Птаквилозид — это норсесквитерпеновый глюкозид, вырабатываемый папоротниками- орляками (в основном Pteridium aquilinum ) в процессе метаболизма . Он идентифицирован как основной канцероген папоротников и ответственен за их биологические эффекты, такие как геморрагическая болезнь и яркая слепота у скота и рак пищевода и желудка у людей. Птаквилозид имеет нестабильную химическую структуру и действует как алкилирующий агент ДНК в физиологических условиях. Впервые он был выделен и охарактеризован Ямадой и его коллегами в 1983 году. [2] [3]
Чистая форма птаквилозида представляет собой бесцветное аморфное соединение. Он легко растворяется в воде и довольно растворим в этилацетате. За исключением растений, птаквилозид был обнаружен в молоке и мясе пораженного скота, а также в подземных водах и сухой почве вокруг папоротника-орляка. [4] [5] [6] Распространенность птаквилозида в ежедневных источниках наряду с его канцерогенными эффектами делает его все более биологической опасностью в наши дни.
Присутствие птаквилозида было обнаружено во множестве папоротников, включая виды родов Pteridium (орляк), Pteris , Microlepia и Hypolepis . Pteridium aquilinum (широко известный как папоротник-орляк) является наиболее распространенным папоротником, содержащим птаквилозид, с широким географическим и экологическим распространением. Он присутствует на всех континентах от субтропических до субарктических зон. Папоротник-орляк является очень адаптивным растением и способен образовывать плотные, быстро расширяющиеся популяции в ходе первых фаз экологической сукцессии на лесных вырубках и других нарушенных сельских территориях. Его агрессивный рост, характеризующийся обширной системой корневищ и быстро растущими листьями , иногда позволяет ему быть доминирующим видом в определенных растительных сообществах. [7] Содержание птаквилозида в папоротнике-орляке широко варьируется между видами и меняется в зависимости от части растения, места выращивания растения и сезона сбора. Согласно предыдущим исследованиям, концентрация птаквилозида в папоротнике варьировалась от 0 до 1% от сухого веса растения. [8] [9] Как правило, птаквилозид обнаруживается в самых высоких концентрациях в молодых развивающихся частях папоротника, таких как побеги и разворачивающиеся части весной и в начале лета, в то время как концентрации птаквилозида в корневищах довольно низкие. [10] Однако исследования концентраций птаквилозида в датском папоротнике, проведенные Расмуссеном и др., показали, что концентрации птаквилозида в корневищах были значительно выше, чем ранее сообщавшиеся значения. [11]
Птаквилозид может попадать в молоко, производимое коровами и овцами, питающимися папоротником. В 1996 году Алонсо-Амелот, Смит и их коллеги обнаружили, что птаквилозид выделяется с молоком в концентрации 8,6 ± 1,2% от количества, потребляемого коровой из папоротника, и линейно зависит от дозы. На основе своих экспериментов и предположения, что человек выпивает 0,5 литра молока в день, они подсчитали, что этот человек может потреблять около 10 мг птаквилозида в день, хотя только часть этого количества будет усвоена. [4] Птаквилозид также может вымываться из листьев папоротника в воду и почву. Многочисленные исследования сообщили о наличии птаквилозида в подземных/поверхностных водах и почве вблизи растительности папоротника. [5] [6] Скорость распада птаквилозида в почве зависит от кислотности , содержания глины, содержания углерода, температуры и, предположительно, микробиологической активности. Кислотные условия (pH<4) и высокая температура (не менее 25°C) способствуют распаду птаквилозида, в то время как период полураспада птаквилозида в менее кислой песчаной почве, как сообщается, составляет от 150 до 180 часов. [12]
Основные пути, которые могут привести к воздействию токсических эффектов папоротника-орляка на человека, включают употребление растения в пищу (особенно побегов и молодых листьев), вдыхание спор , находящихся в воздухе , употребление молока и мяса пораженных животных и питье воды, загрязненной птаквилозидом. [13]
Птаквилозид имеет нестабильную химическую структуру и легко подвергается высвобождению глюкозы . Полученный птаквилодиенон является активной формой птаквилозида и отвечает за наблюдаемые биологические эффекты. Циклопропильная группа в диеноне является высокореактивной как электрофил не только потому, что она сопряжена с кетогруппой , но и потому, что она также составляет циклопропилкарбинольную систему, из которой легкое образование стабильного неклассического катиона хорошо известно.
В кислых условиях птаквилозид постепенно подвергается ароматизации с элиминацией D-глюкозы , образуя птаквилозин и, наконец, птерозин B. В слабощелочных условиях птаквилозид и его агликон птаквилозин превращаются в нестабильный конъюгированный диеноновый промежуточный продукт. Этот птаквилодиенон является активированной формой птаквилозида и считается основным канцерогеном папоротников-орляков. Благодаря строению циклопропилкарбинольной системы птаквилодиенон является сильным электрофилом и действует как мощный алкилирующий агент , который напрямую реагирует с биологическими нуклеофилами, включая аминокислоты , нуклеозиды и нуклеотиды, в слабокислых условиях при комнатной температуре (как показано на схеме ниже). [14]
В физиологических условиях птаквилозид легко высвобождает глюкозу для получения птаквилодиенона. Алкилирование аминокислот диеноном в основном происходит по тиоловой группе в цистеине , глутатионе и метионине . Алкилирование по карбоксилатной группе каждой аминокислоты, образуя соответствующий эфир , также наблюдается в небольшой степени на основе ранее опубликованной литературы. Диенон реагирует как с адениновыми (в основном в N-3), так и с гуаниновыми (в основном в N-7) остатками ДНК с образованием ДНК-аддуктов. [15] Алкилирование вызывает спонтанную депуринизацию и расщепление ДНК в месте основания аденина. В модельной реакции с дезокситетрануклеотидом (как показано справа) ковалентный аддукт обнаруживается на остатке гуанина, и N- гликозидная связь разрывается, высвобождая аддукт. [14] В 1998 году Пракаш, Смит и их коллеги показали, что алкилирование аденина птаквилозидом в кодоне 61 с последующей депуринизацией и ошибкой в синтезе ДНК привело к активации протоонкогена H - ras в подвздошной кишке телят, которых кормили папоротником. [16]
Известно, что папоротник имеет различные биологические эффекты, такие как канцерогенность и ее четко определенные синдромы у скота и лабораторных животных. Доказано, что птаквилозид отвечает за несколько из этих биологических эффектов, некоторые из которых являются видоспецифичными. [10]
У крупного рогатого скота, употребляющего папоротник-орляк, развивается острое отравление папоротником и хроническая энзоотическая гематурия крупного рогатого скота (БЭГ). Основной особенностью острого отравления папоротником у крупного рогатого скота является угнетение активности костного мозга, что приводит к тяжелой лейкопении (особенно гранулоцитов), тромбоцитопении и острому геморрагическому кризу. [17] Однако большинство исследователей считают, что птаквилозид не является прямым возбудителем острого отравления папоротником-орляком. Основной особенностью гематурии являются опухоли мочевого пузыря и гематурия у крупного рогатого скота после длительного воздействия папоротника. На основании обширных исследований показана положительная корреляция между концентрацией птквилозида и частотой БЭГ. [18] [8] [19]
У овец, которых кормили рационом, содержащим папоротник, развивалось острое геморрагическое заболевание и яркая слепота. [20] Основными признаками слепоты были прогрессирующая атрофия сетчатки и стеноз кровеносных сосудов. [21] В 1993 году группа Ямады доказала, что птаквилозид является соединением, вызывающим дегенерацию сетчатки. [22]
У крыс, которым в течение длительного периода давали диету, содержащую птаквилозид, развились опухоли как в подвздошной кишке, так и в мочевом пузыре . Пракаш, Смит и соавторы показали, что канцерогенез, вызванный птаквилозидом, был инициирован активацией онкогена H- ras . [16] У других нежвачных животных, таких как свиньи, кролики и морские свинки, также развиваются синдромы после приема птаквилозида, которые включают гематурию, опухоли и аномалии органов (см. диаграмму). [10]
Папоротник-орляк увеличивает онкогенный риск у людей. Эпидемиологическое исследование показало, что потребление папоротника-орляка положительно коррелировало с раком пищевода и раком желудка во многих географических районах мира. [23] В 1989 году Натори и его коллеги показали, что птаквилозид оказывает кластогенный эффект и вызывает хромосомные аберрации в клетках млекопитающих. [24] В 2003 году группа Сантоса сообщила о значительном повышении уровня хромосомных аномалий , таких как разрывы хроматид в культивируемых периферических лимфоцитах . [25]
Использование папоротника-орляка в пищу человеком — это в основном исторический вопрос. Корневища этих растений служили пищей человеку в Шотландии во время Первой мировой войны. В Америке (США, Канада), России, Китае и Японии папоротник выращивается в коммерческих целях для употребления человеком. Обычная процедура, которая выполняется перед употреблением растения в пищу, заключается в предварительной обработке папоротника кипящей водой в присутствии различных химикатов, таких как бикарбонат натрия и древесная зола , для разложения или инактивации птаквилозида и других токсичных веществ. Тем не менее, некоторая канцерогенная активность сохраняется даже после обработки. [10] [26] Как показали Камон и Хираяма, риск рака пищевода был увеличен примерно в 2,1 раза у мужчин и в 3,7 раза у женщин, которые регулярно употребляют папоротник в Японии. [27] Недавние исследования показали, что серосодержащие аминокислоты могут потенциально использоваться при соответствующих условиях в качестве детоксицирующих агентов для птаквилозида [17] , а добавление селена может предотвратить, а также обратить вспять иммунотоксические эффекты, вызванные птаквилозидом. [28]
Птаквилозид в водном экстракте папоротника может быть обнаружен с помощью различных инструментальных методов: тонкослойной хроматографии- денситометрии (ТСХ-денситометрии), высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХМС) и жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии (ЖХ-МС). Диагностические тесты на птаквилозид внутри клеток включают обнаружение мутаций генов , иммуногистохимическое обнаружение опухолевых биомаркеров, хромосомных аберраций, окислительного стресса для EBH, ПЦР , ПЦР в реальном времени и ДНКазу-SISPA (последовательность-независимая амплификация одного праймера). [26]
В 1989 и 1993 годах Ямада и его коллеги сообщили о первом энантиоселективном полном синтезе обоих энантиомеров птаквилозина, агликона птаквилозида. [29] [30] На первом этапе ментиловый эфир циклопентан-1,2-дикарбоновой кислоты 1 был частично гидролизован с получением мономентилового эфира, который затем был алкилирован металлилбромидом в присутствии HMPA с селективным получением 2. Затем продукт 2 был преобразован в хлорангидрид и обработан хлоридом олова для осуществления ацилирования по Фриделю-Крафтсу с получением енона 3. Затем были выполнены гидридное восстановление, селективное окисление аллилового спирта и силилирование с получением соединения 4. При обработке основанием и солью хлорэтилсульфония была получена смесь спироциклопропанов . Второстепенный продукт 5a может быть изомеризован с п-толуолсульфоновой кислотой в 5b с выходом 81%. Десатурация путем селенилирования/дегидроселенирования и окисление основным пероксидом дает эпоксид 6. Мягкое восстановление, присоединение метил Гриньяра и окисление дают соединение 7. Метилирование циклопентанона в условиях Нойори с использованием енолята TASF дает смесь изомеров. Нежелательный изомер 8a может быть уравновешен трет-бутоксидом калия с выходом 81% для получения исключительно 8b . [ необходимо разъяснение ] Восстановление , снятие защиты и окисление дают 9. При обработке кислородом в теплом этилацетате альдегид на 9 окисляется до ацильного радикала для декарбонилирования. Стереоселективное улавливание третичного радикала кислородом дает гидропероксид 10 . При мягком восстановлении был получен природный (-)-птакилозин 11. Синтез Ямады проходил в 20 стадий с общим выходом 2,9%. Аналогичным образом, неприродный (+)-энантиомер птакилозина был синтезирован из диастереомера 2 .
-ptaquilosin.jpg/1280px-Total_synthesis_of_(-)-ptaquilosin.jpg)
С 1989 года сообщалось о многочисленных синтетических исследованиях, направленных на птаквилозин 11. В 1994 году Падва и его коллеги описали синтез основного скелета птаквилозина с помощью высококонвергентного подхода. [31] В 1995 году Косси и его коллеги сообщили о новых путях к рацемическому и оптически активному скелету птаквилозина. Их правильно функционализированное трициклическое соединение было бы очень полезно для синтеза 11. [32 ]