Білкові бактеріальні екзотоксини

Структурно-функціональні особливості екзотоксинів, їх класифікація та різновиди, механізм та особливості дії. Екзотоксини хвороботворних прокаріотичних мікроорганізмів: ботулотоксин, екзотоксин А, дифтерійний і антраксевий, правцевий і стафілококовий.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

1. Загальна характеристика екзотоксинів

стафілококовий ботулотоксин дифтерійний

Екзотоксини - токсичні речовини білкової природи, що виробляються живими патогенними бактеріями та виділяються ними в довкілля [1, 2].

До екзотоксинів раніше відносили ті токсини, які бактерії секретують в навколишнє середовище. Назараз встановлено, що ступінь зв'язування екзотоксинів з бактеріальною клітиною може коливатися у широкому діапазоні. Вони можуть секретуватися повністю, частково, або буди досить міцно зв'язаними з певними структурними компонентами бактеріальної клітини. За своєю хімічною природою екзотоксини відносяться до білків різної молекулярної маси: 10 - 900 тис. Da. Вони мають просту або складну структуру. Дія токсинів проявляється в руйнуванні деяких субклітинних структур або в порушенні певних клітинних функцій [2].

Оскільки екзотоксини є білками, вони досить нестійкі до дії хімічних речовин, зокрема чутливі до формаліну, нагріванню, світла та інших факторів, що в результаті викликають втрату токсичних властивостей із збереженням імуногенних. Більшість бактерій виділяють екзотоксини через клітинну мембрану по шляху секреції типу II [3].

Гени, що кодують бактеріальні екзотоксини можуть бути розташовані на хромосомі або, як в більшості випадків, розташовуватись на поза хромосомних елементах, таких як плазміди або профаг (за рахунок лізогенної конверсії) [16]. Експерименти, що характеризують дифтерійний токсин, показали, що ген, що кодує цей екзотоксин був розташований в межах генома лізогенного в-фага. Хоча обидва нелізогенних і лізогенних штамів C. diphtheriae можуть викликати інфекцію верхніх дихальних шляхів, тільки штами C. diphtheriae що лізогенізують з в-фагом, у котрому закодованого токсин дифтерії, здатні викликати системне захворювання. Бактерії створюють локалізовану інфекцію, а потім синтезують екзотоксин, який відповідає за дистальні патології від місць інфекції [4].

Молекула екзотоксину представляє собою білок, зазвичай складається з 2 поліпептидних ланцюгів, мають структурно-функціональну організацію AB, в якій область А є каталітичним доменом, а домен B включає рецептор-зв'язуючий домен, і домен транслокації [3,4].

Екзотоксини володіють вираженою специфічністю дії та імуногенністю. Їх розрізняють за цитотоксичною активністю, силу токсинів вимірюють зазвичай у LD₅₀ [5]. LD₅₀ - це мінімальна кількість збудника, яка викликає загибель 50% членів популяції, що тестується [6].

Хоча однією з властивостей бактеріальних екзотоксинів є здатність отруювати чутливі клітини, біохімічні дослідження встановили, що багато бактеріальних екзотоксинів володіють незначною каталітичною активність. Дослідження показали що бактерії виробляють і виділяють екзотоксини як проферменти, які повинні бути активовані, щоб виявити каталітичну активність. Кожен екзотоксин вимагає особливих умов для активації, у тому числі протеоліз, відновлення дисульфідних зв'язків, або з'єднання з нуклеотидом або допоміжним білком. Деякі процеси активації можуть призвести до випуску каталітичного домену А з домену B, в той час як інші процеси активації, призводять до конформативних змін в каталітичному домені, що робить його каталітично активним [7]. Деякі екзотоксини вимагають послідовних кроків активації. Наприклад, дифтерійний токсин активується шляхом обмеженого протеолізу з подальшим відновленням дисульфідних зв'язків [8] (див. рис. 1.1).



Рисунок 1.1 - Активація дифтерійного токсину [4]

У визначенні механізму активації екзотоксинів також допомагає вивчення фізіологічних шляхів клітин-хазяїнів. Еукаріотичний білок, АРФ (АДФ-рибозилювання фактор), який активує холерний токсин, грає центральну роль в злитті везикул в еукаріотичній клітині. Здатність клітин-хазяїна активувати холерний токсин часто використовується як ознака присутності АРФ [4]. Аналогічним чином, вивчення механізму, що використовують токсини коклюшу та холерний токсин для отруєння еукаріотичних клітин дали уявлення про шлях передачі сигналу до еукаріотичного G білка-посередника. Здатність токсину коклюшу інгібувати дію ліганду в стимуляції сигналу по його сигнальному шляху часто використовується, щоб виявити роль G білків в цьому сигнальному шляху [9].

Здатність бактеріальних патогенів викликати захворювання зазвичай потребує синтезу екзотоксинів, але самої здатності синтезувати токсини не достатньо щоб викликати захворювання [7]. Наприклад, холерний токсин є основним фактором вірулентності холерних. Використання декількох мікрограм очищеного холерного токсину на добровольцях викликає діареї, яка характерна для природної інфекції. Проте, невірулентні токсин-продукуючі штами V.cholerae, були виділені і було визначено, що вони не мають специфічної біологічної активності, такі як рухливість або хемотаксис [10]. Аналогічним чином, хоч токсин сибірки і є основним токсичним компонентом Bacillus anthracis, невірулентні токсин-продукуючі штами B. anthrasis були виділені і було встановлено, що вони не володіють здатністю продукувати капсулу з поліглутамінової кислоти [11]. Винятком з цього узагальнення є інтоксикація викликана нейротоксином ботуліна, оскільки прийом їжі з токсином відповідає за виникнення захворювання; харчове отруєння виникає внаслідок інтоксикації ботулотоксином, а не інфекції токсин-продукуючого штаму Clostridium botulinum [4,11].

1.1 Структурно-функціональні особливості екзотоксинів

Більшість бактеріальних екзотоксинів мають структурно-функціональну організацію AB. (див. рис. 1.2) Домен А є каталітичним доменом, в той час як а домен B включає рецептор-зв'язуючий домен, і домен транслокації. Домен транслокації відповідає за доставку каталітичного домену A до внутрішньоклітинних структур клітини-хазяїна [4]. Екзотоксини організовані одним з декількох загальних типів AB організації [7]. Найпростіша організація AB представлена ?? дифтерійним токсином, в якому область А і область В містяться в одному білку. Токсин дифтерії є прототипом для цього класу AB екзотоксинів. Токсин дифтерії являє собою 535-амінокислотний білок, в якому аміно залишок являє собою домен АДФ-рибозилування а карбоксильний залишок включає домен транслокації і рецептор-зв'язуючий домен [8].



Рисунок 1.2 - Структурно-функціональна організація екзотоксинів [4]

Домен А (заштрихований) являє собою каталітичний домен, область В містить домен переміщення і рецептор-зв'язуючий домен. AB5 представлена холерним токсином V.cholerae, структура AB представлена дифтерійним токсином C. diphtheriae. Структура A-B представлена С2 токсином Clostridium botulinum.

AB5 екзотоксини складаються з шести білків, які нековалентно зв'язані як олігомер. Холерний токсин є прототипом для екзотоксинів AB5 типу. Домен А холерного токсину становить домен АДФ-рибозилування, тоді як домен B5 складається з п'яти ідентичних білків, утворюючих пентамер. Вони утворюють кільцеву структуру, на якій розташовується домен А. П'ять білків, які утворюють домен B можуть бути однаковими, як у випадках з холерним токсином і термолабільним ентеротоксином E.coli, або ці білки можуть бути різними, утворюючи несиметричну кільцеву структуру, що спостерігається з B олігомером коклюшного токсину [10].

Третій клас А-В екзотоксинів складається з білків, які не утворюють зв'язків в розчиненому стані, але вони об'єднуються іншими зв'язками в процесі транспорту домену B до клітини-господаря. C2 токсин є прикладом цього класу A-B екзотоксинів [4]. C2 екзотоксин складається з білка, який кодує каталітичний домен і окремий білок, який кодує домен B. Домен А білка спричиняє АДФ-рибозилування актину. Домен B зв'язується з чутливими клітинами і розщеплюється еукаріотичними протеазами. Оброблені компоненти B олігомеризуються і після здатні зв'язуватись з будь-яким з A білків-доменів [12].

Також був визначений новий клас організації токсинів, в якому домен А являє собою білок, і бактерія приймає пряму учать у його доставці в клітину. Бактерія зв'язується з еукаріотичною клітиною і використовує апарат секреції типу III, щоб доставити токсин у внутрішньоклітинний простір клітини. YopE цитотоксин бактерій роду Yersinia є прототипом цієї групи токсинів [13].

Хоча домен А відповідає за каталітичні активності екзотоксину, домен B має дві специфічні функції, зв'язування рецепторів і здатність транспортувати [4]. Кожен екзотоксин використовує унікальний компонент поверхні клітини - хазяїна в якості рецептора. Рецептори клітинної поверхні для кожного екзотоксину можуть бути специфічними [7]. Рецептор клітинної поверхні для холерного токсину є гангліозид, GM1, в той час як дифтерійний токсин зв'язується безпосередньо до фактору росту попередника [8, 10]. На противагу цьому, коклюшний токсин здатний зв'язувати різноманітні білки клітинної поверхні [7]. Здатність зв'язуватись з рецептором клітинної поверхні є абсолютною вимогою для отруєння екзотоксином клітини-хазяїна, тому що видалення рецептор-зв'язуючого домену перетворює екзотоксин в нецитотоксичний [11].

Друга функція домена В включає потенціал транслокації, який відповідає за доставку області A через клітинну мембрану. Присутність домену транслокації була визначена за допомогою досліджень структурно-функціональної організації дифтерійного токсину [8], який показав, що на додаток до каталітичного та рецептор-зв'язуючого домену, необхідна третя функція, для ефективної експресії...