Palytoksiini

Palytoksiini eli PTXeli PLTX on verisuonia voimakkaasti supistava aine, jota pidetään yhtenä kaikkein myrkyllisimpänä ei-proteiineihin kuuluvana aineena (katso botuliini-proteiini), jota myrkyllisempi proteiineihin kuulumaton aine on ainoastaan maitotoksiini, mitä tulee aineen myrkyllisyyteen hiirissä.
Palytoksiini on polyhydroksyloitu osin tyydyttymätön (8 kaksoissidosta) pitkän hiilirungon omaava yhdiste. Siinä on rasva- ja vesiliukoisia osia, 40 OH-ryhmää ja 64 kiraliakeskusta; kiraalisuuden ja kaksoissidostensa "cis-trans"-isomerian vuoksi sillä on yli 1021 mahdollista isomeeriä. Se on lämpövakaa, eikä kiehuva vesi poista sen myrkyllisyyttä. Aine on vakaa neutraalissa vesiliuoksessa, mutta emäksiset tai happamat olot tuhoavat sen ja poistavat myrkyllisyyden. Sillä on useita rakenteeltaan hyvin samankaltaisia johdannaisia kuten mascarenotoksiini-A ja -B sekä ostreosiini-D.
Palytoksiinia valmistavat ainakin trooppisten ja subtrooppisten vyöhykkeiden "Palythoa"-suvun korallieläimet ja "Ostreopsis"-suvun panssarilevät tai varsinaisesti ehkä niissä elävät bakteerit. Aine rikastuu muissa eliöissä ravintoketjun kautta, eli ainetta tuottaneita eliöitä syöneet kalat, ravut ja muut eliöt voivat sisältää palytoksiinia. Vastaavasti näitä syöneet eliöt kerryttävät itseensä aiempaa enemmän myrkkyä. Ainetta esiintyy myös palytoksiinia tuottavien eliöiden läheisyydessä elävissä eliöissä kuten sienieläimissä, simpukoissa, meritähdissä ja polttiaiseläimissä.
Ihmisten altistustapaukset aineelle ovat harvinaisia. Niitä on esiintynyt lähinnä tiettyjä mereneläviä syöneillä, mutta myös joitain "Zoanthidea"-koralleja käsitelleillä akvaarioharrastajilla sekä leväkukintojen yhteydessä.
Soluissa palytoksiini avaa solujen natrium-kaliumpumput kiinnittymällä niihin siten, että pumppujen säädelty ionien kuljetus lakkaa ja pumput "lukittautuvat" auki-asentoon ja muuttuu käytännössä ionikanaviksi. Tällöin ionit voivat kulkea solusta toiseen hallitsemattomasti. Tämä tuhoaa solukalvojen ylläpitämät kalvon eri puolilla vallitsevat ionipitoisuuserot, jotka ovat solujen toiminnalle elintärkeät. Koska aine voi vaikuttaa mihin kehon soluun tahansa, riippuvat myrkytyksen oireet altistustavasta.
Palytoksiinin tasorakenteen selvittivät kaksi tutkijaryhmää 1981 toisistaan riippumattomasti. Stereokemia selvitettiin 1982. Aineen syntetisoivat Yoshito Kishi ja kollegat 1994.
Historia.
Löytyminen.
Palytoksiinin eristivät, nimesivät ja kuvailivat Moore ja Scheuer "Palythoa toxica" -korallista. He määrittivät aineen moolimassaksi 3 300 g/mol, tunnistivat aineen aiheuttavan korallin myrkyllisyyden ja julkaisivat tuloksensa huhtikuussa 1971. Walsh ja Bowers julkaisivat toukokuussa 1971 tutkimuksen, jossa leväksi luullun limu-make-o-Hānan todettiin olevan "Zoanthidea"-lahkon korallieläin, jonka nimeksi annettiin "Palythoa toxica". Moore ja Scheuer olivat kuitenkin tietoisia Walshin ja Bowersin meneillään olevasta tutkimuksesta.
Rakenteen selvitys ja synteesi.
1978 plasmadesorptiolla palytoksiinin moolimassaksi tarkennettiin 2861 g/mol ja että siinä on kahdeksan kaksoissidosta. Palytoksiinin suuren koon vuoksi sen koko rakenteen ja monimutkaisen stereokemian selvittämisessä kesti pitkään. Uemura et al. selvittivät ensimmäisinä aineen tasorakenteen ja julkaisivat tuloksensa tammikuussa 1981. Moore ja Bartolini selvittivät rakenteen saman vuoden toukokuussa. Ryhmät selvittivät tasorakenteen toisistaan riippumattomasti. Aineen stereokemian selvittivät ensimmäisinä Moore et al. kesäkuussa 1982 ja sitten Uemura et al. joulukuussa neljään osaan jaetussa julkaisussa.
Palytoksiinin karboksyylihapon syntetisoi 1989 Yoshito Kishin johtama ryhmä. He tuottivat ensimmäisinä 1994 tästä karboksyylihaposta varsinaisen palytoksiinin. Aine syntetisoitiin kahdeksassa osassa, jotka liitettiin yhteen palytoksiiniksi.
Esiintyminen luonnossa.
Eliöitä, joissa palytoksiinia tai sen johdannaisia on muun muassa havaittu, on lueteltu alla.
Näitä koralleja ovat "Palythoa caribeaorum", "P. mammilosa", "P. tuberculosa", "P. toxica", "P. vestitus", "P." aff. "margaritae", "Zoanthus soanderi" ja "Z. sociatus".
Näitä panssarileviä ovat "Ostreopsis lenticularis", "O. siamensis", "O. mascarensis" ja "O. ovata".
Näitä kaloja ovat "Alustera scripta", surusäppikala, "Ypsiscarus ovifrons", "Decapterus macrosoma", "Herklotsichthys quadrimaculatus", "Epinephelus" sp.
Näitä rapuja ovat "Lophozosimus pictor", "Demania reynaudii" ja "Platypodiella spectabilis".
Bakteerit saattavat pystyä tuottamaan palytoksiinia ja ne ovat ehkä aineen varsinaisia tuottajia joissakin yllä kuvatuissa eliöissä. Bakteereita, joissa aineen tuotosta on havaittu viitteitä, ovat "Pseudomonas", "Brevibacterium", "Acinetobacter", "Bacillus cereus", Vibriot ja "Aeromonas".
Mekanismi.
Palytoksiinin myrkyllisyys johtuu sen sitoutumisesta solukalvojen natrium-kaliumpumppuihin näiden pumppujen solun ulkopuoliseen osaan. Pumpuissa aine vuorovaikuttaa alueeseen, johon esimerkiksi pumppuja sulkeva ouabaiini-myrkky sitoutuu. Pumput ovat solukalvon läpäiseviä proteiineja, joita on jokaisen selkärankaisen solujen pinnalla, ja siksi aine vaikuttaa kaikkiin kehon soluihin. Avonaisen pumpun kautta monovalenttiset positiiviset ionit, kuten natrium ja kalium, pääsevät virtaamaan vapaasti, jolloin solun sisä- ja ulkopuolella oleva soluille elintärkeä ionipitoisuusero tasoittuu. Sitouduttuaan pumppuun palytoksiini avaa ja sulkee pumppua vuorotellen, mutta yli 90 prosenttia ajasta pumppu on auki-asennossa. Jos aine irtoaa, pumppu palaa solun säädeltävissä olevaan kiinni-asentoon. Pumpun auki ollessa sen läpi virtaa joka sekunti miljoonia ioneita. Normaalissa solun säätelemässä virtauksessa pumpun läpi kulkee vain noin sata ionia sekunnissa.
Tasoittunut ionipitoisuusero aiheuttaa esimerkiksi punasolujen kuoleman ja hajoamisen (hemolyysi) sekä sydän- ja muiden lihassolujen rajua supistelua.
Ensimmäiset viitteet edellä kuvatusta mekanismista saatiin 1981 ja esitettiin 1982. Palytoksiini oli ensimmäinen tunnettu aine, joka pystyi avaamaan Na/K-pumppuja tällä tavalla. Koska aineen toiminta poikkesi muista tuolloin tunnetuista myrkyistä, sen yllä kuvailtua mekanismia ei aluksi hyväksytty laajalti. Syynä oli lähinnä se, että aktiivisen (ATP:n avulla) ioneita kuljettavan pumpun ei uskottu voivan muuntua passiiviseksi eli vapaan ionivirran sallivaksi ionikanavaksi. Esitettiin vaihtoehtoisia mekanismeja, joista tehtiin tieteellinen katsaus 1995 (linkki viitteessä). Nykyisin hyväksytyn mekanismin osoittavat kokeet tehtiin leivinhiivasoluilla, joissa ei ole Na/K-pumppuja, joten niihin palytoksiini ei vaikuttanut. Kun hiivasoluihin siirrettiin lampaan pumppuja koodaavaa DNA:ta, solut kuolivat altistuessaan palytoksiinille.
Tappava annos.
Eläinkokeiden pohjalta ekstrapoloimalla on arvioitu, että verenkiertoon pistettynä ihmiselle hengenvaarallinen LD50-annos eli annos, joka tappaa puolet sen saaneista henkilöistä, on 2,3–31,5 mikrogrammaa (µg) palytoksiinia. Erään arvion mukaan 60 kg:n painoiselle ihmiselle turvallinen määrä kerralla syötynä tai yhden vuorokauden aikana saatuna on 64 µg.
Verrattuna verenkiertoon annettuun pistokseen on aineen myrkyllisyys eri eläimillä lihas- ja ihonalaispistoksina ollut vastaavasti 2,5- ja 4–30-kertainen. Nieltynä myrkyllisyys on eläimillä ollut yli 200 kertaa heikompi kuin pistoksena verenkiertoon. Seuraavassa on taulukoitu puolipuhtaalle "Palythoa"-suvun lajeista eristetylle palytoksiinille LD50-arvoja. Arvot ovat µg palytoksiinia eläimen painokiloa kohti, ja ne on mitattu 24 tunnin kuluttua annoksen antamisesta.
Myrkytyksen oireet.
Myrkytyksen oireet ja niiden ilmenemisnopeus riippuvat osin siitä kuinka paljon ja mitä kautta palytoksiinia on saatu, eli onko ainetta esimerkiksi hengitetty vai saatu iholle.
Joissakin kuolemaan johtamattomissa tapauksissa oireet ovat ihmisillä ilmenneet 6–8 tunnin jälkeen aineen hengittämisestä tai ihoaltistuksesta ja ne ovat kestäneet 1–2 päivää. Eri eläimillä verenkiertoon pistettynä oireet ovat ilmenneet 30–60 minuutin kuluttua ja silmäaltistuksessa 4 tunnin kuluttua.
Yleinen vakavan myrkytyksen aiheuttama oire on rabdomyolyysi, jossa lihassolut alkavat hajota ja niiden sisäiset nesteet vuotavat vereen. Muita oireita ovat muun muassa metallinen tai karvas maku suussa, vatsakrampit, pahoinvointi, oksentelu, heikkous, ripuli, sydämen harvalyöntisyys, munuaisten pettäminen, punasolujen hajoaminen (hemolyysi), lihaskouristelu, kehon sinertävyys (syanoosi) ja hengitysvaikeudet. Kuoleman palytoksiini aiheuttaa yleensä sydänpysähdyksen kautta vaurioittamalla sydäntä.
Joidenkin sillikalojen syöntiin liittyvää myrkytystä kutsutaan englanniksi nimellä "clupeotoxism" ja sen on ehdotettu johtuvan palytoksiinista. Myrkytykseen liittyy hermostollisia ja ruoansulatuksen ongelmia. Muun muassa rabdomyolyysiä aiheuttava Haffin tauti (eng. "Haff disease") saattaa johtua palytoksiinista. Ciguatoksiinin lisäksi palytoksiini saattaa aiheuttaa "ciguatera"-taudin oireita joissakin tautitapauksissa. Tautia ilmenee mereneläviä syötäessä.
Myrkytyksen hoito.
Palytoksiinille ei ole vastamyrkkyä ja vain myrkytyksen oireita voidaan yrittää lievittää. Koska aine supistaa voimakkaasti verisuonia, on verisuonia laajentavia aineita, kuten eri nitraatteja, tutkittu mahdollisena hoitona myrkytyksen oireisiin.
Myrkytystapaukset.
Ihmiset ovat saaneet myrkytyksen syötyään ruokia, joissa on ollut palytoksiinia tai sen kaltaisia myrkkyjä. Esimerkiksi Filippiineillä ihmisiä kuoli syötyään rapuja ja Madagaskarilla syötyään sillien heimoon kuuluvia kaloja. Lähes kuolettavia myrkytyksiä on ollut kalaa syöneissä Havaijilla ja papukaijakaloja syöneissä Japanissa.
Palytoksiini on aiheuttanut myös ihon kautta tapahtuneita myrkytyksiä esimerkiksi kotiakvaarioidensa "Zoanthidea"-koralleja käsitelleissä muun muassa Saksassa ja Yhdysvalloissa.
Lisäksi useita hengitysaltistuksia tunnetaan. Esimerkiksi 2018 kuusi ihmistä Englannin Oxfordshiressä olevassa Steventonin kylässä joutui sairaalaan hengitettyään todennäköisesti palytoksiinia, jota vapautui kotiakvaariossa olleista koralleista kun koralleita siirrettiin. Neljä paikalle kutsuttua palomiestä joutui myös sairaalaan. Altistuneilla oli flunssan kaltaisia oireita ja silmänärsytystä.
Aiemmin tuntematon palytoksiinin johdannainen, ovatoksiini-a, aiheutti aerosolimuodossa satoja sairaalahoitoa vaativia myrkytystapauksia Italian Genovassa. Myrkytykset aiheutti panssarileviin kuuluva "Ostreopsis ovata" vuosina 2005 ja 2006, jolloin Välimerellä esiintyi suuria leväkukintoja. Altistuneilla oli korkeaa kuumetta, yskää ja vinkuvaa hengitystä.
Palytoksiini kansanperinteessä.
Muinaisen havaijilaisen tarinan mukaan Mauin saarella lähellä Hanān satamaa oli kylä, jonka kalastajia vainosi kirous. Kun he palasivat mereltä saarelle, matkalla katosi aina yksi kalastaja. Eräänä päivänä kalastajat suuttuivat jälleen yhdestä kadonneesta kalastajasta, ja he hyökkäsivät saaren kumaraselkäisen erakon kimppuun, jota syytettiin kylän kirouksesta. Kyläläiset järkyttyivät repiessään viitan erakon päältä, sillä viitan alta paljastui suuri leukapari täynnä kolmikulmaisia ja teräviä hampaita. Erakko olikin haijumala, joka oli syönyt merellä kadonneet kalastajat. Kylän miehet repivät armotta haijumalan silpuksi, polttivat hänet ja heittivät tuhkat merenrannan vuoroveden aikaansaamaan matalikkoon. Pian matalikon kivireunoille alkoi kasvaa tiheää ja ruskeaa "sammalta", joka aiheutti välittömän kuoleman niille, jotka saivat iskun sammaleen kastetun keihään kärjestä. Matalikon reunoilla kasvavia sammalia alettiin kutsua nimellä "limu-make-o-Hāna", eli "kuoleman merilevä Hānasta". Havaijilaiset uskoivat, että onnettomuus kohtaa niitä, jotka yrittävät kerätä tätä "levää".