Токсины и их классификация

Представления о природе микробных токсинов получены благодаря исследованиям патогенных бактерий.К 1890 г. были обнаружены первые токсины двух патогенных микроорганизмов: Corynebacterium diphtheriae и Clostridium tetani.

В обоих случаях были поставлены одинаковые опыты: бактерию выращивали в культуральной среде in vitro, и стерильный фильтрат, приготовленный из выросшей культуры, вводили опытным животным. Последние погибали, а при их вскрытии обнаруживали изменения органов, характерные для соответствующей естественной инфекции. Эти токсические вещества оказались белками. Поскольку они представляли продукты обмена бактерий и не были связаны с бактериальными клетками, их назвали экзотоксинами. Экзотоксины образуют ряд других патогенных бактерий (возбудитель ботулизма, инфекционной энтеротоксемии, дизентерии и др.), в основном грамположительных. Однако фильтраты, приготовленные из культур многих других патогенных микроорганизмов, не были токсичны.

Кипячением бактериальных культур доказано, что клетки почти всех грамотрицательных патогенных бактерий токсичны сами по себе. Более того, такое же токсическое действие оказывают и убитые нагреванием клетки многих патогенных грамотрицательных бактерий. Устойчивые к нагреванию токсины, связанные с клеточной оболочкой грамотрицательных бактерий, назвали эндотоксинами.

Токсичность – способность патогенного микроба вырабатывать и выделять ядовитые вещества, вредно действующие на организм. Микробы, способные образовывать токсины, получили название токсигенных.

Токсины бактерий – продукты метаболизма, оказывающие непосредственное токсическое воздействие на специфические клетки макроорганизма, либо опосредованно вызывающие развитие симптомов интоксикации в результате индукции ими образования биологически активных веществ.

По физико-химической структуре и биологическим свойствам токсины бактерий делятся на 2 группы:

белковые токсины (экзотоксины) - высокоактивные яды, выделяемые микроорганизмом на протяжении его жизни в качестве продуктов обмена в окружающую среду (организм животного, пробирка с культурой микроба). Обнаруживаются в высоких концентрациях в жидких средах, содержащих компоненты клеточной стенки грамотрицательных бактерий, освобождающиеся при их дезинтеграции полипептиды, ОММ 10000–100000. Липополисахаридные комплексы, липид А, очевидно, ответственен за токсичность. Экзотоксины в основном образуют грамположительные микроорганизмы (возбудители ботулизма, столбняка, газовой инфекции и др.)

эндотоксины – менее ядовитые по сравнению с экзотоксинами вещества, образующиеся в результате распада микробной клетки. Следовательно, эндотоксины представляют собой фрагменты или отдельные химические компоненты микробных клеток. Эндотоксины образуют клетки грамотрицательных микробов (сальмонеллы, кишечная палочка, протей и др.).

Сравнительная характеристика экзотоксинов и эндотоксинов следующая:

По степени связи с бактериальной клеткой белковые бактериальные токсины подразделяют на три класса:

Класс А – секретируемые во внешнюю (дифтерийный гистотоксин, дермонекротксин, холероген холерного вибриона);

Класс В – токсины, частично связанные с микробной клеткой и частично секретируемые в окружающую среду (столбнячный тетаноспазмин, ботулинистический нейротоксин);

Класс С – токсины, связанные с микробной клеткой и попадающие в окружающую клетку среду лишь в результате ее гибели (дизинтерийный шигатоксин).

По строению белковые токсины делятся на простые и сложные.

· Простые токсины представляют собой активную бифункциональную В-А структуру. Часть В необладает токсичностью. Это природный анатоксн, который выполняет транспортную функцию, образуя канал в цитоплазматической мембране клетки и обусловливает проникновение токсической группы А или активатора в цитоплазму клетки.

· Сложные токсины представляют собой сложную бифункциональную структуру, состоящую из одной или нескольких В-субъединиц, соединенных с А-субъединицей, как, например холерный энтеротоксин, у которого субъединица А окружена пятью абордажными В-субъединицами.

По механизму действия токсины делят на 5 групп:

1) токсины, повреждающие клеточные мембраны. Такие повреждения вызывают не только лизис клеток, но и способствуют распространению бактерий в макроорганизме (альфа-токсин Cl. Perfringens, гемолизин E. coli, О-листериолизин L. monocytogenes, пневмолизин S. pneumoniae, О-стрептолизин S. pyogenes, альфа-токсин S. aureus;

2) токсины, ингибирующие синтез белка (дифтерийный гистотоксин, дизентерийный шигатоксин). Данные токсины нарушают синтез белка не только в эпителиоцитах, но и в других клетках, что приводит к развитию гемолитического уремического синдрома;

3) токсины, активирующие пути метаболизма, контролируемые вторичными посредниками мессенджерами (термолабильный и термостабильный токсины E. coli, отечный фактор B. Anthracis, коклюшный и дерматонекротический токсины B. Pertussis, холерный энтеротоксин –нарушает всасывание ионов натрия, калия и воды);

4) протеазы (ботулинический и столбнячный нейротокины, сибиреязвенный летальный фактор). Ботулотоксин связывается с рецепторами на поверхности пресинаптической мембраны двигательных нейронов переферической нервной системы и вызывает протеолиз белков в нейронах. Это приводит к ингибированию секреции ацетилхолина, что препятствует мышечным сокращениям и проявляется развитием вялых параличей переферических нервов. Тетаноспазмин внедряется в тормозящие и вставочные нейроны спинного мозга. В результате расщепления везикуло-ассоциированного мембранного протеина приводит к блокаде секреции глицина и гамма-аминобутировой кислоты, что вызывает перевозбуждение мотонейронов и ведет к стойким мышечным сокращениям (спастическим параличам). Действие летального фактора проявляется в продуцировании активных форм кислорода в макрофагах и нейтрофилах, что сопровождается увеличением перекисных соединений в макрофагах и деструкции последних (цитотоксическое действие);

5) активаторы иммунного ответа (токсин синдрома токсического шока, энтеротоксины и эксфолиативные токсины S. aureus, пирогенные экзотоксины S. pyogenes). Например, токсин синдрома токсического шока ведет к массивной пролиферации Т-клеток, сопровождающейся образованием большого количества лимфоцитарных и моноцитарных цитокинов. Совместно эти цитокины вызывают развитие гипотензии, высокую температуру, диффузную эритематозную сыпь. Эксфолиативный токсин разрушает межклеточные контакты зернистого слоя эпидермиса, что ведет к отслоению поверхностных слоев эпидермиса и образованию лопающихся пузырей, наполненных серозным или гнойным содержимым.

Белковые токсины, помимо химической структуры и специфичности действия, обладают высокой токсичностью. Они вызывают гибель лабораторных животных. Это полноценные тимусзависимые антигены, к ним образуются антитела, нейтрализующие их – антитоксины. Из белковых токсинов можно получить анатоксины, т.е. токсины, лишенные своих токсических свойств, но сохранившие антигенные свойства, что используют при проведении вакцинопрофилактики. Большинство белковых токсинов разрушается пищеварительными ферментами и оказывает свое воздействие только при парентеральном введении. Исключение составляют: ботулотоксин, энтеротоксины Cl. Perfringens, Cl. Difficile, S. aureus и энтеротоксины грамотрицательных бактерий. Синтез белковых токсинов кодируется генами, локализованными в хромосоме и в плазмидах.

Эндотоксины относятся к бактериальным модулинам, индуцирующих синтез цитокинов и др. медиаторов. В отличие от белковых токсинов, эндотоксины термостабильны и образуются грамотрицательными бактериями. Это сложные белковолипополисахаридные комплексы. Данные комплексы состоят из белка – пептида, обусловливающего иммуногенность комплекса; фосфолипида В, включающего в свой состав фосфатидилхолин – основной компонент клеточной стенки бактерий, ионы Са и Мg; ЛПС (липополисахарид), входящего в состав наружной мембраны клеточной стенки грамотрицательных бактерий и является собственно эндотоксином. В основе действия ЛПС лежит его взаимодействие с мембранными компонентами разных типов клеток, которые под его действием выделяют биологически активные вещества. В отличие от белковых токсинов из эндотоксинов нельзя получить анатоксины.