Токсины бактериальной клетки. Токсины бактериальные Примеры бактерий способные образовывать экзотоксины
В отличие от химических ядов токсинами называют яды микробного, растительного или животного происхождения, обладающие высоким молекулярным весом и антигенностью - способностью вызывать в организме образование специфических антител (иммуноглобулинов), обезвреживающих их.
Микробные токсины делят на две группы - экзотоксины и эндотоксины.
Экзотоксины выделяются микробами в окружающую среду.
Эндотоксины прочно связаны с бактериальной клеткой и освобождаются только после её разрушения.
Такое деление в некоторой степени условно, т.к. связь экзотоксинов с бактериальной клеткой может колебаться в широких пределах; экзотоксины могут быть полностью секретируемые, частично секретируемые и несекретируемые.
Независимо от прочности связи с клеткой токсины различаются по химической структуре.
По своей химической природе токсины являются либо белками (экзотоксины), либо липополисахаридами (эндотоксины). К токсинам белковой природы относятся экзотоксины, полностью или частично секретируемые бактериями в окружающую среду, а также связанные со структурами микробной клетки.
Экзотоксины
Белковые токсины образуются различными видами микроорганизмов: дифтерийной и столбнячной палочками, возбудителями газовой гангрены, ботулизма, стафилококками, стрептококками, некоторыми видами дизентерийных микробов, кишечной палочкой, холерным вибрионом и другими микроорганизмами. Это белки с разной молекулярной массой простой или сложной структуры.
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.
Будучи белками, экзотоксины, как правило, термолабильны (разрушаются при t 60°С). Дифтерийный токсин разрушается при t 60°С в течение часа, столбнячный - в течение 20 минут. Но имеются и термостабильные токсины, которые могут переносить кратковременное кипячение. Это токсины возбудителя ботулизма, стафилококка, холерного вибриона, кишечной палочки.
Белковые токсины малоустойчивы и к действию света, кислорода, кислот и щелочей.
Экзотоксины обладают избирательным действием на отдельные органы и ткани организма. Специфичность токсического действия определяется избирательной фиксацией токсина на рецепторах клеток-мишеней определенных тканей (эпителиальной, нервной и др.) организма человека и животных. Дифтерийный токсин вызывает некроз в месте введения, повреждает надпочечники и мышцу сердца; столбнячный токсин воздействует на двигательные нервные клетки.
При парентеральном введении белковых токсинов они вызывают образование специфических веществ (антител), способных нейтрализовать эти токсины, т.е. они обладают хорошо выраженной антигенностью .
Одни токсины (дифтерийный, столбнячный, анаэробной инфекции) разрушаются под действием пищеварительных ферментов, вследствие чего они являются безвредными при введении их через рот; другие (ботулинический, патогенных стафилококков) не разрушаются в желудке и кишечнике и вызывают отравление при пероральном введении.
Экзотоксины характеризуются высокой токсичностью , действуют на восприимчивый организм в малых дозах. Высокую токсичность белковых токсинов можно объяснить особенностью строения участков их молекул, имитирующих структуры субъединиц гормонов, ферментов, нейромедиаторов макроорганизма. Это делает их антиметаболитами вышеупомянутых жизненно важных соединений, блокирующих функциональную активность последних.
Силу действия токсинов оценивают в тех же единицах, в которых оценивают вирулентность - DLM и LD 50 .
Белковые токсины под действием формалина утрачивают свою ядовитость , сохраняя при этом иммуногенные свойства. Такие токсины получили название анатоксинов . Анатоксины получают воздействием на белковые токсины 0,4% раствором формалина в течение 3-4 недель при температуре 39-40°С. Они применяются в качестве вакцин для специфической профилактики токсинемических инфекций.
По механизму действия белковые токсины делятся на 4 группы:
1. Цитотоксины - блокируют синтез белка на субклеточном уровне. Например, дифтерийный гистотоксин полностью выводит из строя фермент трансферазу II, ответственную за элонгацию (удлинение) полипептидной цепи на рибосоме.
2. Мембранотоксины - повышают проницаемость поверхностной мембраны эритроцитов (гемолизины) и лейкоцитов (лейкоцидины), вызывая гемолиз первых и разрушение вторых.
3. Функциональные блокаторы – токсины, блокирующие функции определенных тканевых систем. Энтеротоксины (холероген и др.) активируют фермент аденилатциклазу, что приводит к повышению проницаемости стенки тонкой кишки и повышению выхода жидкости в ее просвет, т.е. диарее. Нейротоксины (тетаноспазмин столбнячной палочки и др.) блокируют передачу нервных импульсов в клетках спинного мозга.
4. Эксфолиатины и эритрогенины , образуемые некоторыми штаммами золотистого стафилококка и скарлатинозным стрептококком, влияют на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами. Многие бактерии образуют не один, а несколько белковых токсинов, которые обладают разным действием: летальным, дермонекротическим, цитотоксическим, нейро-токсическим, гемолитическим.
Получение экзотоксинов включает два основных этапа. Первый этап - выращивание микроорганизма, продуцирующего экзотоксин, в жидкой питательной среде. На втором этапе культуральную жидкость очищают от микробных клеток различными способами:
Фильтрованием через бактериальные фильтры;
Коагуляцией в изоэлектрической точке;
Многократным переосаждением трихлоруксусной кислоты при низкой температуре и рН 4,0;
Высаливанием сульфатом аммония;
Адсорбцией различными веществами.
Эндотоксины
Патогенные грамотрицательные бактерии (возбудители брюшного тифа, паратифов, гонореи, туляремии, бруцеллеза и др.) не продуцируют экзотоксины, они содержат эндотоксины.
Эндотоксины - это липополисахариды (ЛПС) клеточной стенки.
Эндотоксины в отличие от токсинов белковой природы (экзотоксинов) более устойчивы к повышенной температуре (термостабильны): выдерживают кипячение и автоклавирование при 120˚С в течение 30 минут. Под влиянием формалина они не переходят в анатоксины.
Действие эндотоксинов на организм не отличается специфичностью. Независимо от того, из какого микроба получен эндотоксин, клиническая картина, вызываемая им, однотипна и характеризуется угнетением фагоцитоза, одышкой, диареей, падением сердечной деятельности, понижением температуры тела, слабостью. Малые дозы эндотоксина могут вызвать обратный эффект: стимуляция фагоцитоза, повышение температуры тела, менее выраженный токсикоз.
ЛПС - сравнительно слабые антигены . Сыворотка крови животных, иммунизированных чистым эндотоксином, не обладает высокой антитоксической активностью и не способна полностью нейтрализовать его ядовитые свойства.
Для получения эндотоксинов пользуются различными методами, в основу которых положено разрушение микробной клетки. Т.к. эндотоксин является липополисахаридным комплексом клеточной стенки грамотрицательных бактерий, он может быть извлечен из микробной клетки путем разрушения ее трихлоруксусной кислотой с последующим диализом, при котором используются полупроницаемые мембраны, задерживающие высокомолекулярные вещества (белки) и пропускающие низкомолекуляр-ные (в т.ч. и липополисахариды). Данный комплекс определяет антигенные свойства эндотоксина и получил название «полный антиген».
Некоторые бактерии одновременно образуют как белковые токсины, так и эндотоксины, например, кишечная палочка, холерный вибрион и другие.
ПРИРОДНЫЕ ТОКСИКАНТЫ
Природные токсины, не уступающие по канцерогенной активности антропогенным ксенобиотикам, из-за своей широкой распространенности и очень высокой степени нагрузки на организм человека представляют огромный риск для здоровья населения планеты. Это касается не только развивающихся стран, но и стран с развитой рыночной экономикой.
При остром воздействии наибольшую опасность представляют бактериальные токсины. С точки зрения хронического воздействия и опасности отдаленных последствий на первое место по степени риска выходят микотоксины.
Токсин (др.-греч. τοξικός (toxikos) - ядовитый) - яд биологического происхождения, т.е. ядовитое вещество, вырабатываемое живым организмом. Многие виды плесени, некоторые грибы (к примеру, бледная поганка) и семена некоторых высших растений (ракитник, клещевина) вырабатывают токсины. Змеиные яды содержат сильнейшие токсины. Неприятные симптомы при многих бактериальных заболеваниях вызываются именно тем, что токсины в организм вносят бактерии. Токсины могут выделяться в кровь в процессе жизнедеятельности бактерий или высвобождаться после их гибели.
Некоторые токсины, как например, дифтерийный, столбнячный, ботулинический, являются ведущими факторами развития соответствующих заболеваний. Действие других (гемолизины стафилококка, лейкоцидины) более ограничено. По своим свойствам токсины делятся на 2 группы:
эндотоксины - это липополисахариды, они термостабильны, продуцируются, как правило, грамотрицательными бактериями, обладают общетоксическим действием.
экзотоксины - это белки, они термолабильны, продуцируются, как правило, грамположительными бактериями, обладают специфичностью действия.
Наиболее значимыми для медицинской практики продуцентами экзотоксинов среди грамположительных бактерий являются возбудители дифтерии, ботулизма, столбняка, газовой гангрены, некоторые виды стафилококков и стрептококков. Среди грамотрицательных - холерный вибрион, некоторые виды псевдомонад, шигелл.
]Бактериальные токсины загрязняют пищевые продукты и являются причиной острых пищевых интоксикаций. Рассмотрим наиболее часто регистрируемые интоксикации, связанные с поражением пищевых продуктов некоторыми бактериальными токсинами.
Staphylococcus aureus - грамположительные бактерии, являются причиной стафилококкового пищевого отравления. Энтеротоксины S. aureus термостабильны и инактивируются лишь после 2-3 часового кипячения. Бактерицидным действием по отношению к стафилококкам обладают уксусная, лимонная, фосфорная, молочная кислоты при рН до 4,5. Кроме того, жизнедеятельность бактерий прекращается при концентрации соли (NaCl) - 12%, сахара - 60-70%, вакуумная упаковка также ингибирует рост бактерий. Все это необходимо учитывать в различных технологиях консервирования, как в промышленном масштабе, так и в домашних условиях.
Наиболее благоприятной средой для роста и развития стафилококков являются молоко, мясо и продукты их переработки, а также кондитерские кремовые изделия, в которых концентрация сахара составляет менее 50%. Стафилококковые энтеротоксины являются причиной 27- 45% всех пищевых токсикоинфекций (токсикоинфекция - отравление, вызванное действием живых микробов, попавших в организм вместе с пищей).
Clostridium botulinum продуцирует токсины, представляющие особую опасность для человека. Эти микроорганизмы являются облигатными анаэробами с термостабильными спорами. Различают А, В, С, D, E, F и G виды ботулотоксинов, причем наибольшей токсичностью обладают токсины А и Е. Ботулотоксины имеют белковую природу, молекулярная масса порядка 150 кДа.
Они поражают рыбные, мясные продукты, фруктовые, овощные и грибные консервы при недостаточной тепловой обработке и в условиях резкого снижения содержания кислорода (герметично закупоренные консервы). Кроме того, ботулотоксины характеризуются высокой устойчивостью к действию протеолитических ферментов, кислот, низких температур, но инактивируются под влиянием щелочей и высоких температур (80°С - 30 мин; 100°С - 15 мин).
Ботулизм встречается довольно часто, летальность достигает порядка 7-9%.
К токсинообразующим микроорганизмам, вызывающим пищевые отравления у человека, относятся также Clostridium perfringens - спорообразующие анаэробные грамположительные бактерии, которые продуцируют большое число энтеротоксинов.
Патогенные штаммы Escherichia coli являются продуцентами термостабильных токсинов полипептидной природы с молекулярной массой от 4 до 10 кДа и способны вызывать как острые токсиноинфекции, так и являться причиной хронической интоксикации, в частности, являться причиной хронической почечной недостаточности.
Сырое молоко, мясо и мясные продукты, а также вода могут быть причиной возникновения заболеваний, связанных с присутствием патогенных штаммов Е. coli.
Довольно часто в основе развития бактериальной инфекции лежит действие токсинов. Они представляют собой специфические биологические вещества, которые воздействуют на организм и провоцируют развитие отравления. Токсины бактерий и их природа изучаются медиками с целью поиска противоядий.
Токсины представляют собой биологически активные вещества, которые повреждают клетку организма и приводят к ее гибели. Данные вещества могут быть растительной, микробной, животной природы, однако наиболее широко встречается данное свойство у бактерий. Свойство продуцировать яды характеризует бактерии как патогенные, а если речь идет о представителях растительной, грибковой, животной природы, то они считаются ядовитыми.
По характеру химического состава большая часть токсинов бактерий имеет в своей структуре высокомолекулярные вещества (гликопротеиды, белки, пептиды).
Биохимики в соответствии с химическими свойствами бактерий разделяют бактериальные яды на несколько групп:
- протеотоксины – представлены группой белков простой или сложной конфигурации;
- афлатоксины – имеют отличительную особенность в виде стероидной конфигурации;
- липид А – группа комплексов из липополисахаридов, токсическая активность которых определяется липидом.
Данный биохимический, а также иммунохимический диагностические подходы позволили аргументировать действие антитоксинов. Их получение позволяет ученым-медикам различать один бактериальный биополимер токсического действия от другого. Также стало возможным определение in vitro токсигенных штаммов и нетоксигенных (в пробирке), степени и патофизиологических механизмов токсического воздействия на организм.
Пауль Эрлих первым определил молекулярные свойства токсинов бактерий, применяя антитоксины в качестве молекулярных зондов. Рамон Гастон, на основе его теоретических наработок, внедрил производство бактериальных анатоксинов.
Антитоксические исследования сделали возможным проводить дифференциальную диагностику токсинов бактерий с их разделением на серотипы (серологические варианты, группы), что определяется антигенными свойствами. Посредством серологического исследования доказана идентичность определенных серотипов бактерий различных родов и видов. Как установилось при исследованиях, родственными по антигенным свойствам являются продуцируемые E.coli и Sal.typhimurium термолабильные энтеротоксины и холерные токсины.
Механизмы действия
Механизмы воздействия токсинов на зараженный живой организм бывают различного характера. Например, нейротоксины могут быть пре-, постсинаптического, а также аксонального воздействия. К ядам, которые блокируют синаптическую передачу импульса, относятся бунгаротоксины, ботулинические токсические вещества.
Определенные токсические продукты являются ингибиторами некоторых ферментов. Это могут быть протеаза, липаза, другие ферменты, которые разрушают структурные клеточные компоненты и метаболиты системного значения.
Активность
Высокая степень токсической активности бактерий обуславливается нарушением обмена веществ и прочих жизненных процессов на молекулярном уровне и при минимальных концентрациях. Яды характеризуются наличием специфичности к тканевым и органным биомишеням. Соответственно различают токсины цитотоксического и системного действия. К токсинам с системным воздействием относятся миотропные (крототоксин), нейротропные (бунгаротоксины, ботулотоксины), кардиотоксины (палитоксин). Примером цитотоксического яда может быть токсин с меньшей тканевой специфичностью (выделяемые бактериями газовой гангрены).
Разделение по способу выделения ядов
Все отравляющие вещества, выделяемые бактериями, подразделяют на экзо- и эндотоксины. Разница между ними заключается в том, в какую среду продуцируются эти яды микроорганизмами.
Экзотоксины
Экзотоксины производятся как грамположительными, так и грамотрицательными микроорганизмами. Данные токсины белковой природы разделяются на мембранотоксины, цитотоксины, эритрогемины, эксфолианты, блокаторы функционального значения. Белковые токсические продукты оказывают следующие эффекты:
- блокада белкового синтеза и других жизненных процессов клетки;
- увеличение степени проницаемости клеточной мембраны;
- нарушение клеточного взаимодействия.
По молекулярной структуре экзотоксины могут состоять из единой цепи из полипептидов либо из 2 фрагментов. В зависимости от связи экзогенных токсических веществ с бактерией различают три класса:
- А – токсические вещества, которые выделяются во внешнюю окружающую среду;
- В – частично имеют связь с клеткой, а частично продуцируют токсины наружу;
- С – связанные с клеткой токсины, которые выходят наружу лишь при гибели бактерии.
Экзотоксины характеризуются высокой степенью токсичности, которая утрачивается при нагревании и под действием формалина. Однако иммуногенное действие сохраняется. Подобные токсические продуктыприменяются в медицине (известны под названием анатоксины), с их помощью проводится профилактика гангрены, ботулизма, дифтерии, столбняка. Используются они для получения специальных анатоксических сывороток.
Эндотоксины
Эндотоксины представляют собой вещества, состоящие из липополисахаридов. Они располагаются в составе стенки грамотрицательных микробов, и выходят наружу в связи с гибелью клетки. Эндотоксины характеризуются меньшей токсичностью, термостабильностью. Данные продукты также активизируют выработку интерферонов, характеризуются выраженным аллергическим действием.
При попадании в живой организм небольших количеств эндотоксин активизирует фагоцитоз, стимулирует повышение иммунных свойств, пробуждает В-лимфоциты.
Гангренозные возбудители и их токсичность
Одной из наиболее агрессивных бактерий, которым присущи свойства образовывать токсины, являются клостридии. Они вызывают развитие газовой гангрены.
Наиболее известна из них Clostridium perfringens. Эта бактерия может продуцировать 12 известных ферментов и энтеротоксин. К ферментам с доказанной токсичностью относятся токсины А, К и λ (лямбда). Возбудитель газовой гангрены воздействует на биологические мембраны организма больного, что проявляется развитием отека и тканевого аутолиза (саморазрушения). Каждый из ядов, которые выделяет микроб при газовой гангрене, обладает рядом эффектов. Основными среди них являются летальное, гемолитическое, дерматонекротизирующее действия. Энтеротоксин, выделяемый микробом при газовой гангрене, способствует развитию пищевых токсикоинфекций, проявляющихся рвотой, диареей, сыпью эритематозного характера на коже.
Выделяются в окружающую среду в процессе жизнедеятельности микроорганизма. Эндотоксины прочно связаны с бактериальной клеткой и выделяются в окружающую среду после гибели клетки.
Свойства эндо и экзотоксинов.
Экзотоксины образуют возбудители так называемых токсинемических инфекций, к которым относятся дифтерия , столбняк , газовая гангрена , ботулизм , некоторые формы стафилококковых и стрептококковых инфекций.
Некоторые бактерии одновременно образуют как экзо-,так и эндотоксины (кишечная палочка, холерный вибрион).
Получение экзотоксинов.
1) выращивание токсигенной (образующей экзотоксин) культуры в жидкой питательной среде;
2) фильтрование через бактериальные фильтры (отделение экзотоксина от бактериальных клеток); можно использовать другие способы очистки.
Экзотоксины используют затем для получения анатоксинов.
Получение анатоксинов.
1) к раствору экзотоксина (фильтрату бульонной культуры токсигенных бактерий) добавляют 0,4% формалин и выдерживают в термостате при 39-40°С 3-4 недели; происходит потеря токсичности, но антигенные и иммуногенные свойства сохраняются;
2) добавляют консервант и адъювант.
3) общая физиологическая реактивность организма; она определяется физиологическими особенностями макроорганизма, характером обмена веществ, функцией внутренних органов, эндокринных желез, особенностями иммунитета.
На общую физиологическую реактивность влияют :
а) пол и возраст : существуют детские инфекции (скарлатина, коклюш, корь, паротит), в преклонном возрасте тяжело протекает пневмония, во врем беременности женщины более чувствительны к стафилококковым и стрептококковым инфекциям, до 6 месяцев дети устойчивы к многим инфекциям, т.к. получают антитела от матери;
б) состояние нервной системы : угнетение нервной системы способствует более тяжелому течению инфекции; психические расстройства снижают регулирующую функцию ЦНС;
в) наличие соматических заболеваний (диабет, заболевания сердечно-сосудистой системы, печени, почек);
г) состояние нормальной микрофлоры , представители которой обладают антагонистическими свойствами;
д) питание : при недостаточном и неполноценном питании люди чаще подвержены инфекционным заболеваниям (туберкулез, дизентерия, холера), при этом наибольшее значение имеют белковые компоненты пищи, витамины и микроэлементы, так как они необходимы для синтеза антител и поддержания активного фагоцитоза; в результате голодания может быть утрачен не только индивидуальный, но и видовой иммунитет; недостаток витаминов приводит к нарушению обмена веществ, что снижает сопротивляемость к инфекциям;
е) иммунобиологические особенности организма, т.е. устойчивость естественных защитных факторов.
Помимо ферментов защиты и агрессии микроорганизмы, также способны вырабатывать при размножении биологически активные элементы, которые повреждают ткани и клетки макроорганизма, так называемые токсины. Помимо этого, определенные токсины становятся ключевыми факторами при развитии всевозможных заболеваний. Однако действие, таких как лейкоцидин и гемолизин стафилококк довольно ограничено.
Стоит отметить, что сила токсинов, в том числе и вирулентность, в основном измеряет DLM и LD50. Таким образом, абсолютно все токсины разделяются на 2 вида:
* Экзотоксины представляют собой белки, при этом являются термолабильными и продуцируются грамположительными бактериями. Кроме того, они обладают общетоксичным эффектом, после специальной обработке могут переходить в анатоксин и считаются сильными антигенами.
* Эндотоксины представляют собой липополисахариды. Как правило, они термостабильны, однако в отличие от предыдущего типа продуцируются грамотрицательными бактериями.
Для медицинской практики наиболее значимыми продуцентами экзотоксинов считаются следующие возбудители:
* среди грамотрицательных – шигелл, некоторые виды псевдомонад, холерный вибрион;
* среди грамположительных – ботулизма, дифтерии, газовой гангрены, столбняка, некоторые типы стрептококков и стафилококков.
В зависимости от прочности соединения экзотоксины и микробной клетки могут разделяться на:
* не секретируемые;
* частично секретируемые;
* на полностью секретируемые.
Стоит отметить, что не секретируемые соединения освобождаются в ходе разрушения бактериальных клеток, за счет чего они довольно схожи с эндотоксинами по этому свойству.
Кроме того, бактериальные токсины также разделяются на определенные типы по механизму действия на клетки микроорганизмов. Однако подобное разделения считается условным, поэтому некоторые токсины иногда относятся одновременно к двум видам.
1) Первый вид представляется собой мембранотоксины.
2) Второй тип это нейротоксины или функциональные блокаторы. Они блокируют передачу нервных импульсов.
3) Третий вид представляет собой термолабильные и термостабильные энтеротоксины, которые активизируют аденилатциклазу клетки, что в свою очередь приводит к
Развитию диарейного синдрома и нарушению энтеросорбции. Такие токсины продуцируют энтеротоксигенные кишечные палочки, холерный вибрион.
4) Четвертый тип это цитотоксины. Они блокируют синтез белков на субклеточном уровне. Кроме того, в эту категорию также относят антиэлонгаторы, которые препятствуют транслокации элонгации. Таким образом, передвижение и-РНК по рибосоме значительно замедляется, что в свою очередь блокирует синтез белка (токсин синегнойной палочки, дифтерийный гистотоксин).
5) Пятый тип это эксфолиатины, которые образуются некоторыми определенными штаммами золотистого стафилококка, а также эритрогенины, которые продуцируются пиогенным стрептококком группы А. Эта группа влияет на процесс взаимодействия межклеточных веществ и клеток, кроме того клиническая картина инфекции значительно легче определяется. Дело в том, что в первом случае образуется пузырчатка новорожденных, а во втором – скарлатина.
Стоит отметить, что большое количество бактерии могут образовывать не один, а сразу пару белковых токсинов, которые, к тому же, будут обладать различным действием – цитотоксическим, нейротоксическим и гемолитическим. К таким бактериям, как правило, относят стрептококк и стафилококк.
Помимо этого, довольно-таки много бактерии способны одновременно образовывать как эндотоксины, так и белковые экзотоксины: холерный вибрион, кишечная палочка и так далее.
По функциям факторы патогенного действия бактерий подразделяются на четыре группы:
* 1-я включает в себя бактерии с эпителием экологических ниш;
* 2-я представляет собой интерферирующие бактерии, которые взаимодействуют с гуморальными и клеточными механизмами хозяина, а также обеспечивают размножение возбудителя;
* 3-я это бактериальные модулины, которые индуцируют синтез определенных медиаторов и цитокинов воспаления, а также приводят к имуносупрессии;
* 4-я включает в себя токсические продукты и токсины, оказывающие разрушительное действие. Как правило, оно связано со специфическими изменениями различных тканей и органов организма.