Циклопиазоновая кислота: биосинтез, токсичность и механизмы действия.
Cyclopiazonic acid
Циклопиазоновая кислота (α CPA): микотоксин, вырабатываемый плесенью. Нарушает мышечный цикл и кальциевый градиент. Опасна для животных и человека при высоких концентрациях.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Циклопиазоновая кислота (α CPA) — микотоксин и грибковый нейротоксин, вырабатываемый плесенью Aspergillus и Penicillium. Это ингибирование нарушает цикл сокращения и расслабления мышц, а также градиент кальция, необходимый для нормальной клеточной активности. Вследствие этого загрязнения α CPA может быть опасен как для человека, так и для сельскохозяйственных животных, употребляющих зараженный корм. Однако для развития микотоксикоза у животных требуются очень высокие концентрации α CPA, поэтому она не является сильнодействующим острым токсином. Биологически CPA представляет собой специфический ингибитор SERCA-АТФазы в местах внутриклеточного хранения Ca2+. CPA ингибирует SERCA-АТФазу, фиксируя ее в определенной конформации и препятствуя переходу в другую. CPA также связывается с SERCA-АТФазой в том же месте, что и другой ингибитор — тапсигаргин (TG), тем самым снижая способность SERCA-АТФазы связываться с молекулой АТФ.
Cyclopiazonic acid (α CPA), a mycotoxin and a fungal neurotoxin, is made by the molds Aspergillus and Penicillium. This inhibition disrupts the muscle contraction relaxation cycle and the calcium gradient that is maintained for proper cellular activity in cells. Due to this contamination, α CPA can be harmful to both humans and farm animals that were exposed to contaminated animal feeds. However, α CPA needs to be introduced in very high concentrations to produce mycotoxicosis in animals. Due to this, α CPA is not a potent acute toxin. Biologically, CPA is a specific inhibitor of SERCA ATPase in intracellular Ca2+ storage sites. CPA inhibits SERCA ATPase by keeping it in one specific conformation, thus, preventing it from forming another. CPA also binds to SERCA ATPase at the same site as another inhibitor, thapsigargin (TG). In this way, CPA lowers the ability of SERCA ATPase to bind an ATP molecule.
Токсичность
Случаи микотоксикоза α CPA у людей редки. Однако обнаружение α CPA в продуктах питания, употребляемых человеком, указывает на то, что токсин все же попадает в организм человека, хотя и в концентрациях, недостаточно высоких для серьезных последствий для здоровья. Даже если токсичность α CPA для человека встречается редко, высокие дозы оказывают негативное воздействие на животных, таких как мыши, крысы, куры, свиньи, собаки и кролики. CpaS является первым ферментом в биосинтетическом пути и представляет собой гибридный поликетидсинтазу – нерибосомный пептидсинтазу (PKS NRPS). Он использует прекурсоры ацетил-CoA, малонил-CoA и триптофан для производства циклоацетоацетил-L-триптофана (cAATrp). Промежуточный продукт cAATrp затем пренилируется диметилаллилпирофосфатом (DMAPP) ферментом CpaD с образованием промежуточного β CPA. CpaD обладает высокой субстратной специфичностью и не катализирует пренилирование в присутствии изомера DMAPP – изопентилпирофосфата (IPP) или производных cAATrp. Третий фермент, CpaO, затем воздействует на β CPA посредством редокс-механизма, обеспечивающего внутримолекулярную циклизацию с образованием α CPA.
Cases of α CPA mycotoxicosis in humans are rare. However, the occurrence of α CPA in foods consumed by humans suggests that the toxin is indeed ingested by humans, though at concentrations low enough to be of no serious health concern. Even if its toxicity in humans is rare, large doses of α CPA have been seen to adversely affect animals such as mice, rats, chickens, pigs, dogs, and rabbits. CpaS is the first enzyme in the biosynthetic pathway and is a hybrid polyketide synthase nonribosomal peptide synthetase (PKS NRPS). It uses the precursors acetyl CoA, malonyl CoA, and tryptophan to produce cyclo acetoaceytl L tryptophan (cAATrp). The intermediate cAATrp is then prenylated with dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) by the enzyme CpaD to form the intermediate β CPA. CpaD has high substrate specificity and will not catalyze prenylation in the presence of DMAPP's isomer isopentyl pyrophosphate (IPP) or the derivatives of cAATrp. The third enzyme, CpaO, then acts on β CPA through a redox mechanism that allows for intramolecular cyclization to form α CPA.
Механизм действия CpaS
CpaS состоит из нескольких доменов, которые принадлежат либо PKS-части, либо NRPS-части белка весом 431 кДа. PKS-часть состоит из трех каталитически важных доменов и трех дополнительных доменов, модифицирующих структуру, которые характерны для поликетидсинтаз, но не используются в биосинтезе α CPA. Каталитически важные домен ацил-носителя (ACP), домен ацилтрансферазы (AT) и домен кетосинтазы (KS) совместно образуют ацетоацетил-КоА из предшественников ацетил-КоА и малонил-КоА. Затем ацетоацетил-КоА подвергается воздействию NRPS-части CpaS. NRPS-часть, как и PKS-часть, содержит множество каталитически активных доменов. Адениляционный домен (A) первым активирует аминокислоту триптофан, а затем переносит ее на домен пептидил-носителя (PCP) (T). После этого конденсационный домен (C) катализирует образование амидной связи между ацетоацетильным фрагментом, присоединенным к ACP, и триптофаном, присоединенным к PCP. Высвобождающий домен (R) катализирует конденсацию Дикмана, приводящую к циклизации и высвобождению продукта cAATrp.
CpaS is made of several domains that belong either to the PKS portion or the NRPS portion of the 431 kDa protein. The PKS portion is made up of three catalytically important domains and three additional tailoring domains that are common to polyketide synthases but not used in the biosynthesis of α CPA. The catalytically important acyl carrier protein domain (ACP), acyl transferase domain (AT), and ketosynthase domain (KS) work together to form acetoacetyl CoA from the precursors acetyl CoA and malonyl CoA. The acetoacetyl CoA is then acted on by the NRPS portion of CpaS. The NRPS portion, like the PKS portion, contains many catalytically active domains. The adenylation domain (A) acts first to activate the amino acid tryptophan and subsequently transfer it to the peptidyl carrier protein (PCP) domain (T). Following this, the condensation domain (C) catalyzes an amide bond formation between the acetoacetyl moiety attached to the ACP and tryptophan attached to the PCP. The releasing domain (R) catalyzes a Dieckmann condensation to both cyclize and release the cAATrp product.
Формирование β-CPA
Второй фермент, CpaD, преобразует cAATrp, производимый CpaS, в β CPA. CpaD, также известный как циклоацетоацетилтриптофанилдиметилаллилтрансфераза, присоединяет DMAPP к индольному кольцу триптофана, конкретно в позицию C4. Затем CpaD катализирует селективное пренилирование в позиции C4 посредством алкилирования по Фриделю-Крафтсу, в результате чего образуется β CPA. Важно отметить, что биосинтез α CPA зависит от других путей, в частности, от мевалонатного пути, который обеспечивает образование DMAPP.
The second enzyme, CpaD, converts the cAATrp produced by CpaS to β CPA. CpaD, also known as cycloacetoacetyltyptophanyl dimethylallyl transferase, places DMAPP at the tryptophan indole ring, specifically at position C 4. CpaD then catalyzes selective prenylation at position C 4 through a Friedel Craft alkylation, producing β CPA. It is important to note here that the biosynthesis of α CPA is dependent on other pathways, specifically the mevalonate pathway, which serves to form DMAPP.
Формирование α-CPA
Последний фермент в биосинтетическом пути, CpaO, преобразует β CPA в α CPA. CpaO является FAD-зависимой оксидоредуктазой. FAD окисляет β CPA в ходе двухэлектронного процесса, что затем позволяет кольцу замкнуться и образовать α CPA. Для восстановления окисленного кофактора FAD, используемого CpaO, восстановленный FAD реагирует с молекулярным кислородом, образуя перекись водорода.
The final enzyme in the biosynthetic pathway, CpaO, converts β CPA to α CPA. CpaO is a FAD dependent oxidoreductase. FAD oxidizes β CPA in a two electron process, subsequently allowing for ring closure and formation of α CPA. To regenerate the oxidized FAD cofactor used by CpaO, the reduced FAD reacts with molecular oxygen to produce hydrogen peroxide.