нейротоксини
Леонід Завальський
нейротоксини
все частіше використовують у медицині для лікувальних цілей.
Деякі
нейротоксини з різною молекулярною структурою мають схожий механізмом
дії, викликаючи фазові переходи в мембранах нервових і м'язових клітин. Чи не
останню роль у дії нейротоксинів грає гідратація, що істотно впливає
на конформацію взаємодіючих отрут і рецепторів.
Відомості
про отруйність іглобрюх (маки-маки, риби-собаки, фугу і ін) походять з глибокої
давнину (більше 2500 років до нашої ери). З європейців перший дав докладний
опис симптомів отруєння відомий мореплавець Кук, який разом з 16
моряками пригостився іглобрюх під час другого кругосвітньої подорожі в 1774
році. Йому ще пощастило, оскільки він "ледве доторкнувся до філе", тоді як
"Свиня, що з'їли нутрощі, здохла і здохла". Як не дивно, японці не
можуть відмовити собі в задоволенні скуштувати такий, з їхньої точки зору,
делікатес, хоча і знають, як обережно слід його готувати й небезпечно є.
Перші
ознаки отруєння з'являються в інтервалі від декількох хвилин до 3 годин після
прийому фугу в їжу. Спочатку невдаха їдець відчуває поколювання й оніміння
мови і губ, що розповсюджується потім на все тіло. Потім починається головний і
шлункова біль, руки паралізуються. Хода стає хитаючийся, з'являється
блювання, атаксія, ступор, афазія. Дихання утруднюється, артеріальний тиск
знижується, знижується температура тіла, розвивається ціаноз слизових і шкіри.
Хворий впадає в коматозний стан, і незабаром після зупинки дихання
припиняється і серцева діяльність. Одним словом, типова картина дії
нервово-паралітичної отрути.
В
1909 японський дослідник Тахара виділив активний початок з фугу і
назвав його тетродотоксин. Однак лише через 40 років вдалося виділити
тетродотоксин в кристалічному вигляді і встановити його хімічну формулу. Для
отримання 10 г тетродотоксин японському вченому Тсуда (1967) довелося
переробити 1 тонну яєчників фугу. Тетродотоксин є з'єднанням
амінопергідрохіназоліна з гуанідинових групою і має надзвичайно високу
біологічну активність. Як виявилося, саме наявність гуанідинових групи
відіграє вирішальну роль у виникненні токсичності.
Одночасно
з дослідженням отрути Скалозуб риб і іглобрюх в багатьох лабораторіях світу
вивчалися токсини, виділені з тканин інших тварин: саламандр, тритонів,
отруйних жаб і інших. Цікавим виявилося те, що в деяких випадках тканини
абсолютно різних тварин, які не мають генетичного споріднення, зокрема
каліфорнійського тритона Taricha torosa, риб роду Gobiodon,
центрально-американських жаб Atelopus, австралійських восьминогів
Hapalochlaena maculosa, виробляли той же самий отрута тетродотоксин.
За
дії тетродотоксин дуже схожий з іншим небілкових нейротоксинів --
саксітоксіном, продукуються одноклітинними жгутикові дінофлагелляти. Яд
цих жгутикових одноклітинних може концентруватися в тканинах молюсків мідій
при масовому розмноженні, після чого мідії стають отруйними при
вживанні людиною в їжу. Вивчення молекулярної структури саксітоксіна
показало, що його молекули, як і тетродотоксин, містять гуанідинових групу,
навіть дві таких групи на молекулу. В іншому саксітоксін не має загальних структурних
елементів з тетродотоксин. Але механізм дії цих отрут однаковий.
В
основі патологічної дії тетродотоксин лежить його здатність
блокувати проведення нервового імпульсу в збудливих нервових і м'язових
тканинах. Унікальність дії отрути полягає в тому, що він у 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 тільки з зовнішнього боку мембрани аксона. На
підставі цих даних японські вчені Као і Нішіяма висловили гіпотезу, що
тетродотоксин, розмір гуанідинових групи якого близький діаметру
гідратованих іона натрію, входить в гирлі натрієвого каналу і застряє в
ньому, стабілізуючись зовні іншою частиною молекули, розміри якої
перевищують діаметр каналу. Аналогічні дані були отримані при вивченні
блокуючого дії саксітоксіна. Розглянемо явище докладніше.
В
стані спокою між внутрішньою і зовнішньою сторонами мембрани аксона
підтримується різниця потенціалів, що дорівнює приблизно 60 мВ (зовні потенціал
позитивний). При порушенні нерва в точці програми за короткий час
(близько 1 мс) різниця потенціалів змінює знак і досягає 50 мВ - перша фаза
потенціалу дії. Після досягнення максимуму потенціал в даній точці
повертається до вихідного стану поляризації, але абсолютна величина його
стає трохи більше, ніж у стані спокою (70 мВ) - друга фаза
потенціалу дії. Протягом 3-4 мс потенціал дії в даній точці аксона
повертається в стан спокою. Імпульс короткого замикання достатній для
збудження сусідньої ділянки нерва і переполяризації його в той момент, коли
Попереднє ділянка повертається до рівноваги. Таким чином, потенціал дії
поширюється по нерву у вигляді незатухаючий хвилі, що біжить зі швидкістю
20-100 м/с.
Ходжкін
і Хакслі з співробітниками докладно досліджували процес поширення нервового
збуджень і показали, що в стані спокою мембрана аксона непроникна для
натрію, тоді як калій вільно дифундує через мембрану. «Випливає»
назовні калій несе позитивний заряд, і внутрішньо простір аксона
заряджається негативно, перешкоджаючи подальшому виходу калію. У підсумку
виявляється, що концентрація калію в квартирі нервової клітини в 30 разів менше, ніж
всередині. З натрієм ситуація протилежна - у аксоплазме його концентрація в 10
разів нижче, ніж в міжклітинній просторі.
Молекули
тетродотоксин і саксітоксіна блокують роботу натрієвого каналу і, як наслідок,
перешкоджають проходженню потенціалу дії через аксон. Як видно, крім
специфічної взаємодії гуанідинових групи з гирлом каналу
(взаємодія типу «ключ-замок»), певну функцію у взаємодії
виконує залишилася частина молекули, 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
тетродотоксин, вдалося підрахувати щільність натрієвих каналів у мембрані
аксонів різних тварин. Так, у гігантському аксона кальмара щільність каналів
склала 550 на квадратний мкм, а в кравецькій м'язу жаби - 380.
Специфічне
блокування нервової провідності дозволило використовувати тетродотоксин як
потужний місцевий анестетик. В даний час в багатьох країнах вже налагоджено
виробництво знеболюючих препаратів на основі тетродотоксин. Є дані
про позитивний терапевтичному ефекті препаратів нейротоксин при
бронхіальній астмі і судорожних станах.
Вельми
докладно досліджено до теперішнього часу і механізми дії наркотиків
морфіевого ряду. Медицині та фармакології давно відомі властивості опію знімати
больові 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 в клінічній практиці,
особливо в роки першої світової війни. Головний його недолік - побічна
дію, що виражається у формуванні хімічних залежностей та звикання
організму до наркотику. Тому були зроблені спроби знайти заміну морфію
настільки ж ефективним знеболюючим засобом, але позбавленим побічної дії.
Однак і все нові речовини, як виявилося насправді, теж викликають синдром
звикання. Така доля спіткала героїн (1890), меперідін (1940) та інші
похідні морфіну. Велика кількість що розрізняються за формою молекул опіатів дає
підстава для точного встановлення будови опіат-рецептора, до якого
приєднується молекула морфію, подібно до рецептора тетродотоксин.
Всі
молекули анальгетичною активністю опіатів мають спільні елементи. Молекула опію
має жорстку Т-подібну форму, представлену двома взаємно перпендикулярними
елементами. В основі Т-молекули розміщується гідроксильна група, а на одному
з кінців горизонтальної планки - атом азоту. Ці елементи складають «базову
основу »ключа, що відкриває рецептор-замок. Істотним є те, що
знеболюючою і ейфорійні активністю володіють лише левовращающіе ізомери
морфіевого ряду, тоді як правовращающіе такої активності позбавлені.
Численними
дослідженнями було встановлено, що опіат-рецептори існують в організмах
всіх без винятку хребетних тварин, від акули до приматів, включаючи
людини. Більше того, виявилося, що сам організм здатний синтезувати
опіеподобние речовини, які називаються енкефалінів (метіонін-енкефалінів і
лейцин-енкефалінів), що складаються з п'яти амінокислот і обов'язково містять
специфічний морфіевий «ключ». Енкефаліни викидаються спеціальними
енкефаліновимі нейронами і викликають розслаблення організму. У відповідь на
приєднання енкефалінів в опіат-рецептора керуючий нейрон посилає сигнал
розслаблення гладких м'язах і сприймається найдавнішої формацією нервової
системи - лімбічні мозком - як стан вищого блаженства, або ейфорії.
Такий стан, наприклад, може наступати після завершення стресу, добре
виконаної роботи або глибокого сексуального задоволення, що вимагають
відомої мобілізації сил організму. Морфій збуджує опіат-рецептор, як і
енкефаліни, навіть коли немає підстави для блаженства, наприклад, у випадку
хвороби. Доведено, що стан нірвани йогів є не що інше, як ейфорія,
досягнута викидом енкефалінів шляхом автотренінгу і медитації. Таким способом
йоги відкривають доступ до гладких м'язах і можуть регулювати роботу
внутрішніх органів, навіть призупиняти биття серця.
Детальні
дослідження синтетичних опіатів дали цікаві результати. Зокрема,
були виявлені морфіеподобние речовини, що мають у десятки тисяч разів більшою
активністю, ніж морфій, і викликають ейфорію вже при 0,1 мг (еторфін).
Послідовно синтезуючи нові і нові похідні морфію, дослідники
намагаються з'ясувати, яка ж структурна частина молекули найбільш точно
відповідає рецептора. Подібним чином на опіат-рецептори діють і
ендорфіни. Деякі опіати мають властивості антагоністів морфію. Наприклад,
налорфін, отриманий заміщенням метильної групи у азоту в молекулі морфію на
аллільную, майже негайно приводить до тями що знаходяться на межі смерті
людей, отруєних морфієм. У рамках теорії ключа і замка досить важко
зрозуміти, як хімічно інертна аллільная група здатна так радикально
змінити властивості речовини. До того ж, властивостями антагоніста налорфін володіє
лише в одній стереоізомерной формі, коли аллільная група стає
продовженням Т-образної молекули. В іншому стереоізомер, де аллільная група
орієнтована перпендикулярно верхній планці, налорфін має властивості
слабкого наркотику. Усі ці дані наводять на думку, що певну роль у
моделі «ключа» і «замку» може грати гідратація гідрофобною частини молекули,
як це видно на прикладі натрієвих каналів. Гідратація, очевидно, може
вносити істотні перешкоди в специфічну рецепторну реакцію.
Всі
енкефаліни і імітують їх опіати подібні до ферментів, оскільки поєднання їх з
рецептором тягне за собою певні біохімічні перетворення. Антагоністів морфію
(наприклад, налорфін) можна розглядати як інгібітори, що конкурують у боротьбі
за акцептор з молекулами морфію. Інгібіторами слід вважати і такі нервові
отрути, як тетродотоксин і саксітоксін, виграють у боротьбі за натрієвий канал
і блокують поширення сигналу дії вздовж аксона. Передбачається,
що одна молекула інгібітора індивідуально виводить з ладу одну або кілька
молекул ферменту, поєднуючись з ними хімічно. При цьому порушується
комплементарність ферменту з субстратом, або він взагалі випадає в осад. За
таким принципом протікають імунологічні реакції, коли кожна чужорідна молекула
піддається атаці з боку імуноглобулінів у складі сироватки крові.
Продукт взаємодії можна спостерігати в пробірці у вигляді випали в осад
пластівців, що містять як чужорідні білки, так і імунні тіла. Однак така
модель не пояснює ефективності налорфіна і тетродотоксин. Молекул цих
речовин в активній зоні явно менше, ніж активних центрів на поверхні
субстрату. Як одна молекула налорфіна може вивести з ладу десятки молекул
морфію, а одна молекула тетродотоксин блокувати сотні натрієвих каналів?
В
зв'язку з зазначеними труднощами слід згадати про інших ефективних
механізми інгібування, заснованих на залежності розчинності різних
речовин від зовнішніх умов. Межі гомогенних розчинів часто виявляються
досить чутливими до присутності сторонніх речовин, незначні
кількості яких можуть різко змістити фазову кордон розчин-емульсія аж
до того, що розчинена речовина випаде з розчину і із зони реакції.
Дія такого інгібітора засноване не на індивідуальному взаємодії з
молекулами, а на усунення констант фізико-хімічної рівноваги розчину.
Оскільки стійкість водних клітин і розчину в цілому залежать від структури
молекул гідратіруемих в розчині речовин, будь-які зміни структури цих
молекул можуть змінювати межі стійкості. Можна припустити, що налорфін
діє як інгібітор, зміщуючи кордон стійкості водного розчину, в
внаслідок чого наркотичну речовину - морфій - випадає в осад. Точно так
ж, можливо, що потенціал дії і хвиля нервового збудження є не
тільки що розповсюджується за аксона струм короткого замикання, а й
короткочасний (протягом декількох мілісекунд) фазовий перехід в тонкому
поверхневому шарі розділу між мембраною і міжклітинним розчином. У цьому
випадку зупинка сигнальної хвилі може здійснюватися як через блокування
потоків іонів через мембрану, так і порушенням умов виникнення фазового
переходу. Можна припустити, що такі речовини як тетродотоксин,
приєднуючись до мембрани, настільки сильно зміщують константи рівноваги, що
наявних змін до концентрації натрію може виявитися недостатньо для
досягнення фазового переходу розшарування.
Таким
чином, фазові переходи в розчинах, що супроводжуються перебудовою структури
води в тонких шарах на поверхні біологічних молекул, можуть пояснити
деякі дивні ефекти конкурентного інгібування і специфічного
субстрат-рецепторного взаємодії при токсичному і наркотичну дію
розчинних у воді речовин.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://chemworld.narod.ru
