По степени связи с бактериальной клеткой и секретировании в окружающую среду подразделяются на 3 класса.

Рис. Связь экзотоксина с бактериальной клеткой при выделении в окружающую среду.

 

2. По эффекту биологического действия подразделяются на 6 групп:

1 гр. – гемолизины: лизируют мембраны эритроцитов, реже других клеток организма человека и животных, катализируя гидролитическое расщепление липопротеинов цитоплазматической мембраны. Вырабатывают в основном грамположительные микробами.

2 гр. – лейкоцидины: избирательно лизируют поли- и мононуклеарные лейкоциты путем изменения их проницаемости. Механизм цитотоксического действия заключается в активации калий-зависимой ацилфосфатазы лейкоцитарных мембран, изменяется их проницаемость и повышается выход из клеток глюкозы и ионов калия.

3 гр. – нейротоксины: термолабильные токсины, обладают тропизмом к нервной ткани. Поражают центральную нервную систему, периферическую или отдельные звенья симпатической нервной системы.

4 гр. – энтеротоксины: низкомолекулярные белки, устойчивые к действию протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта. Они способны:

1) активировать аденилатциклазу клеток слизистой оболочки тонкого отдела кишечника, что приводит к повышению содержания в них цАМФ и нарушению ионных потоков; это ведет к усиленному выходу солей и воды в просвет кишечника; 2) повышать проницаемость сосудов кишечника и усиливать выход жидкости, ионов натрия и хлоридов в просвет кишечника; 3) нарушать обменные процессы в митохондриях; 4) вызывать повреждение верхушечных участков ворсинок кишечника, нарушение всасывания воды из кишечника. В результате развивается диарея и обезвоживание организма.

5 гр. – гистотоксины: обладают выраженным цитотоксическим действием.

Они подразделяются на 3 группы:

1 - антиэлонгаторы: блокируют активность трансферазы II, ответственной за удлинение (элонгация) полипептидной цепи на рибосомах (дифтерийный гистотоксин);

2 – цитотоксины: разрушают различные клетки за счет нарушения синтеза белка;

3 – дермонекротоксины: разрывают межклеточные связи в эпителии кожи, способствуют шелушению кожи, появлению сыпи и пузырей (например, эксфолиатины стафилококка, эритрогенин стрептококка)

6 гр. – пирогенные токсины: вызывают повышение температуры и проницаемости сосудов, гиперемию, снижение артериального давления.

3. По механизму действия выделяют 5 групп экзотоксинов (рис..):

Рис. Механизм действия экзотоксинов.

1 гр. – токсины, повреждающие клеточные мембраны. Повреждение ЦМП клетки-мишени и других экстрацеллюлярных структур происходит: а) с помощью ферментативного гидролиза ЦМП клетки-мишени, что происходит за счет действия ферментов-токсинов фосфолипаз; б) в результате образования пор в ЦПМ. Порообразующие токсины формируют трансмембранные поры и нарушает селективный вход и выход ионов через цитоплазматическую мембрану, что приводит к лизису клеток. Бактерии секретируют готовый токсин (протомер). На ЦПМ 7 протомеров токсина собираются в пору, образуя при этом грибовидный гептамер, содержащий 3 различных домена. Домены, формирующие «шляпку» и «край», расположены на внешней поверхности плазматической мембраны, а домен «ножки» служит трансмембранным каналом. Через образовавшуюся пору происходит вход и выход небольших молекул и ионов, что ведет к набуханию и гибели клеток, имеющих ядро, и осмотическому их лизису.

2 гр. - токсины, ингибирующие синтез белка. Поражают клетки-мишени в результате подавления синтеза белка. Субстратами для этих токсинов являются:

- фактор элонгации

- 28S-рибосомальная РНК.

К этой группе относятся 2 вида токсинов:

А) токсины, вызывающие АДФ-рибозилирование фактора элонгации 2 (EF2) и нарушающие синтез белка (дифтерийный токсин). Они являются специфическими АДФ-рибозилтрансферазами, синтезируются в виде протоксинов.

Б) токсины, действующие на 28S-рибосомальную РНК, инактивируют РНК, нарушая ее взаимодействие с амино-ацил-тРНК (шига-токсин и шигоподобные токсины энтеропатогенныхи энтерогеморрагических кишечных палочек).

Они имеют типичную АВ-структуру. Ферментативная субъединица А нековалентно связана с 5-ю В-субъединицами, которые непосредственно взаимодействуют с клеткой-мишенью. Пентамер субъединицы В связывается с гликолипидными рецепторами на поверхности чувствительных клеток. После связывания полипептид А расщепляется на ферментативно активную часть А1 и часть А2, соединенные дисульфидной связью. А2 служит связующим звеном между фрагментом А1 и пентамером В. Субъединица А1 обладает ферментативной активностью, проникает в клетку путем эндоцитоза с помощью глоботриазилцерамидного рецептора и действует как N-гликозидаза и отщепляет единичный адениновый остаток от 28S-рибосомальной РНК. Подобная депуринизация в конечном итоге подавляет синтез белка в пораженной клетке (энтероциты кишечника). Проникая в кровь они связываются с рецепторами эндотелиальных клеток капилляров почечных гломерул и др. органов. В результате происходит набухание клеток, сужение сосудов, агрегация тромбоцитов, развивается гемолиз эритроцитов и уремия (гемолитический уремический синдром).

3 гр. – токсины, активирующие пути метаболизма вторичных мессенджеров:

- нарушают функции различных клеточных белков, не вызывая непосредственной гибели клеток;

- активация или модификация вторичных месенджеров приводит к нарушению процессов передачи сигналов, поддерживающие разнообразные функции клеток.

К ним относят 2 вида токсинов:

а) цитотоксины - цитотоксины и дермонекротоксины (CNF и DNT). Они имеют 2 домена: связывающий и ферментативный. В чувствительных клетках они вызывают: складчатость мембраны, сжатие актиновых волокон, ДНК-репликацию без клеточного деления, что приводит к образованию многоядерных клеток. Развивается воспаление с формированием некротического очага. Такие изменения в клетках являются результатом способности токсина модифицировать особые белки – Rho-субсемейство ГТФ-связывающих белков, участвующих в регуляции актина цитоскелета.

б) энтеротоксины (термостабильный и термолабильный). Термостабильные энтеротоксины обладают гликозилтрансферазной активностью, связываются со специфическим клеточным рецептором, что приводит к активации мембраноассоциированной гуанилатциклазы. Последняя превращает внутриклеточный ГМФ в циклический ГМФ (ц-ГМФ). Такое увеличение концентрации цГМФ нарушает транспорт электролитов в кишечнике (нарушается адсорбция ионов натрия и повышается секреция ионов хлора). Изменение ионных потоков приводит к развитию секреторной диареи.

Термолабильный энтеротоксин (холерный энтеротоксин) состоит из пяти В-субъединиц и субъединицы А, которая диссоциирует на фрагмент А1, обладающий АДФ-рибозилтрансферазной активностью, и фрагмент А2, связывающий А1 с пентамером В. Фрагмент А1 инактивирует G-белок, регулирующий активность аденилатциклазы клеточных мембран. Это приводит к повышению активности аденилатциклазы и увеличению содержания внутриклеточного циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), что приводит к нарушению всасывания ионов натрия, калия и воды. Развивается секреторная диарея и обезвоживание.

4 гр. – токсины-протеазы. К этой группе относятся ботулинический и столбнячный нейротоксины. Особенности:

1. Ботулотоксин (BoNT) и тетаноспазмин (TeNT) являются цинк-металлоэндопротеазами.

2. Оба этих токсинов синтезируются в виде крупномолекулярных неактивных полипептидов. Они высвобождаются при лизисе бактериальной клетки и активируются путем протеолитического расщепления незащищенной петли полипептида.

3. Каждая молекула нейротоксина состоит из тяжелой и легкой цепочек, соединенных единичной бисульфидный связью. Тяжелая цепь содержит домены для связывания с клеткой и транслокацией, легкая цепь обладает протеазно активностью.

4. Мишенями в клетках для этих токсинов является группа белков, необходимых для стыковки и соединения синаптических пузырьков с пресинаптическими мембранами с последующим высвобождением нейромедиаторов.

5. BoNT связываются с рецепторами на пресинаптической мембране моторных нейронов периферической нервной системы и вызывают протеолиз белков-мишеней в этих нейронах, что ингибирует высвобождение ацетилхолина и препятствует мышечным сокращениям. Развиваются вялые параличи периферических нервов.

6. TeNT воздействует на центральную нервную систему, поражая два вида нейронов. Он является ингибитором инактиваторов ацетилхолина. Первоначально он связывается с рецепторами пресинаптической мембраны моторных нейронов, затем за счет обратного везикулярного транспорта перемещается в спинной мозг. Внедряется в тормозные и вставочные нейроны, расщепляет везикуло-ассоциированный мембранный протеин и сенаптобревин. Это приводит к блокаде секреции тормозных нейротрансмитеров глицина и гамма-аминомасленной кислоты, что вызывает мышечные сокращения и развитие спастического паралича.

5 гр. – токсины – суперантигены: действуют на Т-лимфоциты и антигенпрезентирующие клетки иммунной системы. К этой группе относятся пирогенные токсины, обладающие свойствами суперантигенов. Их отличительная особенность - мощное стимулирующее действие на клетки иммунной системы и усиление токсического шока. Токсины синтезируются в виде молекулы-предшественника, состоят из 2 доменов: домен А связывается с рецепторами Т-лимфоцитов, домен В – с макрофагами. Связывание токсина с рецепторами Т-лимфоцитов приводит к массивной пролиферации периферических Т-клеток. Т-клетки, образованные в результате пролиферации, могут существовать в состоянии анергии или подвергаться апоптозу. Пролиферация Т-клеток и активация макрофагов сопровождается массивным высвобождением лимфоцитарных и моноцитарных провоспалительных цитокинов. Они вызывают: - гипотензию, - эритематозную сыпь, - высокую температуру

 

Рис. Схема действия некоторых экзотоксинов (Клер К. Шмитт, Карен С. Мейсик, Алисон Д. О'Браэн,)

Эндотоксин

 

Эндотоксин - это структурный компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий, который высвобождаются после ее разрушения;

 

Рис. Структура эндотоксина.

 

Эффекты действия эндотоксина:

 

1 - пирогенное действие - лихорадка, за счет выделения цитокинов – ИЛ-1, α-ФНО, γ-ИФН, которые вызывают высвобождение простагландинов в гипоталамусе;

2 – на сосуды: повышается проницаемость сосудов-капилляров, снижается сосудистый тонус (вазодилатация), как следствие падение артериального давления.

3-на свертывающую систему: за счет воздействия на тромбоциты и фактор Хагемана происходит агрегация тромбоцитов, усиленное потребление фи-бриногена. Развивается диссеминированное внутрисосудистое свертывание (DBC-синдром), сначала стадия гиперкоагуляции, а затем геморрагический синдром как результат повышенного потребления фибриногена и истощения факторов свертывания.

4-ингибирование дыхательной функции митохондрий клеток миокарда и печени – снижение сократительной способности миокарда и дезинтоксикационной функции печени,

5-мембранлабилизирующее действие на тучные клетки и базофилы – усиление гипотензивного эффекта и парааллергические анафилактоидные реакции за счет высвобождения гистамина и гистаминоподобных веществ.

6-воздействие на иммунные механизмы в малых дозах – активация, в больших – угнетение.

Эндотоксин оказывает воздействие на следующие механизмы защиты:

1) на костный мозг – лейкоцитоз или лейкопения;

2) на В-лимфоциты: вызывает поликлональную активацию В-лимфоцитов и влияет на антителообразование.

Длительная активация приводит к включению в иммунный ответ запрещенных клонов клеток и развитию аутоиммунных реакций.

3) на систему комплемента – активирует ее по альтернативному пути;

4) на систему интерферонов – активируют или блокируют их образование;

5) на систему фагоцитов – нейтрофилы и особенно на макрофаги – активируют или угнетают фагоцитоз.

Эндотоксиноподобное действие оказывает:

- пептидогликан – оказывает прямое цитотоксическое действие на клетки организма;

- тейхоевые и липотейхоевые – опосредованное через клетки организма:

- пирогенное действие,

- воздействие на иммунные механизмы.