Нейротоксины ядов змей. Механизм действия

 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования

 

Московский Государственный  Педагогический Университет

 

 

 

Биолого-химический факультет.

Кафедра биологической  и органической химии.

 

 

 

 

 

 

 

Экзаменационный реферат

по биохимии и основам биорегуляции.

Тема: «Нейротоксины ядов змей. Механизм действия».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Студентка III курса 3 группы

Копылова Н.В.

Проверила: Кутузова Н.М

 

 

 

Москва 2012

_{Содержание.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

_{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. [6]}

_{Свежедобытый  змеиный яд представляет собой слегка опалесцирующую, вязкую, достаточно прозрачную жидкость цвет яда варьирует от светло-желтого до лимонного. [4]}

  _{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. Так же 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. [3]}

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.

_{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).}

_{Кроме МАП, в ядах элапид  содержится другая группа основных полипептидов, обладающих высокой токсичностью  и специфическим нейротоксическим пре- или постсинаптическим эффектом. Терминология этой группы нейротоксинов также неоднородна. В названии некоторых отражено систематическое положение змеи, из яда которой они получены: a-бунгаротоксин, кобротоксин.}

_{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). [3]}

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. [2]