Бактериальные токсины
Токсические вещества, синтезируемые бактериями, по своей природе относятся к белкам и липополисахаридам. Липополисахариды (ЛПС) – эндотоксины, локализуются в клеточной стенке бактерий и освобождаются только после их разрушения. Токсические вещества белковой природы подразделяются на полностью секретируемые (экзотоксины), частично секретируемые и несекретируемые.
Белковые токсины – экзотоксины
Способность бактерий образовывать белковые токсины называется токсигенностью. Установлено, что у одних видов бактерий – (Сorynebacterium diphtheriae, Staph. aureus) гены токсигенности (tox+ -ген) локализованы в ДНК умеренного фага, у других (E. соli, B. anthracis) – в плазмидах, у холерного вибриона – в хромосоме.
Образование токсина не является обязательным видовым признаком, т.к. все известные токсигенные бактерии могут существовать, не продуцируя токсины. В настоящее время описано свыше 80 белковых токсинов, которые отличаются друг от друга по молекулярной массе, химической структуре, клеточным «мишеням» макроорганизма и биологической активности.
Одни из них являются термолабильными, другие относительно термостабильными. Так, например, термолабильный дифтерийный токсин, гистотоксин, разрушается при 60 0С в течение часа, а столбнячный – в течение 20 мин. Термостабильные токсины клостридий ботулизма Cl. botulinum, кишечной палочки, стафилококков могут переносить кратковременное кипячение.
Биологическая активность белковых токсинов проявляется в специфичности токсического действия, антигенных и иммуногенных свойствах. Специфичность токсического действия определяется избирательной фиксацией токсина на рецепторах клеток-«мишеней» определенных тканей (эпителиальной, нервной и др.) организма человека и животных.
Итак, патогенные бактерии продуцируют загадочные субстанции, которые прямо или косвенно оказывают токсическое действие на клетки и организм хозяина. Экзотоксины – это секретируемые микробные протеины, обычно ферменты, которые убивают клетки хозяина в исключительно маленьких концентрациях.
П
ри
многих инфекционных болезнях токсины,
действительно, определяют их основные
симптомы. Это дифтерия, коклюш, холера,
сибирская язва, ботулизм, столбняк,
гемолитический уремический синдром и
др. Например, при дифтерии сами
коринебактерии не проникают за пределы
входных ворот инфекции. За счет дифтерийных
экзотоксинов создаются условия для
возникновения дифтерического воспаления
в месте проникновения возбудителя в
организм и развитие различных органных
поражений с нарушением функций и
структуры жизненно важных органов и
систем организма.
Организация и механизм действия токсической молекулы. Большинство белковых токсинов представляют собой А-В структуру. Эта структура предполагает наличие двух компонентов – В-субъединицы, которая участвует в связывании токсина с рецептором на поверхности клетки хозяина и способствует транспортировке токсина в клетку хозяина; и А-субъединицы – проявляющей энзиматическую (токсическую) активность в клетке хозяина. Структура В-доменов зависит от структуры рецепторов-мишеней, с которыми взаимодействует токсин.
П о механизму действия все токсины подразделяют на 5 типов:
Порообразующие токсины – повреждающие мембрану (образование трансмембранных пор, приводящих клетку к лизису);
Ингибирующие синтез белка (субстратами для этих токсинов служат факторы элонгации и рибосомальная РНК);
Генерирующие образование вторичных мессенджеров (посредников) – например, цитотоксический некротический фактор (CNF);
Протеолитические токсины - эти самые токсичные токсины имеют и наиболее сложную молекулу;
Активаторы иммунного ответа – действуют непосредственно на Т- клетки и антигенпрезентирующие клетки иммунной системы.
1. Порообразующие токсины. К ним относят бактериальные токсины, функционирующие посредством вставки в плазматическую мембрану хозяина и формирующие в ней трансмембранные поры, приводящие клетку к лизису. Механизм их действия хорошо изучен на примере альфа-токсина S.aureus, рассматриваемого как прототип пороформирующего цитотоксина. Стафилококковый альфа-токсин является цитолитическим в отношении различных типов клеток. К другим членам RTX-семейства относят гемолизин E.coli (HlyA), аденилатциклазу Bordetella pertussis (коклюшный), лейкотоксин Pasterella haemolitica.
Порообразующие токсины повышают проницаемость поверхностной мембраны эритроцитов (гемолизины) и лейкоцитов (лейкоцидины), вызывая гемолиз эритроцитов и разрушение лейкоцитов. Образование поры включает целый каскад вторичных реакций, приводящих к другим патологическим последствиям (активация эндонуклеаз, высвобождение цитокинов и медиаторов воспаления и др.).
2. Ингибирующие синтез белка. Субстратами для этих токсинов служат факторы элонгации и рибосомальная РНК. Дифтерийный токсин и экзотоксин A псевдомонад являются специфическими АДФ-рибозилтрансферазами, которые рибозилируют фактор элонгации 2 и, таким образом инактивируя его, подавляют синтез белка в клетках. Шигатоксин (Stx-токсин), так же называемый веротоксином, продуцируется Shigella dysenteriae первого серотипа и сравнительно недавно появившимися Stx-продуцирующими штаммами E. coli (STEC). Stx-токсины имеют типичную А-В структуру: энзиматически активную А-субъединицу, нековалентно связанную с 1-5 В-субъединицами. В результате действия этих токсинов происходят структурные изменения в рибосомальной РНК, синтез белка прекращается и клетка гибнет.
3. Генерирующие образование вторичных мессенджеров (посредников) – цитонекротические факторы (CNF1). Бактериальные токсины могут влиять на функцию отдельных белков эукариотической клетки, непосредственно не приводя ее к гибели. Для этого они активируют так называемых вторичных посредников, которые способны в большой степени усиливать и искажать клеточную реакцию на внеклеточные сигналы, нарушая клеточное деление. Цитотоксины – блокируют синтез белка на субклеточном уровне, нарушают клеточное деление. Например, дифтерийный гистотоксин, токсин синегнойной палочки выводят из строя фермент трансферазу 2, ответственную за наращивание полипептидной цепи на рибосоме. К этому типу принадлежат токсины с энтеропатогенной активностью и дермонекротоксины, поражающие соответствующие ткани и органы.
Эукариотические клетки, подвергнутые воздействию CNF1, приобретают характерный вид. У них наблюдается «рифление» мембраны, формируется локальное сжатие актиновых нитей. Репликация ДНК при отсутствии клеточного деления, приводит к образованию многоядерных клеток. Внутрикожное введение CNF1 вызывает длительное воспаление и образование некротического очага.
4. Протеолитические токсины (протеазы). Ботулинический и столбнячный токсины (оба цинк-металлоэндопротеазы), в опытах на животных обнаруживают наименьшую из известных LD50. Удивительно, насколько различную клиническую картину дают поражения этими токсинами, имеющими столь значительное сходство в структуре, энзиматической активности и мишенях среди клеток нервной системы, но при этом различающиеся путями проникновения в макроорганизм. Например, ботулинический токсин проникает в организм энтерально и вызывает вялые параличи периферических нервов. Столбнячный же токсин, образуясь на поверхностях ран, колонизированных Clostridium tetani, приводит к спастическим параличам через поражение ЦНС.
Летальный фактор B.anthracis также относится к разряду протеаз.
5. Активаторы иммунного ответа. Самое большое семейство токсинов данного типа называют токсинами-суперантигенами (PTSAg). Они могут действовать непосредственно на Т-клетки и антигенпрезентирующие клетки иммунной системы. Это приводит к массивной пролиферации более 20% периферических Т-клеток.
Следствием Т-клеточной экспансии является массивное высвобождение интерлейкинов (1, 2 и 6 типов), гамма-интерферона, факторов некроза опухолей (альфа и бета) и др. Совместно эти цитокины вызывают гипотензию, высокую температуру и диффузные эритематозные высыпания. Токсины данного типа характерны для случайных и факультативных паразитов.
Иммуногенные свойства белковых токсинов проявляются в способности вызывать иммунный ответ со стороны макроорганизма, в частности, индуцировать синтез специфических антител – антитоксинов, нейтрализующих гомологичный токсин.
Отличительной особенностью ряда белковых токсинов, например, столбнячного, дифтерийного, ботулинического, является их способность под действием 0,5 – 0,4% формалина и при температуре – 38–50 0С утрачивать свою ядовитость, сохраняя при этом иммуногенные свойства. Такие токсины получили название анатоксинов. Они применяются в качестве вакцин для профилактики и лечения одноименных заболеваний.
Таким образом, свойства экзотоксинов сводятся к следующему:
состоят из белковых веществ,
обладают свойствами ферментов, некоторые получены даже в кристаллическом виде;
легко диффундируют из клетки в окружающую среду;
высокотоксичны,
характеризуются избирательным поражением клеток некоторых органов и тканей,
в основном термолабильны,
обладают антигенными свойствами,
под действием формалина переходят в анатоксин.