El ptaquilosido es un glucósido norsesquiterpeno producido por los helechos (principalmente Pteridium aquilinum ) durante el metabolismo . Se identifica como el principal carcinógeno de los helechos y responsable de sus efectos biológicos, como enfermedades hemorrágicas y ceguera luminosa en el ganado y cáncer de esófago y gástrico en humanos. La ptaquilosida tiene una estructura química inestable y actúa como agente alquilante del ADN en condiciones fisiológicas. Fue aislado y caracterizado por primera vez por Yamada y sus compañeros de trabajo en 1983. [2] [3]
La forma pura de ptaquilosido es un compuesto amorfo incoloro. Es fácilmente soluble en agua y bastante soluble en acetato de etilo. Excepto en las plantas, se ha detectado ptaquilosida en la leche y la carne del ganado afectado, así como en el agua subterránea y el suelo seco alrededor de la vegetación de helechos. [4] [5] [6] La prevalencia de ptaquilosida en fuentes diarias junto con sus efectos cancerígenos lo convierten en un peligro biológico cada vez mayor en la actualidad.
La presencia de ptaquilosido se ha detectado en una variedad de helechos, incluidas las especies de los géneros Pteridium (helecho), Pteris , Microlepia e Hypolepis . Pteridium aquilinum (comúnmente conocido como helecho helecho) es el helecho que contiene ptaquilosido más común con una amplia distribución geográfica y ecológica. Está presente en todos los continentes desde zonas subtropicales hasta subárticas . El helecho helecho es una planta muy adaptable y es capaz de formar poblaciones densas y en rápida expansión durante las primeras fases de la sucesión ecológica en limpiezas de bosques y otras zonas rurales perturbadas. Su crecimiento agresivo, caracterizado por un extenso sistema de rizomas y frondas de rápido crecimiento , le permite en ocasiones ser una especie dominante en determinadas comunidades vegetales. [7] El contenido de ptaquilosido del helecho varía ampliamente entre especies y cambia según la parte de la planta, el lugar de crecimiento de la planta y la temporada de recolección. Según estudios previos, las concentraciones de ptaquilosido en el helecho variaban entre el 0 y el 1% del peso seco de la planta. [8] [9] Generalmente, se encuentra que las concentraciones más altas de ptaquilosida se encuentran en las partes jóvenes en desarrollo de los helechos, como los báculos y las partes en desarrollo durante la primavera y principios del verano, mientras que las concentraciones de ptaquilosida en los rizomas son bastante bajas. . [10] Sin embargo, los estudios sobre las concentraciones de ptaquilosido en helechos daneses realizados por Rasmussen et al. mostró que las concentraciones de ptaquilosida en los rizomas eran significativamente más altas que los valores informados anteriormente. [11]
La ptaquilosida puede pasar a la leche producida por vacas y ovejas alimentadas con helechos. En 1996, Alonso-Amelot, Smith y colaboradores descubrieron que el ptaquilosido se excretaba en la leche en una concentración de 8,6 ± 1,2% de la cantidad ingerida por una vaca a partir de helechos, y dependía linealmente de la dosis. Basándose en sus experimentos y suponiendo que una persona bebe 0,5 litros de leche al día, estimaron que esta persona podría ingerir unos 10 mg de ptaquilosida al día, aunque sólo una parte de esa cantidad sería absorbida. [4] La ptaquilosida también puede filtrarse de las hojas de helecho al agua y al suelo. Numerosos estudios han informado de la presencia de ptaquilosido en el agua subterránea/superficial y en el suelo cerca de la vegetación de helechos. [5] [6] La velocidad de degradación del ptaquilosido en el suelo se ve afectada por la acidez , el contenido de arcilla, el contenido de carbono, la temperatura y, presumiblemente, la microbioactividad. Las condiciones ácidas (pH <4) y las altas temperaturas (al menos 25 °C) facilitan la degradación del ptaquilosido, mientras que se informa que la vida media del ptaquilosido en suelos arenosos menos ácidos es de entre 150 y 180 horas. [12]
Las principales rutas que pueden conducir a la exposición humana a los efectos tóxicos del helecho helecho incluyen la ingestión de la planta (particularmente los báculos y las hojas jóvenes), la inhalación de las esporas en el aire , el consumo de leche y carne de los animales afectados y el consumo de agua contaminada con ptaquilosida. . [13]
La ptaquilosida tiene una estructura química inestable y se libera fácilmente glucosa . La ptaquilo dienona resultante es la forma activa de ptaquilosida y explica los efectos biológicos observados. El grupo ciclopropilo de la dienona es altamente reactivo como electrófilo , no sólo porque está conjugado con el grupo ceto , sino porque también constituye un sistema ciclopropilcarbinol, del cual es bien conocida la fácil formación del catión estable no clásico. .
En condiciones ácidas, el ptaquilosido se aromatiza gradualmente con la eliminación de D-glucosa para producir ptaquilosina y, finalmente, pterosina B. En condiciones débilmente alcalinas, el ptaquilosido y su aglicona ptaquilosina se convierten en un intermedio de dienona conjugada inestable. Esta ptaquilodienona es la forma activada de ptaquilosida y se considera el carcinógeno definitivo de los helechos. Debido a la constitución de un sistema de ciclopropilcarbinol, la ptaquilodienona es un electrófilo fuerte y actúa como un poderoso agente alquilante que reacciona directamente con nucleófilos biológicos , incluidos aminoácidos , nucleósidos y nucleótidos, en condiciones débilmente ácidas a temperatura ambiente (como se muestra en el siguiente esquema). ). [14]
En condiciones fisiológicas, la ptaquilosida libera fácilmente glucosa para producir ptaquilodienona. La alquilación de aminoácidos con dienona tiene lugar principalmente en el grupo tiol de la cisteína , el glutatión y la metionina . La alquilación en el grupo carboxilato de cada aminoácido, formando el éster correspondiente , también se observa en pequeña medida según la literatura publicada anteriormente. La dienona reacciona con los residuos de ADN de adenina (principalmente en N-3) y guanina (principalmente en N-7) para formar aductos de ADN. [15] La alquilación induce la depurinación espontánea y la escisión del ADN en el sitio de la base de adenina. En un modelo de reacción con un desoxitetranucleótido (como se muestra a la derecha), se encuentra un aducto covalente en un residuo de guanina y el enlace N-glucosídico se rompe para liberar el aducto. [14] En 1998, Prakash, Smith y colaboradores demostraron que la alquilación de adenina por ptaquilosido en el codón 61 seguida de depurinación y error en la síntesis de ADN dio como resultado la activación del protooncogén H- ras en el íleon de terneros alimentados con helecho. [dieciséis]
Se sabe que el helecho tiene diversos efectos biológicos, como carcinogenicidad y sus síndromes bien definidos en ganado y animales de laboratorio. Se ha demostrado que la ptaquilosida es responsable de varios de estos efectos biológicos, algunos de los cuales son específicos de cada especie. [10]
El ganado que consume helechos desarrolla intoxicación aguda por helechos y hematuria enzoótica bovina crónica (BEH). La característica principal de la intoxicación aguda por helechos en el ganado es la depresión de la actividad de la médula ósea, lo que da lugar a leucopenia grave (particularmente de los granulocitos), trombocitopenia y crisis hemorrágica aguda. [17] Sin embargo, la mayoría de los investigadores creen que la ptaquilosida no es el agente causante directo de la intoxicación aguda por helechos. La característica principal de la hematuria son los tumores de la vejiga urinaria y la hematuria en el ganado después de una exposición prolongada a los helechos. Según amplios estudios, se muestra una correlación positiva entre la concentración de ptquilosida y la incidencia de BEH. [18] [8] [19]
Las ovejas alimentadas con una dieta que contiene helechos desarrollan una enfermedad hemorrágica aguda y ceguera brillante. [20] Las principales características de la ceguera incluyen atrofia progresiva de la retina y estenosis de los vasos sanguíneos. [21] En 1993, el grupo Yamada demostró que el ptaquilosido era el compuesto que causaba la degeneración de la retina. [22]
Las ratas que recibieron una dieta que contenía ptaquilosida durante un período prolongado desarrollaron tumores tanto en el íleon como en la vejiga urinaria . Prakash, Smith y sus colaboradores demostraron que la carcinogénesis inducida por ptaquilosida se iniciaba mediante la activación del oncogén H- ras . [16] Otros no rumiantes, como cerdos, conejos y cobayas, también desarrollan síndromes después de la ingestión de ptaquilosida, que incluyen hematuria, tumores y anomalías orgánicas (consulte el diagrama). [10]
El helecho helecho aumenta el riesgo oncogénico en humanos. Una encuesta epidemiológica reveló que el consumo de helechos se correlacionaba positivamente con el cáncer de esófago y con el cáncer gástrico en muchas zonas geográficas del mundo. [23] En 1989, Natori y sus colaboradores demostraron que el ptaquilosido tenía un efecto clastogénico y causaba aberración cromosómica en células de mamíferos. [24] En 2003, el grupo Santos informó niveles significativamente mayores de anomalías cromosómicas , como roturas de cromátidas en cultivos de linfocitos periféricos . [25]
El uso del helecho como alimento humano es principalmente una cuestión histórica. Los rizomas de estas plantas sirvieron de alimento humano en Escocia durante la Primera Guerra Mundial. En Estados Unidos (EE.UU., Canadá), Rusia, China y Japón, el helecho se cultiva comercialmente para uso humano. El procedimiento habitual que se realiza antes de comer la planta es tratar previamente el helecho con agua hirviendo en presencia de diferentes químicos, como bicarbonato de sodio y ceniza de madera , para degradar o inactivar el ptaquilosido y otros agentes tóxicos. Sin embargo, persiste cierta actividad cancerígena incluso después del tratamiento. [10] [26] Como lo demostraron Kamon e Hirayama, el riesgo de cáncer de esófago aumentó aproximadamente en 2,1 en hombres y 3,7 en mujeres que consumen regularmente helecho en Japón. [27] Investigaciones recientes han sugerido que los aminoácidos que contienen azufre pueden usarse potencialmente en condiciones apropiadas como agentes desintoxicantes para el ptaquilosido [17] y la suplementación con selenio puede prevenir y revertir los efectos inmunotóxicos inducidos por el ptaquilosido. [28]
La ptaquilosida en el extracto acuoso de helecho se puede detectar mediante diferentes métodos instrumentales: cromatografía en capa fina- densitometría (TLC-densitometría), cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), cromatografía de gases-espectrometría de masas (GCMS) y cromatografía líquida-masa. espectrometría (LC-MS). Las pruebas de diagnóstico de ptaquilosido dentro de las células incluyen detección de mutaciones genéticas , detección inmunohistoquímica de biomarcadores tumorales, aberraciones cromosómicas, estrés oxidativo para EBH, PCR , PCR en tiempo real y DNasa-SISPA (amplificación de cebador único independiente de secuencia). [26]
En 1989 y 1993, Yamada y colaboradores informaron de la primera síntesis total enantioselectiva de ambos enantiómeros de la ptaquilosina, la aglicona de la ptaquilosida. [29] [30] En el primer paso, el éster mentílico del ácido ciclopentano-1,2-dicarboxílico 1 se hidrolizó parcialmente para producir el éster monomentílico, que luego se alquiló con bromuro de metalilo en presencia de HMPA para producir selectivamente 2 . Luego el producto 2 se convirtió en cloruro de ácido y se trató con cloruro estánnico para efectuar la acilación de Friedel-Crafts para dar enona 3 . Luego se realizaron reducción con hidruro, oxidación selectiva del alcohol alílico y sililación para proporcionar el compuesto 4 . Tras tratamiento con una base y una sal de cloroetilsulfonio, se obtuvo una mezcla de espirociclopropanos . El producto secundario 5a se puede isomerizar con ácido p-toluenosulfónico para dar 5b con un rendimiento del 81%. La desaturación por selenilación/deshidroselenación y oxidación con peróxido básico proporcionó el epóxido 6 . Una suave reducción, adición de metilo Grignard y oxidación dieron el compuesto 7 . La metilación de la ciclopentanona en condiciones de Noyori utilizando el enolato TASF produjo una mezcla de isómeros. El isómero no deseado 8a se puede equilibrar con terc-butóxido de potasio con un rendimiento del 81% para generar exclusivamente 8b . [ se necesita aclaración ] Reducción , desprotección y oxidación proporcionadas 9 . Tras el tratamiento con oxígeno en acetato de etilo caliente , el aldehído de 9 se oxidó al radical acilo para la descarbonilación. La captura estereoselectiva del radical terciario por el oxígeno dio el hidroperóxido 10 . Bajo una reducción suave, se obtuvo la (-)-ptaquilosina 11 natural . La síntesis de Yamada se desarrolló en 20 pasos con un rendimiento global del 2,9%. De manera similar, el enantiómero (+) no natural de la ptaquilosina se sintetizó a partir del diastereómero de 2 .
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Desde 1989 se han informado múltiples estudios sintéticos dirigidos a la ptaquilosina 11. En 1994, Padwa y sus colaboradores describieron la síntesis del esqueleto central de la ptaquilosina mediante un enfoque altamente convergente. [31] En 1995, Cossy y sus colaboradores informaron nuevas rutas hacia el esqueleto de ptaquilosina racémico y ópticamente activo . Su compuesto tricíclico adecuadamente funcionalizado sería de gran utilidad para la síntesis de 11 . [32]