Химическая природа

Токсические вещества, синтезируемые бактериями, по своей химической природе относятся к белкам и липополисахаридам. Однако белковые токсины предназначены не только для поражения клеток, тканей и органов животного и человека. Возможно также их участие в метаболических реакциях самих бактерий-продуцентов. Липополисахариды (ЛПС) - эндотоксины - локализуются в клеточной стенке бактерий и освобождаются только после их разрушения.

Наряду с ЛПС токсическими свойствами обладают пептидогликан, тейхоевые кислоты, белки клеточной стенки грамположительных бактерий (например, протеин А стафилококка).

Белковые токсины. В настоящее время описано свыше 80 бактериальных токсинов, которые отличаются друг от друга по молекулярной массе, химической структуре, клеточным «мишеням» макроорганизма и биологической активности. Одни из них являются термолабильными, другие термостабильными. Так, например, термолабильный дифтерийный гистоксин разрушается при 60°С в течение 1 ч, а столбнячный - в течение 20 мин. Термостабильные токсины клостридий ботулизма С. botulinum, кишечной палочки, стафилококков могут переносить кратковременное кипячение.

Независимо от сложности строения токсины имеют два центра. Один из них фиксирует молекулу токсина на соответствующем клеточном рецепторе, второй - токсический фрагмент - проникает внутрь клетки, где блокирует жизненно важные метаболические реакции. Клеточные рецепторы для разных токсинов неодинаковы. Так, на холинсодержащих рецепторах фиксируются тетанолизин, О-стрептолизин, пневмолизин и др., на ганглиозидах определенного типа - тетаноспазин, холероген, энтеротоксины кишечных бактерий и др. 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. Различия в механизме действия данных токсинов позволили классифицировать четыре типа, каждый из которых состоит из нескольких групп.

Токсины, отнесенные к типу «цитотоксины», блокируют синтез белка на субклеточном уровне. Например, группа антиэлонга-торов, включающая дифтерийный гистотоксин, токсин синегнойной палочки и др., выводят из строя фермент трансферазу II, ответственную за элонгацию (наращивание) полипептидной цепи на рибосоме. Наряду с ними к данному типу принадлежат токсины с энтеропатогенной активностью и дермонекротоксины, поражающие соответствующие ткани и органы.

Второй тип - «мембранотоксины» - повышают проницаемость поверхностной мембраны эритроцитов (гемолизины) и лейкоцитов (лейкоцидины), вызывая гемолиз первых и разрушение вторых. Это связано с тем, что мембранотоксины, встраиваясь в мембрану клетки, образуют в ней канал, который гидрофилен внутри и гидрофобен снаружи. В результате происходит нарушение саморегуляции клетки, погибающей от осмотического шока.

Гемолuзuны. Некоторые микроорганизмы (стрептококки, стафи­лококки) продуцируют экзотоксины (гемолизины), растворяющие эритроциты крови. Бактерийные гемолизины следует отличать от иммуногемолизинов, которые возникают в организме и обнаруживаются в сыворотке крови животных при иммунизации последних эритроцитами.

Различают альфа-, бета- и дельта- бактерийные гемолизины.

Альфа-гемолизины вызывают гематометаморфоз железа эритроци­тов (переход гемоглобина в метгемоглобин). В результате этого образуются зеленые продукты, которые окрашивают кровяной агар вокруг колонии растущего микроба в зеленый или грязно-зеленый цвет. Этим свойством обладает зеленящий стрептококк.

Бета-гемолизины целиком растворяют эритроциты крови; они нарушают адсорбционную связь между гемоглобином и стромой эритроцитов. Поэтому кровь гемолизируется, становится прозрач­ной, лаковой. К микроорганизмам, вырабатывающим гемолизины, относятся возбудители листериоза, гемолитические стрептококки, стафилококки, которые формируют на кровяном агаре вокруг колоний бесцветную прозрачную гемолитическую зону, иногда значительно превышающую диаметр колоний.

Дельта-гемолизин разрушает эритроциты человека и некоторых животных. Вырабатывается патогенными стафилококками. Отличие бактерийных гемолизинов заключается в неодинаковом механизме повреждающего действия.

Лейкоцuдuн. Установлено, что некоторые грамположительныс кокки (стафилококки, стрептококки) могут вырабатывать особый вид экзотоксина - лейкоцидин, парализующий активность лейкоци­тов и разрушающий их.

Третий тип - «функциональные блокаторы» - включают термолабильные (ТЛ) и термостабильные (ТС) энтеротоксины.

Энтеротоксины – белки, вызывающие расстройства желудочно-кишечного тракта у животных вследствии активизирования клеточной аденилатциклазы, что приводит к повышению проницаемости сосудов стенки тонкой кишки и выходу жидкости, ионов натрия и хлоридов кальция в просвет кишечника. Это вызывает нарушение обменных процессов и развитие диарей. Этот тип включает, например, холероген, термолабильные энтеротоксины Е. coli и других энтеро-бактерий. Энтеротоксины (экзотоксины) обнаружены у эшерихий, стафилококков и других микроорганизмов.

К функциональным блокаторам принадлежат токсикоблокаторы (к ним относятся сибиреязвенный и чумной, «мышиный», токсины, которые в отличие от ТЛ- и ТС-энтеротоксинов инактивируют аденилатциклазу, являясь антагонистами данного фермента) и нейротоксины.

Нейротоксины обладают выраженной тропностью: к цен­тральной нервной ткани (тетанолизин - токсин столбнячного микроба); к периферической ткани (ботулинические нейротокси­ны); к отдельным звеньям симпатической нервной системы, ней­рогуморальной системе и др.

Возбудитель столбняка (Clostridium tetani) продуцирует токсин, который путем ретроградного движения по аксонам проникает в ЦНС, где происходит его фиксация ганглиозидами. Токсин усиливает рефлекторную возбудимость в нейронах спинного мозга, подавляя освобождение ингибиторного медиатора в синапсах нейронов. Он также нарушает синаптическую передачу в нервно–мышечном соединении; в результате этих процессов возникают мышечные спазмы.

Токсин возбудителя ботулизма (Clostridium botulinum) блокирует освобождение ацетилхолина в синапсах и нервно–мышечных соединениях, вызывая дисфагию, паралич дыхательной мускулатуры, а также двигательные параличи.

К четвертому типу относятся эксфолиатины и эритрогенины, образуемые некоторыми штаммами золотистого стафилококка и скарлатинозным стрептококком. Они влияют на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами. Высокую токсичность белковых токсинов можно объяснить особенностью строения участков их молекул, имитирующих структуру субъединиц гормонов, ферментов и нейромедиаторов макроорганизма. Это делает их антиметаболитами вышеупомянутых жизненно важных соединений, блокирующих функциональную активность последних.

Токсичность измеряется в тех же единицах, в которых оценивается вирулентность, - DLM и LD₅₀. Иммуногенные свойства белковых токсинов проявляются в способности вызывать иммунный ответ со стороны макроорганизма, в частности индуцировать синтез специфических антител - антитоксинов, нейтрализующих гомологичный токсин.

Следующей особенностью ряда белковых токсинов, например столбнячного, дифтерийного и некоторых других, является их способность под действием формалина утрачивать свою ядовитость, сохраняя при этом иммуногенные свойства. Такие токсины получили название анатоксинов. Они применяются в качестве вакцин для профилактики одноименных заболеваний.

Многие бактерии образуют не один, а несколько белковых токсинов, обладающих разным действием: летальным, дермонекротическим, цитотоксическим, нейротоксическим, гемолитическим.

Липополисахариды. К ним относятся эндотоксины. Липополисахариды (ЛПС) содержатся в клеточной стенке грамотрицательных бактерий. Токсические свойства эндотоксина определяются всей молекулой ЛПС, а не отдельными ее частями: полисахаридами или липидом А. Хорошо изучены эндотоксины энтеробактерий (эшерихии, шигеллы и сальмонеллы, бруцеллы, туляремийные бактерии). ЛПС (эндотоксины) в отличие от токсинов белковой природы (экзотоксинов) более устойчивы к повышенной температуре, менее ядовиты и малоспецифичны. Различные ЛПС при введении в организм подопытных животных вызывают более или менее однотипную реакцию, независимую от того, из каких грамотрицательных бактерий они выделены. При введении больших доз у животных наблюдаются угнетение фагоцитоза, явления выраженного токсикоза, сопровождающегося слабостью, одышкой, расстройством кишечника (диарея), падением сердечной деятельности и понижением температуры тела. При введении небольших доз отмечается обратный эффект: стимуляция фагоцитоза, менее выраженный токсикоз, повышение температуры тела.

Некротоксин (гистотоксин) приводит ткань к омертвению, тормо­зит теплорегуляцию, понижая температуру тела. Это полисахаридо­липоидные комплексы, вырабатываемые сальмонеллами, коринс­бактериями, кокками, анаэробами, нередко изменяют содержание са­хара в крови, изъязвляют слизистую оболочку тонких кишок, что обусловливает появление кровавых диарей. Гистотоксины при внут­рикожном введении приводят к деструкции клеток системы мононук­леарных фагоцитов или активации протеолитических ферментов.

ЛПС - сравнительно слабый иммуноген. Сыворотка крови животных, иммунизированных чистым эндотоксином, не обладает высокой антитоксической активностью и не способна полностью нейтрализовать его ядовитые свойства. Как уже было сказано выше, к эндотоксинам можно отнести пептидогликан, тейхоевые и липотейхоевые кислоты, содержащиеся в клеточной стенке. Все эндотоксины, кроме пептидогликана, оказывают опосредованное действие через изменение активности клеток организма. ДНК бактерий не являются в этом случае иссечением. Непосредственным эффектором ДНК является динуклеотид цитозин-гуанин. В организме человека такие пары метилированы, а у бактерий они свободны и легко проникают в клетку, где распознаются иммунной системой, в результате чего происхо-дит выброс цитокинов, контролирующих воспаление. Пептидоглиан оказывает прямое токсическое действие. Так, например, пептидогликан клеточной стенки гонококков непосредственно поражает эпителий уретры.

Некоторые бактерии одновременно образуют как белковые токсины, так и эндотоксины, например кишечная палочка, холерный вибрион и др.

Токсины Bacillus anthracis представляют собой комплекс из двух или более веществ. Само по себе каждое из них нетоксично, но в результате их взаимодействия в организме возникает токсический эффект.

Для понимания патогенеза недостаточно выделить токсичное вещество из патогенной бактерии. Чтобы выяснить, обусловливает ли такое вещество вирулентность, следует показать, что оно вызывает один или несколько симптомов болезни. Кроме того, место действия и эффективная концентрация вещества должны соответствовать таковым при инфекции, возникающей в естественных условиях. Эти требования, имеющие экологическое значение, очень трудно удовлетворить, и полностью они были выполнены лишь в немногих случаях. Часто используют еще два критерия: корреляцию между образованием токсина и вирулентностью у различных штаммов патогенного вида и способность соответствующей антитоксичной сыворотки защищать животных от заболевания.

Гены, определяющие синтез бактериальных экзотоксинов, во многих случаях локализованы в плазмидах или профагах, которые несет бактерия, а не в бактериальной хромосоме. К настоящему времени установлено, что эритрогенный токсин Streptococcus pyogenes, энтеротоксин, a–токсин Staphylococcus aureus и токсин Clostridium botulinum детерминируются генами профага, а ряд токсинов, продуцируемых Escherichia coli,– плазмидными генами.

Во всех случаях утрата профага или плазмиды делает клетку нетоксигенной, а при введении профага или плазмиды в клетку образование токсина восстанавливается.