство по их последствиям для общественного здоровья, мониторингу и управлению. Лондон: E & FN Spon, 1999.
  16. ^ a b c Робинсон, Н. А., Пейс, Дж. Г., Матсон, К. Ф., Миура, Г. А. и Лоуренс, В. Б. 1991 Распределение, выделение и биотрансформация в печени микроцистина-LR у мышей , J. Pharmacol. Exp. Ther., 256 (1), 176-182.
  17. ^ Brooks, WP и Codd, GA 1987 Распространение пептидного токсина Microcystis aeruginosa и взаимодействия с микросомами печени у мышей Pharmacol. Toxicol., 60 (3), 187-191.
  18. Кондо, Ф., Мацумото, Х., Ямада, С., Исикава, Н., Ито, Э., Нагата, С., Уэно, Ю., Судзуки, М. и Харада, К.-И. 1996 Обнаружение и идентификация метаболитов микроцистинов, образующихся in vivo в печени мышей и крыс Chem. Res. Toxicol., 9 (8), 1355–1359 .
  19. ^ a b c d e Отчет о токсичности микроцистина Национальной программы токсикологии, https://ntp.niehs.nih.gov/ntp/htdocs/chem_background/exsumpdf/microcystin_508.pdf (по состоянию на 1 марта 2012 г.)
  20. ^ Информация о продукте Sigma Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/m2912 (по состоянию на 1 марта 2012 г.)
  21. ^ Зегура. B, et al. «Микроцистин-LR индуцировал повреждение ДНК в лимфоцитах периферической крови человека». Исследование мутаций 725 (2011). '' 116-122 '' '
  22. ^ Сомди, Тирасак; Громы, Мишель; Рак, Джон; Лис, Изабель; Эллисон, Маргарет; Пейдж, Рэйчел (2013). «Разложение [Dha7] MC-LR бактерией, разлагающей микроцистин, выделенной из озера Ротоити, Новая Зеландия» . ISRN Микробиология . 2013 : 1–8. DOI : 10.1155 / 2013/596429 . PMC  3712209 . PMID  23936728 .
  23. ^ Фрэнсис, Г. Ядовитое австралийское озеро Природа 18, 11-12 (1878)
  24. ^ Oberholster, PJ, Cloete, TE, ван Гинкел, К., Бота, AM. И Эштон, П.Дж. 2008. Использование дистанционного зондирования и молекулярных маркеров в качестве индикаторов раннего предупреждения о развитии цианобактериальной корки гиперкасса и генотипов, продуцирующих микроцистин, в гипертрофическом озере Хартебиспорт, Южная Африка. Претория: Совет по научным и промышленным исследованиям (CSIR).
  25. ^ Turton, AR 2015. Загрязнение воды и бедность Южной Африки. Йоханнесбург: Южноафриканский институт расовых отношений. http://irr.org.za/reports-and-publications/occasional-reports/files/water-pollution-and-south-africas-poor. Архивировано 12 марта 2017 г. в Wayback Machine.
  26. ^ Тертон, AR 2016. Южная Африка и засухачто Exposed молодой демократии. В водной политике (18); 210 - 227. http://wp.iwaponline.com/content/ppiwawaterpol/18/S2/210.full.pdf
  27. ^ Мэтьюз, М. В., и Барнард, С. 2015. Эвтрофикация и цианобактерии в стоячих водоемах Южной Африки: взгляд из космоса. В Южноафриканском научном журнале. Vol. 111. № 5/6.