Екзотоксини

Екзотоксини – позаклітинні метаболіти білкової природи. Хоча у різних мікроорганізмів екзотоксини значно розрізняються за молекулярною масою, структурою, фізико-хімічними властивостями і механізмом дії, можна відзначити і загальні риси у токсинів різного походження. Розглянемо їх (табл. 2.3). У більшості мікроорганізмів екзотоксини термолабільні, за винятком ботулінічного екзотоксину, ентеротоксину Staphylococcus aureus, токсину кишкової палички, які здатні зберігати біологічну активність навіть при кіп’ятінні. Більшість білкових екзотоксинів руйнується під дією травних ферментів.

Екзотоксини володіють високою антигенністю та імуногенністю і здатні індукувати синтез антитоксичних антитіл в організмі інфікованого. Під впливом формаліну екзотоксини перетворюються в послаблені токсини - анатоксини, які втрачають токсичність, але зберігають імуногенність. Анатоксини широко використовуються в медичній практиці для імунопрофілактики дифтерії, правця, гангрени та інших захворювань, патогенез яких визначається виробкою токсинів.

Токсичний ефект екзотоксинів виявляється через певний інкубаційний період, незалежно від дози токсину. Вони відрізняються дуже високим ступенем отруйності, яка у сотні і навіть мільйони разів може перевищувати отруйність стрихніну. Їх дія високоспецифічна завдяки вибірковості зв’язування із специфічними рецепторами на клітинах-мішенях певних тканин. Це обумовлює той чи інший механізм дії та характерну клінічну картину захворювання.

Екзотоксини можуть справляти різну дію на організм і окремі тканини: ентеротоксичну, нейротоксичну, гемолітичну, лейкоцидну, дерматонекротичну, гістотоксичну, ексфоліантну і летальну. Причому один мікроорганізм, як правило, виробляє декілька токсинів з різною дією.

Стосовно мішеней та механізму дії розрізняють наступні групи екзотоксинів:

• цитотоксини (інгібують білковий синтез);

• мембранотоксини (пошкоджують клітинні мембрани);

• активатори шляхів метаболізма, що контролюються вторинними месенджерами;

• функціональні блокатори (інгібують вивільнення нейромедіаторів);

• активатори імунної відповіді макроорганізма.

Цитотоксини пригнічують синтез білку, блокуючи субчастки рибосом, пептидилтрансферазу та білкові фактори, що приймають участь в елонгації поліпептидного ланцюгу. До цитотоксинів належать гістотоксин Corynebacterium diphtheriae, токсин Шига (у E.coli і Shigella dysentheriae), екзотоксин А Pseudomonas aeruginosa, а також дермонекротоксини і токсини з ентеропатогенною дією.

Мембранотоксини проявляють токсичну дію у відношенні цитоплазматичної мембрани або окремих її компонентів (холестерина, глікофорина). Деякі мембранотоксини здатні вбудовуватись у мембрану клітин і утворювати в ній пору, через яку у клітину проникає вода. Це спричиняє лізис клітин і вихід у міжклітинний простір медіаторів запалення. Мембранотоксинами є гемолізини і лейкоцидіни, які руйнують еритроцити і лейкоцити. До цієї групи токсинів відносять гемолізин E.coli, O-перфринголізин Clostridium perfringens, α-токсин Staphylococcus aureus, пневмолізин Streptococcus pneumoniae, О-стрептолізин S. pyogenes.

Активатори шляхів метаболізма здатні зв’язуватись з вторинними месенджерами та активувати їх. Так, ентеротоксини кишкової палички та інших ентеробактерій активують аденілатциклазу, внаслідок чого підвищується проникність стінки тонкого кишечника і розвивається діарея. Активаторами вторинних месенджерів (АТФ, G-білка, Rho G-білка та ін.) є також екзотоксин Bacillus anthracis, дермонекротичний токсин Bordetella pertussis, екзотоксини Clostridium botulinum i C.difficule, холерний токсин Vibrio cholerae.

Функціональні блокатори інгібують вивільнення медіаторів і тим самим блокують ті чи інші системи організму. Наприклад, екзотоксини збудників сибірки та чуми інактивують аденілатциклазу, що веде до зниження рівня ц-АМФ і блокуванню деяких шляхів метаболізму. До функціональних блокаторів належать і нейротоксини клостридій – тетаноспазмін і ботулінічний токсин, які блокують передачу нервових імпульсів.

Активатори імунної відповіді макроорганізма. До цієї групи відносять бактеріальні токсини, які безпосередньо можуть діяти на Т-лімфоцити та антигенпрезентуючі клітини імунної системи (макрофаги, дендрині клітини та ін.) Найбільш типовими представниками цієї групи токсинів є суперантигени патогенних штамів золотистого стафілокока та піогенного стрептокока, такі як ентеротоксини, ексфоліатини та еритрогеніни. Вони порушують взаємодію одних клітин з іншими та з міжклітинними речовинами.

Мішенню дії ексфоліатинів А і В Staphylococcus aureus є рецептори Т-клітин. Неспецифічна активація цих рецепторів веде до розвитку патологічних процесів у шкірі та обумовлює розвиток синдрома “ошпареної шкіри”. Цей синдром супроводжується характерним формуванням великих очагів еритеми з наступним утворенням великих пухирів (як при термічних опіках) та ерозивних ділянок.

Еритрогенні токсини Streptococcus pyogenes виробляються штамами, що викликають скарлатину. Володіють пірогенним ефектом (внаслідок безпосередньої дії на гіпоталамус) і за рахунок впливу на імунну систему ведуть до появи червоних висипок на шкірі. Еритрогеніни стрептокока також проявляють суперантигенні властивості, справляють мітогенну дію на Т-лімфоцити, стимулюють секрецію макрофагами интерлейкіна-1 і фактора некроза пухлин, які є медіаторами септичного шоку.

Надамо характеристику окремих видів екзотоксинів.

Дифтерійний екзотоксин Corynebacterium diphtheriae ( М. м. 62-63 кДа) – здатний у процесі протеолізу поділятися на два фрагменти А и В. В-фрагмент зв'язується з мембраною клітини хазяїна, тут же відбувається відділення його від фрагмента А. Останній проникає всередину клітини. Дифтерійний токсин інгибує біосинтез білка, блокуючи аміноацил-т-РНК-синтетазу, пептиділтрансферазу, фактор елонгації EF-2.

Дифтерійний токсин має нейротоксичну, дерматонекротичну дію і летальний ефект. Уражує м’язи серця, нирки, надниркові залози, викликає некроз епітелію.

Екзотоксини Clostridium botulinum (М. м. 150 кДа) відрізняються найбільшою отруйною силою. 1 мл культуральної рідини C. botulinum містить 1 млн DLM для морської свинки. Комплекс ботулінічних токсинів містить близько 10 компонентів. Це – різні ферменти агресії. Вони мають гемолітичну, гемаглютинуючу активність, нейротоксичну дію та ін.. У прояві вірулентності найбільше значення мають нейротоксини – BoNT, серед яких виділяють серотипи A, B, C, D, E, F, G. Ці токсини незначно розрізняються набором амінокислот і складаються з важкого (100 кД) і легкого ланцюгів (50 кД), з’єднаних дисульфідним зв’язком. Всі вони володіють протеолітичною активністю, яка залежить від наявності іонів цинку. Зв’язуючись з рецепторами на пресинаптичній мембрані моторних нейронів і викликаючі їх протеоліз, BoNT інгібують вивільнення і передачу ацетилхоліна – медіатора нервових імпульсів. Це призводить до паралічу нервової системи, викликає дисфагію внаслідок паралічу дихальної мускулатури і смерть. Токсини термостабільні і здатні переносити навіть кип’ятіння без втрати біологічної активності. Гени нейротоксинів можуть бути локалізовані у плазмідах або переноситись бактеріофагами.

Правцевий екзотоксин Clostridium tetani (М. м. 150 кДа) – TeNT – за структурою, ферментативною активністю (залежність від цинку) й іншими властивостями має багато спільних рис з BoNT. TeNT викликає судороги, спазм м’язової мускулатури, уражуючи рухові нейрони спинного мозку. У цьому білку високий вміст аспарагінової кислоти. Найбільш виражена нейротоксична дія.

Токсин Clostridium perfringens (подібний токсин виявляється у C. difficule) справляє різноманітні ефекти: викликає лізис лейкоцитів, порушує відновні процеси в клітині, завдяки ферментам інвазії – гіалуронідазі і плазмокоагулазі – швидко поширюється в тканинах.

Ентеротоксин Vibrio cholerae – вивчений менше, ніж токсини дифтерії і клостридій, викликає ентерит, підвищує проникність судин, індукує розщеплення ліпідів, порушує всмоктування речовин у товстій кишці, підвищує вміст цАМФ. Викликає діарею та ацидоз.

Екзотоксин Bacillus anthracis має летальну, набрякоутворюючу, дерматонекротичну дію і протективні властивості (викликає утворення захисних антитіл, що здатні нейтралізувати збудника у вільному та зв'язаному з клітиною стані).

Екзотоксин Yersinia pestis – вивчений мало, містить 18 амінокислот. Основна дія – гальмує дихальну активність мітохондрій.

Екзотоксини можуть виділятися також мікроорганізмами, для яких більш характерна дія эндотоксинов: так, стафілококи і стрептококи виділяють відповідно гемолізин і О-стрептолізин, а також лейкоцидини і лейкотоксини. Лейкоцидини руйнують лейкоцити, лейкотоксини отруюють.

Екзотоксини Staphylococcus aureus відрізняються механізмом дії. Серед них найбільш вивчені альфа-токсин, ентеротоксин (викликає харчові інтоксикації і діарею), токсин синдрома “ошпареної шкіри”, токсин синдрома токсичного шока. Всі токсини, окрім альфа-токсина, є суперантигенами.

Альфа-токсин може розглядатися як прототип пороутворюючих токсинів. На поверхні плазматичної мембрани клітини-мішені 7 протомерів токсина утворюють грибоподібний гептамер. Два верхніх домени кожного протомера формують “шляпку” і “край”, які розташовані над мембраною, нижній домен – “ніжка” – слугує трансмембранним каналом. Через нього, як через пору, у клітину входить вода, низькомолекулярні речовини, що веде до набухання клітини і її осмотичному лізису. Альфа-токсин проявляє цитолітичну активність у відношенні клітин різних типів, зокрема, моноцитів, лімфоцитів, еритроцитів, тромбоцитів, ендотеліоцитів. В результаті лізису вивільнюються цитокіни і медіатори запалення, активуються ендонуклеази, підвищується екзоцитоз тромбоцитів. Все це зумовлює розвиток патологічних наслідків.

Одним з важливіших факторів патогенності S. aureus є TSST-1 – термостабільний стафілококовий токсин, який має властивості суперантигена і є ключовим у розвитку синдрома стафілококового токсичного шока, а також синдрома Кавасаки, який супроводжується розвитком придбаних вад серця у дітей в США. Завдяки активації Т-лімфоцитів TSST-1-продукуючі штами стафілококів викликають у хворих гіпотензію, високу температуру, дифузний еритематозний висип, які є характерними рисами токсичного шоку.

Ентеротоксин стафілокока на відміну від інших екзотоксинів має стійкість до температури. Володіє ентеротоксичною дією, викликає діарею (захворювання легко зплутати з коліентеритом, дизентерією, сальмонельозом).

Екзотоксини бактерій кишкової групи. У бактерій кишкової групи, особливо ешеріхій, сальмонел, шигел виявлені близькі за структурою та властивостями екзотоксини. Їх наявність, очевидно, пов’язана з можливістю горизонтальної передачі “островів патогенності” і в тому числі генів токсиноутворення між представниками еволюційно близьких родів. Так, у E. Coli i Shigella dysenteriae серотипа 1 виявлені веротоксини і шиготоксини. Шиготоксини ешеріхій і шигел представлені N-глікозидазою, яка викликає гідроліз нуклеотидів в 28S рРНК. Веротоксини (Stx-токсини) цих мікробів відрізняються один від одного лише однією амінокислотою. Вони також інактивують рибосомальну РНК, що порушує її взаємодію з факторами елонгації. Пригнічення білкового синтезу веротоксинами веде до загибелі клітини-мішені. Шиготоксини і веротоксини викликають у хворих геморагічний коліт з гемолітико-уремічним синдромом. Штам E. Coli серотипу О157:Н7 (STEC), який продукує шиго- і веротоксини, став сумно звісним після спалаху геморагічного коліта у 1983 р. Ця епідемія була викликана вживанням недостатньо термічно оброблених гамбургерів. Щорічно у США виявляється близько 20 тис. хворих з геморагічним колітом, тисяча випадків з гемолітико-уремічним синдром та 100 летальних випадків.

У деяких патогенних бактерій кишкової групи описано дві родини термостабільних токсинів, здатних викликати діарею: STa (STI) i STb (STII). SТa-токсин кодується геном, який може переноситися між різними бактеріями за допомогою мобільних генетичних елементів. Цей токсин виявлений у ентеротиксигенних штамів E. Coli (ETEC), Vibrio cholerae, Vibrio mimicus, Yersinia enterocolitica, Citrobacter freundii, Klebsiella spp.. STа-токсини мають на С-кінці домен із 13 амінокислотних залишків, шість з яких представлені цистеїном. Молекули цистеїна з’єднані між собою у пари дисульфідними зв’язками. Саме це і зумовлює високу токсичність і термостабільність токсина.

У уропатогенних штамів кишкової палички виявляють ще один екзотоксин – цитотоксичний некротизуючий фактор – СNF, який кодується геном у складі “островка патогенності”. СNF викликає утворення активного модифікованого Rho-білка, не здатного гідролізувати ГТФ. Rho-білки – це родина невеличких ГТФ-зв’язуючих білків, які є регуляторами актинового цитоскелета. Внаслідок дії СNF розвиваються характерні явища: зморшкуватість мембрани, фокальна адгезія, напружність актинових волокон, реплікація ДНК без розподілу клітин, в результаті чого утворюються гігантські багатоядерні клітини. Все це призводить то некрозу клітин і тканин.