Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

БИОХИМИЧЕСКИЕ И ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИКОТОКСИНОВ, ПРОДУЦИРУЕМЫХ ГРИБАМИ-ПАТОГЕНАМИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Грушко Г.В. Линченко С.Н. Хан В.В.
Задача производства экологически чистых продуктов питания стоит в ряду важнейших мировых проблем. Она обусловлена целым рядом злободневных вопросов медицинского, социального, экологического и экономического порядка, объединенных актуальностью сохранения здоровья населения [6]. На протяжении последнего столетия получила тревожное ускорение динамика распространения среди сельскохозяйственных культур токсинообразующих грибов и роста их токсигенности. Это создает условия "естественного" и значительного загрязнения пищевого сырья, продуктов питания, кормов для животных: в поле, при хранении и т.д. Из пищевых продуктов и сырья выделено около 30 тыс. микроскопических грибов, в том числе свыше 250 токсигенных, продуцирующих до 500 низкомолекулярных метаболитов различной химической природы, объединенных названием микотоксины (МТ) [8]. Грибы снижают урожайность на 40-50%; согласно данным Международной организации по сельскому хозяйству, более 30% мирового сбора продовольствия и кормовых культур загрязнено МТ, а ежегодный экономический ущерб оценивается в 16 млрд. долларов.

МТ - это вторичные метаболиты микроскопических грибов, обладающие выраженными токсическими свойствами, т.е. метаболиты, не являющиеся эссенциальными для роста и развития продуцирующих их микроорганизмов [8]. МТ образуются из первичных метаболитов в результате изменения физиологических факторов, как, например, содержания питательных веществ, соотношения микроэлементов и других факторов роста. Усиленное образование МТ может, вероятно, быть свидетельством нарушения равновесия между микроскопическими грибами и окружающей средой. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в установлении распространенности, химической структуры МТ, изучении их физико-химических свойств, разработке методов анализа. Менее изучены особенности биогенеза, метаболизма и механизмов действия. В.А.Тутельян полагает, что число известных МТ будет увеличиваться по мере изучения роли микроскопических грибов в развитии алиментарных токсикозов человека и животных с пока неясной этиологией [8].

МТ образуются в цепи последовательных ферментных реакций из относительно небольшого числа химически простых промежуточных продуктов основного метаболизма, таких как ацетат, малонат, мевалонат и аминокислоты [8]. Наиболее значимыми этапами биосинтеза МТ являются реакции конденсации, окисления-восстановления, алкилирования и галогенизации, которые приводят к образованию весьма различных по структуре предшественников МТ. Известно пять основных путей биосинтеза МТ [3, 8]: поликетидный, характерный для патулина (тетракетиды), охратоксина А (пентакетиды), мальторизина (гексакетиды), виомеллеина (гептакетиды), эргохромов (октакетиды), зеараленона (нонакетиды), афлатоксинов и стеригматоцистина (декакетиды) и др.; терпеноидный - для трихотеценовых МТ (ТТМТ); через цикл трикарбоновых кислот - для рубратоксинов; аминокислотный, в котором исходными соединениями являются аминокислоты-эргоалкалоиды, споридесмин, циклопиазоновая кислота и др.; смешанный (сочетание двух или более основных путей) - для производных циклопиазоновой кислоты. Наибольший интерес представ-ляет поликетидный путь - основной для биосинтеза большой группы МТ. В основе его лежит линейная конденсация ацетил-СоА с тремя или более молекулами малонил-СоА с сопутствующим декарбоксилированием, но без обязательного восстановления промежуточных β-дикарбонильных систем. Исходя из числа С2-единиц, включенных в молекулу, МТ, синтезирующиеся этим путем, подразделяются на тетра-, пента-, гекса-, гепта-, окта-, нона- и декакетиды. Терпеноидный путь биосинтеза, характерен для большой группы ТТМТ. Начинает цепь превращений мевалонат, важным этапом является продукция фарнезилпирофосфата; образование основной циклической системы трихотеценовой молекулы осуществляется циклизацией фарнезилпирофосфата - превращение в триходиен, триходиол и, наконец, 12,13-эпокситрихотецен. Последующие этерификация, гидроксилирование трихотеценового ядра приводят к синтезу триходермола, веррукарола, трихотеколона и трихотецина. Полагают, что биогенез трихотеценового ядра идентичен у всех видов Trichothecium и Fusarium, но синтез разных ТТМТ отличается особенностями в процессе гидроксилирования, катализируемом ферментными системами, генетически своеобразными у разных видов грибов.

Единая таксономия микроскопических грибов, классификация и номенклатура МТ в целом отсутствует [8]: в одних случаях в основу группового деления МТ положена их химическая структура, в других - характер токсического действия, в третьих - видовая принадлежность грибов-продуцентов.

Содержание МТ в зерне должно строго регламентироваться, так как они представляют серьезную опасность для здоровья человека и животных. Наиболее существенное значение в силу токсических свойств и повсеместного распространения традиционно придается афлатоксинам, охратоксинам, ТТМТ, эрготоксинам, зеараленону (ЗЛ) и патулину, хотя потенциально опасными для человека являются и другие токсины. Однако в последние годы внимание все большее переходит от афлатоксинов к ТТМТ [8].

Афлатоксины обладают широким спектром токсикологических эффектов [1, 3, 4, 8]: гепатотоксическим, канцерогенным, мутагенным, тератогенным, нейротоксическим, цитотоксическим, иммунодепрессивным; способны нарушать репродуктивные функции и эндокринный статус, провоцировать злокачественные опухоли печени, легких, кишечника; вызывали массовые смертельные отравления населения в Индии и Таиланде. Поступление с пищей 2 мг/кг токсина В1 влечет за собой летальный исход.

Охратоксикозы [5, 8] приводят к заболеваемости и смертности населения вследствие нефропатии, опухолей мочевыводящих путей и печени. Известны тератогенные, противосвертывающие, треморогенные, канцерогенные свойства охратоксинов. МТ грибов рода Aspergillus вызывают пять инвазивных и аллергических синдромов.

Патулин, продуцируемый грибами Penicillium), оказывает на организм через зараженные фрукты и овощи мутагенное, тератогенное, иммуномодулирующее и цитонекротическое действие [3, 4]. Отравления эрготоксинами (из склероциев спорыньи), связанные с мукой и хлебопродуктами, имеют гангренозные и судорожные формы [3].

ТТМТ составляют наиболее распространенную группу из более чем 40 метаболитов различных видов грибов Fusarium, Cephalosporium, Myrothecium и др. Трактовка данных о токсических свойствах рода Fusarium, полученных разными авторами в различных странах, осложнена отсутствием единой систематики этого рода [8]. Согласно классификации В.И.Билай [2], основные продуценты ТТМТ типа относятся к виду F.sporotrichiella, a F. tricinctum и F. poae являются его разновидностями, т.е. F. sporotrichiella var. tricinctum и F. sporotrichiella var poae. Кроме того, один и тот же вид гриба-продуцента в зависимости от условий культивирования может синтезировать несколько ТТМТ разных типов [3, 8]. Химическая структура ТТМТ относится к сесквитерпенам [7, 8]. Они содержат основное ядро из трех колец (трихотекан). Поскольку ТТМТ содержат эпоксидное кольцо при С-12 - С-13 и двойную связь при С-9 - С-10, вся группа получила название 12,13-эпокситрихотец-9-ены. В зависимости от структуры трихотеценового ядра они разделяются на 4 группы: тип А составляют соединения, содержащие при С-8 в качестве радикала Н, либо ОН (табл. 1); тип В - соединения, имеющие у С-8 карбоксильную группу (табл. 2); тип С - макроциклические ТТМТ; тип D включает соединения, содержащие второй эпоксид при С-7 - С-8.

Таблица 1. Структура трихотеценовых микотоксинов типа А

Микотоксин

R1

R2

R3

R4

R5

Тип А

Триходермол

H

OH

H

H

H

Триходермин

H

OCOCH3

H

H

H

Веррукарол

H

OH

OH

H

H

Скирпентриол

OH

OH

OH

H

H

Моноацетоксискирпенол

OH

OH

OCOCH3

H

H

Диацетоксискирпенол

OH

OCOCH3

OCOCH3

H

H

7,8-Дигидроксиди-ацетоксискирпенол

OH

OCOCH3

OCOCH3

OH

OH

Т-2-Тетраол

OH

OH

OH

H

OH

Неосоланиол

OH

OCOCH3

OCOCH3

H

OH

НТ-2-Токсин

OH

OH

OCOCH3

H

OCOCH2CH(CH3)2

Т-2-Токсин

OH

OCOCH3

OCOCH3

H

OCOCH2CH(CH3)2

Т-2-Триол

OH

OH

OH

H

OCOCH2CH(CH3)2

Таблица 2. Структура трихотеценовых микотоксинов типа В

Микотоксин

R1

R2

R3

R4

Тип В

Трихотеколон

H

OH

H

H

Трихотецин

H

OCOCH=CHCH3

H

H

Ниваленол

OH

OH

OH

OH

Дезоксиниваленол

OH

H

OH

OH

Фузаренон-Х

OH

OCOCH3

OH

OH

Диацетилниваленол

OH

OCOCH3

OCOCH3

OH

Тетраацетилниваленол

OCOCH3

OCOCH3

OCOCH3

OCOCH3

В качестве природных контаминантов пищевых продуктов и кормов среди фузариотоксинов встречаются главным образом ниваленол, дезоксиниваленол (ДОН, вомитоксин), токсин Т-2 и диацетоксискирпенол (ДАС) [4], причем из них наибольшее значение придается ДОН и Т-2 токсину [7]. Имеются отдельные сообщения о выявлении в зерновых НТ-2-токсина, неосоланиола и биологического предшественника ДОН - 3-ацетилдезоксиниваленола (3-ацДОН) [8]. На токсинообразование влияет химический состав среды культивирования: максимальный синтез токсинов наблюдается при наличии в качестве источника углерода целлобиозы, галактозы, мальтозы, маннита и крахмала, а в качестве источника азота - мочевины, углекислого ацетата и цитрата аммония, а также некоторых аминокислот (аланина, глицина, аспарагина, валина, тирозина и глутаминовой кислоты). Избыток серы и железа стимулирует синтез МТ, дефицит серы - подавляет; цинк, ванадий и магний стимулируют, а кобальт полностью подавляет рост мицелия.

ТТМТ представляют собой бесцветные кристаллические, химически стабильные соединения, плохо растворимые в воде. МТ типа А растворимы в умеренно полярных растворителях (ацетон, этилацетат, хлороформ); типа В - в более полярных (этанол, метанол). В целом ТТМТ типа А более токсичны, чем В, а соединения типа D, несмотря на две эпоксидные группы, - малотоксичны. Восстановление двойной связи при С-9;10 приводит к незначительному снижению токсичности, в то время как размыкание эпоксидного кольца лишает МТ биологической активности. Эпоксид при С-12, С-13 очень стабилен и для размыкания этого кольца необходимы жесткие воздействия, например, концентрированными кислотами, перекисью водорода, длительным кипячением [8].

Эти токсины, за исключением лишь некоторых макроциклических, не обладают флюоресценцией, и для их обнаружения после разделения методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) применяют различные способы обработки с целью получения окрашенных или флюоресцирующих производных. При обработке хроматограмм 10-50% спиртовым раствором Н2SO4 с последующим нагреванием при 100-150оС ТТМТ типа А приобретают серую или пурпурную окраску, а типа В - коричневую. МТ типа А после обработки кислотой флюоресцируют голубым цветом в ультрафиолете (360 нм). Голубая флюоресценция у токсинов типа В появляется после обработки хроматографических пластин 50% раствором хлорида алюминия и нагревания при 130оС. Эффективным хромогенным реагентом является n-анисовый альдегид, обработка которым хроматографических пластин с последующим нагреванием при 100-130оС приводит к образованию пурпурно-красных производных токсинов типа А и желтых - типа В. После обработки ТТМТ типа А приобретают способность флюоресцировать голубым цветом в длинноволновой области ультрафиолета. В качестве хромогенного реагента для выявления всех типов ТТМТ, имеющих эпоксидную группу при С-12, С-13, возможно использование 4-(п-нитробензил)-пиридина, при обработке которым токсины приобретают сине-фиолетовую окраску [8]. Тем не менее, по-прежнему одной из причин малочисленности данных о распространенности ТТМТ является отсутствие высокочувствительных и достаточно простых и надежных методов их анализа.

Отравление ТТМТ характеризуется [3, 7, 8] поражением центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта, кожи, кровеносной, кроветворной, иммунной и других систем, тератогенным действием. Высокое содержание фузариотоксинов (токсин Т-2, ниваленол, ДОН, ДАС) в зерновке (и соломе) может быть причиной массовых отравлений.

Метаболизм Т-2 токсина осуществляется при участии микросомных ферментных систем [8]: он подвергается деацетилированию с образованием НТ-2 токсина, затем 4-деацетилнеосоланиола и, наконец, Т-2-тетраола. Таким образом, 4-деацетилнеосоланиол и Т-2-тетраол представляют собой продукты детоксикации Т-2 токсина в организме. Существует и другой путь биотрансформации Т-2 токсина: Т-2 токсин → неосоланиол → 4-деацетилнеосоланиол → Т-2-тетраол. Реакция С-4-деацетилирования катализируется микросомной неспецифической карбоксилэстеразой. Наряду с деацетилированием Т-2 токсин может подвергаться окислению с образованием оксипроизводных Т-2 и НТ-2 токсинов. Гидроксилирование последних происходит при участии цитохром Р-450-зависимых монооксигеназ.

Метаболизм (детоксикация) ДОН протекает в направлении образования деэпоксидированного производного - 3α,7α,15-тригидрокси-трихотец-9,12-диен-8-он. Остается неясным, способна ли микросомальная эпоксигидролаза участвовать в обезвреживании ТТМТ, а также значение реакций конъюгации с SH-глутатионом, UDP-глюкуроновой кислотой и другими соединениями, которые, как известно, играют существенную роль в детоксикации 2,3-эпоксида афлатоксина В1. Тем не менее, ряд косвенных признаков указывают на важную роль реакций конъюгации в детоксикации Т-2 токсина [8].

Грибы рода Fusarium наряду с ТТМТ способны продуцировать и другие МТ, например, зеараленон (ЗЛ) - лактон 6-(101-окси-61-оксо-транс-11-ундеценил)-β-резорциловой кислоты с эмпирической формулой С18Н22О5 и молекулярной массой 318. Это белое кристаллическое вещество с температурой плавления 164-165оС, с транс-конфигурацией, ограниченно растворимое в воде и хорошо растворимое в спиртах, ацетоне, хлороформе. ЗЛ обладает сине-зеленой флуоресценцией в ультрафиолетовом свете при 360 нм. [3, 8]. Основными продуцентами ЗЛ являются F. graminearum (F. roseum), F. moniliforme и F.tricinctum.

Известны его эстрогенные, мутагенные, тератогенные (эмбриотоксические) и канцерогенные свойства, склонность нарушать репродуктивную функцию и вызывать преждевременное половое созревание [3, 8]. ЗЛ подвергается быстрой биотрансформации в организме. Около 60% его метаболитов представлены легко выводящимися малотоксичными конъюгатами (глюкуронидами), а 25% - α-зеараленолом, который в силу высокой эстрогенной активности рассматривают как активированную форму ЗЛ. В числе активных метаболитов ЗЛ известны α- и β-зеараленол, а также α- и β-зеараланол.

Особую значимость имеет проблема воздействия МТ на иммунную защиту организма, являясь одной из главных причин роста инфекционной, аутоиммунной, аллергической и онкологической заболеваемости. Она и потребует в будущем первоочередного решения.

Список литературы

  1. Афлатоксины. Сер.: Обзоры научной литературы по токсичности и опасности химических веществ / Под ред. Н.Ф.Измерова. - М., 1993. - С.26-27.
  2. Билай В.И.; Курбацкая З.А. Определитель токсинообразующих микромицетов. - Киев: Наукова думка, 1990. - 236 с.
  3. Донченко Л.В., Надыкта В.Д. Безопасность пищевой продукции. - М.: Пищепромиздат, 2001. - 528 с.
  4. Кравченко Л.В. Микотоксины как природные контаминанты пищевых продуктов и кормов //Оценка загрязнения пищевых продуктов микотоксинами. - М., 1985. - Т.2. - С.7-28.
  5. Кравченко Л.В., Авреньева Л.И., Тутельян В.А. Оценка комбинированного действия микотоксинов дезоксиниваленола (вомитоксина) и Т-2 токсина на крыс //Токсикологический вестник. - 2000. - №1. - C.2-8.
  6. Монастырский О.А. Современное состояние и проблемы исследования токсиногенных грибов, поражающих злаковые культуры //Актуальные вопросы биологизации защиты растений. - Пущино, 2000. - С.79-89.
  7. Соболев В.С. Химические методы анализа трихотеценовых микотоксинов. Краткие сведения о трихотеценах //Оценка загрязнения пищевых продуктов микотоксинами. - М., 1985. - Т.3. - С.216-239.
  8. Тутельян В.А., Кравченко Л.В. Микотоксины (медицинские и биологические аспекты). - М.: Медицина, 1985. - 320 с.

Работа представлена III научную конференцию с международным участием «Медицинские, социальные и экономические проблемы сохранения здоровья населения», г. Анталия (Турция), 22-29 мая 2005 г. Поступила в редакцию 11.04.2005 г.


Библиографическая ссылка

Грушко Г.В., Линченко С.Н., Хан В.В. БИОХИМИЧЕСКИЕ И ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МИКОТОКСИНОВ, ПРОДУЦИРУЕМЫХ ГРИБАМИ-ПАТОГЕНАМИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ // Успехи современного естествознания. – 2005. – № 8. – С. 74-78;
URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=9051 (дата обращения: 19.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074