La microcistina-LR ( MC-LR ) es una toxina producida por cianobacterias . Es la más tóxica de las microcistinas .
Las microcistinas son heptapéptidos cíclicos . Los siete aminoácidos que participan en la estructura de una microcistina incluyen un β-aminoácido único ( ADDA ). Contiene alanina ( D -ala), D -β-metil-isoaspartato ( D -β-Me-isoAsp) y ácido glutámico ( D -glu). Además, las microcistinas contienen dos residuos variables, que marcan la diferenciación entre variantes de microcistinas. Estos dos elementos variables son siempre L -aminoácidos estándar . En la microcistina-LR se trata de leucina y arginina .
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. Diferentes microcistinas tienen diferentes perfiles de toxicidad, siendo la microcistina-LR la más tóxica. [2] [3]
Las microcistinas son pequeños péptidos no ribosómicos . En Microcystis aeruginosa, la microcistina-LR se sintetiza mediante proteínas codificadas por un grupo de genes de microcistina de 55 kb ( mcy ) que contiene 6 genes grandes (más de 3 kb) que codifican proteínas con actividad policétido sintasa , actividad peptídica sintasa no ribosomal ( mcyA-E y G ) y 4 genes más pequeños ( mcyF y HJ ). Estas grandes proteínas están formadas por diferentes dominios proteicos , denominados "módulos", cada uno de los cuales tiene 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 se conservan. [4] [5]
La biosíntesis de microcistina-LR en Microcystis aeruginosa comienza con el acoplamiento del fenilacetato a la enzima mcyG . En una serie de reacciones, catalizadas por diferentes módulos enzimáticos y por diferentes enzimas, se forma la microcistina-LR. En la figura se ilustra toda la ruta de biosíntesis de microcistina-LR en 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, tras 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 de Adda da como resultado la liberación de la microcistina cíclica-LR. [4]
Todas las diferentes microcistinas son sintetizadas por las mismas enzimas [ se necesita aclaración ] que la microcistina-LR. [6]
Microcystin-LR inhibe las actividades de la proteína fosfatasa tipo 1 y tipo 2A ( PP1 y PP2A ) en el citoplasma de las células hepáticas. Esto conduce a un aumento de la fosforilación de proteínas en las células del hígado. La interacción de la microcistina-LR con las fosfatasas incluye 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 fosfoproteína fosfatasa (PPP) de fosfatasas específicas de serina/treonina, como PP1. y PP2A. Cuando la microcistina-LR se une directamente al centro catalítico de las enzimas PPP, bloquean completamente el acceso del sustrato al sitio activo y se produce la inhibición de la enzima. De esta forma se inhibe la proteína fosfatasa y quedan más proteínas fosforiladas en las células del hígado, lo que es responsable de la hepatotoxicidad de la microcistina-LR.
El sitio activo de las enzimas PPP catalíticas representa tres surcos superficiales: el surco hidrófobo, 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 microcistina-LR está alojada en el surco hidrofóbico, el sitio carboxílico D-Glu forma enlaces de hidrógeno con moléculas de agua unidas a metales y el grupo carboxilo del sitio Masp forma enlaces de hidrógeno con residuos conservados de arginina y tirosina en el surco hidrofóbico. Enzima PPP. Finalmente, el grupo metileno en el sitio Mdha de la microcistina-LR se une covalentemente a un átomo S de un residuo de cisteína, y el residuo de leucina se empaqueta estrechamente con otro residuo de tirosina conservado. [2]
La microcistina-LR es tóxica tanto para humanos como para animales. Existen resultados epidemiológicos de estudios que han mostrado síntomas de intoxicación atribuidos a la presencia de cianotoxinas en el agua potable. Los efectos se dividen en efectos a corto y largo plazo.
No hay informes verificables de muertes humanas que hayan sido causadas específicamente por la microcistina-LR, aunque sí hay informes de efectos en la salud después de la exposición y ha habido muertes atribuidas 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 llama "síndrome de Caruaru". [8] El síndrome fue causado por una terapia de diálisis con agua que no había sido tratada adecuadamente. [9]
Hay pocos efectos a corto plazo causados por la exposición a la microcistina-LR. Las microcistinas son principalmente compuestos hepatotóxicos ; por lo tanto, los efectos tóxicos perceptibles no son inmediatos. La mayoría de los estudios de toxicidad se han realizado con ratones que recibieron inyecciones intraperitoneales. El efecto más común es daño hepático. [10] Dos de los síntomas más comúnmente observados son gastroenteritis y enfermedad hepática colestásica .
En un experimento con ratones, los animales murieron pocas horas después de la inyección de una dosis letal de micocistina-LR. El daño hepático se pudo notar en 20 minutos. A las pocas horas, las células del hígado murieron. [11]
La intoxicación aguda por microcistina-LR puede provocar lesiones a largo plazo, mientras que la exposición crónica a bajos niveles puede provocar efectos adversos para la salud. A partir de estudios en animales, se ha demostrado que habrá daño hepático crónico por la exposición oral a la microcistina-LR. Incluso podría ser cancerígeno . Se han encontrado cánceres durante estudios con animales. La microcistina-LR por sí sola no causa cáncer, pero puede estimular el crecimiento de células cancerosas.
La microcistina-LR tuvo efectos en todos los animales, no solo en los animales domésticos que nadaban en un río de agua potable con floraciones de cianobacterias. Los síntomas de intoxicación por animales domésticos incluyen diarrea, vómitos, debilidad, decúbito y son mortales en la mayoría de los casos [12] [13]
Mircocystin-LR es tóxico para todos los animales, incluidos los animales consumidos por humanos. Los peces y las aves también corren el riesgo de sufrir intoxicación por microcistina-LR.
Las cianobacterias prefieren vivir en cuerpos de agua como lagos, estanques, embalses y arroyos de movimiento lento. Cuando el agua está tibia, hay suficientes nutrientes disponibles para que las bacterias sobrevivan. La mayoría de las cianobacterias producen toxinas, de las cuales la microcistina es sólo un grupo. Cuando una cianobacteria muere, su pared celular se degrada mientras las toxinas se liberan en el agua. Las microcistinas son extremadamente estables en 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 con microcistina-LR es resistente a los tratamientos de ebullición y microondas. [14]
Después de su liberación en el agua, los peces y las aves absorben activamente las microcistinas del agua intoxicada y, por tanto, entran en la cadena alimentaria . Los seres humanos también están expuestos a las microcistinas al realizar actividades en agua intoxicada. [15]
La microcistina-LR se excreta rápidamente del plasma sanguíneo. Las vidas medias plasmáticas para las etapas α y β, correspondientes a la distribución y eliminación, son respectivamente de 0,8 y 6,9 minutos. [16] [17] La eliminación total del compuesto del plasma es de aproximadamente 0,9 ml/min. La excreción del compuesto se realiza principalmente a través de las heces y la orina. Después de 6 días, aproximadamente el 24% de la ingesta se excreta del organismo, del cual aproximadamente el 9% se excreta por las heces y el 14,5% por la orina. [17]
La microcistina-LR se concentra principalmente en el hígado. Otros tejidos quedan expuestos a niveles mucho más bajos. [17]
Los datos sobre el metabolismo de la microcistina-LR en humanos son muy escasos. Los datos sobre el metabolismo y la eliminación 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 de los niveles de citocromo P450 y citocromo b5 y un aumento del citocromo P420, en el que se convierte el CYP450. Junto con el hecho de que los ratones con una concentración más alta inducida de CYP450 se ven menos afectados por la toxina, esto sugiere que 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 conjugado de dieno ADDA oxidado. El glutatión y la cisteína se conjugan con el resto Mda. El ADDA oxidado se conjuga en el enlace conjugado . [19]
La toxicidad de las cianotoxinas es muy diversa e incluye neurotoxicidad , hepatotoxicidad , citotoxicidad y dermatotoxicidad. Las microcistinas generalmente se asocian con hepatotoxicidad. El efecto tóxico de las microcistinas se debe a su inhibición de las proteínas fosfatasas. [20]
Muchos estudios se realizaron con administración intraperitoneal . Debido a las diferencias en lipofilicidad y polaridad entre las diferentes microcistinas, no se puede suponer que la LD50 ip prediga la toxicidad después de la administración oral. [10]
Las microcistinas son hepatotoxinas. Después de una exposición aguda, el daño hepático grave se nota por una alteración de la estructura de las células hepáticas. El peso del hígado aumentará debido a hemorragia intrahepática , shock hemodinámico, insuficiencia cardíaca y muerte. [10]
Después de la administración nasal de microcistina-LR, el epitelio de la mucosa nasal de la zona olfativa y respiratoria sufrió necrosis. Incluso se observaron lesiones hepáticas después de la administración oral. La LD50 para administración nasal es igual a la administración intraperitoneal.
Para evaluar los posibles efectos crónicos sobre la salud humana, lo más deseable son estudios que impliquen la administración oral repetida de microcistinas puras en varios niveles de dosis. En un estudio con ratones, se administró mirocistina-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 cambios en el hígado e inflamación crónica y algunos otros síntomas. En ratones hembra sólo se observaron cambios en las transaminasas con la dosis más alta. [10]
Los ratones mostraron nódulos hepáticos neoplásicos después de 100 administraciones orales de 20 μg/kg de peso corporal. Los nódulos observados tenían hasta 5 mm de diámetro. Sin embargo, ningún ratón mostró nódulos hepáticos después de 100 administraciones de 80 μg/kg.
El comité de la IARC concluyó que la microcistina-LR es posiblemente cancerígena para los seres humanos. Por lo tanto, la microcistina-LR en sí no es carcinógena, pero estimula el crecimiento tumoral. Los ratones tratados con el compuesto cancerígeno dimetilbenzotraceno mostraron un mayor número y peso de tumores de piel. [7]
Se sabe muy poco sobre la toxicidad aguda para los 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 absorción por los hepatocitos . El informe de la OMS afirma que las microcistinas son letales para los ratones cuando se exponen por vía intraperitoneal a 25 a 150 µg/kg de peso corporal. [10] Quizás debido a la mala absorción después de la exposición, las microscitinas 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 posteriores a una dosis intravenosa. [20] Las floraciones de Microcystis aeruginosa no provocaron un aumento de las tasas de tumores en grupos de ratones tratados durante hasta un año. Se ha demostrado que los ratones que recibieron 20 µg/kg de peso corporal 4 veces por semana durante un período de 28 semanas desarrollaron neoplasias del hígado. [20] Sin embargo, los 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.
Las microcistinas no parecen mostrar toxicidad para el desarrollo.
La OMS afirma que la microcistina-LR no tiene efectos mutagénicos. Sin embargo, se ha observado en ratones la inducción de roturas de cadenas de ADN en linfocitos después de 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 después de una exposición de 4 horas. Después de 24 horas, los genes que responden al daño del ADN estaban regulados 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 áreas con abundantes cianobacterias en las aguas superficiales. El desarrollo de tumores está asociado con la exposición a bajas concentraciones durante un largo período de tiempo. [20]
Los estudios in vitro demostraron que la microcistina-LR es un potente inhibidor de la proteína fosfatasa 1 (PP-1) y PP2A , pero no tiene ningún efecto sobre la proteína quinasa C o la quinasa dependiente de AMP cíclico . No parece ocurrir mutagenicidad para las toxinas purificadas derivadas de Microcystis , aunque las toxinas fueron clastogénicas para los linfocitos humanos. [20]
Una enzima metaloproteasa aislada de bacterias en el lago Rotorua , entre otros lugares, se llama microcistinasa y es parte de una vía de biodegradación de tres enzimas. Esta enzima en particular da como resultado un producto con una toxicidad 160 veces menor. [23]
El general chino Zhu-Ge Liang fue el primero en observar el envenenamiento por cianobacterias hace unos 1000 años. Informó de la muerte de soldados que bebieron agua de color verde de un río en el sur de China. [ cita necesaria ] El primer informe publicado sobre una incidencia de envenenamiento por cianobacterias data del envenenamiento de un lago australiano en 1878. [24] Además, en China y Brasil, personas murieron después de beber agua de un lago. Todos estos incidentes se han atribuido a las cianobacterias y al compuesto tóxico microcistina-LR. Ésta es la razón por la que la Organización Mundial de la Salud (OMS) publicó una directriz para 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] Con los altos niveles de eutrofización en Sudáfrica, las exposiciones típicas pueden llegar a 10 μg/L. [25] [26] [27] [28]
Medios relacionados con Microcystin-LR en Wikimedia Commons