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Articulo de referencia

Microcistina-LR

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La microcistina-LR ( MC-LR ) es una toxina producida por cianobacterias . Es la más tóxica de las microcistinas .

Estructura

Las microcistinas son heptapéptidos cíclicos . Los siete aminoácidos que intervienen en la estructura de una microcistina incluyen los aminoácidos únicos ADDA y D -β-metil-isoaspartato ( D -β-Me-isoAsp). Además, las microcistinas contienen dos residuos variables que permiten diferenciar sus variantes. Estas dos funciones variables corresponden siempre a aminoácidos proteinogénicos estándar ; en la microcistina-LR, estos son leucina y arginina .

La composición química de la microcistina-LR está formada por 7 aminoácidos.
La composición química de la microcistina-LR está formada por 7 aminoácidos.

Hasta la fecha se han identificado más de 250 microcistinas, [ 1 ] que representan diferencias en los dos residuos variables y algunas modificaciones en los otros aminoácidos. Estas modificaciones incluyen la desmetilación de Masp y Mdha y la metilesterificación de D -Glu. Las diferentes microcistinas tienen diferentes perfiles de toxicidad, siendo la microcistina-LR la más tóxica. [ 2 ] [ 3 ]

Biosíntesis

Las microcistinas son péptidos pequeños no ribosomales . En Microcystis aeruginosa, la microcistina-LR se sintetiza mediante proteínas codificadas por un clúster de genes de microcistina de 55 kb ( mcy ) que contiene 6 genes grandes (de más de 3 kb) que codifican proteínas con actividad de policétido sintasa , actividad de péptido sintasa no ribosomal ( mcyA-E y G ) y 4 genes más pequeños ( mcyF y HJ ). Estas proteínas grandes están formadas por diferentes dominios proteicos , denominados "módulos", cada uno con su propia función enzimática específica. [ 4 ] Aunque los sistemas enzimáticos implicados en la biosíntesis de microcistinas no son idénticos entre todas las cianobacterias, existen grandes similitudes y la mayoría de las enzimas esenciales están conservadas. [ 4 ] [ 5 ]

La biosíntesis de microcistina-LR en Microcystis aeruginosa comienza con el acoplamiento de fenilacetato a la enzima mcyG . Mediante una serie de reacciones catalizadas por diferentes módulos enzimáticos y distintas enzimas, se forma la microcistina-LR. La ruta biosintética completa de la microcistina-LR en Microcystis aeruginosa se ilustra en la figura.

La biosíntesis de microcistina-LR por Microcystis aeruginosa.
La biosíntesis de microcistina-LR por Microcystis aeruginosa .

Los primeros pasos de la síntesis implican la inserción de varios átomos de carbono y oxígeno entre los grupos acetilo y fenilo . Esta parte de la síntesis está catalizada por dominios enzimáticos que poseen actividad β-cetoacilsintasa, aciltransferasa, C-metiltransferasa y cetoacil reductasa. Al final de esta etapa, es decir, después de la primera condensación del glutamato, se forma el aminoácido Adda. [ 4 ] La segunda parte de la síntesis implica la condensación de los aminoácidos que componen la microcistina. Así, en el caso de la microcistina-LR, la condensación consecutiva de los aminoácidos ácido glutámico, metildehidroalanina, alanina, leucina, ácido metilaspártico y arginina conduce al producto acoplado. Un ataque nucleofílico del nitrógeno en el residuo Adda resulta en la liberación de la microcistina-LR cíclica. [ 4 ]

Las diferentes microcistinas son sintetizadas por las mismas enzimas que la microcistina-LR. [ 6 ]

Mecanismo de toxicidad

La microcistina-LR inhibe la actividad de las fosfatasas de proteínas tipo 1 y tipo 2A ( PP1 y PP2A ) en el citoplasma de las células hepáticas. Esto provoca un aumento en la fosforilación de proteínas en dichas células. La interacción de la microcistina-LR con las fosfatasas implica la formación de un enlace covalente entre un grupo metileno de la microcistina-LR y un residuo de cistina en la subunidad catalítica de la familia de fosfatasas de serina/treonina (PPP), como PP1 y PP2A. Al unirse directamente al centro catalítico de las enzimas PPP, la microcistina-LR bloquea completamente el acceso del sustrato al sitio activo, inhibiendo así la enzima. De esta forma, se inhibe la fosfatasa de proteínas y se acumulan más proteínas fosforiladas en las células hepáticas, lo que explica la hepatotoxicidad de la microcistina-LR.

El sitio activo de las enzimas catalíticas PPP presenta tres surcos superficiales: el surco hidrofóbico, el surco ácido y el surco C-terminal, que tienen forma de Y con el sitio activo en el punto de bifurcación. La cadena lateral Adda de la microcistina-LR se aloja en el surco hidrofóbico, el sitio carboxílico D-Glu forma enlaces de hidrógeno con moléculas de agua unidas al metal y el grupo carboxilo del sitio Masp forma enlaces de hidrógeno con residuos conservados de arginina y tirosina en la enzima PPP. Finalmente, el grupo metileno en el sitio Mdha de la microcistina-LR se une covalentemente a un átomo de azufre de un residuo de cisteína, y el residuo de leucina se empaqueta estrechamente con otro residuo de tirosina conservado. [ 2 ]

Efectos

La microcistina-LR es tóxica tanto para humanos como para animales. Existen resultados epidemiológicos de estudios que han demostrado síntomas de intoxicación atribuidos a la presencia de cianotoxinas en el agua potable. Los efectos se dividen en efectos a corto y largo plazo.

Envenenamientos humanos

No existen informes verificables de muertes humanas causadas específicamente por la microcistina-LR, aunque sí hay informes de efectos en la salud tras la exposición y se han atribuido muertes a las microcistinas en general. [ 7 ] Uno de los informes más destacados fue un brote en Caruaru , Brasil , en 1996. 116 pacientes experimentaron múltiples efectos: alteraciones visuales, náuseas, vómitos y debilidad muscular. Cien desarrollaron insuficiencia hepática aguda y 52 sufrieron síntomas de lo que ahora se conoce como "Síndrome de Caruaru". [ 8 ] El síndrome fue causado por la terapia de diálisis con agua que no había sido tratada adecuadamente. [ 9 ]

Efectos a corto plazo

Hay pocos efectos a corto plazo causados ​​por la exposición a la microcistina-LR. Las microcistinas son compuestos principalmente hepatotóxicos ; por lo tanto, los efectos tóxicos notables no son inmediatos. La mayoría de los estudios de toxicidad se han realizado con ratones que recibieron inyecciones intraperitoneales. El efecto más común es el daño hepático, [ 10 ] Dos de los síntomas más comunes son la gastroenteritis y la enfermedad hepática colestásica .

En un experimento con ratones, los animales murieron a las pocas horas de la inyección de una dosis letal de micocistina-LR. El daño hepático se pudo observar a los 20 minutos. En pocas horas, las células hepáticas murieron. [ 11 ]

Efectos a largo plazo

La intoxicación aguda por microcistina-LR puede provocar daños a largo plazo, mientras que la exposición crónica a bajas dosis puede causar efectos adversos para la salud. Estudios en animales han demostrado que la exposición oral a la microcistina-LR produce daño hepático crónico. Incluso podría ser carcinogénica . Se han detectado casos de cáncer en estudios con animales. La microcistina-LR en sí misma no causa cáncer, pero puede estimular el crecimiento de células cancerosas.

Efectos en los animales

La microcistina-LR tuvo efectos en todos los animales, no solo en los domésticos, al nadar en un río de agua potable con proliferación de cianobacterias. Los síntomas de intoxicación en animales domésticos incluyen diarrea, vómitos, debilidad, postración y son fatales en la mayoría de los casos [ 12 ] [ 13 ].

La microcistina-LR es tóxica para todos los animales, incluidos los que consumen los humanos. Los peces y las aves también corren el riesgo de intoxicarse con microcistina-LR.

Vías de exposición

Las cianobacterias prefieren vivir en cuerpos de agua como lagos, estanques, embalses y arroyos de corriente lenta. Cuando el agua está caliente, hay suficientes nutrientes disponibles para que las bacterias sobrevivan. La mayoría de las cianobacterias producen toxinas, de las cuales la microcistina es solo un grupo. Cuando una cianobacteria muere, su pared celular se degrada mientras que las toxinas se liberan en el agua. Las microcistinas son extremadamente estables en el agua y resisten la degradación química como la hidrólisis o la oxidación. La vida media de esta toxina es de 3 semanas a pH 1 y 40  °C. Sin embargo, en condiciones ambientales típicas, la vida media es de 10 semanas. [ 10 ] La contaminación del agua por microcistina-LR es resistente a la ebullición y a los tratamientos con microondas. [ 14 ]

Tras su liberación en el agua, las microcistinas son absorbidas activamente por peces y aves presentes en el agua contaminada, entrando así en la cadena alimentaria . Los seres humanos también se exponen a las microcistinas al realizar actividades en agua contaminada. [ 15 ]

Disposición y metabolismo

Disposición

La microcistina-LR se excreta rápidamente del plasma sanguíneo. Las semividas plasmáticas para las fases α y β, correspondientes a la distribución y la eliminación, son de 0,8 y 6,9 minutos respectivamente. [ 16 ] [ 17 ] El aclaramiento total del compuesto del plasma es de aproximadamente 0,9 mL/min. La excreción del compuesto se produce principalmente a través de las heces y la orina. Después de 6 días, aproximadamente el 24 % de la ingesta se excreta del organismo, de la cual alrededor del 9 % se excreta a través de las heces y el 14,5 % a través de la orina. [ 17 ]

La microcistina-LR se concentra principalmente en el hígado. Otros tejidos se exponen a niveles mucho más bajos. [ 17 ]

Metabolismo

Los datos sobre el metabolismo de la microcistina-LR en humanos son muy escasos. Los datos sobre el metabolismo y la disposición de la toxina en ratones y ratas están más disponibles. En estos animales, la microcistina-LR se concentra rápidamente en el hígado. [ 18 ] La intoxicación de ratones con microcistina-LR provocó una disminución en los niveles de citocromo P450 y citocromo b5 y un aumento en el citocromo P420, al cual se convierte el CYP450. Junto con el hecho de que los ratones con una mayor concentración inducida de CYP450 se ven menos afectados por la toxina, esto sugiere que el CYP450 desempeña un papel importante en la desintoxicación del compuesto.

En la fase 2 de la biotransformación, el compuesto se conjuga con varias sustancias endógenas diferentes. Se sabe que la microcistina-LR se excreta como conjugado de glutatión, conjugado de cisteína y un conjugado de dieno ADDA oxidado. El glutatión y la cisteína se conjugan con la fracción Mda. El ADDA oxidado se conjuga en el enlace conjugado . [ 19 ]

Toxicidad

Los efectos tóxicos de las cianotoxinas son muy diversos e incluyen neurotoxicidad , hepatotoxicidad y citotoxicidad con quemaduras químicas . Las microcistinas se asocian generalmente con hepatotoxicidad. El efecto tóxico de las microcistinas se debe a su inhibición de las fosfatasas de proteínas. [ 20 ]

Toxicidad aguda subaguda

Muchos estudios se realizaron con administración intraperitoneal . Debido a las diferencias en lipofilicidad y polaridad entre las distintas microcistinas, no se puede presumir que la LD50 intraperitoneal prediga la toxicidad tras la administración oral. [ 10 ] 

Las microcistinas son hepatotoxinas. Tras una exposición aguda, se observa daño hepático grave debido a la alteración de la estructura de las células hepáticas. El peso del hígado aumentará debido a hemorragia intrahepática , choque hemodinámico, insuficiencia cardíaca y muerte. [ 10 ]

Tras la administración nasal de microcistina-LR, el epitelio de la mucosa nasal, tanto de la zona olfativa como de la respiratoria, presentaba necrosis. Incluso se observaron lesiones hepáticas tras la administración oral. La DL50 para la administración nasal es igual a la de la administración intraperitoneal.

Administración oral repetida

Para evaluar los posibles efectos crónicos en la salud humana, son muy deseables los estudios que impliquen la administración oral repetida de microcistinas puras en diferentes dosis. En un estudio con ratones, se administró microcistina-LR pura por vía oral en dosis de 0, 40, 200 o 1000 μg/kg de peso corporal. Con la dosis más alta, casi todos los ratones mostraron alteraciones hepáticas, inflamación crónica y algunos otros síntomas. En las ratonas, solo se observaron alteraciones en las transaminasas con la dosis más alta. [ 10 ]

Carcinogenicidad

Microcistina sola

Tras 100 administraciones orales de 20 μg/kg de peso corporal, los ratones presentaron nódulos hepáticos neoplásicos. Los nódulos observados tenían un diámetro de hasta 5 mm. Sin embargo, ningún ratón presentó nódulos hepáticos tras 100 administraciones de 80 μg/kg.

Interacción con tumores

El comité de la IARC concluyó que la microcistina-LR es posiblemente carcinógena para los humanos. Por lo tanto, la microcistina-LR en sí misma no es carcinógena, pero estimula el crecimiento tumoral. Los ratones tratados con el compuesto carcinógeno dimetilbenzatraceno mostraron un aumento en el número y el peso de los tumores cutáneos. [ 7 ]

Experimentos con animales in vivo

Se sabe muy poco sobre la toxicidad aguda para los seres humanos, pero se han realizado estudios en animales que muestran los siguientes resultados.

Cuando las microcistinas se inyectan por vía intravenosa o intraperitoneal , se localizan en el hígado. Esto parece ser el resultado de la captación por los hepatocitos . El informe de la OMS afirma que las microcistinas son letales para los ratones cuando se exponen intraperitonealmente a 25 a 150  μg/kg de peso corporal. [ 10 ] Quizás debido a la mala absorción después de la exposición, las microcistinas administradas por vía oral son menos tóxicas, ya que una dosis letal en ratones es de aproximadamente 5 a 10  μg/kg de peso corporal. La hepatotoxicidad en forma de necrosis hepática ocurre dentro de los 60 minutos después de una dosis intravenosa. [ 20 ] Las floraciones de Microcystis aeruginosa no causaron un aumento en las tasas de tumores en grupos de ratones tratados hasta por un año. Se muestra que los ratones a los que se les administraron 20  μg/kg de peso corporal 4 veces por semana durante un período de 28 semanas desarrollaron neoplasias del hígado. [ 20 ] Sin embargo, estos resultados son ambiguos. Por vía oral, la microcistina-LR muestra toxicidad aguda en roedores. Es evidente que una cantidad significativa de la dosis oral atraviesa la barrera intestinal.

Efectos del desarrollo

Las microcistinas no parecen mostrar toxicidad para el desarrollo.

Genotoxicidad

La OMS afirma que la microcistina-LR no tiene efecto mutagénico. Sin embargo, se ha observado la inducción de roturas de la cadena de ADN en linfocitos de ratones tras una única administración oral. El efecto depende del tiempo y de la dosis. No hay cambios en la expresión de genes seleccionados implicados en la respuesta celular al daño del ADN tras una exposición de 4 horas. Tras 24 horas, los genes que responden al daño del ADN se regularon positivamente, lo que indica que la microcistina-LR es un agente genotóxico indirecto. [ 22 ] En China, la mayor incidencia de cáncer de hígado se produce en zonas con abundantes cianobacterias en las aguas superficiales. El desarrollo tumoral se asocia a la exposición a bajas concentraciones durante un largo periodo de tiempo. [ 20 ]

Estudios in vitro

Estudios in vitro demostraron que la microcistina-LR es un potente inhibidor de la proteína fosfatasa 1 (PP-1) y PP2A , pero no tiene efecto sobre la proteína quinasa C ni sobre la quinasa dependiente de AMP cíclico . No parece producirse mutagenicidad en las toxinas purificadas derivadas de Microcystis , aunque estas toxinas fueron clastogénicas para los linfocitos humanos. [ 20 ]

Biodegradación

Una enzima metaloproteasa aislada de bacterias en el lago Rotorua , entre otros lugares, se llama microcistinasa . Esta enzima en particular convierte las microcistinas en productos con una disminución de la toxicidad de 160 veces. [ 23 ]

Historia

El general chino Zhu-Ge Liang fue el primero en observar la intoxicación por cianobacterias hace aproximadamente 1000 años. Informó de la muerte de soldados que bebieron agua verdosa de un río en el sur de China. El primer informe publicado de un caso de intoxicación por cianobacterias data de la intoxicación de un lago australiano en 1878. [ 24 ] Asimismo, en China y Brasil, murieron personas tras beber agua de un lago. Todos estos incidentes se han atribuido a las cianobacterias y al compuesto tóxico microcistina-LR. Por ello, la Organización Mundial de la Salud (OMS) emitió una directriz sobre las microcistinas en el agua potable. La directriz de la OMS para las microcistinas en el agua potable, basada en la microcistina-LR, es de 1 μg/L. [ 16 ] Debido a los altos niveles de eutrofización en Sudáfrica, las exposiciones típicas pueden llegar a ser de hasta 10 μg/L. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

Referencias

  1. ↑ Diversidad estructural, caracterización y toxicología de las microcistinas , doi: 10.3390/toxins11120714
  2. 1 2 S. Pereira, V. Vasconcelos y A. Antunes, Estudio computacional del enlace covalente de microcistinas a residuos de cisteína: una reacción involucrada en la inhibición de la familia PPP de fosfatasas de proteínas , FEBS Journal, doi: 10.1111/j.1742-4658.2011.08454.x
  3. ↑ A. Campos y V. Vasconcelos, Mecanismos moleculares de la toxicidad de la microcistina en células animales , Int. J. Mol. Sc., 11(1), págs. 268-287
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  5. ↑ G. Christiansen et al., Biosíntesis de microcistina en Planktothrix: genes, evolución y manipulación , J. Bacteriol., 185(2), págs. 564-572
  6. ↑ T. Nishizawa et al., El gen de la policétido sintasa acoplado al módulo de la péptido sintetasa implicado en la biosíntesis del heptapéptido cíclico microcistina , J. Biochem., 127(5), pp.779-789
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