Дія нейротоксинів. Чим небезпечні нейротоксичні дії

Леонід Завальський

Нейротоксини все частіше використовують у медицині для лікувальних цілей.

Деякі нейротоксини з різною молекулярною структурою мають подібний механізм дії, викликаючи фазові переходи в мембранах нервових і м'язових клітин. Не останню роль діє нейротоксинів грає гідратація, що істотно впливає на конформацію взаємодіючих отрут і рецепторів.

Відомості про отруйність іглобрюхів (маки-маки, риби-собаки, фугу та ін.) сягають глибокої давнини (понад 2500 років до нашої ери). З європейців першим дав докладний опис симптомів отруєння відомий мореплавець Кук, який разом із 16 моряками пригостився іглобрюхом під час другої подорожі навколо світу 1774 року. Йому ще пощастило, оскільки він "ледве доторкнувся до філе", тоді як "свиня, що з'їла нутрощі, здохла і здохла". Як не дивно, японці не можуть відмовити собі в задоволенні скуштувати такий, на їхній погляд, делікатес, хоча й знають, як обережно слід його готувати і небезпечно їсти.

Перші ознаки отруєння з'являються в інтервалі від декількох хвилин до 3 годин після фугу в їжу. Спочатку невдаха їдок відчуває поколювання і оніміння язика і губ, що поширюється потім на все тіло. Потім починається головний та шлунковий біль, руки паралізуються. Хода стає хиткою, з'являється блювання, атаксія, ступор, афазія. Дихання не може, артеріальний тиск знижується, знижується температура тіла, розвивається ціаноз слизових і шкіри. Хворий впадає у коматозний стан, і невдовзі після зупинки дихання припиняється серцева діяльність. Одним словом, типова картина дії нервово-паралітичної отрути.

У 1909 році японський дослідник Тахар виділив активний початок з фугу і назвав його тетродотоксином. Однак лише через 40 років вдалося виділити тетродотоксин у кристалічному вигляді та встановити його хімічну формулу. Для отримання 10 г тетродотоксину японському вченому Тсуд (1967) довелося переробити 1 тонну яєчників фугу. Тетродотоксин являє собою сполуку амінопергідрохіназоліну з гуанідиновою групою і має надзвичайно високу біологічну активність. Як виявилось, саме наявність гуанідинової групи грає вирішальну роль у виникненні токсичності.

Одночасно з дослідженням отрути скелезубих риб та іглобрюхів у багатьох лабораторіях світу вивчалися токсини, виділені з тканин інших тварин: саламандр, тритонів, отруйних жаб та інших. Цікавим виявилося те, що в деяких випадках тканини абсолютно різних тварин, що не мають генетичної спорідненості, зокрема каліфорнійського тритону Taricha torosa, риб роду Gobiodon, центрально-американських жаб Atelopus, австралійських восьминогів Hapalochlaena maculosa, виробляли ту саму отруту тетродотоксин.

По дії тетродотоксин дуже схожий з іншим небілковим нейротоксином - сакситоксином, що продукується одноклітинними джгутиковими динофлагелятами. Отрута цих джгутикових одноклітинних може концентруватися в тканинах молюсків мідій при масовому розмноженні, після чого мідії стають отруйними при вживанні людиною в їжу. Вивчення молекулярної структури сакситоксин показало, що його молекули, як і тетродотоксин, містять гуанідинову групу, навіть дві таких групи на молекулу. В іншому сакситоксин не має загальних структурних елементів із тетродотоксином. Але механізм дії цих отрут однаковий.

В основі патологічної дії тетродотоксину лежить його здатність блокувати проведення нервового імпульсу у збудливих нервових та м'язових тканинах. Унікальність дії отрути полягає в тому, що вона в дуже низьких концентраціях – 1 гам (стотисячна частка грама) на кілограм живого тіла – блокує вхідний натрієвий струм під час потенціалу дії, що призводить до смертельного результату. Отрута діє лише із зовнішнього боку мембрани аксона. На підставі цих даних японські вчені Као і Нішияма висловили гіпотезу, що тетродотоксин, розмір гуанідинової групи якого близький до діаметру гідратованого іону натрію, входить у гирло натрієвого каналу і застряє в ньому, стабілізуючись зовні рештою молекули, розміри якої перевищують діаметр каналу. Аналогічні дані були отримані щодо блокуючого дії сакситоксина. Розглянемо явище докладніше.

У стані спокою між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани аксона підтримується різниця потенціалів, що дорівнює приблизно 60 мВ (зовні потенціал позитивний). При збудженні нерва в точці застосування за короткий час (близько 1 мс) різниця потенціалів змінює знак і досягає 50 мВ – перша фаза потенціалу дії. Після досягнення максимуму потенціал у цій точці повертається до початкового стану поляризації, але абсолютна величина його стає дещо більшою, ніж у стані спокою (70 мВ) – друга фаза потенціалу дії. Протягом 3-4 мс потенціал дії у цій точці аксона повертається у стан спокою. Імпульс короткого замикання достатній для збудження сусідньої ділянки нерва та переполяризації його в той момент, коли попередня ділянка повертається до рівноваги. Таким чином, потенціал дії поширюється по нерву у вигляді хвилі, що невпинно біжить, зі швидкістю 20-100 м/с.

Ходжкін і Хакслі з співробітниками докладно досліджували процес поширення нервового збудження і показали, що в стані спокою мембрана аксона непроникна для натрію, тоді як калій вільно дифундує через мембрану. «Випливаючий» назовні калій забирає позитивний заряд, і внутрішній простір аксона заряджається негативно, перешкоджаючи подальшому виходу калію. У результаті виявляється, що концентрація калію зовні нервової клітини у 30 разів менша, ніж усередині. З натрієм ситуація протилежна – в аксоплазмі його концентрація у 10 разів нижча, ніж у міжклітинному просторі.

Молекули тетродотоксину та саксітоксину блокують роботу натрієвого каналу і, як наслідок, перешкоджають проходженню потенціалу дії через аксон. Як видно, крім специфічної взаємодії гуанідинової групи з гирлом каналу (взаємодія типу «ключ-замок»), певну функцію у взаємодії виконує частина молекули, що залишилася, схильна до гідратації молекулами води з водно-сольового розчину в оточенні мембрани.

Значення досліджень дії нейротоксинів важко переоцінити, оскільки вони вперше дозволили наблизитися до розуміння таких фундаментальних явищ як селективна іонна проникність клітинних мембран, що лежить в основі регуляції життєвих функцій організму. Використовуючи високо специфічне зв'язування міченого тритієм тетродотоксину, вдалося підрахувати густину натрієвих каналів у мембрані аксонів різних тварин. Так, у гігантському аксоні кальмара щільність каналів склала 550 на квадратний мкм, а в кравецькому м'язі жаби – 380.

Специфічне блокування нервової провідності дозволило використовувати тетродотоксин як сильний місцевий анестетик. Нині у багатьох країнах вже налагоджено виробництво знеболюючих препаратів з урахуванням тетродотоксину. Є дані про позитивний терапевтичний ефект препаратів нейротоксину при бронхіальній астмі та судомних станах.

Докладно досліджені до теперішнього часу та механізми дії наркотиків морфієвого ряду. Медиці та фармакології давно відомі властивості опію знімати болючі відчуття. Вже в 1803 році німецький фармаколог Фріц Сертюнер зумів очистити препарат опіуму і витягти з нього діючий початок – морфін. Медичний препарат морфіну широко використовувався у клінічній практиці, особливо у роки першої світової війни. Головний його недолік - побічна дія, що виражається у формуванні хімічної залежності та звикання організму до наркотику. Тому були спроби знайти заміну морфію настільки ж ефективним знеболюючим засобом, але позбавленим побічної дії. Однак і нові речовини, як виявилося на перевірку, теж викликають синдром звикання. Така доля спіткала героїн (1890), меперидин (1940) та інші похідні морфіну. Розмаїття розрізняються формою молекул опіатів дає основу точного встановлення будови опиат-рецептора, якого приєднується молекула морфію, подібно рецептору тетродотоксина.

Усі молекули аналгетично активних опіатів мають спільні елементи. Молекула опію має жорстку Т-подібну форму, представлену двома взаємно перпендикулярними елементами. На підставі Т-молекули розміщується гідроксильна група, але в одному з кінців горизонтальної планки – атом азоту. Ці елементи становлять базову основу ключа, що відкриває рецептор-замок. Істотним є те, що знеболювальною та ейфоричною активністю мають лише лівообертаючі ізомери морфієвого ряду, тоді як правообертаючі такої активності позбавлені.

Численними дослідженнями було встановлено, що опіат-рецептори існують в організмах усіх без винятку хребетних тварин від акули до приматів, включаючи людину. Більше того, виявилося, що сам організм здатний синтезувати опієподібні речовини, які називаються енкефалінами (метіонін-енкефалін і лейцин-енкефалін), що складаються з п'яти амінокислот і обов'язково містять специфічний морфієвий «ключ». Енкефаліни викидаються спеціальними енкефаліновими нейронами та викликають розслаблення організму. У відповідь приєднання енкефалінів в опиат-рецептору управляючий нейрон посилає сигнал розслаблення гладкій мускулатурі і сприймається найдавнішою формацією нервової системи – лімбічним мозком – як стан вищого блаженства, чи ейфорії. Такий стан, наприклад, може наступати після завершення стресу, добре виконаної роботи або глибокого сексуального задоволення, що потребують відомої мобілізації сил організму. Морфій збуджує опіат-рецептор, як і енкефаліни, навіть коли немає підстав для блаженства, наприклад, у разі хвороби. Доведено, що стан нірвани йогів є не що інше, як ейфорія, досягнута викидом енкефалінів шляхом аутотренінгу та медитації. У такий спосіб йоги відкривають доступ до гладкої мускулатури і можуть регулювати роботу внутрішніх органів, навіть зупиняти биття серця.

>>>> Чим небезпечні нейротоксичні дії?

Чим небезпечні нейротоксичні дії?

Ряд речовин може чинити згубну дію на нервові волокна, і такі речовини називають нейротоксинами, а результати їхньої дії – нейротоксичними розладами. Нейротоксини можуть викликатигострі реакції або діяти відстрочено, перетворюючи токсичну дію на хронічний процес.

У ролі нейротоксинів можуть виступати хімічні реагенти, анестетики, антисептики, миючі засоби, пестициди, інсектициди, пара металів, лікарські засоби з нейротоксичним побічним ефектом. Нейротоксична дія може початися при випадковому попаданні в систему дихання, у кров компонентів даних речовин та при перевищенні їхньої допустимої концентрації в крові.

Нейротоксична діяречовин на організм проявляється у ряді ознак:

Головні болі,
Запаморочення,
Почуття нудоти,
Слабкість м'язів кінцівок,
Порушення рівноваги,
Почуття оніміння тканин,
Порушення чутливості тканин,
Уповільнення або порушення рефлексів,
Порушення серцевої діяльності (аритмії, тахікардія),
Порушення зору,
Порушення дихання,
Болі, подібні до корінкового синдрому,
Порушення рухової активності,
Затримка сечовипускання або нетримання сечі,
Сплутаність свідомості.

Нейротоксичні розладиможуть мати оборотний характер і зникати при припиненні дії нейротоксину, але можуть призвести до незворотних пошкоджень в організмі.

Нейротоксичну дію можна піддатися:

на виробництві хімічних речовин, тривалий час перебуваючи у шкідливій атмосфері,
при роботах з добривами та інсектицидами у сільському господарстві та на приватних дачних ділянках,
при проведенні дезінфекцій приміщень, перебуваючи в атмосфері, наповненій парами концентрованого дезінфектанта,
при ремонтних і будівельних роботах з лако-фарбовими засобами, клеями, розчинниками в приміщеннях, що погано провітрюються,
перебуваючи поблизу зони горіння з високою концентрацією чадного газу,
Перебуваючи у зоні хімічної техногенної катастрофи (аварійні викиди).

Нейротоксичні розлади можуть з часом трансформуватися в захворювання нервової системи та опорно-рухового апарату: міопатії, хвороба Паркінсона, зниження або втрату зору, порушення роботи вестибулярного апарату, розумову деградацію, тики, тремор.

Лікування нейротоксичних розладівпобудовано на проведенні дезінтоксикаційних заходів щодо виведення з організму токсичних речовин та зниження їх концентрації у тканинах, відновлення водно – електролітного балансу, очищення крові від токсинів шляхом гемосорбції. При нейротоксикозі проводять симптоматичну терапію (протисудомними препаратами, міорелаксантами, протизапальними препаратами, протиалергічними препаратами) щодо усунення порушень, що з'явилися внаслідок токсичної дії. Пріоритетний напрямок при лікуванні нейротоксичних розладів набуває відновлення дихальної активності, гемодинаміки, запобігання набряку мозку. Далі проводиться моніторинг постраждалих органів, призначається відповідне лікування та відновлюється рухова активність.

Як свідчать дослідження, аутизм та інші нервові розлади нині діагностуються дедалі частіше. Причиною цього можуть бути не лише спадкові генетичні захворювання, а й небезпечні хімікати. Зокрема, одні лише органофосфати, які у сільському господарстві, серйозно впливають стан центральної нервової системи.

І нещодавно, експерти визначили 10 хімічних речовин, так званих нейротоксинів, що містяться як у навколишньому середовищі, так і у побутових предметах, меблях та одязі. На думку вчених, саме ці речовини є причиною розвитку захворювань, що вражають нервову систему. Більшість з них вже сильно обмежена у використанні, але деякі з них, як і раніше, становлять велику небезпеку.

Хлорпірифос

Поширений у минулому хімікат, що входить до групи фосфорорганічних пестицидів, що використовується для знищення шкідників. На сьогоднішній момент хлорпірифос класифікується як високотоксична сполука, небезпечна для птахів та прісноводних риб, та помірно токсична для ссавців. Незважаючи на це, воно, як і раніше, широко використовується у вирощуванні непродовольчих культур і для обробки виробів з деревини.

Метилртуть

Метилруть – небезпечний нейротоксин, що впливає механізми спадковості в людини. Вона викликає в клітинах аномальні мітози (К-мітози), а також завдає пошкодження хромосомам, причому її вплив у 1000 разів перевищує ефект від колхіцину. Вчені вважають можливим той факт, що метилруть може викликати вроджені потворності та психічні дефекти.

Поліхлоровані біфеніли

Або ПХБ входять до групи хімічних речовин, що визначаються як стійкі органічні забруднювачі. Вони потрапляють в організм через легені, шлунково-кишковий тракт із їжею чи шкіру, і відкладаються у жирах. Класифікується ПХБ як можливий канцероген людини. Крім того, вони викликають захворювання печінки, порушують репродуктивну функцію та руйнують ендокринну систему.

Етанол

Як виявилося, етанол не є екологічно безпечною альтернативою бензину. Судячи з даних вчених зі Стенфордського університету, автомобілі на суміші етанолу та бензину сприяють підвищенню в атмосфері рівня двох канцерогенів – формальдегіду та ацетальдегіду. Крім того, при використанні етанолу як паливо зросте рівень атмосферного озону, який навіть при малих концентраціях призводить до різноманітних захворювань легень.

Свинець

Проникаючи в організм, свинець потрапляє у кровотік, і частково виводиться природним шляхом, частково відкладається у різних системах організму. При значній мірі інтоксикації розвиваються порушення функціонального стану нирок, головного мозку, нервової системи. Отруєння органічними сполуками свинцю призводить до нервових розладів – безсоння та істеричного стану.

Миш'як

У промисловості миш'як використовується для виробництва добрив, хімічної обробки деревини та у виготовленні напівпровідників. В організм людини миш'як потрапляє у вигляді пилу та через шлунково-кишковий тракт. При тривалому контакті з миш'яком можуть утворитися злоякісні пухлини, крім того порушується обмін речовин та функції центральної та периферичної нервової системи.

Марганець

Насамперед, марганець потрапляє в людський організм через дихальні шляхи. Великі частинки, відкинуті дихальними шляхами, можуть бути проковтнуті разом зі слиною. Надмірна кількість марганцю накопичується в печінці, нирках, залозах внутрішньої секреції та кістках. Інтоксикація протягом декількох років призводить до порушення в роботі центральної нервової системи та розвитку хвороби Паркінсона. Крім того, надлишок марганцю призводить до захворювань кісток, зростає ризик переломів.

Фтор

Незважаючи на те, що фториди широко використовуються в гігієні ротової порожнини у боротьбі з бактеріальними захворюваннями зубів, вони можуть спричинити безліч негативних ефектів. Споживання води з вмістом фтору в концентрації одна частина мільйон викликають зміни в мозковій тканині аналогічні хвороби Альцгеймера. Найпарадоксальніше: надлишок фтору руйнівно впливає на самі зуби, викликаючи флюороз.

Тетрахлоретилен

Або перхлоретилен є чудовим розчинником і застосовується в текстильній промисловості та для знежирення металів. При контакті з відкритим полум'ям та нагрітими поверхнями розкладається з утворенням токсичних парів. При тривалому контакті тетрахлоретилен надає токсичну дію на ЦНС, печінку та нирки. Відомий ряд гострих отруєнь, що призводять до смерті.

Толуол

У хімічній промисловості використовується виготовлення бензолу, бензойної кислоти і входить до складу багатьох розчинників. Пари толуолу проникають в організм людини через дихальні шляхи та шкірний покрив. Інтоксикація викликає порушення розвитку організму, знижує здатність до навчання, вражає нервову систему та знижує імунітет.

Деякі речовини можуть дуже негативно впливати на здоров'я людини. Природні чи синтетичні отрути вражають нирки, печінку, серце, ушкоджують кровоносні судини, викликаючи кровотечі, чи діють на клітинному рівні. Нейротоксинами називають речовини, які вражають нервові волокна та головний мозок, а результати дії таких токсинів – нейротоксичними розладами. Вплив таких отрут може бути як відстроченим, і викликати гострі стану.

Що таке нейротоксини і де застосовуються отруйні речовини

Нейротоксинами можуть бути хімічні речовини, лікарські засоби, що викликають анестезію, антисептики, пари металів, агресивні миючі засоби, пестициди та інсектициди. Деякі живі організми здатні виробляти нейротоксин у відповідь на загрозу імунній системі, численні отруйні речовини присутні в навколишньому середовищі.

За даними наукових досліджень, узагальненими у публікації авторитетного щотижневого медичного журналу ”The Lancet”, ушкоджувати нервову систему людини можуть близько двохсот токсинів. Пізніше (з вивчення даних Національного Інституту Професійної Безпеки) виникла потреба додати до опублікованого списку ще стільки ж отруйних речовин, що тим чи іншим чином негативно впливають на ЦНС.

У разі пошкодження нервових волокон поєднувалося з ураженням супутніх органів прокуратури та систем, а симптоми нейротоксичного розлади з'являлися за перевищенні допустимих меж впливу.

Так, список хімічних речовин, які можна зарахувати до нейротоксинів, розширюється залежно від того, яких критеріїв дотримується конкретне видання чи автор.

Отримати отруєння нейротоксином можна при вдиханні отруйних парів, підвищенні допустимої концентрації в крові або вживанні продуктів, насичених великою кількістю токсичних речовин. Багато отруйних речовин присутні у навколишньому середовищі, товарах масового споживання, побутових хімікатах. Нейротоксини застосовуються в косметології, медицині та промисловості.

У чому полягає нейротоксична дія на організм

Нейротоскічне вплив поширюється насамперед головний мозок і нервові волокна. Нейтралізація роботи клітин у нервовій системі може призводити до паралічу м'язів, виникнення гострої алергічної реакції, впливає на загальний психічний стан людини. У важких випадках отруєння може викликати комусь і закінчитися летальним кінцем.

Отруйні речовини подібного роду вбираються у нервові закінчення, передаються у клітини та порушують життєво важливі функції. Механізми природної детоксикації організму практично безсилі проти нейротоксинів: у печінці, наприклад, основна функціональна особливість якої полягає у виведенні шкідливих речовин, більшість нейротоксинів внаслідок свого специфічного характеру повторно всмоктуються нервовими волокнами.

Нейротоксична отрута може ускладнювати перебіг будь-якої хвороби, що ускладнює остаточну діагностику та своєчасне лікування.

Встановлення точного діагнозу в обов'язковому порядку включає визначення передбачуваного джерела зараження, вивчення історії контактів з потенційною отрутою, виявлення повної клінічної картини і проведення лабораторних тестів.

Класифікація найвідоміших представників нейротоксинів

Медичні джерела поділяють нейротоксини на інгібітори каналів, нервово-паралітичні отруйні речовини та нейротоксичні препарати. За походженням розрізняють отруйні речовини на отримані із зовнішнього середовища (екзогенні) та вироблені організмом (ендогенні).

Класифікація нейротоксинів, отруєння якими є можливість отримати на виробництві та в побуті, включає в себе три групи найпоширеніших речовин:

Важкі метали. Ртуть, кадмій, свинець, сурма, вісмут, мідь та інші речовини швидко всмоктуються в травний тракт, розносяться з кровотоком по всіх життєво важливих органах та осідають у них.
Біотоксини. До біотоксинів належать сильнодіючі отрути, які виробляються зокрема морськими мешканцями та павуками. Речовини можуть проникати механічним шляхом (при укусі або уколі) або при вживанні отруйних тварин. Крім того, до біотоксинів належать бактерії ботулізму.
Ксенобіотики. Відмінна риса цієї групи нейротоксинів полягає у пролонгованому впливі на організм людини: період напіврозпаду діоксину, наприклад, становить від 7 до 11 років.

Симптоми ураження нейротоксинами

Нейротоксичні розлади, спричинені отруйними речовинами, характеризуються рядом симптомів, типових для отруєнь у принципі, та специфічними ознаками, що виникають при інтоксикації певною сполукою.

Інтоксикація важкими металами

Так, у хворих виникають такі ознаки інтоксикації важкими металами:

дискомфорт у животі;
здуття, діарея чи запори;
нудота та періодичне блювання.

При цьому отруєння конкретним металом має відмінні риси. Так, при інтоксикації ртуттю відчувається металевий присмак у роті, характерно підвищене слиновиділення та набухання лімфатичних вузлів, а відрізняється сильним кашлем (іноді з кров'ю), сльозотечею, подразненням слизових оболонок дихальних шляхів.

Тяжким випадком є: розвивається анемія, шкірні покриви стають синюшними, швидко порушується робота печінки та нирок.

Отруєння біотоксинами

При отруєнні біотоксинами серед перших ознакою інтоксикації можуть виникати:

підвищене слиновиділення, оніміння язика, втрата чутливості ніг та рук (характерно для отруєння тетродотоксином, що міститься у рибі фугу);
наростаючі болі в животі, нудота і блювання, порушення випорожнень, “мушки” перед очима та дихальна недостатність (інтоксикація ботулотоксином);
сильні болі в серці, гіпоксія, паралічі внутрішніх м'язів (стан, подібний до серцевого нападу виникає при отруєнні батрахотоксином, що міститься в залозах деяких видів жаб).

Інтоксикація ксенобіотиками

Нейротоксична отрута антропогенного походження небезпечна тим, що симптоми інтоксикації можуть з'являтися у тривалій перспективі, що призводить до хронічного отруєння.

Поразка формальдегідом або діоксинами – побічними продуктами виробництва пестицидів, паперу, пластмас тощо – супроводжується такими ознаками:

занепад сил, швидка стомлюваність, безсоння;
біль у животі, втрата апетиту та виснаження;
подразнення слизових оболонок ротової порожнини, очей та дихальних шляхів;
нудота, блювання із кров'ю, діарея;
порушення координації рухів;
тривожність, марення, почуття страху.

Особливості отруєння нейротоксинами

Відмінною рисою нейротоксинів є ураження нервової системи людини.

Так, стан пацієнта характеризується:

порушеннями координації рухів;
уповільненням мозкової активності;
порушеннями свідомості, втратою пам'яті;
пульсуючим головним болем;
потемнінням в очах.

До загальних ознак, як правило, додаються симптоми отруєння з боку дихальної, травної та серцево-судинної систем. Конкретна клінічна картина залежить від джерела інтоксикації.

Профілактика інтоксикації на виробництві та у побуті

Профілактика отруєнь залежить від характеру потенційної загрози. Так, щоб уникнути інтоксикації біотоксинами слід піддавати ретельній тепловій обробці продукти харчування, уникати споживання прострочених або неякісних продуктів, запобігати контактам з потенційно отруйними тваринами та рослинами. Запобігти отруєнню важкими металами можна, використовуючи вироби з цих матеріалів суворо за призначенням, дотримуючись заходів безпеки під час роботи на шкідливих виробництвах та санітарних правил.

з біохімії

Механізм дії нейротоксинів отрут змій

Вступ

хімія зміїна отрута

Зміїні отрути є унікальною за хімічним складом та фізіологічною дією групою біологічно активних сполук. Токсичні та лікувальні властивості їх відомі людству з найдавніших часів. Довгий час інтерес до вивчення цих отруйних продуктів обмежувався потребами медичної практики. Більшість робіт була присвячена опису клінічної картини отруєння, пошуку методів специфічної та неспецифічної терапії, а також використання отрут змій та їх препаратів як лікувальні засоби. Раціональне застосування зміїних отрут у медицині неможливе без експериментального вивчення та теоретичного обґрунтування сутності реакцій, що розвивається в організмі у відповідь на введення тієї чи іншої отрути. Дослідження окремих механізмів на організм отрут змій необхідне створення науково обгрунтованих методів лікування.

Недостатня розробка про механізми отруйної дії зміїних отрут часто не дозволяє лікарям швидко та ефективно полегшити стан потерпілого. У ряді випадків береться до уваги лише зовнішня картина отруєння, і клінічна допомога обмежується симптоматичними засобами без урахування специфіки впливу отрути на життєво важливі системи організму.

Слід зазначити, що зміїні отрути мають сильний токсичний вплив лише у летальних та сублетальних дозах. Невеликі дози жодних клінічних проявів отруєння не викликають і здавна використовуються практичною медициною. Однак терапевтичне застосування часто проводиться емпірично без достатнього теоретичного обґрунтування, що спричиняє помилки. Не доводиться доводити, що ефективне використання зміїних отрут у клініці має спиратися на глибокі знання їх складу та властивостей і в першу чергу на експериментальні дослідження, які мають розкрити фізіологічну природу та механізми дії цих отруйних речовин та допомогти лікарям науково обґрунтовано застосовувати отрути з терапевтичною метою. У дослідницьких лабораторіях різко зріс інтерес до зоотоксинів, а зокрема до зміїних отрут, у зв'язку з отриманням з них у чистому вигляді ряду компонентів, які мають високоспецифічну дію, а певні біологічні структури.

Мета цієї роботи висвітлити сучасний стан експериментального вивчення зміїних отрут, розкрити механізми патофізіологічної дії на найважливіші функціональні системи організму.

Стан хімії зміїних отрут.

Отримання отрути та її фізико-хімічні властивості.

Найбільш простим способом отримання отруйного секрету у змій є механічний масаж отруйних залоз. Нині часто замість механічного масажу застосовують стимуляцію електричним струмом.

Електростимуляція не тільки є більш щадним методом збору отрути, але і дозволяє отримувати більшу її кількість. Кількості отрути, що отримується від однієї особини, залежить від розмірів тіла змії, її фізіологічного стану, числа повторних взяття отрути, а також від низки умов зовнішнього середовища. Необхідно відзначити, що вміст змій в неволі відбивається не тільки на кількості отрути, що отримується, але і на її токсичності. Так у отрути кобри зниження токсичності спостерігається вже після півроку утримання в неволі. Отрута гюрзи змінює токсичність тільки після 2 років утримання в розпліднику. Що стосується дрібних змій (гадюка, щитомордник, ефа), то вміст їх у серпентаріях протягом року не відбивається на властивостях отрут. Свіжодобована зміїна отрута є злегка опалесцентною, в'язкою, досить прозорою рідиною, колір отрути варіює від світло-жовтої до лимонної.

Активна реакція отрут зазвичай кисла. Водні розчини їх нестійкі та втрачають токсичність через кілька діб. Набагато стійкіші до впливу факторів довкілля стають вони після висушування над хлористим кальцієм або ліофілізації. Отрути досить термостабільні й у кислому середовищі витримують нагрівання до 120 градусів за Цельсієм без втрати активності. Руйнівно діють на отрути хімічні реагенти: КМnO 4, ефір, хлороформ, етанол метиленовий синій. Також впливають фізичні фактори: УФ-опромінення, рентгенівське проміння. Хімічний аналіз показує наявність у зміїних отрутах як органічних, і неорганічних речовин. За сучасними уявленнями токсична активність та біологічні властивості зміїних отрут пов'язані з їх білковими компонентами.

Основні етапи вивчення хімічного складу та структури токсичних поліпептидів зміїних отрут. Питання про хімічну природу та механізми дії зміїних отрут привертали увагу дослідників. У ранніх роботах токсичну дію пов'язували з активністю присутніх у отрутах ферментів. В даний час загальноприйнятою точкою зору, згідно з якою основні токсичні властивості визначається неензиматичними поліпептидами, поряд з якими в отрутах містяться потужні ферментні системи, від природи та специфічності дії яких у більшості випадків залежить своєрідність інтегральної картини отруєння. Досягнення та успіхи в галузі вивчення хімічного складу отрут тісно пов'язані з розвитком та вдосконаленням методів фракціонування та очищення складних сумішей високомолекулярних сполук. До 60-х років при вивченні отрут в основному використовували діаліз через напівпроникні мембрани та електрофоретичний поділ. Розвитку методів гельфільтрації, іонообмінної хроматографії, ультрацентрифугування, а також розробка та автоматизація методів аналізу первинної структури макромолекул дозволили у порівняно короткі терміни розшифрувати послідовність амінокислотних залишків токсичних поліпептидів більшості змій.

1.Термінологія та класифікація токсичних поліпептидів

хімія зміїна отрута

До останнього часу існували термінологічні труднощі при спробі порівняльного аналізу функціональних та структурних особливостей різних неензіматичних токсичних поліпептидів зміїних отрут. В основному це стосується поліпептидів, виділених із отрути змій сімейства Elapidae. На перших етапах вивчення хімічного складу отрут подібні труднощі були неминучими і пояснювалися недостатнім ступенем очищення індивідуальних поліпептидів, що у більшості випадків ускладнювало визначення специфічного характеру їхньої дії. У результаті різні автори різні найменування поліпептидам, які виявилися надзвичайно близькими, а часом ідентичними за своєю хімічною структурою та фармакологічними ефектами. Зокрема, група кардіотоксинів позначалася як фактор, що деполяризує скелетну мускулатуру; токсин Y; прямий літичний фактор – ПЛФ; кобраміни Аі В; цитотоксини 1 та 2.

Одні автори при виборі назви ґрунтувалися на патофізіологічних ефектах (кардіотоксин, ПЛФ, цитотоксин), інші підкреслювали деякі хімічні властивості поліпептиду, наприклад, його основний характер (кобрамін), треті надавали фракції цифрове або буквене позначення. Тільки останніми роками встановлено близьку подібність у хімічної структурі цих поліпептидів. Були отримані докази, гемолітична, цитотоксична, кардіотоксична та інші види активності притаманні більшості цих токсинів. Тому групу основних поліпептидів, які не мають специфічної нейротоксичної активності, але ефективно діють на біологічні мембрани, назвали мембранно-активними поліпептидами (МАП).

Грунтуючись на порівняльному аналізі первинної структури та фізіологічної дії, що показали велику подібність нейротоксичних поліпептидів між собою, їх об'єднали загальним терміном – нейротоксин. Таким чином, всі виділені дотепер з отрути змій сімейства Elapidae токсичні поліпептиди не мають ензиматичних властивостей і за механізмом дії поділяються на три групи. До першої групи відносяться поліпептиди, вибірково і специфічно блокуючі холінорецептори субсинаптичної мембрани нервово-м'язової сполуки - постсинаптичні нейротоксини (пост-НТ). Друга група представлена поліпептидами, що діють вибірково на пресинаптичні закінчення міоневральних синапсів та порушують процес вивільнення ацетилхоліну – пресинаптичні нейротоксини (пре-НТ).

У третю групу включені поліпептиди, що активно впливають на мембранні структури клітин, у тому числі збудливих, викликаючи їхню деполяризацію - мембранно-активні поліпептиди (МАП).

2. Хімія постсинаптичних нейротоксинів

Незважаючи на те, що за своїми фармакологічними властивостями пост - НТ, виділені з отрути кобр, близькі, з погляду хімічної будови вони можуть бути поділені на два типи.

До типу 1 відносяться пост - НТ, що являє собою простий поліпептидний ланцюжок, що складається з 60-62 залишків амінокислот, що мають 4 дисульфідні містки (Рис 1. А) і володіють основними властивостями, молекулярна вага близько 7000 (пост - НТ-1).

До типу 2 відносяться пост - НТ, що складаються з 71-74 залишків амінокислот, що мають 5 дисульфідних містка (Рис 1, Б), молекулярна вага близько 8000 (пост - НТ-2).

Рис 1. Первинна структура нейротоксину II (А) та нейротоксину I (Б) з отрути середньоазіатської кобри

Пост - НТ-1 побудовані з 15 загальних амінокислотних залишків, у їх складі, як правило, відсутня Ала, Мет та Фен. Навпаки, а пост - НТ-2 аланін зустрічається. Цікавою особливістю отрути середньоазіатської кобри є присутність у ньому нейротоксинів обох типів. Причому в нейротоксин, що містить 73 амінокислотних залишку, Арг або Ліз 51, характерні для всіх пост - НТ-2 заміщені на Глу.

Насиченість пост-НТ 1 і 2 дисульфідними зв'язками наводить на думку про їхнє важливе функціональне значення у підтримці біологічно активної конформації молекули. Відновлення дисульфідних зв'язків призводить до втрати 92% активності пост-НТ-1 і 50% пост-НТ-2. повторне окиснення відновлює початкову активність нейротоксинів. Очевидно, велика стійкість пост - НТ-2 до хімічних впливів пов'язана з наявністю п'ятого дисульфідного зв'язку, що стабілізує ділянку поліпептидного ланцюга. У той же час у пост - НТ-1 цей же ділянку молекули найбільш подовжений і позбавлений дисульфідних містків. Наявність містків обумовлює стійкість пост-НТ та до термічного впливу. Так, в кислому середовищі пост-НТ витримують нагрівання до 100°С протягом 30 хвилин без помітної втрати активності або обробку сечовиною 8М протягом 24 годин, але інактивується лугами.

Розшифрування первинної структури нейротоксичних поліпептидів дозволило порушити питання про локалізації та будову активного центру молекули, що вступає у зв'язок з холіновим рецептором. Вивчення будови цих поліпептидів вказує на наявність у молекулах нейротоксинів як α так і β-структур. Центральна частина молекули пост-НТ-1 вільна від дисульфідних зв'язків, може мати більшу α-спіралізацію. Крім того, гідрофільний характер більшості бічних ланцюгів амінокислотних залишків, що становлять послідовність від позицій 24-25 до положення 39-40 може обумовити проекцію цієї петлі на зовнішню сторону молекули, тому не виключено, що активний центр локалізується в цій ділянці.

Важливе значення має аналіз місцезнаходження та хімічна модифікація інваріантних амінокислот, що зустрічаються в гомологічних нейротоксинах в тих самих ділянках. Ці амінокислоти, що збереглися в процесі еволюції в однакових ділянках поліпептидного ланцюга, можуть брати участь в організації активного центру або забезпечувати підтримку активної конформації молекули. Наявність постійних амінокислот потребує інваріантного триплетного генного коду в молекулі ДНК, необхідного для синтезу даної амінокислотної послідовності.

Оскільки мішенню для пост-НТ, так само як і для ацетилхоліну, є холінорецептор, то мабуть активні ділянки нейротоксинів повинні мати схожість з четвертинною амонієвою та карбонільною групами ацетилхоліну. Було встановлено, що вільні аміногрупи, у тому числі N-кінцеві, не є облігатними для забезпечення токсичної активності. Ацитилювання 6 аміногруп у нейротоксин з отрути кобри Таїланду призвело до втрати 1/3 активності.

Можна було припускати, що карбонільні групи пептидного складу завжди присутні в молекулі пост-НТ можуть мати значення при забезпеченні токсичності. Однак вони малодоступні реакції взаємодії з рецептором. Більшою мірою відповідають цій вимогі бічні групи бічних ланцюгів інваріантної аспарагінової кислоти та аспарагіну. Модифікація аспарагінової кислоти метиловим ефіром гліцину призводить до втрати активності на 75% початкового значення.

Необоротне зв'язування між пост-НТ та холінорецептором не можна пояснити лише взаємодією гуанідинових та карбонільних груп пост-НТ з відповідними ділянками рецептора. Їхня взаємодія має носити в основному електростатичний характер, проте комплекс рецептор - токсин не дисоціює в концентрованих сольових розчинах. Ймовірно ці дві функціональні групи служать «ділянками впізнавання» при первинному контакті пост-НТ та рецептора. Кінцеве ж незворотне зв'язування обумовлюється протеїн - протеїновою взаємодією, що включають інші ділянки пост - НТ і холінорецептора.

3. Хімія пресинаптичних нейротоксинів

Нейротоксини другої групи, пресинаптичні нейротоксини (пре - НТ), рідко зустрічаються в зміїних отрутах. Тільки деякі з них виділені в очищеному вигляді та вивчені. У сімействі Elapidae пресинаптичні НТ виявлені в отруті австралійського тайпана - тайпоксин, австралійської тигрової змії - нотексин, і в отруті крайта - β-бунгаротоксин. Кротоксин - нейротоксин отрути гримучих змій має переважну пресинаптичну дію на нервово - м'язові сполуки у амфібій і постсинаптичну у ссавців. на відміну від пост-НТ нейротоксини 2 групи побудовані з більшої кількості амінокислотних залишків і відповідно мають більшу молекулярну вагу. Крім того, деякі з них є комплексом, що складається з субодиниць.

Одним з перших пре-НТ, отриманих за допомогою зонального електрофорезу на крохмальному гелі і надалі очищених хроматографією на КМ-сефадекс з повторною рехроматографією, був β-бунгаротоксин. Β-бунгаротоксин побудований приблизно з 179 амінокислотних залишків, серед яких переважають аспарагінова кислота (22 залишки), гліцин (16), лізин (13), аргінін (14), тирозин (13). Наявність 20 залишків цистину вказує на те, що молекула β-бунгаротоксину стабілізована принаймні 10 сульфідними зв'язками. Молекулярна маса нейротоксину 28500.

Припускали, що β-бунгаротоксин позбавлений ензиматичних властивостей і є гомогенним. Однак встановили, що β-бунгаротоксин складається з двох субодиниць з молекулярною вагою 8800 і 12400, вивчаючи вплив β-бунгаротоксину на окисне фосфолірування в мітохондріях нервових закінчень, дійшли висновку про наявність у токсину фосфоліпазної активності.

Нотексин був одержаний іонообмінною хроматографією в градієнті ацетату амонію. Основний нейротоксичний компонент нотексину, що становить 6% неочищеної сирої отрути, виділений у вигляді препарату, що містить 27% нотексину шляхом повторного хроматографування.

4. Дія отрут на передачу нервово-м'язову передачу

Механізм порушення передачі збудження в міоневральному синапсі під вплив зміїних отрут найбільш вивчений. Вже перші спостереження за картиною загибелі отруєної тварини, у якій домінували симптоми паралічу скелетної та дихальної мускулатури, викликали необхідність вивчення цього феномену у суворих лабораторних умовах. Численними дослідами на ізольованих нервово-м'язових препаратах було показано, що зміїні отрути блокують передачу збудження з нерва на м'яз, знижують збудливість на пряму та непряму стимуляцію та викликають деполяризацію нервових та м'язових мембран.

Пригнічення нервово-м'язової передачі під дією отрути може реалізуватися за допомогою двох механізмів. Один із них пов'язаний з блокуючою дією отрути на кінцеву платівку. В основі другого лежить деполяризуюча дія на збудливі мембрани. Однак при використанні цільного отрути важко віддиференціювати ці два механізми, так як його деполяризуюча дія призводить до блокування збудження, що поширюється в нервових волокнах, а у високих концентраціях отрута викликає м'язову контрактуру. Отрута попереджає деполяризуючу дію ацетилхоліну на ізольовані м'язи, тоді як ацетилхолінестеразні сполуки знижують його блокуючий ефект.

У дослідах кротоксин блокував м'язове скорочення на непряму стимуляцію і впливав на мембранний потенціал. Однак вивчення дії отрут двох різновидів (з кротаміном і без нього) повідомили про практично незворотну блокуючу дію на нервово-м'язову передачу у кішок і щурів отрути без кротаміну, причому як на м'язові мембрани, так і на специфічні рецептори постсинаптичної мембрани. Нервово-м'язовий блок під впливом отрути, що містить кротамін, досягався шляхом деполяризації м'язових мембран. Отрута гадюкових також здатна порушувати нервово-м'язову передачу, викликаючи периферичний параліч, зумовлений незворотною блокадою специфічних ацетилхолінових рецепторів. Він гнітить також електричну активність м'язових волокон. Імунохімічний аналіз показав наявність в отруті білкової фракції, подібної до постсинаптичного. α- токсином з отрути чорнобривої кобри.

В інституті біоорганічної хімії ім. академіків М.М. Шемякіна<#"justify">5. Постсинаптичні нейротоксини (пост – НТ)

На відміну від цільного отрути кобри пост - НТ вибірково блокують передачу збудження в нервово-м'язовому з'єднанні, не впливаючи на електричні властивості нерва та м'язи. Інкубація протягом години ізольованих нервово-м'язових препаратів у розчині, що містить пост-НТ у концентрації близько 1 мкг/мл, призводить до прогресивного зменшення амплітуди потенціалу кінцевої платівки – ПКП. Пригнічуючий ефект зростає зі збільшенням частоти стимуляції, одночасно зменшується амплітуда ПКП без істотних змін їх частоти. Навіть у високих концентраціях пост-НТ не впливали на потенціали спокою та м'язів та моторних терміналей.

Найбільшу чутливість до дії пост-НТ мають холінорецепторні мембрани скелетної мускулатури хребетних тварин. У той же час соматична мускулатура морських молюсків та серце міноги стійкі до дії кобри нейротоксинів. Видові відмінності у чутливості холінорецепторів на різноманітних представниках хребетних (жаби, курчата, кошенята, щури). Було висловлено припущення, що пост-НТ є прямими конкурентами ацетилхоліну за активний центр холінорецептора.

6. Пресинаптичні нейротоксини (пре-НТ)

Нейротоксини з пресинаптичним характером дії вибірково вражають механізм вивільнення ацетилхоліну, не впливаючи на чутливість до медіатора постсинаптичних структур. Обробка ізольованого нервово-м'язового препарату β- бунгаротоксином після початкового періоду збільшення частоти призводить до повного усунення ПКП. Швидкість настання гнітючого ефекту залежить як від концентрації пре-НТ, так і від частоти стимуляції. Також було встановлено залежність часу настання блоку нервово-м'язової передачі від температури довкілля. Так, тайпоксин (1мкг/мл) при температурі 37 °С викликав пригнічення препарату протягом години, при зниженні температури до 28 °С провідність зберігалася до 4 годин інкубації. Пре - НТ не знижують відповідь ізольованих м'язів на екзогенний ацетилхолін і не впливають на проведення збудження нервовими терміналями. Інші докази виборчого пресинаптичного характеру дії β- бунгаротоксину були отримані на позбавленій нервових закінчень культурі тканин, отриманих з міобластів 10 денних ембріонів курча. Попередня інкубація α- бунгаротоксином повністю усувала деполяризацію, викликану подальшим введенням у середу ацетилхоліну. В цих умовах β- бунгаротоксин виявився неефективним. На пізніх стадіях дії β- бунгаротоксину спостерігається руйнування везикул з ацетилхоліном аж до повного їх зникнення. Відзначається також і вакуолізація мітохондрій нервових моторних терміналей.

Дія β- бунгаротоксину подібно до дії токсини ботулізму, також вражаючого механізм вивільнення ацетилхоліну з нервових закінчень. Проте є й відмінності: токсин ботулізму бракує початкового збільшення ПКП; на відміну від токсину ботулізму β- бунгаротоксин взаємодіє лише з холінергічними закінченнями; при дії токсину ботулізму не помічені зміни у пресинаптичній ділянці.

На синаптосомах з мозку щура виявлено здатність β- бунгаротоксину знижувати накопичення ГАМК, серотоніну, норадреналіну та холіну. Оскільки β- Бунгаротоксин в основному витісняє вже накопичені нейромедіатори, можна припустити, що його дія пов'язана з ураженням процесу зберігання, а не транспорту медіаторів.

Висновок

Механізм дії зміїних отрут ще остаточно не розшифрований вченими. Але прозора крапелька отрути, потрапивши в кров, розноситься нею по всьому організму і в певній дозі сприятливо впливає на організм хворого. Встановлено, що невеликі кількості отрути кобри мають болезаспокійливу дію і можуть навіть використовуватися як замінник морфію у хворих, які страждають на злоякісні новоутворення. При цьому на відміну від морфію зміїна отрута діє більш тривало і, що найголовніше, не викликає звикання. Крім того, створені препарати на основі отрути кобри, що покращують загальний стан хворих, які страждають на бронхіальну астму, епілепсію, стенокардію.

Потреба в зміїній отруті зростає рік у рік і змієрозсадники, створені у низці районів нашої країни, поки що не можуть задовольнити цю потребу. Тому назріла необхідність охороняти отруйних змій у природних умовах, а також добиватися їхнього розмноження у неволі.

Слід пам'ятати, що в руках недосвідчених людей зміїна отрута стає не союзником у боротьбі за збереження здоров'я, а небезпечним ворогом і може спричинити важкі отруєння. Про необхідність правильно підбирати дозу лікувальної речовини говорив ще Теофраст Парацельс, стверджуючи, що «... все є отрута, ніщо не позбавлене отруйності, і всі є ліки. Одна лише доза робить речовину отрутою чи ліками». Цей вислів знаменитого вченого не втратив свого сенсу і в наші дні і, користуючись отрутами змій, хворі зобов'язані суворо дотримуватися приписів лікаря.

Отрути змій, як відомо, небезпечні для багатьох видів ссавців. Але серед більш низько організованих тварин, особливо серед комах, відомі види, не сприйнятливі до дії зміїної отрути, що дозволяє використовувати їх як протиотрути.

Підводячи підсумок розгляду кола питань, що охоплюють особливості хімічної будови та механізмів дії отрут, не можна не згадати що Природа - цей найдосвідченіший експериментатор - дала в руки дослідників унікальні інструменти для вивчення фундаментальних питань будови та функціонування живої клітини.

Зоотоксини – прекрасні моделі для молекулярної біології, що дозволяють вирішувати питання взаємозв'язку структури та функції у біомолекулах.

Список літератури

1. Орлов Б.Н « Отруйні тварини та рослини СРСР». М.: Вища школа, 1990р. – 272 с.

Г.І. Оксендендлер «Отрути та протиотрути» Л.: Наука, 1982. - 192 с

Є. Дунаєв, І. Кауров «Рептилії. Амфібії». М.: Астрель, 2010р. - 180с.

Б.С. Тунієв, Н.Л. Орлів "Змії Кавказу". М.: Товариство наукових видань КМК, 2009. – 223с.

www.floranimal.ru

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