Цилиндроспермопсин - Cylindrospermopsin
|
|
| Имена | |
|---|---|
|
Название ИЮПАК
2,4 (1H, 3H) -Пиримидиндион, 6 - [(R) -гидрокси [(2aS, 3R, 4S, 5aS, 7R) -2,2a, 3,4,5,5a, 6,7-октагидро- 3-метил-4- (сульфоокси) -1H-1,8,8b-триазааценафтилен-7-ил] метил] -
|
|
| Другие названия
Цилиндроспермопсин
|
|
| Идентификаторы | |
|
3D модель ( JSmol )
|
|
| ЧЭБИ | |
| ЧЭМБЛ | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard |
100.229.780 
|
| КЕГГ | |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Характеристики | |
| C 15 H 21 N 5 O 7 S | |
| Молярная масса | 415,43 |
| Появление | Белое твердое вещество |
| Высокая | |
| Опасности | |
| Пиктограммы GHS |
 
|
| Сигнальное слово GHS | Опасность |
| H300 , H341 , H370 | |
| Р201 , Р202 , Р260 , Р264 , Р270 , Р281 , Р301 + 310 , P307 + 311 , P308 + 313 , P321 , P330 , P405 , P501 | |
|
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). |
|
 проверить ( что есть ?)
  |
|
| Ссылки на инфобоксы | |
Цилиндроспермопсин (сокращенно CYN или CYL ) - это цианотоксин, вырабатываемый различными пресноводными цианобактериями . CYN представляет собой полициклическое производное урацила , содержащее гуанидино- и сульфатные группы. Он также цвиттерионный , что делает его хорошо растворимым в воде . CYN токсичен для ткани печени и почек и, как полагают, ингибирует синтез белка и ковалентно модифицирует ДНК и / или РНК . Неизвестно, является ли цилиндроспермопсин канцерогеном , но, по-видимому, он не обладает активностью, вызывающей опухоль у мышей.
CYN был впервые обнаружен после вспышки загадочной болезни на острове Палм , Квинсленд , Австралия . Вспышка была восходит к цвету от Cylindrospermopsis raciborskii в снабжении местного питьевой воды, а токсин был впоследствии идентифицирован. Анализ токсина привело к предлагаемой химической структуре в 1992 году, который был пересмотрен после того, как синтез был достигнут в 2000 г. Несколько аналогов Cyn, как токсичных и нетоксичных, были выделены или синтезированы.
C. raciborskii наблюдалась в основном в тропических районах, однако недавно была обнаружена также в регионах с умеренным климатом в Австралии , Северной , Южной Америке , Новой Зеландии и Европе . Однако штамм C. raciborskii, продуцирующий CYN, не был идентифицирован в Европе, некоторые другие виды цианобактерий, встречающиеся на континенте, способны синтезировать его.
Открытие
В 1979 году 138 жителей Палм - Айленд , Квинсленд , Австралия , были госпитализированы в больницу, страдающих различными симптомами от гастроэнтерита . Все это были дети; кроме того, 10 взрослых пострадали, но не были госпитализированы. Начальные симптомы, включая боль в животе и рвоту , напоминали симптомы гепатита ; более поздние симптомы включали почечную недостаточность и кровавый понос . Анализ мочи показал высокий уровень белков , кетонов и сахара у многих пациентов, а также кровь и уробилиноген в меньшем количестве. Анализ мочи, а также микроскопия фекалий и скрининг на отравления не могли дать статистической связи с симптомами. Все пациенты выздоровели в течение 4–26 дней, и на тот момент не было очевидной причины вспышки. Первоначальные мысли о причине включали в себя плохое качество воды и диету, однако ни одно из них не было окончательным, и болезнь была названа «Загадочная болезнь острова Пальм».
В то время было замечено, что эта вспышка совпала с сильным цветением водорослей в местной системе питьевого водоснабжения, и вскоре после этого основное внимание было обращено на рассматриваемую плотину. Эпидемиологическое исследование этой «болезни тайна» позже подтвердил , что Соломон Dam был замешан, как те , которые заболели использовали воду из плотины. Стало очевидным , что в последнее время лечение цветения с сульфатом меди вызвало лизис клеток водорослей, выпуская токсин в воду. Изучение плотины показало, что периодическое цветение водорослей было вызвано преимущественно тремя штаммами цианобактерий : двумя из рода Anabaena и Cylindrospermopsis raciborskii , ранее неизвестными в водах Австралии. Биологический анализ этих трех мышей показал, что, хотя два штамма Anabaena были нетоксичными, C. raciborskii был высокотоксичным. Позднее выделение ответственного соединения привело к идентификации токсина цилиндроспермопсина.
В более позднем отчете альтернативно предполагалось, что избыток меди в воде был причиной болезни. Чрезмерная дозировка была вызвана использованием недорогих подрядчиков для борьбы с водорослями, которые не имели квалификации в этой области.
Химия
Определение структуры
Выделение токсина с использованием цианобактерий, культивированных из исходного штамма Palm Island, достигалось гель-фильтрацией водного экстракта с последующей обращенно-фазовой ВЭЖХ . Выяснение структуры было достигнуто с помощью масс-спектрометрии (МС) и ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), и была предложена структура (позже выясненная несколько неверно) (рис. 1).
Эта почти правильная молекула содержит трициклическую гуанидиновую группу (кольца A, B и C) вместе с кольцом урацила (D). Цвиттерионный природа молекулы делает это высоко растворимой в воде, так как наличие заряженных областей внутри молекулы создает дипольный эффект, удовлетворяя полярный растворитель . Чувствительность ключевых сигналов в спектре ЯМР к небольшим изменениям pH свидетельствует о том, что кольцо урацила существует в таутомерных отношениях кето / енола , где перенос водорода приводит к двум различным структурам (рис. 2). Первоначально предполагалось, что водородная связь между урацильной и гуанидиновой группами в еноловом таутомере сделает эту форму доминирующей.
Аналоги
Второй метаболит из C. raciborskii был идентифицирован из экстрактов цианобактерий после наблюдения часто встречающегося пика сопровождающих , что из Cyn во время УФ экспериментов и MS. Анализ методами МС и ЯМР пришел к выводу, что в этом новом соединении отсутствует кислород, соседний с кольцом урацила, и было названо дезоксицилиндроспермопсин (рис. 3).
В 1999 г. эпимер CYN, названный 7-эпициклиндроспермопсин (epiCYN), также был идентифицирован как второстепенный метаболит из Aphanizomenon ovalisporum . Это произошло во время выделения CYN из цианобактерий, взятых из озера Кинерет в Израиле . Предлагаемая структура этой молекулы отличалась от CYN только ориентацией гидроксильной группы, примыкающей к урациловому кольцу (рис. 4).
Полный синтез
Синтетические подходы к CYN начались с пиперидинового кольца (A) и перешли к аннелированию колец B и C. О первом полном синтезе CYN было сообщено в 2000 году посредством 20-ступенчатого процесса.
Усовершенствования синтетических методов привели к пересмотру стереохимии CYN в 2001 году. Синтетический процесс, контролирующий каждый из шести стереогенных центров epiCYN, установил, что первоначальное назначение как CYN, так и epiCYN было фактически изменением правильных структур. Альтернативный подход Уайта и Хансена поддерживал эти абсолютные конфигурации (рис. 5). Во время этого правильного определения было высказано предположение, что енольная форма не является доминирующей.
Стабильность
Одним из ключевых факторов, связанных с токсичностью CYN, является его стабильность . Хотя было обнаружено, что токсин быстро разлагается в экстракте водорослей при воздействии солнечного света , он устойчив к разложению при изменении pH и температуры и не разлагается ни в чистой твердой форме, ни в чистой воде. В результате в мутной и неподвижной воде токсин может сохраняться в течение длительного времени, и, хотя кипящая вода убивает цианобактерии, она не может удалить токсин.
Токсикология
Токсические эффекты
Хокинс и др. . продемонстрировали токсические эффекты CYN с помощью биоанализа на мышах с использованием экстракта исходного штамма Palm Island. У сильно отравленных мышей наблюдались анорексия , диарея и затрудненное дыхание . Результаты вскрытия показали кровотечения в легких , печени , почках , тонком кишечнике и надпочечниках . Гистологическое показал дозозависимое некроз в гепатоцитах , липидный накопление и фибрин тромбов образование в кровеносных сосудах печени и легких, а также с различными эпителиальных клеток некроза в области почек.
Более поздний биоанализ действия цилиндроспермопсина на мышах выявил увеличение веса печени как в летальных, так и в нелетальных дозах; кроме того, печень казалась темной. Обширный некроз гепатоцитов был виден у мышей, которым вводили летальную дозу, и некоторые локальные повреждения также наблюдались у мышей, которым вводили нелетальную дозу.
Токсичность
Первоначальная оценка токсичности CYN в 1985 г. заключалась в том, что LD 50 через 24 часа составляла 64 ± 5 мг лиофилизированной культуры / кг массы тела мыши при внутрибрюшинной инъекции . Дальнейший эксперимент в 1997 году измерял LD 50 как 52 мг / кг через 24 часа и 32 мг / кг через 7 дней, однако данные предполагали, что другое токсичное соединение присутствовало в изоляте использованных обработанных ультразвуком клеток; предсказания, сделанные Ohtani et al. данные о 24-часовой токсичности были значительно выше, и было предложено присутствие другого метаболита для объяснения относительно низкого измеренного уровня 24-часовой токсичности.
Поскольку наиболее вероятным путем поглощения CYN человеком является прием внутрь, эксперименты по пероральной токсичности были проведены на мышах. Пероральная LD 50 была установлена, что 4.4-6.9 мг CYN / кг, а в дополнении к некоторому изъязвлению из пищевода слизистой оболочки желудка , симптомы были совместимы с этим внутрибрюшинно дозированием. Содержимое желудка включало культуральный материал, что указывало на то, что эти значения LD 50 могли быть завышены.
Механизм действия
Патологические изменения , связанные с отравлением Cyn , как сообщалось, в четырех различных стадий: ингибирование в синтезе белков , пролиферации из мембран , накопление липидов в клетках, и , наконец , гибель клеток . Исследование печени мышей, удаленных при вскрытии, показало, что при внутрибрюшинной инъекции CYN через 16 часов рибосомы грубого эндоплазматического ретикулума (rER) отделились, а через 24 часа произошла заметная пролиферация мембранных систем гладкого ER и аппарата Гольджи. . Через 48 часов маленькие липидные капельки накопились в телах клеток, а через 100 часов гепатоциты в долях печени были разрушены сверх функции.
Было показано, что процесс ингибирования синтеза белка является необратимым, однако не является окончательным методом цитотоксичности соединения. Froscio et al. . предположили, что CYN имеет по крайней мере два отдельных механизма действия: ранее сообщенное ингибирование синтеза белка и пока еще неясный метод, вызывающий гибель клеток. Было показано, что клетки могут выживать в течение длительного времени (до 20 часов) при 90% ингибировании синтеза белка и при этом сохранять жизнеспособность. Поскольку CYN цитотоксичен в течение 16–18 часов, было высказано предположение, что причиной гибели клеток являются другие механизмы.
Цитохром P450 вовлечен в токсичность CYN, поскольку блокирование действия P450 снижает токсичность CYN. Было высказано предположение, что активированный метаболит (или метаболиты) CYN, производный от P450, является основной причиной токсичности. Shaw et al. . продемонстрировали, что токсин может метаболизироваться in vivo , что приводит к связыванию метаболитов в ткани печени, и что повреждение более распространено в гепатоцитах крыс, чем в клетках других типов.
Из-за структуры CYN, которая включает группы сульфата , гуанидина и урацила , было высказано предположение, что CYN действует на ДНК или РНК . Shaw et al. . сообщили о ковалентном связывании CYN или его метаболитов с ДНК у мышей, а также наблюдался разрыв цепи ДНК. Humpage et al. также подтвердили это и, кроме того, постулировали, что CYN (или метаболит) действует либо на веретено, либо на центромеры во время деления клеток , вызывая потерю целых хромосом .
Группа урацила CYN была определена как фармакофор токсина. В двух экспериментах виниловый атом водорода в кольце урацила был заменен атомом хлора с образованием 5-хлорцилиндроспермопсина, а группа урацила была усечена до карбоновой кислоты с образованием цилиндросперминовой кислоты (рис. 6). Оба продукта были оценены как нетоксичные , даже при 50-кратной LD 50 CYN. При предыдущем определении структуры дезоксицилиндроспермопсина была проведена оценка токсичности соединения. Мыши, которым внутрибрюшинно вводили четырехкратную среднюю летальную дозу CYN за 5 дней, не проявляли токсических эффектов. Поскольку было показано, что этого соединения относительно много, был сделан вывод, что этот аналог сравнительно нетоксичен. Учитывая, что и CYN, и epiCYN токсичны, гидроксильная группа на урациловом мостике может считаться необходимой для токсичности. Пока что относительная токсичность CYN и epiCYN не сравнивалась.
Биосинтез
Кластер биосинтетических генов цилиндроспермопсина (BGC) был описан из Cylindrospermopsis raciborskii AWT205 в 2008 году.
Связанные с этим токсичные цветы и их влияние
После вспышки на острове Пальма было выявлено несколько других видов цианобактерий, продуцирующих CYN: Anabaena bergii , Anabaena lapponica , Aphanizomenon ovalisporum , Umezakia natans , Raphidiopsis curvata . и Aphanizomenon issatschenkoi . В Австралии существуют три основных токсичных цианобактерии: Anabaena circinalis , виды Microcystis и C. raciborskii . Из них последний, производящий CYN, привлек значительное внимание не только из-за вспышки болезни на острове Палм, но и в связи с распространением этого вида в более умеренные районы. Раньше водоросли относились только к тропическим , однако недавно они были обнаружены в умеренных регионах Австралии, Европы , Северной и Южной Америки , а также Новой Зеландии .
В августе 1997 года три коровы и десять телят погибли от отравления цилиндроспермопсином на ферме на северо-западе Квинсленда. Была протестирована близлежащая плотина, на которой наблюдается цветение водорослей, и был обнаружен C. raciborskii . Анализ с помощью ВЭЖХ / масс-спектрометрии выявил присутствие CYN в образце биомассы . Вскрытие одного из телят сообщили опухшие печени и желчного пузыря , а также кровоизлияний в сердце и тонкий кишечник . Гистологическое исследование ткани печени соответствовало результатам, полученным у мышей, пораженных CYN. Это был первый отчет о C. raciborskii, вызывающем смертность животных в Австралии.
Влияние цветения C. raciborskii на пруд для аквакультуры в Таунсвилле , Австралия, было оценено в 1997 году. В пруду водились раки Redclaw , а также популяция радужных рыб из озера Ичем, чтобы контролировать избыток пищи. Анализ показал, что вода содержала как внеклеточный, так и внутриклеточный CYN, и что раки накапливали его в первую очередь в печени, но также и в мышечной ткани. Исследование содержимого кишечника выявило цианобактериальные клетки , что указывает на то, что раки проглотили внутриклеточный токсин. Эксперимент с использованием экстракта цветков показал, что внеклеточный токсин также может попадать непосредственно в ткани. Такое биоаккумулирование , особенно в аквакультуре, вызывает озабоченность, особенно когда люди являются конечными потребителями продукта.
Влияние цветения цианобактерий оценивалось с экономической точки зрения. В декабре 1991 года самое крупное в мире цветение водорослей произошло в Австралии, где пострадала 1000 км реки Дарлинг - Барвон . Было потеряно один миллион человеко-дней питьевой воды, а прямые затраты составили более 1,3 миллиона австралийских долларов . Кроме того, было потеряно 2000 человеко-дней отдыха, а экономические затраты были оценены в 10 миллионов австралийских долларов с учетом таких косвенно затронутых отраслей, как туризм , размещение и транспорт .
Современные методы анализа проб воды
Современные методы включают жидкостную хроматографию в сочетании с масс-спектрометрией ( ЖХ-МС ), биоанализ на мышах, анализ ингибирования синтеза белка и анализ с обращенной фазой HPLC-PDA (Photo Diode Array). Был разработан анализ бесклеточного синтеза белка, который, по-видимому, сопоставим с ВЭЖХ-МС.