Anatoxina-a - Anatoxin-a
|
|
|
|
| Nombres | |
|---|---|
|
Nombre IUPAC
1- (9-azabiciclo [4.2.1] non-2-en-2-il) etan-1-ona
|
|
| Otros nombres
Anatoxina A
|
|
| Identificadores | |
|
Modelo 3D ( JSmol )
|
|
| CHEMBL | |
| ChemSpider | |
| Tarjeta de información ECHA |
100.215.761 
|
| KEGG | |
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
Tablero CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Propiedades | |
| C 10 H 15 NO | |
| Masa molar | 165.232 |
|
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
|
 verificar ( ¿qué es ?)
  |
|
| Referencias de Infobox | |
La anatoxina-a , también conocida como factor de muerte muy rápida ( VFDF ), es un alcaloide amínico bicíclico secundario y cianotoxina con neurotoxicidad aguda . Se descubrió por primera vez a principios de la década de 1960 en Canadá y se aisló en 1972. La toxina es producida por múltiples géneros de cianobacterias y se ha informado en América del Norte, América del Sur, América Central, Europa, África, Asia y Oceanía. Los síntomas de la toxicidad por anatoxina-a incluyen pérdida de coordinación , fasciculaciones musculares , convulsiones y muerte por parálisis respiratoria . Su modo de acción es a través del receptor nicotínico de acetilcolina (nAchR) donde imita la unión del ligando natural del receptor , acetilcolina . Como tal, la anatoxina-a se ha utilizado con fines medicinales para investigar enfermedades caracterizadas por niveles bajos de acetilcolina. Debido a su alta toxicidad y su posible presencia en el agua potable, la anatoxina-a representa una amenaza para los animales, incluidos los humanos. Si bien existen métodos para la detección y el tratamiento del agua, los científicos han pedido más investigación para mejorar la confiabilidad y la eficacia. La anatoxina- a no debe confundirse con la guanitoxina (anteriormente anatoxina-a (S)), otra potente cianotoxina que tiene un mecanismo de acción similar al de la anatoxina-a y es producida por muchos de los mismos géneros de cianobacterias, pero es estructuralmente no relacionado.
Historia
La anatoxina-a fue descubierta por primera vez por PR Gorham a principios de la década de 1960, después de que varios rebaños de ganado murieran como resultado de beber agua del lago Saskatchewan en Ontario, Canadá, que contenía floraciones de algas tóxicas . Fue aislado en 1972 por JP Devlin de la cianobacteria Anabaena flos-aquae .
Ocurrencia
La anatoxina-a es una neurotoxina producida por varios géneros de cianobacterias de agua dulce que se encuentran en los cuerpos de agua a nivel mundial. Se sabe que algunas cianobacterias de agua dulce son tolerantes a la sal y, por lo tanto, es posible que la anatoxina-a se encuentre en estuarios u otros ambientes salinos. Las floraciones de cianobacterias que producen anatoxina-a entre otras cianotoxinas están aumentando en frecuencia debido al aumento de las temperaturas, la estratificación y la eutrofización debido a la escorrentía de nutrientes. Estas floraciones expansivas de algas nocivas de cianobacterias , conocidas como cianoHAB, aumentan la cantidad de cianotoxinas en el agua circundante, amenazando la salud de los organismos acuáticos y terrestres. Algunas especies de cianobacterias que producen anatoxina-a no producen floraciones de agua superficial, sino que forman esteras bentónicas . Se han producido muchos casos de muertes de animales relacionadas con la anatoxina a debido a la ingestión de esteras de cianobacterias bentónicas desprendidas que se han arrastrado a tierra.
También se han encontrado cianobacterias productoras de anatoxina-a en suelos y plantas acuáticas. La anatoxina-a se absorbe bien en sitios cargados negativamente en suelos arcillosos, ricos en materia orgánica y débil en suelos arenosos. Un estudio encontró anatoxina-a unida y libre en el 38% de las plantas acuáticas muestreadas en 12 reservorios de Nebraska, con una incidencia mucho mayor de anatoxina-a unida que libre.
Estudios experimentales
En 1977, Carmichael, Gorham y Biggs experimentaron con anatoxina-a. Introdujeron cultivos tóxicos de A. flos-aquae en el estómago de dos terneros machos jóvenes y observaron que las fasciculaciones musculares y la pérdida de coordinación se producían en cuestión de minutos, mientras que la muerte por insuficiencia respiratoria se producía entre varios minutos y unas pocas horas. . También establecieron que períodos extensos de respiración artificial no permitían que ocurriera la desintoxicación y que se reanudara el funcionamiento neuromuscular natural. A partir de estos experimentos, calcularon que la dosis letal mínima oral (DLM) (de las algas, no de la molécula de anatoxina) para los terneros es de aproximadamente 420 mg / kg de peso corporal.
En el mismo año, Devlin y sus colegas descubrieron la estructura de amina secundaria bicíclica de la anatoxina-a. También realizaron experimentos similares a los de Carmichael et al. en ratones. Descubrieron que la anatoxina-a mata a los ratones de 2 a 5 minutos después de la inyección intraperitoneal precedida por contracciones, espasmos musculares, parálisis y paro respiratorio, de ahí el nombre de factor de muerte muy rápida. Determinaron que la LD50 para ratones era de 250 µg / kg de peso corporal.
Los experimentos electrofisiológicos realizados por Spivak et al. (1980) en ranas mostró que la anatoxina-a es un potente agonista del nAChR de tipo muscular (α 1 ) 2 βγδ. Anatoxina-a induce bloqueo neuromuscular despolarizante, contractura del músculo recto del abdomen de la rana, despolarización del músculo sartorio de la rana, desensibilización y alteración del potencial de acción. Posteriormente, Thomas et al., (1993) a través de su trabajo con subunidades de nAChR α 4 β 2 de pollo expresadas en células M10 de ratón y nAChR α 7 de pollo expresadas en ovocitos de Xenopus laevis , demostraron que la anatoxina-a también es un potente agonista de nAChR neuronal.
Toxicidad
Efectos
Los estudios de laboratorio con ratones mostraron que los efectos característicos de la intoxicación aguda por anatoxina-a por inyección intraperitoneal incluyen fasciculaciones musculares , temblores, tambaleo, jadeo, parálisis respiratoria y muerte en minutos. El pez cebra expuesto a agua contaminada con anatoxina a había alterado la frecuencia cardíaca.
Ha habido casos de envenenamiento no letal en humanos que han ingerido agua de arroyos y lagos que contienen varios géneros de cianobacterias que son capaces de producir anatoxina-a. Los efectos del envenenamiento no letal fueron principalmente gastrointestinales: náuseas, vómitos, diarrea y dolor abdominal. Se informó un caso de envenenamiento letal en Wisconsin después de que un adolescente saltara a un estanque contaminado con cianobacterias.
Rutas de exposición
Oral
La ingestión de agua potable o agua recreativa contaminada con anatoxina-a puede tener consecuencias fatales, ya que se descubrió que la anatoxina-a se absorbe rápidamente a través del tracto gastrointestinal en estudios con animales. Se han registrado decenas de casos de muerte de animales debido a la ingestión de agua contaminada con anatoxina-a de lagos o ríos, y se sospecha que también ha sido la causa de la muerte de un ser humano. Un estudio encontró que la anatoxina-a es capaz de unirse a los receptores de acetilcolina e inducir efectos tóxicos con concentraciones en el rango nano-molar (nM) si se ingiere.
Dérmico
La exposición cutánea es la forma más probable de contacto con cianotoxinas en el medio ambiente. Se sabe que la exposición recreativa a las aguas de ríos, arroyos y lagos contaminadas con floraciones de algas causa irritación de la piel y erupciones cutáneas. El primer estudio que analizó los efectos citotóxicos in vitro de la anatoxina-a sobre la proliferación y migración de células de la piel humana encontró que la anatoxina-a no ejercía ningún efecto a 0,1 µg / ml o 1 µg / ml, y un efecto tóxico débil a 10 µg / ml solo después de un período prolongado de contacto (48 horas).
Inhalación
Actualmente no se dispone de datos sobre la toxicidad por inhalación de la anatoxina-a, aunque se produjo una dificultad respiratoria grave en un esquiador acuático después de inhalar un rocío de agua que contenía una neurotoxina cianobacteriana, la saxitoxina . Es posible que la inhalación de agua pulverizada que contenga anatoxina-a pueda tener consecuencias similares.
Mecanismo de toxicidad
La anatoxina-a es un agonista de los receptores de acetilcolina nicotínicos α 4 β 2 y α 4 neuronales presentes en el SNC, así como de los nAchR de tipo muscular (α 1 ) 2 βγδ que están presentes en la unión neuromuscular . (La anatoxina-a tiene una afinidad por estos receptores de tipo muscular que es aproximadamente 20 veces mayor que la de la acetilcolina ). Sin embargo, la cianotoxina tiene poco efecto sobre los receptores muscarínicos de acetilcolina ; tiene una selectividad 100 veces menor para este tipo de receptores que para los nAchR. La anatoxina-a también muestra mucha menos potencia en el SNC que en las uniones neuromusculares. En las neuronas del hipocampo y del tronco encefálico, era necesaria una concentración de anatoxina-a de 5 a 10 veces mayor para activar los nAchR de lo que se requería en el SNP.
En circunstancias normales, la acetilcolina se une a los nAchR en la membrana neuronal postsináptica, provocando un cambio conformacional en el dominio extracelular del receptor que a su vez abre el poro del canal. Esto permite que los iones Na + y Ca 2+ se muevan hacia la neurona, provocando la despolarización celular e induciendo la generación de potenciales de acción , lo que permite la contracción muscular. El neurotransmisor acetilcolina luego se disocia del nAchR, donde se escinde rápidamente en acetato y colina por la acetilcolinesterasa .
La anatoxina-a que se une a estos nAchR causa los mismos efectos en las neuronas. Sin embargo, la unión de anatoxina-a es irreversible y el complejo anatoxina-a nAchR no puede ser degradado por la acetilcolinesterasa . Por lo tanto, el nAchR se bloquea temporalmente y se insensibiliza después de un período de tiempo. En este estado desensibilizado, los nAchR ya no dejan pasar los cationes, lo que finalmente conduce a un bloqueo de la transmisión neuromuscular .
Dos enantiómeros de anatoxina-a, el enantiómero positivo , (+) - anatoxina-a, es 150 veces más potente que el enantiómero sintético negativo, (-) - anatoxina-a. Esto se debe a que (+) - anatoxina-a, la conformación s- cis enona, tiene una distancia de 6,0 Å entre su nitrógeno y su grupo carbonilo , que corresponde bien a la distancia de 5,9 Å que separa el nitrógeno y el oxígeno en la acetilcolina.
El paro respiratorio , que resulta en una falta de suministro de oxígeno al cerebro, es el efecto más evidente y letal de la anatoxina-a. Las inyecciones a ratones, ratas, pájaros, perros y terneros con dosis letales de anatoxina-a han demostrado que la muerte está precedida por una secuencia de fasciculaciones musculares , disminución del movimiento, colapso, respiración abdominal exagerada, cianosis y convulsiones . En ratones, la anatoxina-a también afectó gravemente la presión arterial y la frecuencia cardíaca y provocó una acidosis grave .
Casos de toxicidad
Desde su descubrimiento se han informado muchos casos de muerte de animales y ganado debido a la anatoxina-a. Se han observado muertes de perros domésticos debido a la cianotoxina, según lo determinado por el análisis del contenido del estómago, en la parte baja de la Isla Norte en Nueva Zelanda en 2005, en el este de Francia en 2003, en California de los Estados Unidos en 2002 y 2006, en Escocia en 1992, en Irlanda en 1997 y 2005, en Alemania en 2017 y 2020 En cada caso, los perros comenzaron a mostrar convulsiones musculares en minutos y murieron en cuestión de horas. Se han reportado numerosas muertes de ganado como resultado del consumo de agua contaminada con cianobacterias que producen anatoxina-a en los Estados Unidos, Canadá y Finlandia entre 1980 y el presente.
Un caso particularmente interesante de intoxicación por anatoxina-a es el de los flamencos menores en el lago Bogoria en Kenia . La cianotoxina, que se identificó en los estómagos y las heces fecales de las aves, mató aproximadamente a 30.000 flamencos en la segunda mitad de 1999 y continúa causando muertes masivas anualmente, devastando la población de flamencos. La toxina se introduce en las aves a través del agua contaminada con comunidades de esterillas de cianobacterias que surgen de las aguas termales en el lecho del lago.
Síntesis
Síntesis de laboratorio
Expansión cíclica de tropanos
La primera sustancia inicial que se produce biológicamente para la expansión del tropano en anatoxina-a fue la cocaína , que tiene una estereoquímica similar a la de la anatoxina-a. La cocaína se convierte primero en el isómero endo del ciclopropano, que luego se escinde fotolíticamente para obtener una cetona alfa, beta insaturada. Mediante el uso de azodicarboxilato de dietilo, la cetona se desmetila y se forma la anatoxina-a. Una vía de síntesis similar y más reciente implica la producción de 2-tropinona a partir de cocaína y el tratamiento del producto con cloroformiato de etilo que produce una cetona bicíclica. Este producto se combina con trimetilsilildiacilmetano, un ácido de Lewis de organoaluminio y éter de trimetilsinil enol para producir tropinona. Este método se somete a varios pasos más, produciendo intermedios útiles así como anatoxina-a como producto final.
Ciclación de ciclooctenos
El primer y más extensamente explorado enfoque utilizado para sintetizar la anatoxina-a in vitro, la ciclación del cicloocteno involucra al 1,5-ciclooctadieno como su fuente inicial. Esta sustancia de partida se hace reaccionar para formar metilamina y se combina con ácido hipobromoso para formar anatoxina-a. Otro método desarrollado en el mismo laboratorio utiliza aminoalcohol junto con acetato de mercurio (II) y borohidruro de sodio. El producto de esta reacción se transformó en una cetona alfa, beta y se oxidó con azodicarboxilato de etilo para formar anatoxina-a.
Estrategia de enolización enantioselectiva
Este método para la producción de anatoxina-a fue uno de los primeros utilizados que no utiliza una sustancia de partida quiméricamente análoga para la formación de anatoxina. En su lugar, se usa una mezcla racémica de 3-tropinona con una base de amida de litio quiral y reacciones de expansión de anillo adicionales para producir un intermedio de cetona. La adición de un organocuprato a la cetona produce un derivado de triflato de enol, que luego se lisa de forma hidrógena y se trata con un agente desprotector para producir anatoxina-a. Otros laboratorios también han desarrollado y utilizado estrategias similares.
Ciclación intramolecular de iones iminio
La ciclación del ión iminio utiliza varias vías diferentes para crear anatoxina-a, pero cada una de ellas produce y progresa con un ión pirrolidina iminio. Las principales diferencias en cada vía se relacionan con los precursores utilizados para producir el ión imio y el rendimiento total de anatoxina-a al final del proceso. Estas vías separadas incluyen la producción de sales de alquil iminio, sales de acil iminio y sales de tosil iminio.
Metátesis de Enyne
La metátesis de enina de anatoxina-a implica el uso de un mecanismo de cierre de anillo y es uno de los avances más recientes en la síntesis de anatoxina-a. En todos los métodos que involucran esta vía, el ácido piroglutámico se usa como material de partida junto con un catalizador de Grubb. Similar a la ciclación de iminio, el primer intento de síntesis de anatoxina-a usando esta vía usó una 2,5-cis-pirrolidina como intermedio.
Biosíntesis
La anatoxina-a se sintetiza in vivo en la especie Anabaena flos aquae , así como en varios otros géneros de cianobacterias. La anatoxina-a y las estructuras químicas relacionadas se producen utilizando acetato y glutamato. Una reducción enzimática adicional de estos precursores da como resultado la formación de anatoxina-a. La homoanatoxina, una sustancia química similar, es producida por Oscillatoria formosa y utiliza el mismo precursor. Sin embargo, la homoanatoxina se somete a una adición de metilo por S-adenosil-L_metionina en lugar de una adición de electrones, lo que da como resultado un análogo similar. El grupo de genes biosintéticos (BGC) para la anatoxina-a se describió en Oscillatoria PCC 6506 en 2009.
Estabilidad y degradación
La anatoxina-a es inestable en agua y otras condiciones naturales, y en presencia de luz ultravioleta sufre fotodegradación , convirtiéndose en los productos menos tóxicos dihidroanatoxina-ay epoxianatoxina-a. La fotodegradación de la anatoxina-a depende del pH y la intensidad de la luz solar, pero es independiente del oxígeno, lo que indica que la degradación por la luz no se logra mediante el proceso de fotooxidación.
Los estudios han demostrado que algunos microorganismos son capaces de degradar la anatoxina-a. Un estudio realizado por Kiviranta y sus colegas en 1991 mostró que el género bacteriano Pseudomonas era capaz de degradar la anatoxina-a a una velocidad de 2 a 10 μg / ml por día. Experimentos posteriores realizados por Rapala y colegas (1994) apoyaron estos resultados. Compararon los efectos de los sedimentos esterilizados y no esterilizados sobre la degradación de la anatoxina-a en el transcurso de 22 días, y encontraron que después de ese tiempo los viales con los sedimentos esterilizados mostraron niveles similares de anatoxina-a como al comienzo del experimento, mientras que los viales con sedimento no esterilizado mostraron una disminución del 25-48%.
Detección
Hay dos categorías de métodos de detección de anatoxina-a. Los métodos biológicos han implicado la administración de muestras a ratones y otros organismos más comúnmente utilizados en pruebas ecotoxicológicas, como el camarón de salmuera ( Artemia salina ), las larvas del crustáceo de agua dulce Thamnocephalus platyurus y varias larvas de insectos. Los problemas con esta metodología incluyen la incapacidad de determinar si es la anatoxina-a u otra neurotoxina la que causa las muertes resultantes. También se necesitan grandes cantidades de material de muestra para este tipo de pruebas. Además de los métodos biológicos, los científicos han utilizado la cromatografía para detectar la anatoxina-a. Esto se complica por la rápida degradación de la toxina y la falta de estándares disponibles comercialmente para la anatoxina-a.
Salud pública
A pesar de la frecuencia relativamente baja de la anatoxina-a en relación con otras cianotoxinas, su alta toxicidad (la dosis letal no se conoce para los humanos, pero se estima que es menos de 5 mg para un hombre adulto) significa que todavía se considera una amenaza grave. a los organismos terrestres y acuáticos, sobre todo al ganado y a los seres humanos. Se sospecha que la anatoxina-a estuvo involucrada en la muerte de al menos una persona. La amenaza que representan la anatoxina-ay otras cianotoxinas está aumentando a medida que la escorrentía de fertilizantes, que conduce a la eutrofización en lagos y ríos, y las temperaturas globales más altas contribuyen a una mayor frecuencia y prevalencia de floraciones de cianobacterias.
Regulaciones de agua
La Organización Mundial de la Salud en 1999 y la EPA en 2006 llegaron a la conclusión de que no había suficientes datos de toxicidad para la anatoxina-a para establecer un nivel formal de ingesta diaria tolerable (TDI), aunque algunos lugares han implementado niveles propios.
Estados Unidos
Niveles de advertencia de agua potable
La anatoxina-a no está regulada por la Ley de Agua Potable Segura , pero los estados pueden crear sus propios estándares para contaminantes que no están regulados. Actualmente, hay cuatro estados que han establecido niveles de advertencia para el agua potable para la anatoxina-a, como se muestra en la siguiente tabla. El 8 de octubre de 2009, la EPA publicó la tercera Lista de candidatos a contaminantes del agua potable (CCL) que incluía anatoxina-a (entre otras cianotoxinas), lo que indica que la anatoxina-a puede estar presente en los sistemas públicos de agua pero no está regulada por la EPA. La presencia de anatoxina-a en el CCL significa que es posible que deba ser regulada por la EPA en el futuro, en espera de más información sobre sus efectos en la salud de los seres humanos.
| Estado | Concentración (µg / L) |
|---|---|
| Minnesota | 0,1 |
| Ohio | 20 |
| Oregón | 0,7 |
| Vermont | 0,5 |
Niveles de advertencia de agua recreativa
En 2008, el estado de Washington implementó un nivel de advertencia recreativa para la anatoxina-a de 1 µg / L con el fin de manejar mejor las floraciones de algas en los lagos y proteger a los usuarios de la exposición a las floraciones.
Canadá
La provincia canadiense de Québec tiene un valor máximo aceptado de agua potable de anatoxina-a de 3,7 µg / L.
Nueva Zelanda
Nueva Zelanda tiene un valor máximo aceptado para el agua potable de anatoxina-a de 6 µg / L.
Tratamiento de aguas
Por el momento, no existe un nivel de referencia oficial para la anatoxina-a, aunque los científicos estiman que un nivel de 1 μg l -1 sería suficientemente bajo. Del mismo modo, no existen pautas oficiales con respecto a las pruebas de anatoxina-a. Entre los métodos para reducir el riesgo de cianotoxinas, incluida la anatoxina-a, los científicos consideran favorablemente los métodos de tratamiento biológico porque no requieren tecnología complicada, son de bajo mantenimiento y tienen bajos costos de funcionamiento. Se han probado pocas opciones de tratamiento biológico para la anatoxina-a específicamente, aunque se ha identificado una especie de Pseudomonas , capaz de biodegradar la anatoxina-a a una tasa de 2 a 10 μg ml -1 d -1 . El carbón activado biológico (granular) (BAC) también se ha probado como un método de biodegradación, pero no es concluyente si ocurrió la biodegradación o si la anatoxina-a simplemente estaba adsorbiendo el carbón activado. Otros han pedido estudios adicionales para determinar más sobre cómo usar el carbón activado de manera efectiva.
Los métodos de tratamiento químico son más comunes en el tratamiento del agua potable en comparación con el tratamiento biológico, y se han sugerido numerosos procesos para la anatoxina-a. Los oxidantes como el permanganato de potasio , el ozono y los procesos de oxidación avanzada ( AOP ) han funcionado para reducir los niveles de anatoxina-a, pero otros, como la fotocatálisis, la fotólisis UV y la cloración , no han mostrado una gran eficacia.
La eliminación directa de las cianobacterias en el proceso de tratamiento del agua mediante un tratamiento físico (por ejemplo, filtración por membrana ) es otra opción porque la mayor parte de la anatoxina-a está contenida dentro de las células cuando la floración está creciendo. Sin embargo, la anatoxina-a se libera de las cianobacterias al agua cuando envejecen y se lisan, por lo que es posible que el tratamiento físico no elimine toda la anatoxina-a presente. Es necesario realizar más investigaciones para encontrar métodos más fiables y eficientes tanto de detección como de tratamiento.
Usos de laboratorio
La anatoxina-a es un agonista del receptor de acetilcolina nicotínico muy potente y, como tal, se ha estudiado ampliamente con fines medicinales. Se utiliza principalmente como sonda farmacológica para investigar enfermedades caracterizadas por niveles bajos de acetilcolina, como distrofia muscular , miastenia gravis , enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Parkinson . Se están probando más investigaciones sobre la anatoxina-ay otros análogos menos potentes como posibles reemplazos de la acetilcolina.
Géneros de cianobacterias que producen anatoxina-a
- Anabaena (Dolichospermum)
- Aphanizomenon
- Cylindrospermopsis
- Cylindrospermum
- Lyngbya
- Microcystis
- Nostoc
- Oscillatoria
- Formidio
- Planktothrix
- Raphidiopsis
- Tychonema
- Woronichinia
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Wood SA, Rasmussen JP, Holland PT, Campbell R, Crowe AL (2007). "Primer informe de la cianotoxina Anatoxina-A de Aphanizomenon issatschenkoi (cianobacterias)". Revista de Phycology . 43 (2): 356–365. doi : 10.1111 / j.1529-8817.2007.00318.x . S2CID 84284928 .
- Wonnacott S, Gallagher T (abril de 2006). "La química y farmacología de la anatoxina-ay homotropanos relacionados con respecto a los receptores nicotínicos de acetilcolina" . Drogas marinas . 4 (3): 228-254. doi : 10.3390 / md403228 . PMC 3663412 .
enlaces externos
- Factor de muerte muy rápido (anatoxina-a) en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Molécula del mes: anatoxina en la Escuela de Química, Física y Estudios Ambientales de la Universidad de Sussex en Brighton