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