Бреветоксин - Brevetoxin
Бреветоксин ( PbTx ), или бреветоксины, представляют собой набор циклических полиэфирных соединений, вырабатываемых естественным образом разновидностью динофлагеллят, известной как Karenia brevis . Бреветоксины - это нейротоксины, которые связываются с потенциалозависимыми натриевыми каналами в нервных клетках, что приводит к нарушению нормальных неврологических процессов и вызывает заболевание, клинически описываемое как нейротоксическое отравление моллюсками (NSP).
Хотя бреветоксины наиболее хорошо изучены у K. brevis , они также обнаружены у других видов Карении, и по крайней мере одна большая добыча рыбы была связана с бреветоксинами у Chattonella .
| Бреветоксин А | Бреветоксин В | |
|---|---|---|
| химическая структура |
 |
 |
| подтипы |
|
|
Другие бреветоксины:
- Бреветоксин-5 (PbTx-5): как PbTx-2, но ацетилированная гидроксильная группа в положении 38.
- Бреветоксин-6 (PbTx-6): как PbTx-2, но двойная связь 27-28 эпоксидирована .
Бреветоксин-B был синтезирован в 1995 г. К. К. Николау и его сотрудниками в 123 этапа со средним выходом 91% (конечный выход ~ 9 · 10 -6 ), а в 2004 г. - всего 90 этапами со средним выходом 93% для каждого этапа (0,14 % общий).
KC Nicolaou и его коллеги сообщили о синтезе бреветоксина-1 в 1998 году. В 2009 году Майкл Кримминс и его сотрудники также сообщили о синтезе бреветоксина-1.
Биосинтез
Бреветоксины имеют общую структуру основной цепи поликетидов, но есть несколько метильных и кислородных групп, которые не типичны для традиционного синтеза поликетидов. Исследования по маркировке, определяющие происхождение различных атомов углерода, показали, что биосинтез бреветоксинов сильно отличается от пути синтеза поликетидов.
Из экспериментов по мечению бреветоксина-B (BTX-B) молекула из 50 атомов углерода, 16 углеродных сигналов были усилены [1-C13] ацетатом, 30 сигналов были усилены [2-C13] ацетатом и 4 углеродных сигнала были усилены. усилен [метил-C13] метионином. Более того, 14 интактных ацетатных звеньев были идентифицированы с пятнадцатым двухуглеродным звеном со слабой возможностью быть ацетатным звеном. На основании расположения кислорода в BTX-B ясно, что эта молекула не может быть произведена с использованием традиционного пути синтеза поликетидов. Для решения проблемы внимание было обращено на цикл лимонной кислоты. Ацетат можно использовать в пути синтеза поликетидов или модифицировать циклом лимонной кислоты. Промежуточные продукты этого цикла затем могут быть повторно введены в путь синтеза поликетидов, что приведет к добавлению атипичных углеродных единиц. Предыдущие исследования пути лимонной кислоты выявили три и четыре углеродных единицы, которые потенциально могут объяснить атипичный паттерн конденсации и окисления, наблюдаемый в BTX-B. При этом в настоящее время нет объяснения, почему этот конкретный паттерн является предпочтительным.
Учитывая все это, предлагаемый путь биосинтеза соединений класса бреветоксинов начинается с традиционного синтеза поликетидов, который может включать в себя более крупные углеродные единицы, происходящие из ацетата, модифицированного циклом лимонной кислоты. После того, как углеродная основа синтезирована, окисление дает необходимые эпоксиды, которые приводят к замыканию поликольцевой системы. Неясно, добавляются ли метильные группы, как показано в BTX-B, после циклизации или во время модификации метаболитов поликетида, но ясно, что метильные группы могут происходить из источников вне ацетата, таких как S-аденозилметионин .
Влияние на здоровье человека и животных
Экспозиция
Мощные полиэфирные бреветоксины, продуцируемые K. brevis, активируют чувствительные к напряжению натриевые каналы. В частности, бреветоксины связываются с сайтом 5 альфа-субъединицы потенциалочувствительных натриевых каналов (VSSC), которые служат ключевыми белками в структуре клеточной мембраны. Связывание бреветоксина с VSSC вызывает три ключевых эффекта: снижение потенциала активации до более отрицательных значений, постоянная активация канала и, следовательно, повторяющееся возбуждение нервов, а также неспособность обратить вспять это длительное среднее открытое состояние. Это приводит к ряду проблем со здоровьем как у людей, так и у животных. Нарушение нормальной функции натриевых каналов, в частности, приводит к массовой гибели рыбы и отравлению морских млекопитающих и других водных беспозвоночных, что, в свою очередь, также является источником проблем со здоровьем человека. Например, сообщалось , что на легочные рецепторы, связанные с лиганд-зависимыми эпителиальными Na + каналами и ингибированием катепсина в макрофагах, воздействует воздействие бреветоксина.
Попадание бреветоксина в организм человека и животных происходит в основном при вдыхании и проглатывании. Контакт с кожей, например, плавание в красных приливах, является предполагаемым методом поглощения, хотя прямой контакт с токсином в воде изучен недостаточно. В случае вдыхания токсины в виде аэрозолей, переносимые на берег в виде морских брызг, могут вызвать раздражение дыхательных путей, которое в более крайних случаях может перерасти в более серьезное сужение дыхательных путей, эффект, наблюдаемый при концентрациях pM. Более значительными являются случаи проглатывания, будь то непосредственное проглатывание морской воды во время цветения K. brevis или переваривание зараженных фильтрующих животных. После кормления K. brevis водные беспозвоночные и, в частности, моллюски могут накапливать бреветоксины, что приводит к нейротоксическому отравлению моллюсками (NSP). У людей характерные симптомы ПОШ включают парестезию (покалывание), исчезновение ощущения тепла и холода, миалгию (мышечную боль), головокружение, атаксию (потерю координации), боль в животе, тошноту, диарею, головную боль, брадикардию (замедленное сердцебиение). частота), расширенные зрачки и респираторный дистресс, как упоминалось ранее. Эффект биоаккумуляции наблюдался для этого токсина в пищевой сети, и было отмечено, что это накопление не ограничивается временами, когда присутствует K. brevis .
У морских млекопитающих четкий переносчик трудно идентифицировать из-за смешанных переменных, таких как невозможность подтвердить воздействие и сложные меры патологического тестирования. Один из способов предложить путь в пищевую сеть морских млекопитающих - это изучить их основной источник пищи. В исследовании 2009 года изучается возможный путь воздействия рыб у китообразных, в основном афалин, и морской травы у ламантинов. В этом исследовании ученые также изучают, в какой категории они попали: аэрозоли или прием внутрь, что анализируется путем измерения уровней бреветоксина в легких по сравнению с содержимым желудка. Они обнаружили, что большую часть содержимого желудков ламантинов составляют водоросли, а накопление бреветоксина в эпифитах этих водорослей достигло 87%. У дельфинов испытать вектор было сложнее, потому что считалось, что рыба умирает раньше, чем ее смогут съесть более крупные животные, но это исследование также показало, что рыба может накапливать бреветоксин и выжить достаточно долго, чтобы отравить китообразных. Это важно, потому что, хотя цветения в настоящее время может и не происходить, дикая природа потенциально может погибнуть от воздействия бреветоксина, перемещающегося через пищевую сеть. Другой способ оценки пути воздействия - это локализация поражений и кровотечений, например, поражений легких в результате вдыхания.
Другое исследование изучает различные концентрации бреветоксина в разных органах у видов птиц, китообразных и сирен, в частности у бакланов, афалин и ламантинов из Флориды. Эти органы включают печень, почки, мозг, легкие и содержимое желудка всех этих животных и сравнивают их, чтобы увидеть, где в пищевой сети они были подвержены воздействию и в какой степени. У ламантинов самые высокие концентрации бреветоксина в печени, у дельфинов - в содержимом желудка, а у бакланов - в мозгу и легких. Анализ почек показал, что ламантины и бакланы имели одинаково высокие уровни. У всех животных концентрации были самыми высокими в печени, затем в почках, затем в легких и, наконец, в головном мозге, что, возможно, указывает на путь метаболизма бреветоксина. Дельфины в этом исследовании не показали значительного повреждения тканей по сравнению с двумя другими, что указывает на то, что бреветоксин оказывает более сильное смертельное воздействие при более низких концентрациях. Некоторые симптомы бреветоксикоза со стороны центральной нервной системы включают изменения в поведении, мышечные нарушения и дезориентацию. У ламантинов это выражается в затрудненном дыхании, проблемах с равновесием и сгибании спины. У бакланов они демонстрируют трудности с полетом. Другое исследование показало, что у лимонных акул похожие проблемы с дезориентацией, связанной с воздействием бреветоксина. Помимо бреветоксикоза, у ламантинов также нарушена функция иммунной системы, что делает их неспособными бороться с воздействием и более восприимчивыми к другим заболеваниям. Это происходит из-за снижения реакции лимфоцитов на воздействие и воспаления в пораженных областях, это исследование было проведено на ламантинах, подвергшихся сублетальному воздействию.
Лаборатория патобиологии морских млекопитающих FWC собирает и проверяет туши ламантина на предмет воздействия бреветоксина. Только в 2015 году было обнаружено 170 трупов с положительным диагнозом и 107 подозреваемых случаев, в результате чего было обнаружено 277 ламантинов. В 2004 году всего за два месяца в районе Флориды погибло 107 дельфинов из-за бреветоксикоза. И бакланов, и ламантинов вылечили от бреветоксикоза, но дельфины не выжили.
Общественное здоровье и экономика
Диапазон и степень воздействия на здоровье человека в прибрежных регионах, по-видимому, ежегодно и временно изменяются в зависимости от плотности красных приливов, а также от различий в токсичности штаммов динофлагеллат и их последующих потребителей. Мексиканский залив и, в частности, западное побережье Флориды, больше всего страдают от неблагоприятного воздействия на здоровье и окружающую среду почти ежегодного цветения K. brevis . Этот регион понес значительные экономические потери в местных сообществах, которые полагаются на туризм и любительскую рыбалку, наряду с плохой рекламой на протяжении многих лет. Об отравлениях моллюсками было известно во Флориде с 1880-х годов, хотя причина не была идентифицирована как K. brevis до 1960 года.
Рыбная промышленность ежегодно теряет около 18 миллионов долларов из-за воздействия бреветоксина и, как следствие, гибели рыбы. Кроме того, с 1987 по 1992 год из-за отравления моллюсками ежегодно расходуется около одного миллиона долларов на общественное здравоохранение. Основным препятствием для этих отраслей и общественного здравоохранения является неспособность сдержать цветение, а его вкус и запах не обнаруживаются только химически. Одной из основных проблем воздействия является не только болезнь, но и то, что бреветоксин может изменять ДНК человека в лимфоцитах, влияя на иммунную функцию.
Метаболизм бреветоксинов в моллюсках вызывает особую озабоченность, поскольку было показано, что некоторые производные остаются в организме животного в течение продолжительных периодов времени. Было показано, что основной токсин, продуцируемый K. brevis , PbTx-2, быстро метаболизируется, что приводит к выработке метаболитов, которые сохраняются в организме животного в течение значительно более длительного периода времени. Это контрастирует с PbTx-3, который обычно выводится из моллюсков в более или менее исходной форме в течение нескольких недель.
Концентрация бреветоксина в морепродуктах и регулирование мониторинга токсичных веществ у животных вызывает озабоченность. Во Флориде только устриц и моллюсков проверяют на наличие NSP. Наблюдение за гребешком не проводится, хотя ПОШ, связанное с гребешком, обычно не возникает, потому что в большинстве случаев мышца, которая не накапливает бреветоксин до опасного уровня, потребляется. Кроме того, гребешки менее устойчивы к бреветоксинам по сравнению с другими двустворчатыми моллюсками и быстро погибают после воздействия красных приливов K. brevis . Однако более мелкие двустворчатые моллюски, такие как моллюски и ракушки, могут накапливать чрезвычайно высокие уровни бреветоксинов и не контролируются, что потенциально может негативно повлиять на здоровье людей и диких животных. Согласно данным Poli et al., Детеныши причастны к событию NSP в 1996 году.
Что касается ихтиотоксичности, сообщения о массовых убийствах рыб в Мексиканском заливе поступали еще в 1844 году. Первоначально для выделения токсинов использовалось фракционирование рыб на основе биопробы, но накопление в рыбе или передача их через пищевую сеть не проводились. рассматривается как угроза. Стейдингер предположил, что присутствие бреветоксина, обнаруженное в смертности дельфинов и смертности жертв в 1987-1988 годах, отчасти было связано с переносом бреветоксина через рыбу. Хотя опасные уровни бреветоксинов в мышцах живых рыб на сегодняшний день не обнаружены, внутренние органы рыб очень чувствительны к опасным уровням токсичности, и их нельзя есть. Предполагается, что хроническое воздействие метаболитов бреветоксина на низком уровне может происходить через моллюсков и рыбу, хотя последствия этого подробно не изучены и остаются в значительной степени неизвестными.
Доступность азота и фосфора в зависимости от уровня токсичности
Из азота и фосфора растет красный прилив K. brevis . Хотя K. brevis зародится на берегу, он будет расти за счет питательных веществ (фосфора и азота), обнаруженных на берегу. Вдоль юго-западного побережья Флориды, когда поверхностные летние южные ветры дуют фосфор, азот, зеленые водоросли и цианобактерии в K. brevis , который подошел близко к берегу, наблюдается массовый рост красного прилива K. brevis . Грохочущие волны разрушают клетки, распределяя последующие бреветоксины, вызывающие респираторные заболевания у людей. В 2018 году компания MOTE Marine в Сарасоте, Флорида, обновила свои часто задаваемые вопросы, чтобы прояснить, что питательные вещества (азот - это питательное вещество, содержащееся в удобрениях) могут способствовать росту K. brevis .
Вдоль западного побережья Флориды ранняя фаза цветения K. brevis инициируется северными ветрами, что приводит к апвеллингу, который заставляет питательные вещества подниматься к поверхности воды и переносить несколько видов клеток Karenia к берегу. Здесь они концентрируются и либо продолжают расти, либо уносятся береговыми ветрами, которые разносят клетки по пляжам и прибрежным общинам. Было показано, что цветение K. brevis ограничено доступным азотом (N) или фосфором (P), но до недавнего времени не было ясно, какие источники K. brevis использовала для этих ключевых питательных веществ для развития. Наиболее вероятным предположением является некоторая комбинация подъема подповерхностных питательных веществ, поверхностного стока (сельскохозяйственные и сахарные плантации, животноводческие фермы, поля для гольфа, тематические парки, септические системы и т. Д.). Фиксация азота, дренаж из фосфатных шахт и атмосферное осаждение обеспечивает необходимая опора для цветения.
В дополнение к разрушению клеток волнами, клетки K. brevis могут погибнуть, потому что ограничение N напрямую влияет на потенциал роста цветков и токсичность клеток K. brevis, которые их составляют. Когда присутствует N-ограничение, внутриклеточные концентрации бреветоксина (фг / мкм 3 ) увеличиваются до 2,5 раз в лабораторных культурах, что означает, что в периоды N-ограничения роста водорослей существует более высокая вероятность поступления бреветоксина в морскую пищу. Интернет. Содержание токсина на клетку увеличивается, когда рост водорослей становится ограниченным по фосфору. Различные полевые измерения, проведенные в Мексиканском заливе, показали, что содержание бреветоксина в клетках K. brevis составляет от 1 до 68 пг / клетка; однако Hardison et al. обнаружил, что в периоды кратковременного ограничения P- и N происходит от 2 до 5-кратное увеличение бреветоксинов на моль углерода клетки или единицу объема клетки. Хардисон пришел к выводу, что эти данные свидетельствуют о том, что воздействие на морские экосистемы значительно различающихся уровней токсинов зависит от статуса питательных веществ в клетках K. brevis . В то время как бреветоксины остаются внутриклеточными на ранних стадиях развития цветения, запуск апоптоза и лизиса клеток с возрастом высвобождает токсины в окружающие воды, что означает, что большее ограничение фосфора, которое приводит к большей гибели клеток, в конечном итоге повышает уровень бреветоксина. Эти высокие уровни могут сохраняться в пищевой цепи еще долгое время после того, как цветение прекратилось из-за высокого сродства бреветоксина к адсорбции на биологических поверхностях, таких как листья морской травы, и тем самым накапливаться в потребляющих организмах.
В целом, бреветоксины, кажется, увеличиваются при ограничении N и P, однако концентрация бреветоксинов на клетку при ограничении P примерно вдвое выше, чем при ограничении N. Одной из основных проблем в этой связи является то, что управление закрытием ложа моллюсков при условии, что концентрация бреветоксина на клетку не меняется, может поставить под угрозу общественную безопасность, если цветение станет ограниченным по питательным веществам.
Смотрите также
- Цветение водорослей
- Красная волна
- Цигуатоксин
- Домоевая кислота
- Окадаиновая кислота
- Сакситоксин
- Тетродотоксин