Бактериальные токсины и экзотоксины

Экзотоксины — это белки, секретируемые бактериями, которые повреждают клетки хозяина, часто в местах, удаленных от инфицирующего организма, и в чрезвычайно низких концентрациях. Являясь одними из самых мощных известных биологических ядов, они обусловливают значительную часть специфических повреждений тканей при таких заболеваниях, как дифтерия, холера, столбняк и ботулизм, и сформировали как понимание патогенеза, так и разработку вакцин.

Definition

Экзотоксин — это растворимый белок, секретируемый (или высвобождаемый) бактериями, который действует на клетки хозяина, вызывая повреждения; многие из них являются AB-токсинами, в которых связывающий (B) компонент доставляет ферментативно активный (A) компонент в целевую клетку.

Scope

Эта тема охватывает основные структурные и функциональные классы бактериальных белковых токсинов, AB (связывающе-активную) архитектуру, общую для многих из них, их основные механизмы действия на клетки хозяина, а также их связь с заболеваниями и анатоксинными вакцинами. Это справочная тема; она не затрагивает клиническое ведение какой-либо интоксикации.

Core questions

• Как устроены бактериальные белковые токсины и как AB-дизайн разделяет связывание и активность?
• Какими ферментативными или мембранными механизмами экзотоксины повреждают клетки хозяина?
• Как экзотоксины связаны со специфическими заболеваниями и с анатоксинными вакцинами?

Key concepts

• Экзотоксин против эндотоксина
• AB-архитектура токсина
• АДФ-рибозилирующие токсины (например, дифтерийный, холерный, коклюшный)
• Порообразующие токсины
• Нейротоксины (столбнячный, ботулинический)
• Суперантигены
• Анатоксинные вакцины

Mechanisms

Многие экзотоксины имеют AB-организацию: B-компонент связывается с рецептором клетки-хозяина и опосредует проникновение, в то время как A-компонент осуществляет ферментативную активность в цитозоле. Общие активности A-домена включают АДФ-рибозилирование мишеней хозяина (дифтерийный токсин инактивирует фактор элонгации 2, останавливая синтез белка; холерный токсин модифицирует G-белок, что приводит к нарушению регуляции циклического АМФ), протеолиз нейрональных SNARE-белков столбнячным и ботулиническим нейротоксинами, а также другие ковалентные модификации. Отдельный класс, порообразующие токсины, встраивается в мембраны хозяина, нарушая их целостность, а суперантигены действуют путем перекрестного связывания MHC и Т-клеточных рецепторов, вызывая массивный выброс цитокинов. Поскольку активный центр определяет токсичность, химически инактивированные токсины (анатоксины) сохраняют иммуногенность и составляют основу нескольких вакцин.

Clinical relevance

Экзотоксины объясняют специфические признаки нескольких классических бактериальных заболеваний и являются антигенной основой анатоксинных вакцин, таких как вакцины против дифтерии и столбняка. Данная статья обобщает биологию токсинов для справки и не является руководством по диагностике или лечению интоксикаций.

History

Бактериальные токсины были одними из первых идентифицированных факторов вирулентности: работы конца XIX века по дифтерийному и столбнячному токсинам непосредственно привели к созданию антитоксинов и анатоксинных вакцин начала XX века. Более поздние молекулярные исследования прояснили AB-архитектуру и ферментативные активности, которые определяют основные семейства токсинов, связывая специфические биохимические нарушения с заболеваниями.

Key figures

• Alison D. O'Brien
• R. John Collier
• Joseph T. Barbieri

Seminal works

• schmitt-1999
• henkel-2010

Frequently asked questions

В чем разница между экзотоксином и эндотоксином?

Экзотоксин — это секретируемый белок со специфической, часто ферментативной активностью, который может действовать далеко от бактерии, тогда как эндотоксин — это липополисахарид внешней мембраны грамотрицательных бактерий, высвобождаемый в основном при лизисе клеток, который вызывает генерализованное воспаление.

Что такое анатоксин?

Анатоксин — это бактериальный токсин, который был химически инактивирован таким образом, что он больше не вызывает повреждений, но все еще провоцирует защитный антительный ответ, что является принципом действия вакцин против дифтерии и столбняка.