Токсины

(греч. toxikon яд)

биологически активные вещества микробного, растительного и животного происхождения, поражающие чужеродную эукариотическую клетку и не действующие на клетки прокариот. Способность к токсинообразованию наиболее широко распространена среди микроорганизмов. Токсины животных большей частью продуцируются представителями различных таксономических групп беспозвоночных. У позвоночных животных это свойство наиболее выражено у пресмыкающихся, например у змей. Способность продуцировать Т. обнаружена также у высших растений. Свойство вырабатывать токсины делает микробы патогенными, а некоторые грибы, растения и животных — ядовитыми.

По химической природе большая часть Т. микроорганизмов, растений и животных представлена высокомолекулярными соединениями (пептиды, белки, гликопротеины), и то же время Т. грибков представляют собой компоненты преимущественно с низкой молекулярной массой. Примером могут служить афлатоксины, продуцируемые видами родов Aspergillus, а также трихотеценовые микотоксины, вырабатываемые видами родов Fusarium, Trichoderma и Cephalosporium. Эти Т. обладают сильным канцерогенным действием. Химическая природа Т. простейших изучена слабо, однако имеются данные для предположения, что например, такие виды, как Trypanosoma cruzi, Giardia lamblia и Entamoeba histolytica, вырабатывают токсические белки.

Большое сходство по молекулярной структуре и механизму действия имеют некоторые растительные Т. (абрин, рицин, модецин, вискулин) и токсические белки (дифтерийный токсин, энтеротоксин Shigella dysenteriae) некоторых патогенных бактерий.

Т. бактерий вырабатываются как патогенными, так и условно-патогенными бактериями и служат причиной возникновения разного рода патологических состояний. В зависимости от вида поражаемой ткани Т. бактерий делят на несколько групп; энтеротоксины, поражающие клетки тканей желудочно-кишечного тракта: нейротоксины, поражающие клетки нервной системы; лейкотоксины (например, лейкоцидин), поражающие клетки иммунной системы: пневмотоксины, поражающие клетки легочной ткани; кардиотоксины, поражающие клетки сердечной мышцы.

По физико-химическим свойствам Т. бактерий относятся к белкам и пептидам. Некоторые из них синтезируются бактериальной клеткой в виде неактивного предшественника (дифтерийный, ботулинические токсины и др.), для переведения которого в активное состояние требуется стадия активации. Активация осуществляется при участии протеолитических ферментов, которые в условиях мягкого (ограниченного) протеолиза фрагментируют полипептидную цель с образованием двух пептидов (субъединиц А и В), выполняющих при взаимодействии токсина с клеткой-мишенью различные функции. Т.о., фрагментирование, сопровождающееся активацией, приводит к возникновению бифункциональной (или бинарной) молекулярной структуры.

Т. бактерий, у которых функционально-активная структура представлена одной полипептидпой цепью, названы простыми; Т., имеющие субъединичное строение и состоящие из нескольких функционально различных пептидов, —сложными. Структура Т. бактерий тесно связана с механизмом их действия на эукариотическую клетку.

По механизму действия на эукариотическую клетку Т. бактерий делятся на две группы: поражающие клетку-мишень посредством деструкции клеточной мембраны и Т., воздействующие на клетку-мишень, поражая ее жизненно важные регуляторные системы. Классическим примером Т. первой группы, вызывающих деструкцию клеточной мембраны, служат так называемые гемолизины (гемотоксины), разрушающие мембраны эритроцитов. Сюда же относятся тиолзависимые Т., такие как пневмолизин, стрептолизин, тетанолизин и др. Тиолзависимые Т. представляют собой белки, состоящие из одной полипептидной цепи. Активное состояние этих Т. проявляется только в восстановленной форме, когда дисульфидная группа белка при наличии тиолвосстанавливающего агента переходит в сульфгидрильную. Мембранным рецептором для этих Т. на эукариотической клетке служит холестерин. После связывания с холестерином в мембране образуются поры, через которые вытекает содержимое клетки. При действии тиолзависимых Т. на клетки сосудов нарушается сосудистая проницаемость, что, как правило, сопровождается формированием отека.

Т. второй группы, поражающие жизненно важные регуляторные системы, для того, чтобы поразить клетку-мишень, должны преодолеть мембрану и проникнуть внутрь клетки. Там они достигают какой-либо важнейшей регуляторной системы и инактивируют ее. К этой группе относятся такие токсины, как дифтерийный, холерный и холероподобный, экзотоксин A Pseudomonas aeruginosa, энтеротоксин Sh. dysenteriae, часть клостридиальных Т. Для Т. указанной группы характерной чертой является бифункциональность структуры. Иногда эти Т. называют бинарными. В основе их молекулярной структуры лежит так называемый тип А—В модели, определяющей их бифункциональность. Первое важное свойство таких Т. — способность узнавать чувствительную эукариотическую клетку и связываться с ней. Функцию узнавания и связывания в бинарном Т. выполняет компонент В (субъединица В). Так, в холерном и холероподобных Т. компонент В узнает комплементарный ему рецептор чувствительной клетки — ганглиозид GMI. С другими структурами мембраны эти Т. не связываются. Т.о., специфичность связывания Т. с поверхностью чувствительной клетки обусловлена наличием на ее поверхности рецептора строго определенной химической природы.

После связывания Т. через компонент В с поверхностью клетки вся токсическая молекула посредством эндоцитоза доставляется внутрь клетки, где в действие вступает компонент А. Обладая ферментативной активностью, компонент А взаимодействует внутри клетки с соответствующим субстратом. Так, для компонента А холерного и холероподобных Т. субстратом служит один из белков аденилатциклазы — важнейшей системы эукариотической клетки. Осуществляя ферментативную модификацию соответствующего белка аденилатциклазной системы, компонент А холерогена (холерного Т.) заставляет работать всю эту систему по аномальному типу. В клетках слизистой оболочки тонкой кишки, которые поражает холероген, нарушение функции аденилатциклазной системы приводит к нарушению обмена электролитов и как следствие этого к развитию характерных для холеры изменений.

Внутриклеточной мишенью для дифтерийного Т. служит система биосинтеза белка эукариотической клетки. После прохождения через мембрану ферментативно-активная субъединица А дифтерийного Т. осуществляет рибозилирование одного из компонентов транскрипции и тем самым останавливает биосинтез белка.

Инактивация (обезвреживание) Т. бактерий достигается путем модификации их нативной структуры. Существуют различные способы модификации токсической молекулы, но все они сводятся к изменению функции отдельных частей токсического белка. Модификации Т. бактерий можно достигнуть генетическим путем, химическим и физико-химическим воздействием. Широко известное обезвреживание Т. бактерий формалином сводится к нарушению пространственной конфигурации токсического белка за счет возникновения многочисленных сшивок между отдельными участками полипептидной цепи Т. или его отдельными субъединицами.

В связи с расшифровкой молекулярной структуры многих Т. бактерий расширилась область их применения в практической медицине. Как и прежде, Т. остались важными компонентами вакцинных препаратов, однако данные субъединичного строения, например холерогена, позволили разработать новое поколение субъединичных вакцин. Такие вакцины лишены реактогенности, не перегружены лишними антигенными детерминантами и, что особенно важно, рассчитаны на строго определенную область иммунного ответа.

Изучение природы и топографии антигенных детерминант Т. бактерий способствовало развитию современных диагностических методов (например, иммуноферментный метод, или метод молекулярных зондов). Установление генов, контролирующих продукцию отдельных белковых токсинов, позволило разработать ДНК-зонды, с помощью которых осуществляется тестирование токсигенных форм различных видов микроорганизмов.

Т. бактерий используют для конструирования так называемых иммунотоксинов. В препаратах иммунотоксинов, предназначенных для лечения новообразований, в качестве поражающего агента используется ферментативно-активная субъединица Т. (например, субъединица А дифтерийного Т.), а в качестве компонента, осуществляющего поиск чувствительной клетки, — антитело, полученное к одному из антигенов поверхности злокачественной клетки. Модели таких химерных иммунотоксинов широко изучаются.

Другое новое направление практического применения Т. заключается в использовании их модифицированных форм, субъединиц или отдельных фрагментов для целей конкурентной терапии, основанной на блокировании соответствующих рецепторных структур клетки, участвующих в связывании активного Т.

Библиогр.: Далин М.В. и Фиш Н.Г. Токсины микроорганизмов, М., 1977, Езепчук Ю.В. Патогенность как функция биомолекул, М., 1985, библиогр.