Нейротоксины - это вещества, которые подавляют функции нейронов. Нейроны присутствуют в головном мозге и нервной системе. Функции этих уникальных клеток критически важны для выполнения самых различных задач, начиная от действий вегетативной нервной системы, таких как глотание, а заканчивая действиями более высокого уровня, осуществляемыми головным мозгом. Нейротоксины могут воздействовать различными способами и поэтому связанные с ними опасности разнятся в зависимости от типа нейротоксина и его дозы.

В некоторых случаях нейротоксины просто сильно повреждают нейроны так, что последние не могут функционировать.

В других случаях они атакуют сигнальные способности нейронов, блокируя высвобождение различных химических веществ или вмешиваясь в процесс получения передаваемых сообщений, а иногда - заставляя нейроны посылать ложные сигналы. Также нейротоксины способны полностью уничтожать нейроны.

Выработка нейротоксинов

В действительности организм сам вырабатывает определенные нейротоксины. К примеру, наносить вред организму могут большие количества многих нейромедиаторов, вырабатываемых для того, чтобы пересылать сообщения по нервной системе. В некоторых случаях организм вырабатывает нейротоксины в ответ на возникновение угрозы иммунной системе. Также многочисленные нейротоксины присутствуют в окружающей природной среде; их вырабатывают ядовитые животные; тяжелые металлы, такие как свинец, также являются нейротоксинами. Иногда нейротоксины применяются властями некоторых стран для оказания противодействия массовым беспорядкам и ведения войны. Нейротоксины, используемые в подобных целях, обычно называются нервно-паралитическими веществами.

Воздействие нейротоксинов

Воздействие нейротоксинов может вызывать головокружение, тошноту, потерю контроля над движениями, паралич, ухудшение зрения, судороги и инсульт. В тяжелых случаях последствия отравления могут включать кому и в итоге смерть из-за отключения нервной системы. В частности, организм начинает быстро разрушаться, когда нейротоксины подавляют функцию вегетативной нервной системы, так как прекращается выполнение ряда важных задач.

Отравление

В случае острого отравления пострадавший подвергается внезапному воздействию определенной дозы нейротоксина. Примером острого отравления является укус змеи. Хроническое отравление предполагает медленное воздействие нейротоксина в течение определенного периода времени. Примером хронического отравления может служить отравление тяжелыми металлами, при котором пострадавший каждый день невольно получает небольшие количества нейротоксина.

Проблема с тяжелыми металлами заключается в том, что они накапливаются в организме, а не выводятся из него, поэтому в определенный момент пострадавший заболевает.

Для лечения отравления нейротоксинами может использоваться ряд техник. Многие из них основываются на поддерживающей терапии, делающей возможным выполнение задач, с которыми организм не может справляться до тех пор, пока состояние пациента не стабилизируется. Если это происходит, пациент может восстанавливаться, однако впоследствии ему зачастую приходится сталкиваться со связанными с отравлением побочными эффектами. В некоторых случаях для блокирования функции нейротоксинов или вымывания их из организма используются химические вещества. В других случаях лекарства от отравления может не быть, и целью лечения является обеспечение пациенту комфорта.

Источник: wisegeek.com
Фото: newearth.media

Рак поджелудочной железы весьма распространен. Лечение рака поджелудочной железы определяется в зависимости от места и стадии рака. Вариант лечения выбирается исходя из возраста и общего состояния здоровья пациента. Лечение рака направлено на удаление рака, когда это возможно, или предотвращение дальнейшего роста опухоли. Если рак поджелудочной железы диагностируется на поздней стадии, и какой-либо вариант лечения по…

Болезнь Паркинсона может коснуться каждого. Люди, страдающие болезнью Паркинсона, требуют большой заботы и внимания. Пациенту становится очень неприятно, когда он не может понять других или позаботиться о себе. В это время оказывайте поддержку пациенту. Не сердитесь и не раздражайте пациента, когда он вас не понимает. Говорите четко, положительно и общайтесь с пациентом. Зрительный контакт необходим,…

Вестибулярная система может страдать от определенных расстройств, которые варьируются от лабиринтита до доброкачественного пароксизмального позиционного головокружения, которые могут не только влиять на слуховые способности человека, но также приводить к ряду других проблем со здоровьем. Ухо не только обеспечивает слух, но и помогает поддерживать равновесие в нашей повседневной деятельности. В наших ушах есть определенные жидкости, которые…

Некоторые вещества могут оказывать крайне негативное воздействие на здоровье человека. Естественные или синтетические яды поражают почки, печень, сердце, повреждают кровеносные сосуды, вызывая кровотечения, или действуют на клеточном уровне. Нейротоксинами называют вещества, которые поражают нервные волокна и головной мозг, а результаты действия таких токсинов - нейротоксическими расстройствами. Воздействие подобного рода ядов может быть как отсроченным, так и вызывать острые состояния.

Что такое нейротоксины и где применяются отравляющие вещества

Нейротоксинами могут выступать химические вещества, лекарственные средства, вызывающие анестезию, антисептики, пары металлов, агрессивные моющие средства, пестициды и инсектициды. Некоторые живые организмы способны вырабатывать нейротоксины в ответ на угрозу иммунной системе, многочисленные ядовитые вещества присутствуют в окружающей среде.

Согласно данным научных исследований, обобщенным в публикации авторитетного еженедельного медицинского журнала ”The Lancet”, повреждать нервную систему человека могут около двухсот токсинов. Позднее (по изучению данных Национального Института Профессиональной Безопасности) появилась необходимость добавить к опубликованному списку еще столько же ядовитых веществ, тем или иным образом, оказывающих негативное влияние на ЦНС.

В последнем случае повреждение нервных волокон сочеталось с поражением сопутствующих органов и систем, а симптомы нейротоксического расстройства появлялись при превышении допустимых пределов воздействия.

Так, список химических веществ, которые можно отнести к нейротоксинам, расширяется в зависимости от того, каких критериев придерживается конкретное издание или автор.

Получить отравление нейротоксином можно при вдыхании ядовитых паров, повышении допустимой концентрации в крови или употреблении в пищу продуктов, насыщенных большим количеством токсичных веществ. Многие ядовитые вещества присутствуют в окружающей среде, товарах массового потребления, бытовых химикатах. Нейротоксины применяются в косметологии, медицине и промышленности.

В чем заключается нейротоксическое воздействие на организм

Нейротоскическое воздействие распространяется в первую очередь на головной мозг и нервные волокна. Нейтрализация работы клеток в нервной системе может приводить к параличу мышц, возникновению острой аллергической реакции, воздействует на общее психическое состояние человека. В тяжелых случаях отравление может вызвать кому и закончиться летальным исходом.

Ядовитые вещества подобного рода впитываются в нервные окончания, передаются в клетки и нарушают жизненно важные функции. Механизмы естественном детоксикации организма практически бессильны против нейротоксинов: в печени, например, основная функциональная особенность которой заключается в выведении вредных веществ, большинство нейротоксинов вследствие своего специфического характера повторно всасываются нервными волокнами.

Нейротоксический яд может осложнять течение любой болезни, что затрудняет окончательную диагностику и своевременное лечение.

Установление точного диагноза в обязательном порядке включает в себя определение предполагаемого источника заражения, изучение истории контактов с потенциальным ядом, выявление полной клинической картины и проведение лабораторных тестов.

Классификация наиболее известных представителей нейротоксинов

Медицинские источники разделяют нейротоксины на ингибиторы каналов, нервно-паралитические отравляющие вещества и нейротоксичные препараты. По происхождению различаются отравляющие вещества на полученные из внешней среды (экзогенные) и производимые организмом (эндогенные).

Классификация нейротоксинов, отравление которыми есть вероятность получить на производстве и в быту, включает в себя три группы наиболее распространенных веществ:

1. Тяжелые металлы. Ртуть, кадмий, свинец, сурьма, висмут, медь и другие вещества быстро всасываются в пищеварительный тракт, разносятся с кровотоком по всем жизненно важным органам и оседают в них.
2. Биотоксины. К биотоксинам относятся сильнодействующие яды, которые вырабатываются в частности морскими обитателями и пауками. Вещества могут проникать механическим путем (при укусе или уколе) или при употреблении в пищу ядовитых животных. Кроме того, к биотоксинам относятся бактерии ботулизма.
3. Ксенобиотики. Отличительная черта данной группы нейротоксинов состоит в пролонгированном воздействии на организм человека: период полураспада диоксина, например, составляет от 7 до 11 лет.

Симптомы поражения нейротоксинами

Нейротоксические расстройства, вызванные ядовитыми веществами, характеризуются рядом симптомов, типичных для отравлений в принципе, и специфическими признаками, возникающими при интоксикации определенным соединением.

Интоксикация тяжелыми металлами

Так, у больных возникают следующие признаки интоксикации тяжелыми металлами:

• дискомфорт в животе;
• вздутие, диарея или запоры;
• тошнота и периодическая рвота.

При этом отравление конкретным металлом имеет свои отличительные особенности. Так, при интоксикации ртутью ощущается металлический привкус во рту, характерно повышенное слюноотделение и набухание лимфатических узлов, а отличается сильным кашлем (иногда с кровью), слезотечением, раздражением слизистых оболочек дыхательных путей.

Тяжелым случаем является : развивается анемия, кожные покровы становятся синюшными, быстро нарушается работа печени и почек.

Отравление биотоксинами

При отравлении биотоксинами в числе первых признаком интоксикации могут возникать:

• повышенное слюноотделение, онемение языка, потеря чувствительности ног и рук (характерно для отравления тетродотоксином, содержащимся в рыбе фугу);
• нарастающие боли в животе, тошнота и рвота, нарушения стула, “мушки” перед глазами и дыхательная недостаточность (интоксикация ботулотоксином);
• сильные боли в сердце, гипоксия, параличи внутренних мышц (состояние, подобное сердечному приступу возникает при отравлении батрахотоксином, содержащимся в железах некоторых видов лягушек).

Интоксикация ксенобиотиками

Нейротоксичный яд антропогенного происхождения опасен тем, что симптомы интоксикации могут появляться в длительной перспективе, что приводит к хроническому отравлению.

Поражение формальдегидом или диоксинами - побочными продуктами производства пестицидов, бумаги, пластмасс и так далее - сопровождается следующими признаками:

• упадок сил, быстрая утомляемость, бессонница;
• боль в животе, потеря аппетита и истощение;
• раздражение слизистых оболочек ротовой полости, глаз и дыхательных путей;
• тошнота, рвота с кровью, диарея;
• нарушение координации движений;
• тревожность, бред, чувство страха.

Особенности отравления нейротоксинами

Отличительной особенностью нейротоксинов является поражение нервной системы человека.

Так, состояние пациента характеризуется:

• нарушениями координации движений;
• замедлением мозговой активности;
• нарушениями сознания, потерей памяти;
• пульсирующей головной болью;
• потемнением в глазах.

К общим признакам, как правило, добавляются симптомы отравления со стороны дыхательной, пищеварительной и сердечно-сосудистой систем. Конкретная клиническая картина зависит от источника интоксикации.

Профилактика интоксикации на производстве и в быту

Профилактика отравлений во многом зависит от характера потенциальной угрозы. Так, чтобы избежать интоксикации биотоксинами следует подвергать тщательной тепловой обработке продукты питания, избегать употребления в пищу просроченных или некачественных продуктов, предотвращать контакты с потенциально ядовитыми животными и растениями. Предотвратить отравление тяжелыми металлами можно, используя изделия из данных материалов строго по назначению,соблюдая меры безопасности при работе на вредных производствах и санитарные правила.

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

по биохимии

Механизм действия нейротоксинов ядов змей

Введение

химия змеиный яд

Змеиные яды являются уникальной по химическому составу и физиологическому действию группой биологически активных соединений. Токсические и лечебные свойства их известны человечеству с древнейших времен. Долгое время интерес к изучению этих ядовитых продуктов ограничивался потребностями медицинской практики. Большая часть работ была посвящена описанию клинической картины отравления, изысканию методов специфической и неспецифической терапии, а также использованию ядов змей и их препаратов в качестве лечебных средств. Рациональное применение змеиных ядов в медицине невозможно без экспериментального изучения и теоретического обоснования сущности реакций, развивающегося в организме в ответ на введение того или иного яда. Исследование отдельных механизмов действия на организм ядов змей необходимо для создания научно обоснованных методов лечения.

Недостаточная разработка о механизмах отравляющего действия змеиных ядов часто не позволяет врачам быстро и эффективно облегчить состояние пострадавшего. В ряде случаев принимается во внимание только внешняя картина отравления, и клиническая помощь ограничивается симптоматическими средствами без учета специфики действия яда на жизненно важные системы организма.

Следует отметить, что змеиные яды оказывают сильное токсическое воздействие только в летальных и сублетальных дозах. Небольшие дозы никаких клинических проявлений отравления не вызывают и издавна используются практической медициной. Однако терапевтическое применение часто проводится эмпирически без достаточного теоретического обоснования, что влечет за собой ошибки. Не приходится доказывать, что эффективное использование змеиных ядов в клинике должно опираться на глубокие знания их состава и свойств и в первую очередь на экспериментальные исследования, которые должны вскрыть физиологическую природу и механизмы действия этих ядовитых веществ и помочь врачам научно обоснованно применять яды в терапевтических целях. В исследовательских лабораториях резко возрос интерес к зоотоксинам, а в частности к змеиным ядам, в связи с получением из них в чистом виде ряда компонентов, которые обладают высокоспецифичным действием, а определенные биологические структуры.

Цель этой работы осветить современное состояние экспериментального изучения змеиных ядов, вскрыть механизмы патофизиологического воздействия на важнейшие функциональные системы организма.

Состояние химии змеиных ядов.

Получение ядов и его физико-химические свойства.

Наиболее простым способом получения ядовитого секрета у змей является механический массаж ядовитых желез. Сейчас часто вместо механического массажа применяют стимуляцию электрическим током.

Электростимуляция не только является более щадящим методом сбора яда, но и позволяет получать большее его количество. Количества яда, получаемого от одной особи, зависит от размеров тела змеи, ее физиологического состояния, числа повторных взятий яда, а также от ряда условий внешней среды. Необходимо отметить, что содержание змей в неволе отражается не только на количестве получаемого яда, но и на его токсичности. Так у яда кобры понижение токсичности наблюдается уже после полугода содержания в неволе. Яд гюрзы изменяет токсичность только после 2 лет содержания в питомнике. Что касается мелких змей (гадюка, щитомордник, эфа), то содержание их в серпентариях в течение года не отражается на свойствах ядов. Свежедобытый змеиный яд представляет собой слегка опалесцирующую, вязкую, достаточно прозрачную жидкость цвет яда варьирует от светло-желтого до лимонного.

Активная реакция ядов обычно кислая. Водные растворы их нестойки и теряют токсичность через несколько суток. Гораздо более устойчивы к воздействию факторов внешней среды становятся они после высушивания над хлористым кальцием или лиофилизации. Яды довольно термостабильны и в кислой среде выдерживают нагревание до 120 градусов Цельсия без потери активности. Разрушающе действуют на яды химические реагенты: КМnO4, эфир, хлороформ, этанол метиленовый синий. Также воздействуют физические факторы: УФ-облучение, рентгеновские лучи. Химический анализ показывает наличие в змеиных ядах как органических, так и неорганических веществ. По современным представлениям токсическая активность и биологические свойства змеиных ядов связаны с их белковыми компонентами.

Основные этапы изучения химического состава и структуры токсических полипептидов змеиных ядов. Вопросы о химической природе и механизмах действия змеиных ядов привлекали внимание исследователей. В ранних работах токсическое действие связывали с активностью присутствующих в ядах ферментов. В настоящее время общепринятой точкой зрения, согласно которой основные токсические свойства определяется неэнзиматическими полипептидами, наряду с которыми в ядах содержатся мощные ферментные системы, от природы и специфичности действия которых в большинстве случаев зависит своеобразие интегральной картины отравления. Достижения и успехи в области изучения химического состава ядов тесно связаны с развитием и совершенствованием методов фракционирования и очистки сложных смесей высокомолекулярных соединений. До 60-х годов при изучении ядов в основном использовали диализ через полупроницаемые мембраны и электрофоретическое разделение. Развитии методов гельфильтрации, ионообменной хроматографии, ультрацентрифугирования, а также разработка и автоматизация методов анализа первичной структуры макромолекул позволили в сравнительно короткие сроки расшифровать последовательность аминокислотных остатков токсических полипептидах большинства змей.

1.Терминология и классификация токсических полипептидов

химия змеиный яд

До последнего времени существовали терминологические трудности при попытке сравнительного анализа функциональных и структурных особенностей различных неэнзиматических токсических полипептидов змеиных ядов. В основном это касается полипептидов, выделенных из яда змей семейства Elapidae. На первых этапах изучения химического состава ядов подобные трудности были неизбежны и объяснялись недостаточной степенью очистки индивидуальных полипептидов, что в большинстве случаев затрудняло определение специфического характера их действия. В результате различные авторы разные наименования полипептидам, которые оказались чрезвычайно близкими, а подчас идентичными по своей химической структуре и фармакологическим эффектам. В частности, группа кардиотоксинов обозначалась как фактор, деполяризующий скелетную мускулатуру; токсин Y; прямой литический фактор - ПЛФ; кобрамины Аи В; цитотоксины 1и 2.

Одни авторы при выборе названия основывались на патофизиологических эффектах (кардиотоксин, ПЛФ, цитотоксин), другие подчеркивали некоторые химические свойства полипептида, например его основной характер(кобрамин), третьи присваивали фракции цифровое или буквенное обозначение. только в последние годы установлено близкое сходство в химической структуре этих полипептидов. Были получены доказательства, гемолитическая, цитотоксическая, кардиотоксическая и другие виды активности присущи большинству этих токсинов. Поэтому группу основных полипептидов, не обладающих специфической нейротоксической активностью, но эффективно действующих на биологические мембраны, назвали мембранно-активными полипептидами(МАП).

Основываясь на сравнительном анализе первичной структуры и физиологического действия, показавших большое сходство нейротоксических полипептидов между собой, их объединили общим термином - нейротоксин. Таким образом, все выделенные до настоящего времени из яда змей семейства Elapidae токсические полипептиды не обладающие энзиматическими свойствами и по механизму действия разделяются на три группы. К первой группе относятся полипептиды, избирательно и специфически блокирующие холинорецепторы субсинаптической мембраны нервно - мышечного соединения, - постсинаптические нейротоксины(пост-НТ). Вторая группа представлена полипептидами, действующие избирательно на пресинаптические окончания мионевральных синапсов и нарушающими процесс высвобождения ацетилхолина - пресинаптические нейротоксины (пре-НТ).

В третью группу включены полипептиды, активно воздействующие на мембранные структуры клеток, в том числе возбудимых, вызывая их деполяризацию - мембранно-активные полипептиды(МАП).

2. Химия постсинаптических нейротоксинов

Несмотря на то, что по своим фармакологическим свойствам пост - НТ, выделенные из яда кобр, близки, с точки зрения химического строения они могут быть разделены на два типа.

К типу 1 относятся пост - НТ, представляющую собой простую полипептидную цепочку, состоящую из 60-62 остатков аминокислот, имеющих 4 дисульфидных мостика (Рис 1. А) и обладающих основными своиствами, молекулярный вес около 7000 (пост - НТ- 1).

К типу 2 относятся пост - НТ, состоящие из 71-74 остатков аминокислот, имеющие 5 дисульфидных мостика (Рис 1, Б), молекулярный вес около 8000 (пост - НТ-2).

Рис 1. Первичная структура нейротоксина II (А) и нейротоксина I (Б) из яда среднеазиатской кобры

Пост - НТ-1 построены из 15 общих аминокислотных остатков, в их составе, как правило, отсутствует Ала, Мет и Фен. Напротив, а пост - НТ-2 аланин встречается. Интересной особенностью яда среднеазиатской кобры является присутствие в нем нейротоксинов обоих типов. Причем в нейротоксине, содержащем 73 аминокислотных остатка, Арг или Лиз 51, характерные для всех пост - НТ-2 замещены на Глу.

Насыщенность пост - НТ 1 и 2 дисульфидными связями наводит на мысль об их важном функциональном значении в поддержании биологически активной конформации молекулы. Восстановление дисульфидных связей приводит к потере 92% активности пост - НТ-1 и 50% пост - НТ-2. повторное окисление восстанавливает первоначальную активность нейротоксинов. По-видимому, большая устойчивость пост - НТ-2 к химическим воздействиям связано с наличием пятой дисульфидной связи, стабилизирующей участок полипептидной цепи. В тоже время у пост - НТ-1 этот же участок молекулы наиболее удлинен и лишен дисульфидных мостиков. Наличие мостиков обуславливает устойчивость пост - НТ и к термическому воздействию. Так, в кислой среде пост - НТ выдерживают нагревание до 100°С в течение 30 минут без заметной потери активности или обработку 8М мочевиной в течение 24 часов, но инактивируется щелочами.

Расшифровка первичной структуры нейротоксических полипептидов позволила поставить вопрос о локализации и строении активного центра молекулы, вступающего в связь с холиновым рецептором. Изучение строения этих полипептидов указывает на наличие в молекулах нейротоксинов как α так и β-структур. Центральная часть молекулы пост -НТ -1 свободная от дисульфидных связей, может обладать большей α-спирализацией. Кроме того, гидрофильный характер большинства боковых цепей аминокислотных остатков, составляющих последовательность от позиций 24-25 до положения 39-40, может обусловить проекцию этой петли на внешнюю сторону молекулы, поэтому не исключено, что активный центр локализуется в этом участке.

Важное значение имеет анализ местоположения и химическая модификация инвариантных аминокислот, встречающихся в гомологичных нейротоксинах в одних и тех же участках. Эти аминокислоты, сохранившиеся в процессе эволюции в одинаковых участках полипептидной цепи, могут участвовать в организации активного центра или обеспечивать поддержание активной конформации молекулы. Наличие постоянных аминокислот требует наличие инвариантного триплетного генного кода в молекуде ДНК, необходимого для синтеза данной аминокислотной последовательности.

Поскольку мишенью для пост - НТ,так же как и для ацетилхолина, является холинорецептор, то видимо активные участки нейротоксинов должны иметь сходство с четвертичной аммониевой и карбонильной группами ацетилхолина. Было установлено, что свободные аминогруппы, в том числе и N-концевые, не являются облигатными для обеспечения токсической активности. Ацитилирование 6 аминогрупп в нейротоксине из яда таиландской кобры привело к потере 1/3 активности.

Можно было предполагать, что карбонильные группы пептидного состава всегда присутствующие в молекуле пост - НТ могут иметь значение при обеспечении токсичности. Однако они малодоступны в реакции взаимодействия с рецептором. В большей степени отвечают этому требованию боковые группы боковых цепей инвариантных аспарагиновой кислоты и аспарагина. Модификация аспарагиновой кислоты метиловым эфиром глицина приводит к потере активности на 75% от первоначального значения.

Необратимое связывание между пост - НТ и холинорецептором нельзя объяснить только взаимодействием гуанидиновых и карбонильных групп пост - НТ с соответствующими участками рецептора. Их взаимодействие должно носить в основном электростатический характер, однако, комплекс рецептор - токсин не диссоциирует в концентрированных солевых растворах. Вероятно эти две функциональные группы служат «участками узнавания» при первичном контакте пост - НТ и рецептора. Конечное же необратимое связывание обуславливается протеин - протеиновым взаимодействием, включающие уже другие участки пост - НТ и холинорецептора.

3. Химия пресинаптических нейротоксинов

Нейротоксины второй группы,пресинаптические нейротоксины (пре - НТ), редко встречаются в змеиных ядах. Только некоторые из них выделены в очищенном виде и изучены. В семействе Elapidae пресинаптические НТ обнаружении в яде австралийского тайпана - тайпоксин, австралийской тигровой змеи - нотексин, и в яде крайта - β-бунгаротоксин. Кротоксин - нейротоксин яда гремучих змей обладает преимущественным пресинаптическим действием на нервно - мышечные соединения у амфибий и постсинаптическим у млекопитающих. в отличие от пост - НТ нейротоксины 2 группы построены из большего числа аминокислотных остатков и соответственно имеют больший молекулярный вес. Кроме того некоторые из них являются комплексом состоящим из субъединиц.

Одним из первых пре - НТ, полученных с помощью зонального электрофореза на крахмальном геле и в дальнейшем очищенных хроматографией на КМ-сефадексе с повторной рехроматографией, был β-бунгаротоксин. Β-бунгаротоксин построен приблизительно из 179 аминокислотных остатков, среди которых преобладают аспарагиновая кислота(22 остатка), глицин (16), лизин (13),аргинин (14),тирозин (13). Наличие 20 остатков цистина указывает, что молекула β-бунгаротоксина стабилизированы по крайней мере 10 сульфидными связями. Молекулярная масса нейротоксина 28500.

Предполагали, что β-бунгаротоксин лишен энзиматических свойств и является гомогенным. Однако установили, что β-бунгаротоксин состоит из двух субьединиц с молекулярным весом 8800 и 12400, изучая влияния β-бунгаротоксина на окислительное фосфолирирование в митохондриях нервных окончаний, пришли к выводу о наличии у токсина фосфолипазной активности.

Нотексин был получен ионообменной хроматографией в градиенте ацетата аммония. Основной нейротоксический компонент нотексина, составляющий 6% сырого неочищенного яда, выделен в виде препарата, содержащего 27% нотексина путем повторного хроматографирования.

4. Действие ядов на передачу нервно-мышечную передачу

Механизм нарушения передачи возбуждения в мионевральном синапсе под влияние змеиных ядов наиболее изучен. Уже первые наблюдения за картиной гибели отравленного животного, в которой доминировали симптомы паралича скелетной и дыхательной мускулатуры, вызвали необходимость изучения этого феномена в строгих лабораторных условиях. Многочисленными опытами на изолированных нервно-мышечных препаратах было показано, что змеиные яды блокируют передачу возбуждения с нерва на мышцу, снижают возбудимость на прямую и непрямую стимуляцию и вызывают деполяризацию нервных и мышечных мембран.

Угнетение нервно-мышечной передачи под действием яда может реализоваться с помощью двух механизмов. Один из них связан с блокирующим действием яда на концевую пластинку. В основе второго лежит деполяризующее действие на возбудимые мембраны. Однако при использовании цельного яда трудно отдифференцировать эти два механизма, так как его деполяризующее действие приводит к блокированию распространяющегося возбуждения в нервных волокнах, а в высоких концентрациях яд вызывает мышечную контрактуру. Яд предупреждает деполяризующее действие ацетилхолина на изолированные мышцы, в то время как ацетилхолинэстеразные соединения снижают его блокирующий эффект.

В опытах кротоксин блокировал мышечное сокращение на непрямую стимуляцию и не оказывал влияния на мембранный потенциал. Однако изучение действия ядов двух разновидностей (с кротамином и без него) сообщили о практически необратимом блокирующем действии на нервно мышечную передачу у кошек и крыс яда без кротамина, причем как на мышечные мембраны, так и на специфические рецепторы постсинаптической мембраны. Нервно-мышечный блок под влиянием яда, содержащего кротамин, достигался путем деполяризации мышечных мембран. Яд гадюковых также способен нарушать нервно-мышечную передачу, вызывая периферический паралич, обусловленный необратимой блокадой специфических ацетилхолиновых рецепторов. Он угнетает также электрическую активность мышечных волокон. Иммунохимический анализ показал наличие в яде белковой фракции, сходной с постсинаптическим α-токсином из яда черношейной кобры.

В институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина <#"justify">5. Постсинаптические нейротоксины (пост - НТ)

В отличие от цельного яда кобры пост - НТ избирательно блокируют передачу возбуждения в нервно-мышечном соединении, не оказывая влияния на электрические свойства нерва и мышцы. Инкубация в течение часа изолированных нервно-мышечных препаратов в растворе, содержащем пост - НТ в концентрации около 1 мкг/мл, приводит к прогрессивному уменьшению амплитуды потенциала концевой пластинки - ПКП. Угнетающий эффект возрастает при увеличении частоты стимуляции, одновременно уменьшается амплитуда ПКП без существенных изменений их частоты. Даже в высоких концентрациях пост - НТ не оказывали влияния на потенциалы покоя и мышцы и моторных терминалей.

Наибольшей чувствительностью к действию пост - НТ обладают холинорецепторные мембраны скелетной мускулатуры позвоночных животных. В то же время соматическая мускулатура морских моллюсков и сердце миноги устойчивы к действию нейротоксинов кобры. Видовые различия в чувствительности холинорецепторов на разнообразных представителях позвоночных (лягушки, цыплята, котята, крысы). Было высказано предположение, что пост - НТ не являются прямыми конкурентами ацетилхолина за активный центр холинорецептора.

6. Пресинаптические нейротоксины (пре - НТ)

Нейротоксины с пресинаптическим характером действия избирательно поражают механизм высвобождения ацетилхолина, не влияя на чувствительность к медиатору постсинаптических структур. Обработка изолированного нервно-мышечного препарата β-бунгаротоксином после начального периода увеличения частоты приводит к полному устранению ПКП. Скорость наступления угнетающего эффекта зависит как от концентрации пре - НТ, так и от частоты стимуляции. Также была установлена зависимость времени наступления блока нервно-мышечной передачи от температуры окружающей среды. Так, тайпоксин (1мкг/мл) при температуре 37 °С вызывал угнетение препарата в течение часа, при снижении температуры до 28 °С проводимость сохранялась до 4 часов инкубации. Пре - НТ не снижают ответ изолированных мышц на экзогенный ацетилхолин и не влияют на проведения возбуждения по нервным терминалям. Другие доказательства избирательного пресинаптического характера действия β-бунгаротоксина были получены на лишенной нервных окончаний культуре тканей, полученных из миобластов 10 дневных эмбрионов цыпленка. Предварительная инкубация α-бунгаротоксином полностью устраняла деполяризацию вызванную последующим введением в среду ацетилхолина. В этих условиях β-бунгаротоксин оказался не эффективным. На поздних стадиях действия β-бунгаротоксина наблюдается разрушение везикул с ацетилхолином вплоть до полного их исчезновения. Отмечается также и вакуолизация митохондрий моторных нервных терминалей.

Действие β-бунгаротоксина сходно с действием токсины ботулизма, также поражающего механизм высвобождения ацетилхолина из нервных окончаний. Однако имеются и различия: токсин ботулизма не вызывает начального увеличения ПКП; в отличие от токсина ботулизма β-бунгаротоксин взаимодействует только с холинэргическими окончаниями; при действии токсина ботулизма не замечены изменения в пресинаптической области.

На синаптосомах из мозга крысы выявлена способность β-бунгаротоксина снижать накопление ГАМК, серотонина, норадреналина и холина. Поскольку β-бунгаротоксин в основном вытесняет уже накопленные нейромедиаторы, можно предположить, что его действие связано с поражение процесса хранения, а не транспорта медиаторов.

Заключение

Механизм действия змеиных ядов еще окончательно не расшифрован учеными. Но прозрачная капелька яда, попав в кровь, разносится ею по всему организму и в определенной дозе оказывает благоприятный эффект на организм больного. Установлено, что небольшие количества яда кобры обладают болеутоляющим действием и могут даже использоваться как заменитель морфия у больных, страдающих злокачественными новообразованиями. При этом в отличие от морфия змеиный яд действует более длительно и, что самое главное, не вызывает привыкания. Кроме того, созданы препараты на основе яда кобры, улучшающие общее состояние больных, страдающих бронхиальной астмой, эпилепсией, стенокардией.

Потребность в змеином яде возрастает из года в год и змеепитомники, созданные в ряде районов нашей страны, пока еще не могут удовлетворить эту потребность. Поэтому назрела необходимость охранять ядовитых змей в природных условиях, а также добиваться их размножения в неволе.

Следует помнить, что в руках неопытных людей змеиный яд становится не союзником в борьбе за сохранение здоровья, а опасным врагом и может вызвать тяжелые отравления. О необходимости правильно подбирать дозу лечебного вещества говорил еще Теофраст Парацельс, утверждая, что «...все есть яд, ничто не лишено ядовитости, и все есть лекарство. Одна только доза делает вещество ядом или лекарством». Это изречение знаменитого ученого не потеряло своего смысла и в наши дни и, пользуясь ядами змей, больные обязаны строго соблюдать предписания лечащего врача.

Яды змей, как известно, опасны для многих видов млекопитающих. Но среди более низко организованных животных, особенно среди насекомых, известны виды, не восприимчивые к действию змеиного яда, что позволяет использовать их в качестве противоядий.

Подводя итог рассмотрению круга вопросов, охватывающих особенности химического строения и механизмов действия ядов, нельзя не упомянуть что Природа - этот искуснейший экспериментатор - дала в руки исследователей уникальные инструменты для изучения фундаментальных вопросов строения и функционирования живой клетки.

Зоотоксины - прекрасные модели для молекулярной биологии, позволяющие решать вопросы взаимосвязи структуры и функции в биомолекулах.

Список литературы

1. Орлов Б.Н « Ядовитые животные и растения СССР». М.: Высшая школа, 1990г. - 272 с.

Г.И. Оксендендлер «Яды и противоядия» Л.: Наука, 1982. - 192 с

Е. Дунаев, И. Кауров «Рептилии. Амфибии». М.: Астрель, 2010г. - 180с.

Б.С Туниев, Н.Л. Орлов «Змеи Кавказа». М.: Товарищество научных изданий КМК, 2009. - 223с.

Www.floranimal.ru

Http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed