Цианотоксин

редактировать
Зеленая пена, производимая цианобактериями и содержащая их, выброшенная на скалы в Калифорнии во время цветения водорослей

Цианотоксины представляют собой токсины, вырабатываемые бактериями, называемыми цианобактериями (также известными как сине-зеленые водоросли). Цианобактерии встречаются почти повсюду, но особенно в озерах и в океане, где в условиях высокой концентрации фосфора они экспоненциально размножаются с образованием цветков. Цветущие цианобактерии могут производить цианотоксины в таких концентрациях, что они отравляют и даже убивают животных и людей. Цианотоксины также могут накапливаться в других животных, таких как рыба и моллюски, и вызывать отравления, такие как отравление моллюсками.

Среди цианотоксинов есть некоторые из самых сильных известных природных ядов, включая яды, которые могут быстро вызывать смерть от дыхательной недостаточности. Токсины включают сильнодействующие нейротоксины, гепатотоксины, цитотоксины и эндотоксины. Несмотря на сходство названий, они не являются цианидами. Контакт с цианобактериями в рекреационных целях может вызвать симптомы желудочно-кишечного тракта и сенной лихорадки или зуд кожных высыпаний. Воздействие нейротоксина цианобактерий BMAA может быть экологической причиной нейродегенеративных заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз (БАС), болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.. Также проявляется интерес к военному потенциалу биологических нейротоксинов, таких как цианотоксины, которые «приобрели все большее значение как потенциальные кандидаты для использования в качестве оружия».

Первый опубликованный отчет о сине-зеленых водорослях или цианобактерии могли иметь летальные последствия, появившиеся в Nature в 1878 году. Джордж Фрэнсис описал цветение водорослей, которое он наблюдал в устье реки реки Мюррей в Австралии, как «густую пену, похожую на зеленое масло. краска толщиной от двух до шести дюймов ". Дикая природа, выпившая воду, погибла быстро и ужасно. Большинство зарегистрированных случаев отравления токсинами микроводорослей произошло в пресноводной среде, и они становятся все более распространенными и широко распространенными. Например, тысячи уток и гусей погибли, употребляя зараженную воду на Среднем Западе США. В 2010 году впервые было сообщено, что морские млекопитающие умерли от приема цианотоксинов.

Содержание

  • 1 Цианобактерии
  • 2 Вредное цветение водорослей
  • 3 Химическая структура
  • 4 Циклические пептиды
    • 4.1 Микроцистины
    • 4.2 Нодулярины
  • 5 Алкалоиды
    • 5.1 Анатоксин-a
    • 5.2 Цилиндроспермопсины
    • 5.3 Сакситоксины
    • 5.4 Липополисахариды
  • 6 Аминокислоты
    • 6.1 BMAA
  • 7 Галерея
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

Цианобактерии

Цианотоксины производятся цианобактериями, тип из бактерии, которые получают энергию посредством фотосинтеза. Приставка голубой происходит от греческого κύανoς, означающего «темно-синее вещество», и обычно обозначает любой из множества цветов в синем / зеленом диапазоне спектра. Цианобактерии обычно называют сине-зелеными водорослями. Традиционно они считались разновидностью водорослей и упоминались как таковые в старых учебниках. Однако современные источники склонны считать это устаревшим; в настоящее время они считаются более близкими к бактериям, а термин для настоящих водорослей ограничен эукариотическими организмами. Как и настоящие водоросли, цианобактерии фотосинтезируют и содержат фотосинтетические пигменты, поэтому они обычно зеленого или синего цвета.

Цианобактерии встречаются почти везде; в океанах, озерах и реках, а также на суше. Они процветают в арктических и антарктических озерах, горячих источниках и очистных сооружениях. Они даже населяют мех белых медведей, которому придают зеленоватый оттенок. Цианобактерии производят сильнодействующие токсины, но они также продуцируют полезные биоактивные соединения, включая вещества с противоопухолевой, противовирусной, противоопухолевой, антибиотической и противогрибковой активностью, УФ-защитными средствами и специфическими ингибиторами ферментов.

Вредное цветение водорослей

Густое цветение цианобактерий в устье реки Потомак. Это цветение может быть токсичным.

Цианотоксины часто вызывают то, что обычно называют красными приливами или вредоносным цветением водорослей. Озера и океаны содержат множество одноклеточных организмов, называемых фитопланктоном. При определенных условиях, особенно при высоких концентрациях питательных веществ, эти организмы размножаются экспоненциально. Образовавшийся плотный рой фитопланктона называется цветением водорослей ; они могут занимать сотни квадратных километров, и их легко увидеть на спутниковых снимках. Отдельный фитопланктон редко живет дольше нескольких дней, но цветение может длиться недели.

Обычно такое цветение безвредно, но в противном случае его называют вредоносным цветением водорослей или ВЦВ. ВЦВ могут содержать токсины или патогены, которые приводят к гибели рыб, а также могут быть фатальными для человека. В морской среде ВЦВ в основном вызываются динофлагеллятами, хотя виды других таксонов водорослей также могут вызывать ВЦВ (диатомеи, жгутиконосцы, гаптофиты и рафидофиты ). Морские виды динофлагеллят часто токсичны, но пресноводные виды не известны. Также не известно, что диатомовые водоросли токсичны, по крайней мере для человека.

В пресноводных экосистемах цветение водорослей чаще всего вызывается высоким уровнем питательных веществ (эвтрофикация ). Цветы могут выглядеть как пена, пена, маты или краска, плавающая на поверхности воды, но они не всегда видны. И цветы не всегда зеленые; они могут быть синими, а некоторые виды цианобактерий имеют коричневато-красный цвет. Вода может плохо пахнуть, когда цианобактерии в цветке умирают.

Сильное цветение цианобактерий снижает видимость до одного или двух сантиметров. Виды, которые не зависят от зрения (например, сами цианобактерии), выживают, но виды, которым необходимо видеть, чтобы найти пищу и партнеров, подвергаются опасности. В течение дня цветущие цианобактерии насыщают воду кислородом. Ночью дышащие водные организмы могут истощить кислород до такой степени, что чувствительные виды, например, некоторые рыбы, погибнут. Более вероятно, что это произойдет около морского дна или термоклина. Кислотность воды также меняется ежедневно во время цветения, при этом pH достигает 9 или более в течение дня и опускается до низких значений ночью, что еще больше подвергает экосистему стрессу. Кроме того, многие виды цианобактерий производят мощные цианотоксины, которые концентрируются во время цветения до такой степени, что становятся смертельными для ближайших водных организмов и любых других животных, находящихся в прямом контакте с цветением, включая птиц, домашний скот, домашних животных и иногда людей.

В 1991 году вредоносное цветение цианобактерий затронуло 1000 км реки Дарлинг - реки Барвон в Австралии, что обошлось экономическим затратам в 10 миллионов австралийских долларов.

Химическая структура

Цианотоксины обычно нацелены на нервную систему (нейротоксины ), печень (гепатотоксины ) или кожу (дерматоксины ). По химической структуре цианотоксины делятся на три широкие группы: циклические пептиды, алкалоиды и липополисахариды (эндотоксины).

Химическая структура цианотоксинов
СтруктураЦианотоксинПервичный орган-мишень у млекопитающихРоды цианобактерий
Циклические пептиды Микроцистины ПеченьMicrocystis, Anabaena, Planktothrix (Oscillatoria), Носток, Анабаенопсис
Нодулярины ПеченьНодулярии
Алкалоиды Анатоксин-а Нервный синапсАнабаена, Планктотрикс (Осциллятория), Афанизоменон
Гуанитоксин Нервный синапсАнабаена
Цилиндроспермопсины ПеченьЦилиндроспермопсис, Афанизоменон,
Лингби 336>Кожа, желудочно-кишечный трактLyngbya
Saxitoxin Нервный синапсAnabaena, Aphanizomenon, Lyngbya, Cylindrospermopsis
Липополисахариды Возможный раздражитель; влияет на любую открытую тканьВсе
Поликетиды Аплисиатоксины КожаLyngbya, Planktothrix (Oscillatoria)
Аминокислота BMAA Нервная система Все

Большинство цианотоксинов имеют несколько вариантов (аналоги ). По состоянию на 1999 г. в общей сложности было известно более 84 цианотоксинов, и лишь небольшое их число было хорошо изучено.

Циклические пептиды

A пептид представляет собой короткий полимер из амино кислоты, связанные пептидными связями. Они имеют ту же химическую структуру, что и белки, за исключением того, что они короче. В циклическом пептиде концы соединяются с образованием стабильной кольцевой цепи. У млекопитающих эта стабильность делает их устойчивыми к процессу пищеварения, и они могут биоаккумулироваться в печени. Из всех цианотоксинов циклические пептиды представляют наибольшую опасность для здоровья человека. Микроцистины и нодулярины отравляют печень, а воздействие высоких доз может вызвать смерть. Воздействие низких доз с питьевой водой в течение длительного периода времени может способствовать развитию опухолей печени и других опухолей.

Микроцистины

Микроцистин LR

Как и другие цианотоксины, микроцистины были названы в честь первый обнаруженный организм, производящий их, Microcystis aeruginosa. Однако позже было обнаружено, что их продуцируют и другие роды цианобактерий. Существует около 60 известных вариантов микроцистина, и некоторые из них могут вырабатываться во время цветения. Наиболее часто описываемым вариантом является микроцистин-LR, возможно потому, что самый ранний коммерчески доступный химический стандартный анализ был на микроцистин-LR.

Соцветия, содержащие микроцистин, представляют собой проблему во всем мире в пресноводных экосистемах. Микроцистины представляют собой циклические пептиды и могут быть очень токсичными для растений и животных, включая человека. Они биоаккумулируются в печени рыб, в гепатопанкреасе мидий и в зоопланктоне. Они гепатотоксичны и могут вызвать серьезные повреждения печени у человека. В этом отношении они похожи на нодулярины (см. Ниже), и вместе микроцистины и нодулярины составляют большую часть токсичных цветений цианобактерий в пресных и солоноватых водах. В 2010 году несколько каланов были отравлены микроцистином. Морские двустворчатые моллюски были вероятным источником гепатотоксического отравления моллюсками. Это был первый подтвержденный пример смерти морского млекопитающего в результате проглатывания цианотоксина.

Нодулярины

Нодуларин-R

Первым идентифицированным вариантом нодулярина был нодуларин-R, продуцируемый cyanobacterium Nodularia spumigena. Эта цианобактерия цветет в водоемах по всему миру. В Балтийском море морское цветение Nodularia spumigena является одним из самых крупных массовых явлений цианобактерий в мире. (Части девяти промышленно развитых стран впадают в Балтийское море, которое имеет слабый водообмен с Северным морем и Атлантическим океаном. Следовательно, это один из наиболее загрязненных водоемов в мире (богатый питательными веществами, с точки зрения цианобактерий).)

В глобальном масштабе наиболее распространенными токсинами, присутствующими в цветках цианобактерий в пресных и солоноватых водах, являются циклические пептидные токсины семейства нодуляринов. Подобно семейству микроцистинов (см. Выше), нодулярины являются сильнодействующими гепатотоксинами и могут вызывать серьезные повреждения печени. Они представляют опасность для здоровья диких и домашних животных, а также людей и во многих областях создают серьезные проблемы для обеспечения безопасной питьевой водой.

Алкалоиды

Алкалоиды представляют собой группу природных химических веществ. соединения, которые в основном содержат основные атомы азота. Они продуцируются множеством организмов, включая цианобактерии, и входят в группу натуральных продуктов, также называемых вторичными метаболитами. Алкалоиды действуют на различные метаболические системы человека и других животных, часто с психотропными или токсическими эффектами. Почти всегда они горькие на вкус.

Анатоксин-а

Анатоксин-а

Исследования анатоксина-а, также известного как «фактор очень быстрой смерти», начались в 1961 году. после смерти коров, которые пили воду из озера с цветущими водорослями в Саскачеване, Канада. Токсин вырабатывается по крайней мере четырьмя разными родами цианобактерий, и о нем сообщалось в Северной Америке, Европе, Африке, Азии и Новой Зеландии.

Токсические эффекты анатоксина - прогресс очень большой. быстро, потому что он действует непосредственно на нервные клетки (нейроны ) как нейротоксин. Прогрессирующие симптомы воздействия анатоксина-а включают потерю координации, подергивание, судороги и быструю смерть от паралича дыхания. Нервные ткани, которые сообщаются с мышцами, содержат рецептор, называемый никотиновым рецептором ацетилхолина. Стимуляция этих рецепторов вызывает мышечное сокращение. Молекула анатоксина-а имеет форму, соответствующую этому рецептору, и, таким образом, имитирует естественный нейромедиатор, обычно используемый рецептором, ацетилхолин. Как только он вызвал сокращение, анатоксин-а не позволяет нейронам вернуться в состояние покоя, потому что он не разрушается холинэстеразой, которая обычно выполняет эту функцию. В результате мышечные клетки постоянно сокращаются, связь между мозгом и мышцами нарушается, и дыхание прекращается.

Внешнее видео
значок видео Очень быстрый фактор смерти. Ноттингемский университет

Токсин был назван фактором очень быстрой смерти, потому что он вызывал тремор, паралич и смерть в течение нескольких минут при введении в полость тела мышей. В 1977 году структура VFDF была определена как вторичный, бициклический амин алкалоид, и он был переименован в анатоксин-а. Структурно он похож на кокаин. Интерес к анатоксину-а сохраняется из-за опасности, которую он представляет для рекреационной и питьевой воды, а также потому, что это особенно полезная молекула для исследования рецепторов ацетилхолина в нервной системе. Смертоносность токсина означает, что он обладает высоким военным потенциалом как токсинное оружие.

Цилиндроспермопсины

Цилиндроспермопсин

Цилиндроспермопсин (сокращенно CYN или CYL) был впервые обнаружен после вспышки загадочной болезни на Palm Island в Австралии. Вспышка была связана с цветением Cylindrospermopsis raciborskii в местной системе питьевого водоснабжения, и впоследствии токсин был идентифицирован. Анализ токсина привел к предложенной химической структуре в 1992 году, которая была пересмотрена после того, как синтез был осуществлен в 2000 году. Было выделено несколько вариантов цилиндроспермопсина, как токсичных, так и нетоксичных. или синтезирован.

Цилиндроспермопсин токсичен для ткани печени и почек и, как полагают, ингибирует синтез белка и ковалентно модифицируют ДНК и / или РНК. Есть опасения по поводу того, как цилиндроспермопсин накапливается в пресноводных организмах. Токсичные цветения видов, производящих цилиндроспермопсин, чаще всего встречаются в водоемах тропических, субтропических и засушливых зон, а недавно были обнаружены в Австралии, Европе, Израиле, Японии и США. (STX) - один из самых сильных природных известных нейротоксинов. Термин сакситоксин произошел от названия вида моллюска-сливочного (Saxidomus giganteus), благодаря которому он был впервые признан. Сакситоксин продуцируется цианобактериями Anabaena spp., Некоторыми Aphanizomenon spp., Cylindrospermopsis sp., Lyngbya sp. и Planktothrix sp., среди прочего). Рыба фугу и некоторые морские динофлагелляты также продуцируют сакситоксин. Сакситоксины биоаккумулируются в моллюсках и некоторых видах рыб. Проглатывание сакситоксина, обычно через моллюсков, зараженных токсичным цветением водорослей, может привести к паралитическому отравлению моллюсками.

Сакситоксин был использован в молекулярной биологии для определения функции натриевого канала. Он действует на потенциалзависимые натриевые каналы нервных клеток, препятствуя нормальному функционированию клеток и приводя к параличу. Блокирование нейронных натриевых каналов, которое происходит при паралитическом отравлении моллюсками, приводит к вялому параличу, который оставляет жертву спокойной и сознательной на протяжении прогрессирования симптомов. Смерть часто наступает от дыхательной недостаточности. Сакситоксин был первоначально выделен и описан военными США, которые присвоили ему обозначение химического оружия «TZ». Сакситоксин включен в список 1 Конвенции о химическом оружии. Согласно книге Spycraft, пилотам U-2 были предоставлены иглы, содержащие сакситоксин, которые можно было использовать для совершения самоубийства в случае невозможности побега.

Липополисахариды

Липополисахариды присутствуют во всех цианобактерии. Хотя некоторые исследователи не так сильны, как другие цианотоксины, некоторые исследователи утверждают, что все липополисахариды цианобактерий могут раздражать кожу, в то время как другие исследователи сомневаются, что токсические эффекты носят общий характер.

Аминокислоты

BMAA

Непротеиногенная аминокислота бета-метиламино-L-аланин (BMAA) повсеместно продуцируется цианобактериями в морских, пресноводных, солоноватых, и земная среда. Точные механизмы токсичности BMAA на нейронные клетки изучаются. Исследования предполагают как острые, так и хронические механизмы токсичности. BMAA исследуется как потенциальный экологический фактор риска нейродегенеративных заболеваний, включая БАС, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера.

Галерея

Другие цианотоксины:

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-16 12:19:29
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте