Нейротоксины
Нейротоксины
Леонид Завальский
Нейротоксины
все чаще используют в медицине для лечебных целей.
Некоторые
нейротоксины с разной молекулярной структурой обладают сходным механизмом
действия, вызывая фазовые переходы в мембранах нервных и мышечных клеток. Не
последнюю роль в действии нейротоксинов играет гидратация, существенно влияющая
на конформацию взаимодействующих ядов и рецепторов.
Сведения
о ядовитости иглобрюхов (маки-маки, рыбы-собаки, фугу и др.) восходят к глубокой
древности (более 2500 лет до нашей эры). Из европейцев первым дал подробное
описание симптомов отравления известный мореплаватель Кук, который вместе с 16
моряками угостился иглобрюхом во время второго кругосветного путешествия в 1774
году. Ему еще повезло, поскольку он “едва притронулся к филе”, тогда как
“свинья, съевшая внутренности, околела и сдохла”. Как ни странно, японцы не
могут отказать себе в удовольствии отведать такой, с их точки зрения,
деликатес, хотя и знают, как осторожно следует его готовить и опасно есть.
Первые
признаки отравления появляются в интервале от нескольких минут до 3 часов после
приема фугу в пищу. Вначале неудачливый едок ощущает покалывание и онемение
языка и губ, распространяющееся затем на все тело. Потом начинается головная и
желудочная боль, руки парализуются. Походка становится шатающейся, появляется
рвота, атаксия, ступор, афазия. Дыхание затрудняется, артериальное давление
снижается, понижается температура тела, развивается цианоз слизистых и кожи.
Больной впадает в коматозное состояние, и вскоре после остановки дыхания
прекращается и сердечная деятельность. Одним словом, типичная картина действия
нервно-паралитического яда.
В
1909 году японский исследователь Тахара выделил активное начало из фугу и
назвал его тетродотоксином. Однако лишь спустя 40 лет удалось выделить
тетродотоксин в кристаллическом виде и установить его химическую формулу. Для
получения 10 г тетродотоксина японскому ученому Тсуда (1967) пришлось
переработать 1 тонну яичников фугу. Тетродотоксин представляет собой соединение
аминопергидрохиназолина с гуанидиновой группой и обладает чрезвычайно высокой
биологической активностью. Как оказалось, именно наличие гуанидиновой группы
играет решающую роль в возникновении токсичности.
Одновременно
с исследованием яда скалозубых рыб и иглобрюхов во многих лабораториях мира
изучались токсины, выделенные из тканей других животных: саламандр, тритонов,
ядовитых жаб и других. Интересным оказалось то, что в некоторых случаях ткани
совершенно разных животных, не имеющих генетического родства, в частности
калифорнийского тритона Taricha torosa, рыб рода Gobiodon,
центрально-американских лягушек Atelopus, австралийских осьминогов
Hapalochlaena maculosa, вырабатывали тот же самый яд тетродотоксин.
По
действию тетродотоксин весьма схож с другим небелковым нейротоксином –
сакситоксином, продуцируемым одноклеточными жгутиковыми динофлагеллятами. Яд
этих жгутиковых одноклеточных может концентрироваться в тканях моллюсков мидий
при массовом размножении, после чего мидии становятся ядовитыми при
употреблении человеком в пищу. Изучение молекулярной структуры сакситоксина
показало, что его молекулы, как и тетродотоксин, содержат гуанидиновую группу,
даже две таких группы на молекулу. В остальном сакситоксин не имеет общих структурных
элементов с тетродотоксином. Но механизм действия этих ядов одинаков.
В
основе патологического действия тетродотоксина лежит его способность
блокировать проведение нервного импульса в возбудимых нервных и мышечных
тканях. Уникальность действия яда заключается в том, что он в очень низких
концентрациях – 1 гамм (стотысячная доля грамма) на килограмм живого тела –
блокирует входящий натриевый ток во время потенциала действия, что приводит к
смертельному исходу. Яд действует только с наружной стороны мембраны аксона. На
основании этих данных японские ученые Као и Нишияма высказали гипотезу, что
тетродотоксин, размер гуанидиновой группы которого близок диаметру
гидратированного иона натрия, входит в устье натриевого канала и застревает в
нем, стабилизируясь снаружи остальной частью молекулы, размеры которой
превышают диаметр канала. Аналогичные данные были получены при изучении
блокирующего действия сакситоксина. Рассмотрим явление подробнее.
В
состоянии покоя между внутренней и внешней сторонами мембраны аксона
поддерживается разность потенциалов, равная примерно 60 мВ (снаружи потенциал
положительный). При возбуждении нерва в точке приложения за короткое время
(около 1 мс) разность потенциалов меняет знак и достигает 50 мВ – первая фаза
потенциала действия. После достижения максимума потенциал в данной точке
возвращается к исходному состоянию поляризации, но абсолютная величина его
становится несколько больше, чем в состоянии покоя (70 мВ) – вторая фаза
потенциала действия. В течение 3-4 мс потенциал действия в данной точке аксона
возвращается в состояние покоя. Импульс короткого замыкания достаточен для
возбуждения соседнего участка нерва и переполяризации его в тот момент, когда
предыдущий участок возвращается к равновесию. Таким образом, потенциал действия
распространяется по нерву в виде незатухающей волны, бегущей со скоростью
20-100 м/с.
Ходжкин
и Хаксли с сотрудниками подробно исследовали процесс распространения нервного
возбуждений и показали, что в состоянии покоя мембрана аксона непроницаема для
натрия, тогда как калий свободно диффундирует через мембрану. «Вытекающий»
наружу калий уносит положительный заряд, и внутренне пространство аксона
заряжается отрицательно, препятствуя дальнейшему выходу калия. В итоге
оказывается, что концентрация калия снаружи нервной клетки в 30 раз меньше, чем
внутри. С натрием ситуация противоположная – в аксоплазме его концентрация в 10
раз ниже, чем в межклеточном пространстве.
Молекулы
тетродотоксина и сакситоксина блокируют работу натриевого канала и, как следствие,
препятствуют прохождению потенциала действия через аксон. Как видно, помимо
специфического взаимодействия гуанидиновой группы с устьем канала
(взаимодействие типа «ключ-замок»), определенную функцию во взаимодействии
выполняет оставшаяся часть молекулы, подверженная гидратации молекулами воды из
водно-солевого раствора в окружении мембраны.
Значение
исследований действия нейротоксинов трудно переоценить, поскольку они впервые
позволили приблизиться к пониманию таких фундаментальных явлений, как селективная
ионная проницаемость клеточных мембран, лежащая в основе регуляции жизненных
функций организма. Используя высоко специфическое связывание меченного тритием
тетродотоксина, удалось подсчитать плотность натриевых каналов в мембране
аксонов разных животных. Так, в гигантском аксоне кальмара плотность каналов
составила 550 на квадратный мкм, а в портняжной мышце лягушки – 380.
Специфическое
блокирование нервной проводимости позволило использовать тетродотоксин как
мощный местный анестетик. В настоящее время во многих странах уже налажено
производство обезболивающих препаратов на основе тетродотоксина. Имеются данные
о положительном терапевтическом эффекте препаратов нейротоксина при
бронхиальной астме и судорожных состояниях.
Весьма
подробно исследованы к настоящему времени и механизмы действия наркотиков
морфиевого ряда. Медицине и фармакологии давно известны свойства опия снимать
болевые ощущения. Уже в 1803 году немецкий фармаколог Фриц Сертюнер сумел
очистить препарат опиума и извлечь из него действующее начало – морфин.
Медицинский препарат морфина широко использовался в клинической практике,
особенно в годы первой мировой войны. Главный его недостаток – побочное
действие, выражающееся в формировании химической зависимости и привыкания
организма к наркотику. Поэтому были предприняты попытки найти замену морфию
столь же эффективным обезболивающим средством, но лишенным побочного действия.
Однако и все новые вещества, как оказалось на поверку, тоже вызывают синдром
привыкания. Такая судьба постигла героин (1890), меперидин (1940) и другие
производные морфина. Обилие различающихся по форме молекул опиатов дает
основание для точного установления строения опиат-рецептора, к которому
присоединяется молекула морфия, подобно рецептору тетродотоксина.
Все
молекулы анальгетически активных опиатов имеют общие элементы. Молекула опия
имеет жесткую Т-образную форму, представленную двумя взаимно перпендикулярными
элементами. В основании Т-молекулы размещается гидроксильная группа, а на одном
из концов горизонтальной планки – атом азота. Эти элементы составляют «базовую
основу» ключа, открывающего рецептор-замок. Существенным представляется то, что
обезболивающей и эйфорической активностью обладают лишь левовращающие изомеры
морфиевого ряда, тогда как правовращающие такой активности лишены.
Многочисленными
исследованиями было установлено, что опиат-рецепторы существуют в организмах
всех без исключения позвоночных животных, от акулы до приматов, включая
человека. Более того, оказалось, что сам организм способен синтезировать
опиеподобные вещества, называемые энкефалинами (метионин-энкефалин и
лейцин-энкефалин), состоящие из пяти аминокислот и обязательно содержащие
специфический морфиевый «ключ». Энкефалины выбрасываются специальными
энкефалиновыми нейронами и вызывают расслабление организма. В ответ на
присоединение энкефалинов в опиат-рецептору управляющий нейрон посылает сигнал
расслабления гладкой мускулатуре и воспринимается древнейшей формацией нервной
системы – лимбическим мозгом – как состояние высшего блаженства, или эйфории.
Такое состояние, например, может наступать после завершения стресса, хорошо
выполненной работы или глубокого сексуального удовлетворения, требующих
известной мобилизации сил организма. Морфий возбуждает опиат-рецептор, как и
энкефалины, даже когда нет основания для блаженства, например, в случае
болезни. Доказано, что состояние нирваны йогов есть не что иное, как эйфория,
достигнутая выбросом энкефалинов путем аутотренинга и медитации. Таким способом
йоги открывают доступ к гладкой мускулатуре и могут регулировать работу
внутренних органов, даже приостанавливать биение сердца.
Детальные
исследования синтетических опиатов дали интереснейшие результаты. В частности,
были обнаружены морфиеподобные вещества, обладающие в десятки тысяч раз большей
активностью, чем морфий, и вызывающие эйфорию уже при 0,1 мг (эторфин).
Последовательно синтезируя новые и новые производные морфия, исследователи
пытаются выяснить, какая же структурная часть молекулы наиболее точно
соответствует рецептору. Подобным образом на опиат-рецепторы действуют и
эндорфины. Некоторые опиаты обладают свойствами антагонистов морфия. Например,
налорфин, полученный замещением метильной группы у азота в молекуле морфия на
аллильную, почти немедленно приводит в чувство находящихся на грани смерти
людей, отравленных морфием. В рамках теории ключа и замка довольно трудно
понять, как химически инертная аллильная группа способна столь радикально
изменить свойства вещества. К тому же, свойствами антагониста налорфин обладает
лишь в одной стереоизомерной форме, когда аллильная группа становится
продолжением Т-образной молекулы. В другом стереоизомере, где аллильная группа
ориентирована перпендикулярно верхней планке, налорфин обладает свойствами
слабого наркотика. Все эти данные наводят на мысль, что определенную роль в
модели «ключа» и «замка» может играть гидратация гидрофобной части молекулы,
как это видно на примере натриевых каналов. Гидратация, по-видимому, может
вносить существенные помехи в специфическую рецепторную реакцию.
Все
энкефалины и имитирующие их опиаты подобны ферментам, поскольку соединение их с
рецептором влечет определенные биохимические превращения. Антагонистов морфия
(например, налорфин) можно рассматривать как ингибиторы, конкурирующие в борьбе
за акцептор с молекулами морфия. Ингибиторами следует считать и такие нервные
яды, как тетродотоксин и сакситоксин, выигрывающие в борьбе за натриевый канал
и блокирующие распространение сигнала действия вдоль аксона. Предполагается,
что одна молекула ингибитора индивидуально выводит из строя одну или несколько
молекул фермента, соединяясь с ними химически. При этом нарушается
комплементарность фермента с субстратом, либо он вообще выпадает в осадок. По
такому принципу протекают иммунологические реакции, когда каждая чужеродная молекула
подвергается атаке со стороны иммуноглобулинов в составе сыворотки крови.
Продукт взаимодействия можно наблюдать в пробирке в виде выпавших в осадок
хлопьев, содержащих как чужеродные белки, так и иммунные тела. Однако такая
модель не объясняет эффективности налорфина и тетродотоксина. Молекул этих
веществ в активной зоне явно меньше, чем активных центров на поверхности
субстрата. Как одна молекула налорфина может вывести из строя десятки молекул
морфия, а одна молекула тетродотоксина блокировать сотни натриевых каналов?
В
связи с указанными затруднениями следует вспомнить о других эффективных
механизмах ингибирования, основанных на зависимости растворимости различных
веществ от внешних условий. Границы гомогенных растворов часто оказываются
весьма чувствительными к присутствию посторонних веществ, незначительные
количества которых могут резко сместить фазовую границу раствор-эмульсия вплоть
до того, что растворенное вещество выпадет из раствора и из зоны реакции.
Действие такого ингибитора основано не на индивидуальном взаимодействии с
молекулами, а на смещении констант физико-химического равновесия раствора.
Поскольку устойчивость водных клеток и раствора в целом зависят от структуры
молекул гидратируемых в растворе веществ, любые изменения структуры этих
молекул могут изменять границы устойчивости. Можно предположить, что налорфин
действует как ингибитор, смещая границу устойчивости водного раствора, в
результате чего наркотическое вещество – морфий – выпадает в осадок. Точно так
же, возможно, что потенциал действия и волна нервного возбуждения есть не
только распространяющийся по аксону ток короткого замыкания, но и
кратковременный (в течение нескольких миллисекунд) фазовый переход в тонком
поверхностном слое раздела между мембраной и межклеточным раствором. В этом
случае остановка сигнальной волны может осуществляться как через блокирование
потоков ионов через мембрану, так и нарушением условий возникновения фазового
перехода. Можно предположить, что такие вещества как тетродотоксин,
присоединяясь к мембране, настолько сильно смещают константы равновесия, что
имеющихся изменений в концентрации натрия может оказаться недостаточно для
достижения фазового перехода расслоения.
Таким
образом, фазовые переходы в растворах, сопровождаемые перестройкой структуры
воды в тонких слоях на поверхности биологических молекул, могут объяснить
некоторые странные эффекты конкурентного ингибирования и специфического
субстрат-рецепторного взаимодействия при токсическом и наркотическом действии
растворимых в воде веществ.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://chemworld.narod.ru