赤潮生物的毒害机理与毒素生物化学研究

1、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?赤潮生物的毒害机理与毒素生物化学研究? 周成旭严小军?中国科学院海洋研究所 青岛?对赤潮毒素的研究已成为当前国际上的一个研究热点本文仅对赤潮生物的毒害机理与毒素生物化学的研究进展进行综述?亚历山大藻? ? ? ? ?的毒 害机理亚历山大藻的毒害机理是在代谢过程中产生麻痹性贝毒?年?当第一个麻痹性贝毒石房蛤毒素?的化学结构用射线结晶学方法鉴定成功时?发现这个分子属于生物碱类型?其基本骨架单元是全氢化嘌呤通过同位素分子对 和 2的培养试验发现,该毒素是由精氨酸和乙酸通过一种特殊的合成途径形成的从同位素示踪实验发现?在石房蛤毒素合成过程中?乙酸分子通过一个不常见的氨基酸? ? ? ? ? ?缩合方式加成到精氨酸的碳上?但是这种加成方式与卟啉生物合成过程中?琥珀酸加成到甘氨酸上形成2氨基乙酰丙酸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的过程颇为相似而精氨酸分子则全体参与了石房蛤毒素的生物合成?尔后?其氨基上又由另外一个精氨酸分子转移上一个亚胺基团形成胍基石房蛤毒素侧链上的碳是由蛋氨酸上的甲基所提供?然后通过环氧化及精氨酸的胱氨

2、酸加成形成完整的石房蛤毒素因此?个精氨酸!一个乙酸和一个蛋氨酸组成了一个石房蛤毒素分子石房蛤毒素分子还可以进一步衍生化?如磺酸化等形成其他麻痹性贝毒素最近的研究结果表明?在两种有毒藻 和. 中存在催化毒素转化的酶这种修饰性酶有非常重要的应用价值,例如, . 的细胞提取物可以将石房蛤毒素的? 2? ?转化成? 2? ? ?形成两个新的衍生物?表现出细胞内的氧化酶活性特征从2 中发现硫酸转移酶活性?在外源性的腺苷2? 2二磷酸的存在下?将石房蛤毒素中的? 2? ?转化成? 2? ? ?对于一个特定的浮游生物种来说?并不是该特定生物种的必需或必然的代谢产物?因此?产生毒素并不是该种甲藻所普遍存在的?其生物合成是不可预测的?产生毒素的种株具有局限性?在对产毒藻进行研究的过程中发现?在同一地区!同一种藻中有毒和无毒的品系可以同时共存?实验室培养的有毒藻会突然失去产毒的特征?例如?在产生的甲藻 ? ? ?具有许多不产毒的种株?而产生的蓝藻. 2仅有两株?绝大部分是无毒株另外?产生的生物种类多样化除甲藻之外?红藻 ? ?和蓝绿藻 2也可以产生麻痹性贝毒毒素产毒生物的多样性促使人们考虑毒素的真正来源同

3、时?在自然海域中?尽管没有明显的赤潮?但贝类仍然表现出毒素的累积?这些现象都说明毒素可能并非只来自有毒藻本身对其他毒素?如河豚毒素的研究表明?毒素产生往往同细菌存在一定的联系因而在对有毒藻毒素产生机制的研究中?藻菌关系研究成为一个热点早在?年? ? ?就提出了甲藻内共生细菌产毒的假说?并对内共生细菌进行了研究?但一直没有确切的细菌产毒证据直到?年? ? ? ?才首次从一株高毒的 中分离到一株胞内产毒细菌它可以在独立培养的条件下产生麻痹性贝毒毒素?但产量相对较低对这株细菌的生理生化研究表明?这株细菌是?国家自然科学基金资助项目?号?中国科学院海洋研究所调查研究报告第?号收稿日期? ? 2? 2?修回日期? ? 2? 2?研究综述? 海洋科学?年?第?卷?第?期? 属?其产毒量在磷元素缺乏条件下升高?这 同培养的产毒藻在磷缺乏条件下产毒量增加类似在此之后?该实验组又从其他地区的产毒藻中分离出了产毒细菌 ? ? ? ? ? ?等?应用生物化学和分子生物学技术分离出 类的细胞外细菌?它们产生的毒素组成相对稳定?毒素含量在磷缺乏条件下上升?并且与作为能源的有机物有关这些证据表明?与产毒甲藻共存的

4、细菌中有的可以产生麻痹性贝毒但到目前为止?还只有? ? ?实验组成功分离了产毒细菌那么甲藻本身是否可以产生毒素呢?研究表明?在培养条件一致时?甲藻的毒素组成是相对稳定的?也就是说不同种甲藻?甚至在不同的地理区系中分离出的不同品系?它们的毒素组成可能存在差别?而这种差别可以保持稳定麻痹性贝毒究竟是由甲藻本身产生还是由甲藻的共生细菌产生的?有毒甲藻的交配试验可以说明许多问题如果毒素遗传具有孟德尔规律?说明毒素基因位于染色体?如果毒素基因具有单亲型?说明毒素基因位于线粒体或叶绿体?如果毒素遗传出现随机性特点?说明毒素基因位于质粒或其他自动复制单元?如细胞内细菌到目前为止?仅有非常少的甲藻交配实验报道?原因之一是有毒种株的交配十分困难对具有不同麻痹性毒素组成的甲藻株进行交叉有性生殖实验?实验的藻种包括 , . , . ,实验结果表明?毒素组成的遗 传符合?孟德尔分离?这表明毒素组成是伴随染色体稳定遗传的因此毒素组成与有毒藻本身遗传物质密切相关?由此推断至少毒素组成是由有毒藻本身的酶决定的另外?毒素的遗传与性别无关?可以说明?产毒基因定位不在性染色体上对于产生的蓝藻 2来说?这些藻株通常含有细菌

5、?细菌的数量与毒素的数量呈正相关性从已有的结果来看?麻痹性贝毒的遗传基因是成块的但究竟是由甲藻本身产生还是由甲藻的共生细菌产生尚不清楚但是似乎可以得出这样的结论?细菌可以产生麻痹性贝毒?但甲藻本身的染色体基因也可以产生麻痹性贝毒?并可以稳定遗传?短裸甲藻? )的毒 害机理短裸甲藻的毒害机理是在代谢过程中合成短裸甲藻毒素? ? ? ? ? ? ? ?和大田软海绵酸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 短裸甲藻毒素的生物合成的起始结构是全反式的多烯链?而途径的关键步骤是该链的多次环氧化和级联式开环反应对短裸甲藻毒素的生物合成研究表明?这种同时开环反应起始于分子的右末端?因此?所形成的短裸甲藻毒素的右末端具有一个羟基大田软海绵酸的基本骨架几乎全部是由乙酸分子构成的?其起始分子则是乙醇酸但是?到目前为止?分子中某些部分还不能用乙酸分子进行合理的解释另外一个重要的结构特征是?大田软海绵酸中的甲基侧链是由乙酸通过亲核加成后脱羧形成的这种甲基化方法与某些细菌的代谢产物的生物合成途径相似?拟尖刺菱形藻? 2 )的毒害机理拟尖刺菱形藻是通过代谢所产生的一种特殊的氨基酸) )软骨藻酸致毒的?软骨藻酸可以

6、干扰哺乳动物及人的神经信号传递软骨藻酸可以与谷氨酸神经递质的受体相结合?它的结合效率比谷氨酸高得多这种结合过程使神经细胞产生错误指令?误认为谷氨酸浓度过剩?而将其排除出去?直到所有的谷氨酸都被消耗完?以致使神经细胞死亡它的一种结构类似物?海人草酸也是从红藻如 , , 中发现的?但 是?它对神经受体的结合力没有软骨藻酸高由此开发成功了非常灵敏的软骨藻酸测定方法先将海人草酸进行放射性标记?并使其与神经受体结合当出现软骨藻酸时?海人草酸就从受体上释放下来?通过测定游离的放射性强度?就可以测定软骨藻酸的浓度软骨藻酸的基本骨架是谷氨酸?其侧链是单萜?即异戊二烯的二聚体其基本的生物合成途径是谷氨酸与? ? 2二甲基辛二烯2? ? 2焦磷酸? ? ? ? ? ? ? 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?发生环化反应?赤潮异湾藻? ) 与褐胞藻( )的毒害机理根据目前的研究?赤潮异湾藻和褐胞藻赤潮对人体无害但它却对渔业造成很大的危害?特别是对网箱养殖的鲑鱼?对赤潮异湾藻和褐胞藻引起的死鱼进行的组织病理学研究表明?鱼的主要病理变化是腮瓣粘膜层消失?渗透调节功能受到损伤?腮瓣水肿?导致缺氧死亡对于

7、赤潮异湾藻和褐胞藻的毒害原因众说不一?例如?不饱和脂肪酸!鱼毒素等但目前更为广泛接受的理论是自由基学说?即赤潮异湾藻和褐胞藻研究综述? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?产生的超氧自由基和羟基自由基可以对鱼造成危害 赤潮异湾藻和褐胞藻含有许多叶绿体?光合作用过程中可以产生自由基?赤潮异湾藻和褐胞藻对细胞色素?具有还原能力?当将赤潮异湾藻细胞加入含细胞色素?的溶液中时?反应快速进行?在? ? ?时达到平台期?经过计算?每?个细胞可以产生超氧自由基?#?的速率是? ? ? ? ? ? ?产生过氧化氢的速率为? ? ? ? ? ?当加入超氧化物歧化酶? ?后?对超氧自由基抑制效率为? ?即使加入更多的?细胞色素?的还原反应也不能被完全抑制?说明赤潮异湾藻具有与超氧自由基无关的还原作用当加入过氧化氢酶后?产生过氧化氢的反应几乎被完全抑制?褐胞藻具有强烈的杀菌能力?以褐藻胶降解弧菌? )为例?褐胞藻可以强烈抑制弧菌的生长例如?当单独培养? ?细菌数量可以增加? ?倍?而如果与褐胞藻同时培养时?细菌数量只 有起始接种数量的一半以下当加入过氧化氢酶和超氧化物酶后?细菌的数量完全恢

8、复到空白状态相同的水平?当单独加入过氧化氢酶时?细菌数量为起始数量的?倍?而加入超氧化物酶后?细菌数量仅为? ?倍另外加入少量的苯甲酸钠?也可以使细菌数量增加至?倍以上实验说明?褐胞藻对褐藻胶降解菌产生抑制作用的主要是羟基自由基?而不是超氧自由基因为苯甲酸钠是典型的羟基自由基清除剂?而对超氧自由基没有作用超氧自由基只是产生羟基自由基的中间形态?其本身没有很强的毒性羟基自由基是非常活泼的自由基?已经证明?它可以使蛋白质降解!? ?长链断裂?导致细胞死亡赤潮异湾藻和褐胞藻在正常培养条件下就能产生超氧自由基和羟基自由基?采用电子自旋共振仪清楚地观察到自由基的峰?赤潮异湾藻和褐胞藻对鱼毒害的室内实验也证明了同样的死亡原因?在一般的培养液条件下?赤潮异湾藻和褐胞藻对鱼的死亡率? ?后可达? ?如果在培养液中加入超氧化物歧化酶?可以将鱼的死亡率下降为? ?出现死亡的时间延长至? ?后?单独加入过氧化氢酶不仅可以使鱼的死亡率也下降至? ?而且出现死亡的时间延长至? ?证明?羟基自由基清除成分可以更有效地防止鱼由赤潮异湾藻和褐胞藻引起的死亡但是?究竟是什么原因使赤潮异湾藻和褐胞藻产生自由基的呢?一个原因是赤潮异湾藻和褐胞藻含有丰富的铁元素?铁元素在自由基的产生过程中起了很强的促进作用另外?赤潮异湾藻中含有的特殊化合物也可能是产生自由基的原因?这种有机化合物可以与重氮盐发生反应?因此?极有可能是有机胺

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