ТОКСИНЫ

ТОКСИНЫ (греч. toxikon яд) — вырабатываемые микроорганизмами, растениями и животными биологически активные вещества, общим свойством к-рых является способность нарушать гомеостаз у определенных групп прокариотов или эукариотов; Т. имеют большое значение в патогенезе инф. болезней. Они используются для создания профилактических и лечебных препаратов, а также как средство для изучения биологических процессов на молекулярном уровне. К Т. относятся различные хим. соединения: производные нуклеотидов, полипептиды, простые и сложные белки, обладающие в ряде случаев ферментативной активностью, вещества стероидной природы и комплексные соединения (липополисахариды и др.).

Примером токсинов, представляющих производные нуклеотидов (см. Липополисахариды).

Основным критерием при отнесении того или иного вещества к Т. служит его способность нарушать гомеостаз (см.) какого-либо организма, выступающего в качестве тест-объекта при оценке поражающего действия изучаемого соединения.

Результатом действия Т. может быть гибель организма или резкое изменение его функций, необходимых для нормальной жизнедеятельности (подвижность, способность к таксисам у простейших и низкоразвитых организмов, нормальный метаморфоз у насекомых, нарушения в системе свертывающих белков гемолимфы у членистоногих, дисбаланс водно-солевого обмена, нарушения в терморегуляции и в фибринолизе у млекопитающих и птиц и др.). Так, напр., о свойствах килерных Т. сахаромицет и криптококков судят по их способности снижать количество жизнеспособных особей в интенсивно размножающейся популяции дрожжей или же дрожжеподобных грибков. Летальное действие абрина определяют по результатам внутривенного введения его кроликам. Паралитический эффект яда кобры оценивают при подкожном введении мышам и в опытах обездвиживания инфузории Paramecium caudatum. Пирогенное действие стафилококкового экзотоксина серотипа С или липополисахаридного комплекса клеточной стенки Salmonella typhimurium выявляют при внутривенном введении их кроликам по последующему изменению ректальной температуры. Способность липополисахаридного комплекса влиять на функциональную активность системы свертывающих белков крови или гемолимфы определяют как in vivo, моделируя внутрисосудистый микротромбоз у лаб. животных, так и in vitro — в тесте желирования лизата амебоцитов краба Limulus. Присущее холерогену Vibrio cholerae свойство нарушать водно-солевой обмен в организме может быть оценено как in vivo (на новорожденных крольчатах), так и in vitro (на перевиваемых культурах овариальных клеток хомячков).

Биол. модели не только позволяют отнести то или иное природное соединение к разряду Т., но и помогают выяснить природу реакций, обусловливающих интоксикацию (см.). На биол. моделировании основаны и пробы, используемые для выявления Т. в биол. продуктах, равно как и методы изучения биол. субстратов на наличие в них Т. Однако биологические пробы часто не дают возможности получить ответ в сжатые сроки, поэтому при экспресс-диагностике интоксикации поиск Т. в биологических пробах осуществляют с помощью химических или же иммунохимических индикаторов. Хим. индикаторы (см.) широко применяют при выявлении афлатоксинов, охратоксинов, липополисахаридного комплекса в тестах хемилюминесценции (см. Гемагглютинация), реакция энзим-меченных антител (см. Энзимиммунологический метод) и Др.

Т., образуемые животными (зоотоксины) и растениями (см. Ядовитые растения), в патологии человека играют меньшую роль, чем Т. микроорганизмов. Описано и выделено в относительно чистом виде более 80 токсинов микроорганизмов, действие к-рых на клетку осуществляется четырьмя основными способами: воздействие на мембрану (оболочку) клетки, прямое повреждающее действие на внутренние компоненты клетки, модификация функциональной активности клетки, влияние на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточным веществом. В соответствии с характером функциональной активности все известные микробные Т. можно разделить на 5 основных типов: мембранотоксины, цитотоксины, функциональные блокаторы, эксфолиатины — эритрогенины, модуляторы реакций клеток на эндогенные медиаторы.

К мембранотоксинам относятся три группы веществ, способных лизировать мембраны клеток эукариотов (см. Гемолиз) и токсины с фосфатидазной активностью. В свою очередь, гемолизины подразделяются на три подгруппы — устойчивые к действию кислорода, разрушающиеся под действием кислорода и прочие (гемолизины, не меняющие своих свойств в зависимости от наличия кислорода).

Цитотоксины (см.) включают три группы токсических веществ, способных блокировать процессы жизнедеятельности в клетках эукариот и вызывать их гибель: антиэлонгаторы, дермонекротизины (некротоксины) и цитотоксины с энтеротропной активностью. Группу антиэлонгаторов составляют цитотоксины, способные блокировать синтез белка на этапе удлинения полипептидной цепи, группу дермонекротизинов — Т., вызывающие некроз определенных клеточных элементов, а к группе цитотоксинов с энтеротропной активностью относят Т., разрушающие клетки кишечного эпителия.

Функциональные блокаторы представлены энтеротоксинами (см.), нейротоксинами и собственно ток-синами-блокаторами, напр, токсином Yersinia pestis, летальным для мышей.

Эксфолиатины-эритрогенины включают две группы Т.— эксфолиатины стафилококка и эритрогенины стрептококка, причем эритрогенинам стрептококка присуще и пирогенное действие.

К модуляторам реакций клеток на эндогенные медиаторы относятся Т., не обладающие прямым поражающим действием, но извращающие реакцию клеток на нек-рые эндогенные медиаторы (гистамин, митозстимулирующий фактор и др.).

По своему происхождению Т. микроорганизмов подразделяют на три основные класса: экзотоксины — продукты, выделяемые микроорганизмами в среду в процессе своей жизнедеятельности, эндотоксины — продукты, прочно связанные со стромой микробных клеток и переходящие в культуральный фильтрат только после гибели микробной популяции, мезотоксины — токсические вещества, непрочно связанные со стромой микробной клетки и в определенных условиях диффундирующие в окружающую среду при сохранении у клеток-продуцентов их исходной жизнеспособности.

Ориентируясь на два основных признака того или иного микробного Т.— его происхождение и характер функциональной активности, можно проводить детальную внутригрупповую дифференцировку Т. Напр., лейкоцидин Staphylococcus aureus состоит из двух компонентов — F и S с мол. весом 32 000 и 38 000 соответственно, к-рые в этом качестве довольно близки к лейкоцидину Pseudomonas aeruginosa, молекулярный вес к-рого 27 000. Оба сравниваемых лейкоцидина термолабильны и после 10— 30 мин. прогревания при t° 56—60° инактивируются; оба они лизируют лейкоциты, но не действуют на эритроциты. Стафилококковый лейкоцидин не обладает летальной активностью, а лейкоцидин Ps. aeruginosa при внутривенном введении мышам в дозе 4—8 мкг вызывает их гибель, что обусловлено его принадлежностью к эндотоксинам, характеризующимся токсичностью высокой степени.

Цитотоксин Shigella dysenteriae имеет мол. вес ок. 72 000 и состоит из двух основных субъединиц с мол. весом 32 000, 29 000 и дополнительных субъединиц с мол. весом 4000 и 7000, локализация к-рых точно не установлена. Этот Т. относительно термостабилен и выдерживает прогревание при t° 60° в течение 10 мин. без утраты токсической активности; прогревание при той же температуре в течение 30 мин. снижает его токсичность не более чем на 20— 25%. Токсин летален для мышей при внутрибрюшинном введении, а синтез его бактериями резко блокируется при увеличении концентрации железа в среде культивирования с 0,1 до 1,0 мкг]мл. Его поражающее действие объясняют способностью тормозить перенос аминокислот с транспортной РНК на растущую полипептидную цепь, поэтому он отнесен в группу так наз. антиэлонгаторов. В эту же группу входит и гистотоксин A Ps. aeruginosa. Мол. вес этого токсина ок. 72 000, состоит он из субъединиц с мол. весом 45 000 и 27 000. Гистотоксин А полностью инактивируется после 60 мин. прогревания при t° 70°, а интенсивность его синтеза штаммом-продуцентом находится в прямой зависимости от содержания железа в среде выращивания. Поражающее действие гистотоксина А объясняют его инактивирующим действием на второй фактор элонгации, синтезируемой на рибосомах полипептидной цепи — трансферазу II.

Т. из группы антиэлонгаторов — гистотоксин Corynebacterium diphtheriae с мол. весом 63 000 также состоит из субъединиц с мол. весом 24 000 и 39 000. Синтез этого белка штаммом-продуцентом также находится в прямой зависимости от содержания железа в питательной среде, а накапливающийся в фильтрате токсический белок термолабилен и после 30 мин. прогревания при t°60° полностью утрачивает свою ядовитость. Поражающее действие дифтерийного гистотокспна также объясняется его способностью инактивировать трансферазу II и блокировать таким образом перенос аминокислот с транспортной РНК на рибосомную матрицу.

Перечисленные свойства Т. группы антиэлонгаторов свидетельствуют о сходстве разных по происхождению Т. с практически одинаковым молекулярным строением, отличающихся чувствительностью к прогреванию и деталями механизма интоксикации клеток эукариотов (мыши относительно резистентны к действию гистотокспна Cor. diph-theriae по сравнению с цитотоксином Sh. dysenteriae и гистотоксином А Ps. aeruginosa). Однако описанные выше Т. в двух случаях (токсины Ps. aeruginosa и Cor. diphtheriae) представляют собой истинные экзотоксины (экзопротеины), а дизентерийный цитотоксин является типичным эндотоксином, поэтому можно полагать, что эти различия детерминированы в ходе эволюции.

В том же случае, когда микробные Т. одного типа и группы имеют одинаковое происхождение, сходство их наиболее полное. В качестве примера можно привести сравнительную характеристику гемолизинов, чувствительных к действию кислорода. Известно несколько таких токсинов — О-стрептоли-зин пневмолизин, листериолизин, тетанолизин, Θ-токсин Clostridium perfringens серотипов (сероваров) А и С, гемолизин Clostridium histo-lyticum, а-токсин Clostridium novyi типа А и гемолизины Clostridium botulinum серотипов С и D, альвеолизин, тюрингиолизин, цереолизин,— причем все они являются экзотоксинами (экзопротеинами). Мол. вес этих Т. варьирует в пределах 47 000— 69 000, а удельная гемолитическая активность в отношении эритроцитов барана, кролика или лошади достигает 2 х 10⁶ — 4 X 10⁶ HU (международных гемолитических единиц) на 1 мг белка. Они термолабильны и инактивируются после кратковременного прогревания при t° 56—70°, все они обладают серологическим родством и теряют литическую активность после пре-инкубации с холестерином. Последнее свойство особенно важно, поскольку, очевидно, все они фиксируются на оболочках эритроцитов в тех участках мембраны, где холестерин каким-то образом участвует в построении поверхностного рецептора.

Сходство Т. выявляется при сравнительном анализе термолабильных энтеротоксинов бактерий. Известно 6 энтеротоксинов, являющихся экзопротеннами (холероген Vibrio cholerae, энтеротоксины Vibrio parahaemolyticus, Aeromonas hyd-rophila, Salmonella typhimurium, Shigella dysenteriae, Bacillus ce-reus) и 2 энтеротоксина из класса мезотоксинов (энтеротоксины Е. coli, Salmonella enteritidis), причем все эти соединения (за исключением энтеротоксина S. enteritidis, молекулярный вес к-рого 120 000) имеют молекулярный вес ок. 80 000, часто встречающееся серо л. родство, выраженную в той или иной степени термолабильность и способность терять токсическую активность (при тестировании на овариальных клетках) после преинкубации с ганглиозидом GM

Перечисленные и другие подобные примеры (сходство в строении и свойствах у термолабильных энтеротоксинов, цитотоксинов с энтеро-тропной активностью и др.) позволяют полагать, что при эволюции разные виды патогенных микроорганизмов приобретали в процессе естественного отбора способность синтезировать однотипные по строению полипептиды, белки или же комплексные соединения. Эти соединения способны при попадании во внутреннюю среду каких-либо других организмов имитировать сигналы естественных регуляторов гомеостаза. Однако такая имитация лишь частично воспроизводит обычный ход регуляторного процесса, а на каких-то более отдаленных этапах блокирует его.

Такая трактовка механизма действия микробных Т. подтверждается рядом наблюдений о сходстве в строении нек-рых токсинов и гормонов. Так, напр., участки полипептидных цепей холерогена Vibrio cholerae и термолабильного энтеротоксина E. coli, ответственные за связь с рецепторами восприимчивых клеток, имеют структурное сходство с аналогичными участками полипептидных цепей тиреотропина, хорионического гонадотропина и лютеинпзирующего гормона.

Существует и другой вариант имитации сигналов регуляторов гомеостаза. Стафилококковый альфа-лизин фиксируется на тех участках рецепторов восприимчивых клеток, в состав к-рых входит лецитин и (или) фосфатидилхолин. Очевидно, эти же фосфолипиды входят и в состав тех рецепторов, к-рые задействованы при трансмембранном переносе в клетку нек-рых ферментов, в частности, таких как малатдегидрогеназа. Рецептором для другого стафилококкового токсина — альфа-лизина является еще одно соединение из группы ганглиозидов — Nan-gal-gle-N Ас-ганглиозид, выступающий как составная часть рецептора, обеспечивающего фиксацию на клеточной поверхности нек-рых эндогенных и экзогенных митогенов. А для дизентерийного цитотоксина в роли рецептора выступает та структура клеточной мембраны, в состав к-рой входит Х-ацетил-D-глюкозамин — основной компонент дисахарида, составляющее групповое вещество А крови человека.

После того, как в результате имитации сигналов регуляторов гомеостаза произошла ассоциация клетки с микробным Т., он трансмембранно или же путем пиноцитоза (см.) пенетрирует в цитозоль, где и проявляет свое токсическое действие. Гистотоксин A Ps. aeruginosa и дифтерийный гистотоксин реализуют, напр., свою ферментативную потенцию, катализируя реакцию между никотинамидаденин - динуклеотидом и трансферазой II. В итоге этой реакции формируется комплексное соединение — аденозин-дифосфат-рибозил-трансфераза II, не способное принять участие в переносе аминокислот с транспортных РНК на рибосомную матрицу. Таким же образом реализуют свое токсическое действие растительные яды абрин и рицин, вырабатываемые Abrus precatorius и Ricinus communis.

У холерогена V. cholerae, термолабильного энтеротоксина E. coli и других подобных им по функции Т. после пенетрации в цитозоль срабатывает потенциальная способность активировать аденилатциклазу.

В свою очередь, это индуцирует резкое накопление в клетке циклического аденозинмонофосфата, активацию протеинкиназ, встроенных в клеточные мембраны, и как следствие — изменение проницаемости мембран (см. Мембраны биологические) для ионов, воды и органических веществ.

У токсина Yersinia pestis, летального для мышей, фиксирующегося на поверхности восприимчивых клеток путем ассоциации с бета-адренорецептором, конечной точкой приложения после пенетрации в цитозоль также оказывается аденилатциклаза, но в отличие от холерогена чумной Т., летальный для мышей, инактивирует аденилатциклазу и выводит клетку из-под контроля такими факторами гомеостаза, как эпинефрин, глюкагон и др.

Реакции на молекулярном уровне, лежащие в основе процессов интоксикации (см.) и приводящие к необратимым изменениям во внутренней среде организма, подвергшегося действию Т., хорошо объясняют причины частичных неудач серотерапии (см.) подобных состояний. Еще со времен Э. Беринга и Э. Ру известно, что антитоксические сыворотки (см.) успешно купируют интоксикацию микробными Т. только тогда, когда они введены на ранних стадиях заболевания или же в начальном периоде токсинемии (фаза интоксикации, во время к-рой токсин циркулирует в крови и лимфе). Введение антитоксина (см.) в более поздний период или малоэффективно, или совсем не оказывает леч. действия. Современные данные о молекулярных механизмах интоксикации позволяют с исчерпывающей полнотой истолковать это противоречие.

Специфический антитоксин может нейтрализовать микробный Т. при циркуляции последнего и воспрепятствовать его фиксации на рецепторах восприимчивых клеток. Возможна также нейтрализация фиксированных на клетках молекул Т., когда специфическое антитело препятствует диссоциации исходной токсической молекулы (протоксина) на субъединицы и пенетрации в цитозоль фрагментов, несущих токсофорные детерминанты. Если же такая пенетрация совершилась, антитела оказываются отгороженными клеточными мембранами от проникших в цитозоль токсических факторов и возникает ситуация, когда серотерапия бессильна против интоксикации. Поэтому основные усилия в течение последних 50 лет были направлены на создание средств профилактики токсинемий. При массовой иммунизации (см.) контингентов населения атоксичными дериватами токсинов — анатоксинами (см.) удается предотвратить интоксикацию.

Для обезвреживания Т. обычно используют способ Рамона — формольную детоксикацию. Предложен также ряд новых приемов получения обезвреженных дериватов микробных Т. для специфической профилактики. В частности, для создания противохолерного антитоксического иммунитета у людей рекомендуют применять per os препарат из субъединиц полипептидной цепи холерогена, ответственных за его фиксацию на клеточных рецепторах, содержащих ганглиозид GMi. Аналогичный по свойствам препарат из субъединиц тетаноспазмина Clostridium tetani апробирован в Ин-те Пастера в Париже в качестве иммуногена для профилактики столбнячной интоксикации. В том же ин-те разработан синтетический иммуноген для профилактики дифтерийной интоксикации, представляющий собой конъюгат из адъювантного мурамилдипептида и олигопептида, формирующего токсофорный центр молекулы дифтерийного гистотоксина. Однако при использовании как традиционного способа Рамона, так и современных методик в качестве сырья для приготовления анатоксинов всегда выступает микробный Т.

В СССР и за рубежом налажено производство ряда микробных Т., которые используются при получении препаратов для прививок, применяемых в медицине и ветеринарии.

Производятся нек-рые микробные энтомопатогенные Т., предназначенные для защиты с.-х. растений. С мед. точки зрения замена пестицидов (см.) в сельском хозяйстве на энтомопатогенные токсины целесообразна, поскольку они в отличие от пестицидов не кумулируются в организме человека и животных и не оказывают на них отрицательного воздействия.

По сведениям зарубежной печати в последние годы начата разработка противоопухолевых препаратов, активным началом к-рых являются противоопухолевые антитела, гибридизованные с нек-рыми микробными токсинами (дифтерийный гистотоксин, синегнойный экзотоксин А и др.), способными блокировать синтез белка в опухолевых клетках.

Библиогр.: Далин М. В. и Фиш Н. Г. Белковые токсины микробов, М., 1980, библиогр.; Карпухин Г. И., Шапиро Н. И. и Андриевская Р. А. Химические вакцины для профилактики кишечных инфекций, Л., 1979; Проказова Н. В. Рецепторная роль глико-ефинголипидов клеточной поверхности, в кн.: Усп. биол. хим., под ред. Б. Н. Степаненко и др., т. 23, с. 40, М., 1982; Талызин Ф. Ф. и Шутова В. С. О действии ядов змей на Paramaecium caudatum, в кн.: Эксперим. паразитол. и биол., под ред. А. И. Осиповского и П. И. Щукина, с. 18, М., 1965; Янопольская Н. Д. и Деборин Г. А. Проницаемость биологических и модельных мембран для белков, в кн.: Усп. биол. хим., под ред. Б. Н. Степаненко и др., т. 23, с. 24, М., 1982; Antibody carriers of drugs and toxins in tumor therapy, Immunol. Rev., v. 62, 1982; Audibert F. a. o. Active antitoxic immunization by a diphtheria toxin synthetic oligopeptide Nature (Lond.), v. 289, p. 593, 1981; B j o r n M. J. a. o. Effect of iron on yields of exotoxin A in cultures of Pseudomonas aeruginosa PA-103, Infect. Immun., v. 19, p. 785, 1978: Gill D. M. Bacterial toxins, a table of lethal amounts, Microbiol. Rev., v. 46, p. 86, 1982; S v e n-nerholm A. M. a.o. Intestinal antibody responses after immunization with cholera В subunit, Lancet, v. 1, p. 305, 1982; Svennerholm L. Structure and biology of cell membrane gangliosides, в кн.: Cholera and related diarrheas, ed. by J. Holmgren, p. 80, Basel a. o., 1980.

М. В. Далин.