Mikrokystiinit

Mikrokystiinit ovat joidenkin, eritoten makeissa vesissä elävien, sinilevien eli syanobakteerien tuottamia maailmanlaajuisesti esiintyviä myrkkyjä. Ne ovat ehkä myös syöpävaarallisia. Niitä ilmenee muun muassa Itämeressä ja Suomen järvissä sinileväkukintojen yhteydessä, mutta kaikki syanobakteerit eivät tuota mikrokystiineitä. Luonnosta on löydetty yli 90 erilaista mikrokystiiniä. Ne ovat ei-ribosomaalisesti tuotettuja 7:n aminohappoa sisältäviä yksirenkaisia peptideitä.
Nieltynä mikrokystiinit voivat olla tappavia ihmisille ja monille muille eläimille. Kuolettavat myrkytykset ovat silti harvinaisia. Mikrokystiinit eivät imeydy ihon läpi. Vähäinen ihoaltistus niille voi silti aiheuttaa kutinaa tai punoitusta. Vähän mikrokystiineitä sisältävien aerosolien hengittäminen voi aiheuttaa esimerkiksi yskää. Iho- tai aerosolialtistus voi tapahtua vaikkapa uitaessa tai vesihiihdettäessä sinileväkukintoja sisältävissä vesistöissä. Mikrokystiineitä voi myös olla vesieläimissä, kuten kaloissa, joista ne päätyvät ihmisiin syötäessä näitä eläimiä. Runsas mikrokystiinien nieleminen voi aiheuttaa oksentelua, ripulia ja tappavan akuutin maksan vajaatoiminnan. Vakavaa myrkytystä on vaikeaa hoitaa, eikä mikrokystiineitä vastaan ole vastamyrkkyjä.
Mikrokystiineitä muodostavia sinileväkukintoja ilmenee rehevöitymisen seurauksena makeissa vesissä, murtovesissä ja merivesissä. Mikrokystiineitä tuottavat ainakin jotkin "Anabaena-, Anabaenopsis-, Planktothrix-, Microcystis-, Nostoc"- ja "Oscillatoria"-sukuihin kuluvat syanobakteerit.
Historia.
Mikrokystiinien rakennetta alettiin selvittämään 1950-luvulla, mutta niiden lopullinen yleisrakenne selvisi vasta 1984. "Mikrokystiini"-nimi keksittiin 1965. Se tulee "Microcystis"-suvun nimestä, johon kuuluvista lajeista osa tuottaa mikrokystiineitä. Mikrokystiineitä on kutsuttu joskus englanniksi myös nimin "cyanoginosin" ja "cyanoviridin". "Cyano-" tulee syanobakteereista ja "-ginosin" mikrokystiineitä tuottavan "Microcystis aeruginosa" -lajin loppuosasta. Jälkimmäisessä nimessä "-viridin" tulee "Microcystis viridis" -lajista.
Rakenne.
Luonnosta on löydetty yli 90 eri mikrokystiiniä. Ne ovat 7 aminohappoa sisältäviä yhden rengasrakenteen omaavia peptideitä eli monosyklisiä heptapeptideitä. Pääosaa näistä aminohapoista ei esimerkiksi ole useimmissa proteiineissa, eli ne ovat ei-proteinogeenisiä. Kuten kuvassa, osa aminohapoista on kiinni toisissaan peptidi- ja osa isopeptidisidoksin. Aminohappojärjestys ja yleisesti käytetty numerointi mikrokystiineissä on seuraavanlainen (kuvan numerointi on sama):
Näistä X ja Z voivat olla joitakin L-stereoisomerian aminohappoja. Ne määrittävät osaltaan mikrokystiinityypin. Aminohappojen X ja Z kirjainsymboleita käytetään mikrokystiinien nimeämisessä järjestyksessä "mikrokystiini-XZ". Esimerkiksi mikrokystiini-LR:n nimi tulee siitä, että sen vaihtelevan aminohapon X kohdalla on L-arginiini ja Z kohdalla on L-leusiini. Arginiinin ja leusiinin symbolit ovat vastaavasti R ja L.
Yllä luetelluissa ei-vaihtelevissa aminohapoissa voi lisäksi tietyissä kohdissa olla kiinnittyneenä atomiryhmiä. Kuvassa näistä kohdista osa on merkitty symbolein R1 ja R2. Esimerkiksi D-glutamiinihapon (aminohappo 6. yllä) α-karboksyylihapporyhmän karbonyylissä voi mikrokystiinistä riippuen olla kiinni vety (-H), metyyli (-CH3) tai 1-propanoli (-C3H6OH).
Mikrokystiinien yleisrakenne voidaan esittää myös muodossa syklo-(D-Ala1-X2-D-Masp3-Z4-Adda5-D-γ-Glu6-Mdha7). Mikrokystiineistä on löydetty luonnosta yli 270 johdannaista, jotka eivät ole varsinaisia mikrokystiineitä. Johdannaisista monet toimivat silti myrkkyinä samalla mekanismilla kuin mikrokystiinit. Johdannaisissa jokin yleisrakenteen vaihteleviin aminohappoihin kuulumattomista aminohapoista on eri. Esimerkiksi [Ser7]MC-LR merkitsee mikrokystiini-LR:ää, jossa "N"-metyylidehydroalaniini (Mdha7) on korvautunut seriinillä.
Myrkytys.
Raja-arvoja.
Mikrokystiini-LR on eräs yleisimpiä mikrokystiinityypeistä. Maailman terveysjärjestö WHO:n suurin ihmisille turvallisena pitämä päivittäisannos (TDI-annos) on 0.04 mikrogrammaa mikrokystiini-LR:ää per pehonpainokilogramma (µg/kg). WHO:n suosituksissa juomavettä pidetään turvallisena jos litrassa sitä on enintään 1 µg mikrokystiini-LR:ää. Mikrokystiini-LR:n LD50 on hiirille vatsakalvoon pistettynä 25–150 µg/kg (per kehonpainokilogramma). Nieltynä hiirille LD50 on 5000 µg/kg (5 mg/kg).
Altistustavat.
Ihmiset altistuvat mikrokystiineille ollessaan tekemisissä vesistöjen kanssa, joissa on mikrokystiineitä tuottavia syanobakteeri- eli sinileväkukintoja. Mikrokystiineitä tuottavia sinileväkukintoja ilmenee lähinnä makeissa vesissä. Niitä on kuitenkin myös murtovesissä ja merivesissä. Ihmisten mikrokystiinimyrkytyksiä on tapahtunut nieltäessä vettä uimisen yhteydessä tai hengitettäessä aerosoleja eli pieniä pisaroita, joita on muodostunut esimerkiksi veneilyn, vesiskootterilla ajamisen tai vesihiihdon yhteydessä.
Muita mahdollisia altistustapoja ovat saastuneen veden tarkoituksellinen juonti tai sinileväpohjaisten lisäravinteiden syönti. Huono vedenkäsittely on myös eräs altistustapa. Esimerkiksi 1996 Brasiliassa Caruarulaisessa sairaalassa 130:n ihmisen hemodialyysissä käytettiin huonosti käsiteltyä mikrokystiineitä sisältävää vettä. Dialyysissä olleista 116 sai myrkytysoireita, joista 76 kuoli maksavaurioon.
Ainakaan vuoteen 2006 mennessä ihmisiä ei tiedetty kuolleen syötyään vesieläimiä, jotka ovat eläneet mikrokystiineitä tuottavia sinileviäkukintoja sisältävissä vesistöissä. Tällaisissa vesistöissä elävistä kaloista on kuitenkin joissakin tutkimuksissa löydetty mikrokysteiinipitoisuuksia, jotka ovat ylittäneet Maailman terveysjärjestön turvallisena pitämät raja-arvot. Mikrokystiinit voivat myös biokertyä ainakin joihinkin kalalajeihin. Useat vesieläimet lisäksi kestävät suurempia mikrokystiinipitoisuuksia kuin jotkin maaeläimet.
Mikrokystiinit säilyvät pitkään luontaisissa vesistöissä, joissa niiden puoliintumisajan on arvioitu olevan 90–120 päivää metrin syvyisessä vedessä ja kasvavan saman verran veden syvyyden kasvaessa metrillä. Luonnon mikrobit kuitenkin pystyvät hajottamaan mikrokystiineitä. Keittäminen ei tuhoa tehokkaasti veden mikrokystiineitä.
Oireet.
Nieltynä mikrokystiinit voivat olla tappavan myrkyllisiä ihmisille ja monille muille eläimille. Kuolettavat mikrokystiinimyrkytykset ovat kuitenkin harvinaisia. Mikrokystiinit eivät imeydy ihon läpi, mutta ihoaltistus niille voi aiheuttaa iho-oireita. Ihoaltistus pienille määrille voi aiheuttaa kutinaa, ihon punertavuutta tai korvakipua. Vähän mikrokystiineitä sisältävien aerosolien hengittäminen voi aiheuttaa yskää, kurkkukipua tai nenän tukkoisuutta. Vähäinen iho- tai aerosolialtistus voi aiheuttaa oireita parissa päivässä altistuksesta.
Mikrokystiinien nieleminen aiheuttaa maksaan ja osin myös paksusuoleen ja munuaisiin kohdistuvan myrkytyksen. Nieltäessä tappava annos, oireet alkavat minuuteissa tai tunneissa. Aluksi voi ilmetä maksan turpoamista, ruokahaluttomuutta, väsymystä ja oksentelua. Tätä seuraa ripuli, jossa voi myöhemmin olla verta. Loppuvaiheessa voi ilmetä liikuntakyvyttömyyttä aiheuttavaa uupumusta tai kooma. Oireet johtavat tappaviin maksan verenvuotoihin (akuutti maksan vajaatoiminta). Edeltävien lisäksi voi ilmetä keltaisuutta, kuumetta, päänsärkyä, lihaskipua tai vatsakipua.
Mikrokystiineitä vastaan ole yleisesti toimivia vastamyrkkyjä. Myrkytyksen saanutta voidaan silti pyrkiä hoitamaan antamalla esimerkiksi mikrokystiineihin sitoutuvia vasta-aineita. Vakavan myrkytyksen hoito on vaikeaa siinä ilmenevien peruuttamattomien maksavaurioiden takia.
Mekanismi.
Nieltynä mikrokystiinit imeytyvät suolistosta päätyen soluihin erilaisten orgaanisten anionien kuljetinproteiinien (OATP) kautta aktiivisella kuljetuksella. OATP:itä on eritoten maksasolujen pinnalla. Siksi myrkytys kohdistuu pääosin maksaan. Mikrokystiinit sitoutuvat kovalenttisesti soluissa oleviin proteiinifosfataasi 1:iin (PP1) ja proteiinifosfataasi 2:iin (PP2A) estäen niiden toiminnan. Nämä fosforylaasit poistavat fosfaattiryhmiä monista eri proteiineista. Eston takia näihin proteiineihin kertyy liikaa fosfaattiryhmiä. Tämä johtaa moniin apoptoosia eli ohjelmoitua solukuolemaa ja happiradikaalien muodostumista edistäviin vaikutuksiin, jotka aiheuttavat muun muassa vaurioille ja syövälle otollisia kudosmuutoksia.
Esimerkiksi p53-proteiinien liiallinen fosforylaatio PP2A:n eston takia lisää p53-aktivaatiota. p53 lisää muun muassa bcl-2-perheeseen liittyvän x-proteiinin (Bax) tuottoa. Bax lisää mitokondriokalvojen läpäisevyyttä eri aineille. Tämä edistää apoptoottisten olosuhteiden muodostumista soluissa esimerkiksi lisäämällä solulle haitallisten mitokondriosyntyisten happiradikaalien vuotoa mitokondrioista muualle soluun. Eräs toinen esimerkki ovat mitogeeniaktivoitujen proteiinikinaasikinaasien (MAPK) liiallisen fosforylaation aiheuttama c-Jun-, c-Fos- ja c-Myc-esisyöpägeenien (proto-onkogeenien) aktivaatio ja solun tukirangan muutokset.
Syöpävaarallisuus.
Kansainvälinen syöväntutkimuslaitos IARC luokitteli 2010 julkaistussa katsauksessa mikrokystiinit mahdollisesti ihmisille syöpää aiheuttaviksi aineiksi, eli ryhmän 2B aineiksi IARC:n luokittelujärjestelmässä.
Muodostuminen.
Mikrokystiinit ovat ei-ribosomaalisia peptideitä, sillä syanobakteerit tuottavat niitä ilman ribosomeja polyketidisyntaasien ja ei-ribosomaalisten peptidisyntaasien (NRPS) avulla. Mikrokystiinit ovat syanobakteerien sisällä, eivätkä normaalisti erity niiden ulkopuolelle. Bakteerit voivat hajota mikrokystiineitä vapauttaen korkeassa tai matalassa pH-arvossa tai yli 40 °C:ssa.
Alla on lueteltu muutamia mikrokystiineitä tuottavista syanobakteerien lajeista tai johonkin sukuun kuuluvista tarkemmin määrittämättömistä lajeista (sp.).