กรดบงเกรก

กรดบงเกรก  หรือเรียกอีกอย่างว่า กรดบงเกรกิก ) เป็นสารพิษต่อกลไกการหายใจระดับเซลล์ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดในมะพร้าวหมักหรือข้าวโพดที่ปนเปื้อนด้วยแบคทีเรีย "Burkholderia Gladioli" pathovar "cocovenenans" เป็นกรดไตรคาร์บอกซิลิกไม่อิ่มตัวสูง ที่มีความเป็นพิษสูง ทนความร้อนได้ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ซึ่งไปยับยั้งเอนไซม์เอดีพี/เอทีพี ทรานสโลเคส (ADP/ATP translocase หรือ mitochondrial ADP/ATP carrier) ทำให้เกิดการขัดขวางไม่ให้เอทีพีออกจากไมโตคอนเดรียเพื่อให้พลังงานแก่กระบวนการเมแทบอลิซึมในส่วนที่เหลือของเซลล์ เมื่อบริโภคอาหารที่มีการปนเปื้อนกรดบงเกรก พิษจะมุ่งเป้าไปที่ตับ สมอง และไตเป็นหลัก โดยจะมีอาการต่าง ๆ เช่น อาเจียน ท้องร่วง ปัสสาวะไม่ออก ปวดท้อง และเหงื่อออกมากผิดปกติ การระบาดส่วนใหญ่พบในประเทศอินโดนีเซียและจีนซึ่งมีการบริโภคมะพร้าวหมักและอาหารที่ทำจากข้าวโพด
ประวัติและการค้นพบ.
พ.ศ. 2438 เกิดการระบาดของภาวะอาหารเป็นพิษบนเกาะชวา ประเทศอินโดนีเซีย การระบาดเกิดจากการบริโภคอาหารพื้นเมืองของอินโดนีเซียที่เรียกว่าเต็มเปบงเกร็ก  ซึ่งในช่วงเวลานั้นเต็มเปบงเกร็กเป็นแหล่งโปรตีนหลักในชวาเนื่องจากมีราคาไม่แพง เต็มเปบงเกร็กทำจากเนื้อมะพร้าวที่เป็นผลพลอยได้ของการสกัดกะทินำมารวมเป็นก้อนแล้วหมักด้วยเชื้อรา "Rhizopus oligosporus" การระบาดครั้งแรกของพิษจากเต็มเปบงเกร็กได้รับการบันทึกโดยนักวิจัยชาวดัตช์ในปี พ.ศ. 2438 อย่างไรก็ตามไม่มีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อค้นหาสาเหตุของพิษ ต่อมาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1930 อินโดนีเซียประสบภาวะเศรษฐกิจตกต่ำในสภาพเช่นนี้ทำให้ประชาชนบางส่วนทำเต็มเปบงเกร็กเอง แทนที่จะซื้อโดยตรงจากผู้ผลิตที่ผ่านการฝึกอบรมมาอย่างดี ส่งผลให้พิษเกิดขึ้นบ่อยครั้งถึงปีละ 10 ถึง 12 ครั้ง เว กา แมร์เตินส์ (Willem Karel Mertens) และ อา เค ฟัน เฟน (Andre Gerard van Veen) นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์จากสถาบันไอก์มัน  แห่งจาการ์ตา เริ่มค้นหาสาเหตุของพิษดังกล่าวในช่วงต้นคริสต์ทศวรรษ 1930 พวกเขาระบุแหล่งที่มาของพิษได้สำเร็จว่าเป็นแบคทีเรียที่ชื่อว่า "Pseudomonas cocovenenans" แบคทีเรียชนิดนี้ซึ่งมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า "Burkholderia cocovenenans" ทำให้เกิดการสังเคราะห์สารพิษที่เรียกว่ากรดบงเกรก แบคทีเรีย "B. cocovenenans" มักพบในพืชและในดินซึ่งสามารถถูกดูดซึมโดยมะพร้าวและข้าวโพด นำไปสู่การสังเคราะห์กรดบงเกรกในระหว่างการหมักอาหารดังกล่าว ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2518 เป็นต้นมา การบริโภคเต็มเปบงเกร็กที่ปนเปื้อนได้ก่อให้เกิดภาวะพิษจากกรดบงเกรกมากกว่า 3,000 ราย อัตราการเสียชีวิตที่รายงานโดยรวมในอินโดนีเซียเพิ่มเป็นร้อยละ 60 การผลิตเต็มเปบงเกร็กจึงถูกสั่งห้ามมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2531 เนื่องจากสถานการณ์ที่รุนแรง
การสังเคราะห์.
มีความพยายามหลายครั้งในการสังเคราะห์กรดบงเกรกโดยใช้จำนวนชิ้นส่วนที่แตกต่างกัน นับตั้งแต่การสังเคราะห์กรดทั้งหมดเป็นครั้งแรกโดย อี.เจ. คอรีย์ (Elias James Corey) ในปี พ.ศ. 2527 ความพยายามพิเศษหนึ่งในการสังเคราะห์กรดบงเกรกเกิดขึ้นโดยกลุ่มวิจัยชินโด (Shindo's group) จากมหาวิทยาลัยคีวชูในปี พ.ศ. 2552 ซึ่งแตกต่างจากความพยายามอื่น ๆ อย่างเช่น ความพยายามโดยกลุ่มวิจัยเลฟ (Lev's group) โดยกลุ่มวิจัยชินโดได้ใช้ชิ้นส่วนสามชิ้นในการสังเคราะห์กรดบงเกรก
ชิ้นส่วนที่ 1, 2 และ 3 ได้รับการสังเคราะห์แยกกันในห้องปฏิบัติการ หลังจากการสังเคราะห์แต่ละชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์กรดบงเกรกแล้ว ขั้นตอนแรกชิ้นส่วนที่ 2 และ 3 จะถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันผ่านปฏิกริยาจูเลียโอเลฟิเนชัน (Julia olefination) ที่มีโพแทสเซียม บิส(ไตรเมทิลไซลิล)เอไมด์ (KHMDS) ได้สารตัวกลางที่เป็นผลลัพธ์ซึ่งเรียกโดยย่อว่า A ในผังด้านล่าง จากนั้นถูกเชื่อมต่อกับชิ้นส่วน 1 ผ่านปฏิกิริยาซูซูกิ (Suzuki coupling) หลังจากสร้างสารตัวกลาง B แล้ว ในที่สุดกรดบงเกรกก็ถูกสังเคราะห์โดยการปรับปรุงด้วยปฏิกริยากับเมทานอล (แอลกอฮอล์ปฐมภูมิ) โดยผ่านตัวทำปฏิกริยาโจนส์ (Jones reagent) และการกำจัดหมู่ป้องกันกรดของเมทอกซีเมทิลเอสเทอร์ การสังเคราะห์กรดบงเกรกครั้งแรกโดย อี.เจ. คอรีย์ ต้องใช้ถึง 32 ขั้นตอน กลุ่มวิจัยชินโดประสบความสำเร็จในการลดขั้นตอนลงเหลือ 18 ขั้นตอนโดยการใช้จูเลียโอเลฟิเนชันและซูซูกิคัปปลิงอย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมกับได้ผลผลิตที่สูงกว่าร้อยละ 6.4
กลไกการเกิดปฏิกริยา.
โปรตีนอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ทรานส์โลเคเตอร์ (Adenine nucleotide translocator) หรือเรียกโดยย่อว่าเอเอ็นที (ANT) จะให้เอทีพีจากไมโตคอนเดรียไปยังไซโตซอลในกลไกการแลกเปลี่ยนเอดีพีในไซโตซอล (cytosolic ADP) วิธีการทำงานของกรดบงเกรกคือการขัดขวางกระบวนการขนส่งเอดีพีในไซโตซอลในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรียโดยการยับยั้งโปรตีนเอเอ็นที สิ่งที่น่าสนใจก็คือเอเอ็นทีสร้างช่องเปิดที่เยื่อหุ้มชั้นในของไมโตคอนเดรีย (mitochondrial permeability transition pore) หรือที่เรียกว่าเอ็มพีทีพี (MPTP) กรดบงเกรกสามารถซึมผ่านเยื่อนี้และจับกับพื้นผิวของเอเอ็นที เพื่อยับยั้งการเคลื่อนย้ายของเอเอ็นที เมื่อกรดบงเกรกจับกับพื้นผิวของเอเอ็นที กรดจะสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโปรตีนส่วนที่เหลือของเอเอ็นที ปฏิกิริยาระหว่างพันธะไฮโดรเจนส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากออกซิเจนจากชิ้นส่วนกรดคาร์บอกซิลิกของกรดบงเกรก ส่วนที่โดดเด่นที่สุดในอันตรกิริยาพันธะไฮโดรเจนมาจากอันตรกิริยากับหมู่อะมิโนสายโซ่ด้านข้าง Arg-197 ส่วนที่โดดเด่นอีกส่วนหนึ่งในการจับของกรดบงเกรกกับโปรตีนเอเอ็นทีคือปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างกรดกับหมู่อะมิโน Lys-30 ของเอเอ็นที ผลที่ตามมาคือปฏิกิริยาระหว่างพันธะไฮโดรเจนและสะพานเกลือ (โปรตีนและซุปราโมเลกุล) ทำให้กรดบงเกรกอยู่ที่จุดกลางของส่วนออกฤทธิ์ของเอเอ็นที ซึ่งไปยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ทรานส์โลเคส
การสังเคราะห์เอทีพีในไมโตคอนเดรียจำเป็นต้องมีการขนส่งเอดีพีจากไซโตซอลไปยังเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรียผ่านโปรตีนเอเอ็นที ซึ่งหมายความว่าเอทีพีมีบทบาทสำคัญในการให้พลังงานแก่เซลล์ตั้งแต่แรก การแลกเปลี่ยน เอดีพี/เอทีพี ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะโครงสร้างที่แตกต่างกันสองสถานะของเอเอ็นที: สถานะไซโตซิลิก (c-state) และสถานะเมทริกซ์ (m-state) ในสถานะ c ตำแหน่งแอคทีฟของเอเอ็นทีหันไปทางไซโตซอล โดยที่มันจะดึงดูดเอดีพีในไซโตซอล และในสถานะ m ตำแหน่งแอคทีฟของเอเอ็นทีหันไปทางเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งสามารถปล่อยเอดีพีจากไซโตซอล และดึงดูดเอทีพีที่สังเคราะห์ขึ้น ปฏิกิริยาระหว่างกรดบงเกรกกับเอเอ็นทีทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเอเอ็นที กรดบงเกรกล็อกให้เอเอ็นทีอยู่ในสถานะ m โครงสร้างของ กรดบงเกรก-เอเอ็นที แสดงให้เห็นว่ามีโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ชนิดเกลียวอัลฟา (transmembrane alpha helices) 6 อันปกคลุมบริเวณเกิดปฏิกริยาของเอเอ็นที เพื่อป้องกันการจับกันของนิวคลีโอไทด์ของอะดีโนซีน ซึ่งหมายความว่าเอเอ็นทีไม่สามารถรับเอดีพีจากไซโตซอลได้ ส่งผลให้ไม่สามารถสังเคราะห์เอทีพีได้ในที่สุด
อาการจากพิษและการรักษา.
หลังจากการบริโภคอาหารที่ทำจากข้าวโพดหรือมะพร้าวที่ปนเปื้อนกรดบงเกรก คาดว่าระยะเวลาแฝงจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 10 ชั่วโมง อาการพิษจากกรดบงเกรกเหมือนกับสารพิษต่อไมโตคอนเดรียอื่น ๆ อาการทั่วไปของพิษจากกรดบงเกรก ได้แก่ เวียนศีรษะ ง่วงซึม เหงื่อออกมาก ใจสั่น ปวดท้อง อาเจียน ท้องร่วง ถ่ายเป็นเลือด ปัสสาวะเป็นเลือด และปัสสาวะไม่ออก การเสียชีวิตมักเกิดขึ้นหลังจาก 1 ถึง 20 ชั่วโมงหลังเริ่มมีอาการพิษจากกรดบงเกรก อาการที่พบบ่อยอีกประการหนึ่งของพิษกรดบงเกรกคือปวดแขนขา ในรายงานกรณีพิษจากกรดบงเกรกครั้งแรกในแอฟริกา มีรายงานว่าผู้คน 12 จาก 17 คนมีอาการปวดแขนขาเป็นอาการหลักอย่างหนึ่ง ปริมาณอันตรายถึงชีวิตสำหรับมนุษย์อาจต่ำเพียง 1 ถึง 1.5 มิลลิกรัม และอีกแหล่งข้อมูลยังระบุด้วยว่า LD50 ทางปากคือ 3.16 มิลลิกรัม ต่อน้ำหนักตัวเป็นกิโลกรัม
เนื่องจากขาดการศึกษาเกี่ยวกับพิษจลนศาสตร์ของกรดบงเกรก จึงไม่มีการรักษาหรือยาแก้พิษเฉพาะสำหรับกรดบงเกรก วิธีปฏิบัติที่ใช้โดยทั่วไปในการรักษาพิษจากกรดบงเกรกคือการกำจัดสารพิษที่ไม่ถูกดูดซึมโดยโปรตีนอะดีนีนนิวคลีโอไทด์ทรานส์โลเคส (ANT) และให้การรักษาที่จำเพาะต่ออาการที่ผู้ป่วยเป็นอยู่ เนื่องจากขาดการรักษาเฉพาะและยาแก้พิษ ช่วงเวลาจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญอย่างยิ่งในการฟื้นกลับจากผลกระทบทางสรีรวิทยาที่รุนแรง