такой признак бактерий как токсичность закодирован
Chemistry48.Ru
Сайт учителя химии и биологии МБОУ СОШ №2 с.Казаки Елецкого р-на Липецкой обл. Радиной М.В.
Вариант 6
Часть 1
При выполнении заданий этой части в бланке ответов Л? 1 под номером выполняемого Вами задания (А1-А42) поставьте знак «х» в клеточку, номер которой соответствует номеру выбранного Вами ответа.
А1. Ядрышко — это место образования:
А2. Рисунок иллюстрирует:
A3. ДНК медведя отличается от ДНК осла:
1) набором нуклеотидов 3) сложностью организации
2) функциями 4) последовательностью нуклеотидов
А4. Урацил входит в состав:
А 5. Мейоз происходит в клетках:
1) крови лягушки 3) камбия тополя
2) половых желез крысы 4) эндосперма пшеницы
А6. Сколько хромосом будет содержаться в клетках кожи четвертого поколения обезьян, если у самца в этих клетках 48 хромосом?
А7. Не образуются митотическим путем:
1) эпителиальные клетки 3) сперматозоиды
2) лейкоциты 4) мышечные клетки
А8. Набор хромосом у споры:
А9. Геномная мутация — это изменение:
1) числа хромосом в кариотипе
4) триплета нуклеотидов
А10. Примером действия закона гомологических рядов наследственной изменчивости является:
1) общность места происхождения
2) принадлежность к одному виду
3) сходные мутации у близких родов растений
4) получение межвидовых гибридов
All. Учение о центрах происхождения культурных растений сыграло важную роль в:
1) изучении мутационного процесса
2) развитии метода прививки
3) одомашнивании растений
4) развитии систематики культурных растений
А12. На ранних этапах одомашнивания растений и животных применялся:
1) искусственный отбор
3) бессознательный отбор
4) межпородное скрещивание
А13. Оплодотворение у растений происходит в:
1) чашечке 3) рыльце
2) пыльнике 4) завязи
А14. Отличительным признаком покрытосеменных растений является наличие:
4) проводящих сосудов
А15. К типу Споровики относится:
1) дизентерийная амеба 3) инфузория туфелька
2) малярийный плазмодий 4) лямблия кишечная
А16. На голову, грудь и брюшко тело четко расчленено у:
1) речного рака 3) клеща
2) паука-каракурта 4) мухи
А17. Впервые в процессе эволюции проводящие ткани появились у:
1) водорослей 3) псилофитов
2) папоротников 4) хвощей
А18. Окончания чувствительных нейронов, воспринимающие сигнал, называются:
А19. Примером нарушения гуморальной регуляции организма является:
1) задержка роста у детей
2) отдергивание руки от огня
А20. Лучшей профилактикой застоя венозной крови является:
1) сидение в кресле 3) бег на месте
2) лежание на диване 4) «висение» на перекладине
А21. В приспособительных реакциях организма на изменения условий среды ведущую роль играет:
2) вегетативная нервная система
3) соматическая нервная система
А22. Примером конвергентной эволюции являются:
1) акула и дельфин 3) волк и собака
2) кошка и тигр 4) ящерица и крокодил
А23. К сохранению уже выработанных приспособлений приводит:
1) дивергенция 3) идиоадаптация
стабилизирующий отбор 4) движущий отбор
А24. Самая низкая биомасса продуцентов характерна для экосистем:
1) тропических дождевых лесов
2) тундры и пустыни
4) смешанных и хвойных лесов
А25. К вымершим человекообразным приматам относятся;
1) орангутаны 3) дриопитеки
2) гиббоны 4) шимпанзе
A26. Все факторы среды, которые воздействуют на организм, называют:
1) абиотическими 3) экологическими
2)биотическими 4) антропогенными
А27. Основную часть биомассы суши составляют:
1) растения 3) бактерии
2) животные 4) грибы
А28. Скворечники относятся к факторам:
1) абиотическим 3) антропогенным
2) биотическим 4) ограничивающим
А29. Примером борьбы с нарушениями озонового слоя биосферы является:
1) задержка ультрафиолетового излучения
2) снижение производства фреонов
3) увеличение выпуска холодильников
4) увеличение парникового эффекта
АЗО. К пересыханию Аральского моря привело:
1) расширение площади поливных земель
2) выброс оксида углерода
3) уменьшение численности планктонных организмов
4) увеличение солености воды
А31. Пластический обмен состоит преимущественно из реакций:
1) распада органических веществ
2) распада неорганических веществ
3) синтеза органических веществ
4) синтеза неорганических веществ
А32. Источником энергии для синтеза АТФ в хлоропластах является:
1) углекислый газ и вода 3) НАДФ » Н2
2) аминокислоты 4) глюкоза
АЗЗ. В процессе фотосинтеза у растений углекислый газ восстанавливается до:
1)гликогена 3) лактозы
2) целлюлозы 4) глюкозы
А34. Такой признак бактерий, как токсичность, закодирован в:
1) двух бактериальных хромосомах 3) белках бактерии
2) кольцевой молекуле ДНК 4) Х- или Y-хромосоме
А35. Среди названных организмов основная роль в разрушении органических соединений в биосфере принадлежит:
1) бактериям сапрофитам
3) позвоночным животным
4) одноклеточным растениям и животным
А36. Равномерное распределение генов по гаметам объясняется:
1) правилом единообразия гибридов
2) поведением хромосом в мейозе
3) законами сцепленного наследования
4) отсутствием нарушений процессов мейоза
А37. Не являются самостоятельными компонентами экосистемы:
А38. Мутационный процесс:
1) закрепляет изменения генофонда популяции
2) направляет эволюцию
3) вызывает появление новых аллелей в популяции
4) обеспечивает выбор наиболее жизнеспособных генотипов
1) часть суши, населенная организмами
2) все геологические оболочки Земли
3) часть планеты, свойства которой определяются жизнедеятельно
стью организмов
4) наземная и воздушная среды обитания организмов
А40. Возникновение прямохождения у приматов привело к:
1) появлению протипоставленного остальным большого пальца кисти
руки
2) появлению S-образного позвоночника
3) увеличению массы мозга
4) общественному образу жизни
А41. Закрепление зеленой окраски кузнечиков на зеленом лугу — это результат действия:
1) наследственной изменчивости 3) естественного отбора
2) ненаследственной изменчивости 4) изоляции
А42. Человеческие расы принадлежат к:
1) разным видам 3) одной популяции
2) одному виду 4) разным уровням развития
Часть 2
В заданиях В1-В4 выберите три верных ответа из шести. Каждую букву запишите на бланке в отдельной клеточке без пробелов и других символов в любой последовательности.
В1. Укажите признаки класса насекомых.
A) Незамкнутая кровеносная система
Б) Легочное дыхание
B) Замкнутая кровеносная система
Г) Трахейное дыхание
Д) Развитие только с полным превращением
Е) Развитие с полным и неполным превращением
В2. Какие из приведенных рефлексов являются безусловными?
A) Лай собаки по команде «Голос!»
Б) Отделение слюны на запах пищи
B) Коленный рефлекс
Г) Моргание при попадании в глаз песчинки
Д) Включение света при входе в помещение
В3. Какие из указанных критериев являются критериями вида?
В4. Что из перечисленного относится к ароморфозам?
A) Возникновение покровительственной окраски
Б) Редукция пальцев на ногах у копытных животных
B) Возникновение полового размножения
Г) Внешнее сходство некоторых бабочек с листьями растений
Д) Возникновение плотной кутикулы (покрова) на листьях растений
Е) Возникновение шерсти млекопитающих
При выполнении заданий В5-В6 установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов. К каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца. Впишите в таблицу буквы выбранных ответов, а затем получившуюся последовательность букв перенесите в бланк ответов № 1 (без пропусков и знаков препинания).
В5. Соотнесите факторы среды с их классификацией.
Deepwater Horizon и COVID-19: «Никакими патогенными свойствами бактерия «Синтия» не отличается»
Профессор-микробиолог опровергает новую «коронавирусную» теорию заговора
От взрыва до пандемии
Взрыв нефтяной платформы Deepwater Horizon в Мексиканском заливе у побережья США произошел 20 апреля 2010 года. Последовавший разлив нефти превратил эту аварию в одну из крупнейших техногенных катастроф нашего времени: с апреля по сентябрь 2010 года в Мексиканский залив вылилось около пяти миллионов баррелей нефти.
Для устранения нефтяного пятна площадью 75 тысяч квадратных километров в США была разработана синтетическая бактерия «Синтия», призванная поглощать углеводороды. «Синтия» — это искусственный организм с полностью сконструированным компьютером геномом, который состоит из особых цепочек «водяных знаков» и не содержит, как все остальные живые организмы на Земле, природной ДНК.
Как «Синтия» связана с коронавирусом? По версии вице-президента Академии геополитических проблем, международного эксперта по экологической и продовольственной безопасности, доктора биологических наук Ирины Ермаковой, COVID-19 появился после того, как на рынок в китайском Ухане попала рыба и другие животные, зараженные искусственно созданной бактерией. Об этом Ирина Ермакова рассказала в эфире youtube-канала Андрея Караулова.
— Наша версия состоит в том, что заболевания и гибель людей, а также возникновение нового опасного вируса с рекомбинантной РНК могли быть связаны с попаданием на рынок в Ухане рыбы и других животных, зараженных «Синтией». Появление рекомбинантной РНК могло быть обусловлено проникновением РНК вируса в бактерию «Синтия» и «списыванием» информации с ДНК этой искусственно созданной бактерии, — считает Ермакова.
Связаться с профессором на момент подготовки материала не удалось. «Реальное время» готово дать ей слово.
Почетный академик ВРАЛ
Тем временем об Ирине Ермаковой и ее работах высказался известный российский биоинформатик, один из основателей «Диссернета» Михаил Гельфанд.
— Она говорит как бы от имени науки, представляясь биологом. Ирина Владимировна, действительно, защитила в 2001-м докторскую диссертацию по биологии. Ее дальнейшая карьера включала борьбу с ГМО, теорию происхождения современного человека от амазонок-гермафродитов, публикации в журнале «Академия тринитаризма», — перечисляет Михаил Гельфанд. — За эти и другие подобные достижения в 2016 году на форуме «Ученые против мифов» она была торжественно избрана почетным академиком ВРАЛ (антипремия «За выдающийся вклад в развитие и распространение лженауки и псевдонауки», — прим. ред.).
Псевдоученым Ирину Ермакову называет и собеседница нашего издания — профессор, заведующая кафедрой микробиологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ Ольга Ильинская.
«Синтия» и уханьский вирус
Объяснение того, что не так с новой теорией заговора, Ольга Ильинская начала с самых основ.
— Абсолютно все вирусы возникли гораздо раньше человека, и первоначально они паразитировали в других организмах: животных, бактериях. Но эволюция движется таким путем, что каждый живой организм осваивает новую нишу проживания, поэтому вирусы со временем стали заражать и человека. Теперь они очень широко распространены среди нас, и эволюция продолжается. То есть вирусы от животных приспосабливаются к освоению нового жизненного пространства. Они мутируют, становятся более агрессивными, чтобы поселиться в другом организме.
Ильинская напоминает, что человечество уже сталкивалось с подобными случаями, а именно со свиным и птичьим гриппом. Сейчас в мире бушует уханьский вирус, и есть подозрение, что изначально он появился в летучих мышах. В то же время в Китае есть определенные пищевые традиции, а вирус, попадая в человека, быстро приспосабливается к тому, чтобы жить в нем.
— Коронавирус так же, как вирус гриппа или ВИЧ, в качестве информационной молекулы содержит РНК. В этом нет ничего особенного, потому что таких вирусов много. Говорить о том, что в него встроен искусственный нуклеотидный фрагмент, — полный абсурд. Синтетический нуклеотидный фрагмент все равно повторяет природное разнообразие РНК, — уверена собеседница «Реального времени». — Синтетические бактерии, в частности «Синтия», существуют — есть подобные лабораторные работы, но они абсолютно не связаны с патогенностью или распространением. Просто сегодняшний уровень молекулярной биологии позволяет на основе нуклеиновой кислоты синтезировать ее искусственно, ввести в пустую оболочку бактерии, и эта бактерия будет функционировать. Никакими патогенными свойствами она не отличается.
Коронавирус навсегда
Так или иначе, истинные причины появления COVID-19 сейчас, наверное, не так важны для обывателя, как вопросы о том, надолго ли с нами этот вирус и чего от него ждать. По мнению Ольги Ильинской, «рано или поздно все мы переболеем новым коронавирусом» — кто-то в острой форме, а кто-то в легкой.
— Вообще, я уверена, что многие из нас уже давно им переболели, просто его тогда еще не обнаружили, не раскрыли его генетический код. У человека выработается так называемый коллективный иммунитет, и все мы будем относиться к коронавирусу так же, как относимся сейчас к вирусу гриппа, — считает эксперт.
Профессор напоминает, что первые вирусы гриппа были очень страшными, можно вспомнить известную всем «испанку» или же ВИЧ.
— Чем больше вирус поражает популяцию человека, тем менее активным он становится. Если посмотреть на ситуацию с позиции вируса, то ему невыгодно убивать людей — он там живет. Все со временем успокоится, будет заболевание в слабой форме. Может быть, останутся отдельные тяжелые случаи, но на сегодняшний день мы уже знаем, кто умирает: это очень пожилые люди и пациенты с хроническими заболеваниями. А ситуация, которую мы сейчас наблюдаем в США, связана с тем, что медицина там очень дорогая: люди не делают страховок, а те, у кого она есть, все равно должны платить, — резюмирует Ольга Ильинская.
СУПОТНИЦКИЙ МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ
ГЛАВА 1.5. ТОКСИНЫ ПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ
Патогенные бактерии продуцируют загадочные субстанции, которые прямо или косвенно оказывают токсическое действие на клетки и организм хозяина. По определению В. Finlay, S. Falkow (1997), отражающему представления авторов о предназначении таких субстанций для развития инфекционной болезни, токсины — это секретируемые микробные протеины, обычно ферменты, которые убивают клетки хозяина в исключительно маленьких концентрациях. Ю.В. Вертиев (1996), стремясь избежать узкого медицинского толкования функции бактериальных токсинов в природе, определяет их как регуляторные элементы, действующие в гетерологических клеточных системах вне их контроля и сдвигающие равновесие, протекающих в них, физиологических процессов. Оба определения, видимо, справедливы. Первое — для понимания опасности отдельных токсинов, второе — для понимания их сути.
При многих инфекционных болезнях токсины, действительно, определяют их основные симптомы. Это дифтерия, коклюш, холера, сибирская язва, ботулизм, столбняк, гемолититический уремический синдром и др. [Smitt C.K et al., 1999] В качестве примера, иллюстрирующего участие токсина в инфекционном процессе, приведена схема патогенеза дифтерии (рис. 16). Однако к настоящему времени уже накоплены данные, показывающие возможность выполнения бактериальными токсинами и других функций. Среди них: защита хозяина от хищников в почвенных (водных) сообществах (токсины сине-зеленых водорослей защищают их от поедания беспозвоночными животными и рыбами); использование токсинов как средства антагонизма в микробных сообществах (холерный токсин оказывает ингибирующее действие на ряд бактерий); участие токсинов в авторегуляторных процессах в бактериальных популяциях (энтеротоксин C.perfringens) и др. [Бухарин О.В., Литвин В.Ю., 1997].
Рис. 16. Схема патогенеза дифтерии. При дифтерии коринебактерии не проникают за пределы входных ворот инфекции. За счет дифтерийных экзотоксинов создаются условия для возникновения дифтерического воспаления в месте проникновения возбудителя в организм и развитие различных органных поражений с нарушением функций и структуры жизненно важных органов и систем организма [Гавришева Н.Ф., Антонова Т.В., 1999]
По механизму действия С. Smitt и соавт. (1999) подразделяют все токсины на 5 типов (табл. 3 и рис. 17).
Характеристика бактериальных токсинов *
Aeromonas hydrophila / Аэролизин
Clostridium perfringens / Перфринголизин O
Escherichia coli / Гемолизин d
Инфекция уринарного тракта
Listeria monocytogenes /Листериолизин О
Ситемные пищевые инфекции, менингиты
Staphylococcus aureus / альфа-токсин
Стрептококовая ангина, скарлатина с
Ингибиторы Белкового синтеза
Сorynebacterium diphtheriae / Дифтерийный токсин
E. coli / Shigella dysenteriae /Шига-токсин
Геморрагический колит, гемолитический уремический синдром
Активация путей вторичных мессенджеров
Цитотоксический никротизирующий фактор
Инфекция уринарного тракта
Температурно стабильный токсин d
Цитолетальный растягивающий токсин d
Bacillus anthracis / Отечный фактор
Bordetella pertussis / Коклюшный токсин
Clostridium botulinum / C2-токсин
C.botulinim / C3 токсин
Активаторы иммунного ответа
Пищевое отравление с
Суперантиген (и сериновая протеаза?)
Синдром шелушения кожи
S.pyogenes/ Пирогенный экзотоксин
Скарлатина / синдром токсического шока c
Токсин синдрома токсического шока
Синдром токсического шока е
B.anthracis / Летальный фактор
А. Повреждение клеточных мембран альфа-токсином S. aureus. После связывания и олигомеризации, ножка похожего на шампиньон гептамера альфа-токсина вставляется в клетку-мишень и вызывает приток, или наоборот, отток из клетки ионов (обозначены как темные и светлые кружки, соответственно). В. Ингибирование белкового синтеза клетки шига-токсином (Stx). Голотоксин, который состоит из энзиматически активной субъединицы (А) и пяти связывающих субъединиц (В), входит в клетку через глоботриазилцерамидный рецептор (Gb3). Затем А-субъединица, обладающая N-гликозидной активностью, отсекает аденозиновый остаток с 28S рвбосомальной РНК, что останавливает белковый синтез. С. Примеры бактериальных токсинов, активирующих пути вторичных мессенджеров. Связывание температурно-стабильного энтеротоксина (ST) с рецептором гуанилатциклазы приводит к увеличению количества ГМФ (цГМФ), который обращает в обратную сторону ток электролитов. Посредством АДФ-рибозилирования или гликозилирования (соответственно), экзоэнзим С3 C. botulinum и токсины A (CdA) и В (CdB) C. difficile, инактивируют небольшие Rho ГТФ-связывающие белки. Цитотоксический некротизирующий фактор (CNF) E. coli и дермонекротический токсин (DNT) рода Bordetella, активируют Rho через дезаминирование [Smitt С. et al., 1999]. Механизм их действия, а также протеолитических токсинов и активаторов иммунного ответа, приведен в тексте
Порообразующие токсины. К ним относят бактериальные токсины, функционирующие посредством вставки в плазматическую мембрану хозяина и формирующие в ней трансмембранные поры, приводящие клетку к лизису. Такие токсины еще называют RTX-семейством из-за наличия в их молекулах большого количества повторов [Finlay В., Falkow S., 1997]. Механизм их действия хорошо прослеживается на примере альфа-токсина S.aureus, рассматриваемого как прототип олигомеризующегося пороформирующегося цитотоксина [Smitt C.K et al., 1999]. Альфа-токсин синтезируется как прекурсорная молекула из 319 аминокислот, содержащая N-терминальную последовательность из 26 аминокислот. Секретируемый бактерией «зрелый» токсин (протомер), является гидрофильной молекулой с массой 33 кд, утратившей цистеиновые остатки [Bhakdi S., Tranum-Jensen J., 1991]. Протомер «узнает» клетку-мишень по высокоаффинным рецепторам или не специфически сорбируется в участках плазматической мембраны, содержащих фосфатидилхолин или холестерин. На мембране семь протомерных токсинов собираются в пору, формируя грибоподобный гептамер (232 кд), включающий три различных домена [Song L. et al., 1996]. Шляпка и ободочная область гептамера альфа-токсина располагаются на поверхности плазматической мембраны, в то время как ножка служит трансмембранным каналом. Образовавшаяся пора позволяет маленьким молекулам и ионам двухстороннее движение, что, в конечном итоге, приводит клетку к вздутию и гибели от осмотического шока [Smitt С. et al., 1999].
Альфа-токсин является цитолитическим в отношении различных типов клеток. У человека он способен лизировать моноциты, клетки, но точная его роль в стафилококковом заболевании людей, неизвестна [Bhakdi S. et al., 1996].
К другим членам RTX-семейства относят гемолизин E.coli (HlyA), аденилатциклазу В.pertussis, лейкотоксин Pasterella haemolitica. Это семейство токсинов является также частью консервативного механизма секреции I типа, который отвечает за их транспорт из бактериальной клетки [Finlay В., Falkow S., 1997]. Образование поры включает целый каскад вторичных реакций, приводящих к другим патологическим последствиям. Среди них активация эндонуклеаз, высвобождение цитокинов и медиаторов вое паления, синтез эйкозаноидов [Bhakdi S. et al., 1996].
Stx-токсины имеют типичную АВ структуру. Энзиматически активная А-субъединица (35 кд) нековалентно связана с В-субъединицей (7,5 кд). Голотоксин содержит 5 В-субъединиц. В-субъединичный пентамер связывает голотоксин с эукариотической клеткой через специфические гликолипидные рецепторы. После интернализации, полипептид А расщепляется на энзиматическую часть (А1) и фрагмент А2, остающиеся связанными через дисульфидный мостик. А2-фрагмент связывает A1 с В-пентамером [Smitt С. et al., 1999]. A1 проявляет N-гликозидазную активность и расщепляет N-гликозидную связь у аденина в положении 4324 на 28S рибосомальной РНК. В результате происходит отщепление 400 нуклеотидов с 3-конца рРНК, что служит препятствием для присоединения аминоацил-тРНК, синтез белка прекращается и клетка гибнет [Вертиев Ю.И., 1996].
Токсины, генерирующие образование вторичных мессенджеров (посредников). Бактериальные токсины могут влиять на функцию; отдельных белков эукариотической клетки, не приводя ее к гибели. Для этого они активируют так называемых вторичных посредников, которые способны в большой степени усиливать и искажать клеточную реакцию на внеклеточные сигналы [Smitt С. et al., 1999]. Рассмотрим механизм действия таких токсинов на примере цитотоксического некротического фактора (CNF).
CNF первого и второго типов (CNF1/2) относятся к группе бактериальных, токсинов, модифицирующих Rho — субсемейство маленьких ГТФ-связывающих белков, участвующих в модификации регуляторов актина цитоскелета [Aktories К., 1997]. Ген CNF1 у E. coli закодирован на хромосоме и располагается на «острове патогенности» [Blum G. et al., 1995]. Токсин синтезируется как гидрфильный полипептид (115 кд). Он остается цитоплазматическим из-за отсутствия сигнальной последовательности и имеет связывающий (N-терминальная половина CNF1) и ферментативный (С-терминальная половина CNF1) домены [Lemichez E. et al., 1997]. Видимо в клетки хозяина он попадает с помощью секреторного механизма III типа. Недавно было показано, что CNF1 деаминирует глутаминовый остаток Rho в положении 64. Такая модификация приводит к преобладанию активности Rho, неспособного гидролизовать связанный с ним ГТФ. Эукариотические клетки, подвергнутые воздействию CNF1, приобретают характерный вид. У них наблюдается «рифление» мембраны, формируется локальное сжатие актиновых нитей. Репликация ДНК при отсутствии клеточного деления, приводит к образованию многоядерных клеток. Внутрикожное введение CNF1 вызывает длительное воспаление и образование некротического очага [Smitt С. et al., 1999].
Установлена критическая роль небольших ГТФ-связывающих белков не только в регуляции цитоскелета (семейство белков Rho), но и в везикулярном транспорте (семейство Rab), и в регуляции роста и дифференциации клеток (семейство Ras). Поэтому не исключено, что существуют пока еще неизвестные нам токсины, способные воздействовать на основные клеточные процессы через эти белки [Finlay В., Falkow S., 1997].
Эти самые токсичные токсины имеют и наиболее сложную молекулу. Оба синтезируются в виде неактивных полипептидов массой 150 Кд и высвобождаются из лизировавшихся клеток. Затем они активируются посредством протеолитического расщепления открытой петли в структуре своей молекулы. Каждая активная молекула нейротоксина включает тяжелую (100 кд) и легкую (50 кд) цепи, связанные посредством межцепочечной дисульфидной связи. Тяжелые цепи обоих токсинов содержат два домена — регион, необходимый для транслокации токсина (N-терминальная последовательность) и регион, необходимый для связывания с клеткой (С-терминальная последовательность). Легкие цепи обоих токсинов содержат цинк-связывающий мотив, необходимый для цинк-зависимой протеазы, активирующей молекулу [Schiavo G., Montecucco С, 1997].
Ботулинические токсины связываются с рецепторами на поверхности пресинаптической мембраны двигательных нейронов периферической нервной системы и вызывают протеолиз белков в нейронах. Это приводит к ингибированию высвобождения ацетилхолина и к предотвращению мышечных сокращений — возникает вялый паралич [Halpern J., Neale E., 1995]. Столбнячный токсин сначала связывается с рецепторами на пресинаптической мембране моторных нейронов, но затем, с помощью ретроградного везикулярного транспорта, он перемещается в нейроны спинного мозга. Спастический паралич возникает из-за того, что рассечение везикуло-ассоциированных белков и синаптобревина в нейронах, нарушает высвобождение глицина и гамма-амино-битуриковой кислоты, прекращающих мышечное сокращение [Arnon S., 1997].
Как правило, иммуностимулирующий потенциал таких токсинов является следствием их способности связывать различные участки белков главного комплекса гистосовместимости II типа, экспрессированных на поверхности антигенпрезентирующих клеток и Vбета-элементы на Т-клеточном рецепторе [Smitt С. et al., 1999]. В частности, В-домен стафилококкового TSST-1, связывает альфа-цепь антигена DR1 человеческого лейкоцита, одновременно его А-домен специфически связывается с Vбета-элементами Т-клеточного рецептора [Schlievert P., 1997]. Связывание TSST-1 с Vбета2 приводит к массивной пролиферации более 20% периферических Т-клеток. Следствием Т-клеточной экспансии является массивное высвобождение интерлейкинов (1, 2 и 6 типов), гамма-интерферона, факторов некроза опухолей (альфа и бета) и др. [Schlievert P., 1997]. Совместно эти цитокины вызывают гипотензию, высокую температуру и диффузные эритематозные высыпания [Smitt С. et al., 1999]. Токсины данного типа характерны для случайных и факультативных паразитов.
Введение чувствительным животным любой из этих субъединиц по отдельности, не приводило ни к каким патологическим последствиям. Внутрикожное введение комбинации В-субъединицы и отечного фактора, приводило к развитию кожных отеков у морских свинок и кроликов. Смесь В-субъединицы и летального фактора при внутривенном введении вызывала гибель мышей и крыс, но не давала образования отеков при внутрикожном введении. При введении смеси трех компонентов токсина, они действовали синергически в тестах проверки летальности на мышах [Бургасов П.Н., Рожков Г.И., 1984]. В более поздних исследованиях было показано: что отечный фактор вызывает только кратковременное повышение внутриклеточного уровня цАМФ, поскольку он быстро разрушается Клеточными протеазами [Motecucco С. et al., 1994]. Т.е. развитие сибиреязвенной интоксикации предполагает обязательное участие всех трех компонентов сибиреязвенного токсина.
С. Petosa и соавт. (1997), выявили тонкие механизмы этого процесса. В-субъединица (протективный антиген — ПА, РА) сибиреязвенного токсина представляет длинную плоскую молекулу, размером 100х50х30 ангстрем, состоящую из 4 доменов. Связывание ПА с рецептором клетки-мишени начинается с домена 4. Этот домен (остатки 596—735) имеет первичную шпильку и спираль, за которыми следует бета-сендвич с иммуноглобулиновой складкой. Домены 1, 2 и 3 тесно связаны между собой, но домен 4 имеет с ними ограниченный контакт. Внутри иммуноглобулиновой складки домена 4 содержится доступная петля из 19 аминокислотных остатков, аналогичная антигенсвязывающей CDRS-петле антител и рецепторсвязывающей петле дифтерийного токсина. Протеолитическая активация происходит на клеточной поверхности. Протеаза фурин (она же используется для протеолитическои активации дифтерийного токсина, экзотоксина А псевдомонад и некоторых вирусов) расщепляет поверхностную петлю внутри домена 1. В результате высвобождается N-терминальный 20 кд фрагмент (ПА20). Этот фрагмент не играет какой-либо дополнительной роли в интоксикации. Однако его удаление приводит к образованию большой гидрофобной поверхности на оставшемся фрагменте ПА (ПА63). Остальная часть домена 1, называемого теперь домен 1′, образует N-окончание активного ПА63. После утраты ПА20. ПА63 формирует гептамер, который вставляется в мембраны при кислых значениях рН, формируя катионселективные каналы как в искусственных липидных бислоях, так и в клетках. Новая гидрофобная поверхность домена 1′ полностью обнажается, формируя часть большого, плоского гидрофобного пятна на «вершине» гептамера. Эта поверхность обеспечивает открытый сайт для связывания фактора отека и летального фактора, которые теперь связывают ПА63 с высоким аффинитетом (рис. 18).
Рис. 18. Стадии сибиреязвенной интоксикации. a.1 — РА связывается с рецептором клетки хозяина; 2 — фурин расщепляет и высвобождает ПА20; 3 — ПА63 формирует гептамер; 4 — токсические ферменты связываются с ПАбз; 5 — опосредованный рецептором эндоцитоз; 6 — подкисление эндосомы приводит к мембранной вставке ПА63; 7 — транслокация токсических ферментов в цитозоль. LF — летальный фактор; EF — фактор отека. b. Ортогональные проекции РА, окрашенного по доменам. Домен 1 включает РА плюс домен 1′ и два иона Са2+. ПА20 отщепляясь, больше не играет роли в процессе интоксикации. Образовавшаяся гидрофобная поверхность домена 1′ формирует участок связывания для LF и EF [Petosaet al., 1997]
Т.е. трехкомпонентные токсины используют общую В-субъединицу, обеспечивающую ферментативным субъединицам единый механизм проникновения в цитозоль. Видимо это необходимо для проявления синергидного эффекта токсического действия ферментативных субъединиц.
Происхождение токсинов. С момента открытия Roux и Yersin в 1888 г. дифтерийного токсина, этот вопрос вызывает много споров. В последние годы появилась возможность проведения тонких молекулярных сравнений между структурами отдельных токсинов. Результаты этих сравнений оказались неожиданными для ученых [Finlay В., Falkow S., 1997]. Токсины микроорганизмов из отдаленных семейств и даже родов, занимающих различные экологические ниши и вызывающие совершенно не похожие инфекционные болезни, оказались весьма сходными по механизму действия и по критическим для проявления токсичности структурам (например, шигатоксин, коклюшный и холерный токсины). Было обнаружено сходство между токсинами и ферментами эукариотических клеток (например, отечный фактор B. anthracis и аденилатциклаза человека). По этим данным создается впечатление не только широкого эволюционного родства токсинов между собой. Но, как заметил Ю. Вертиев (1996), у некоторых исследователей даже возникает мысль, что токсины возникли путем захвата из эукариотической клетки генетического материала, кодирующего токсин. Накопление экспериментального материала по тонкой структуре и механизму действия токсинов создало условия для выдвижения интересных гипотез об их происхождении. Но, видимо, трудно рассчитывать на то, что этот вопрос будет однозначно решен для каждого бактериального токсина в рамках какой-то общей гипотезы.
По нашему мнению, очень серьезное влияние на его решение в будущем окажут экспериментальные данные по участию токсинов в функциях микробной клетки, которые не имеют прямого отношения к проявлению бактерией патогенных свойств, но используют консервативные механизмы, сходные как в эукариотических, так и прокариотических организмах.
Мы еще только начинаем понимать первичную функцию биологических токсинов в природе. Если предположить, что способность бактерией синтезировать токсины закрепляло какую-то неизвестную сегодня сигнальную функцию в образуемом ими биоценозе, то понятен и двухкомпонентный состав, и одноударность их действия. Преимущество такой структуры для передачи сигналов в том, что при ее распространении из центра, сигнал не ослабляется на большом расстоянии. Если бы передача сигнала осуществлялась структурами, не способными к лиганд-специфическому взаимодействию, то сигнал ослабевал бы по мере диффузии сигнальных молекул. Отсюда, как следствие, способность воздействовать на другие типы клеток в чрезвычайно низких концентрациях.
Сопоставляя структурные особенности молекул различных бактериальных токсинов с механизмами их функционирования, нельзя не заметить, что сходство между ними обусловлено сходно направленным действием естественного отбора.
Так, способность В-субъединиц к узнаванию клетки-мишени, сопровождается закреплением за ними и других свойств. Например, кроме взаимодействия с рецептором, В-субъединица экранирует ферментативную субъединицу, предотвращая ее взаимодействие с субстратом, как в собственной клетке, так и за пределами клетки-мишени [Вертиев Ю.В., 1996]. Она служит и своего рода предохранителем, предотвращающим «случайный выстрел». Для активации токсической субъединицы необходимо протеолитическое расщепление В-субъединицы после ее взаимодействия с клеткой, мишенью. Это исключает действие токсической субъединицы на другие клетки [см., например, действие сибиреязвенного токсина). И, как мы убедились на примере протективного антигена, она способна «вводить» клетку несколько токсических ферментов, действующих синергидно. Плейротропность функций В-субъединиц находится в соответствии с «принципом экономии генов».
Механизм лиганд-рецепторного взаимодействия исключает бесконечное разнообразие структур В-субъединиц, взаимодействующих с лигандом. В основе этого явления лежит то обстоятельство, что токсины в организме хозяина используют уже готовые структуры, участвующие в эндокринной, паракринной и синаптическои сигнализации, а, следовательно, жестко поддерживаемых естественным отбором. То, что эти структуры не являются абсолютно консервативными, свидетельствуют внутривидовые различия в чувствительности к отдельным токсинам, но их консервативности хватает на выход аналогий в структуре рецепторсвязывающих участков, за пределы В-субъединиц токсинов. Например, иммуноглобулин-подобная складка домена 4 протективного антигена аналогична не только рецепторсвязывающей петле дифтерийного токсина, но и антигенсвязывающей CDR3 петле антител [Petosa et al., 1997].
Формирование белкового канала (поры) также не является уникальным свойством токсинов. Посредством поры осуществляется транспорт специфических ионов через мембраны эукариотических и прокариотических организмов (пориновые белки грамотрицательных бактерий). К образованию пор способны не только токсины бактерий, но и зоотоксины [Орлов Б.Н., Гелашвили Д.Б., 1985] и даже белки слияния вирусов [Филдс Б., Найп Д., 1989]. Сама же пора формируется в определенной цитоплазматической мембране и предназначена для определенной функции, т.е. она не может не быть консервативной. Это предопределяет консервативность выполняющих одну функцию доменов образующих пору белков (рис. 19). Большая петля домена 2 ПА B. anthracis (ответственна за вставку гептамера в цитоплазматическую мембрану), демонстрирует консервативный характер чередующихся гидрофильных и гидрофобных остатков, аналогичный таковому у поринов бактерии Rhodopseudomonas blastica, а также, у выполняющих ту же функцию структур токсина VIP1 инсектицидного белка Bacillus thuringiensis [Petosa et al., 1997] и йота-b-токсина Clostridium perfringens [Perelle S. et al., 1993]. Аминокислотная последовательность связывающего клетку домена CNF1 уропатогенной E. coli, имеет обширную гомологию с аналогичной последовательностью митогенного токсина Pasteurella multicoda — бактерии, вызывающей атрофический ринит у свиней [Falbo V. et al., 1993].
Рис. 19. Конвергентное сходство каналообразующих структур токсинов-гомологов ПА и пориновых белков бактерий. а) консервативные чередующиеся гидрофильные (подчеркнуты) и гидрофобные (выделены полужирным) остатки большой петли домена 2 ПА аналогичны таковым у поринов и токсинов-гомологов, что предполагает одинаковый и наиболее оптимальный характер формирования перекрывающих мембрану шпилек (b) и мембранной вставки (d); с) аналогичное явление в природе — положение глаз у таких полуводных животных в высшей степени сходно: оно оптимально для наблюдения под водой при погружении в воду тела. На основе рисунков Б.М. Медникова (1975) и Petosa et al. 1997)
Неожиданное сходство было найдено и на макромолекулярном уровне, т.е., между В-олигомерами. Оказалось, что хотя холерный и температуролабильный токсины имеют по 5 идентичных В-субъединиц, а коклюшный токсин имеет 4, но различные В-субъединицы, 2 субъединицы коклюшного токсина обладают складчатыми структурами, сходными с таковыми у В-субъединиц холерного токсина и шига-токсина [Finlay В., Falkow S., 1997].
Однако при изменении направления отбора в разных условиях происходит дивергенция (расхождение) сначала структуры, а потом и биологических свойств токсинов. Так, Stx-цитотоксины могут быть разделены на две антигенно различные группы, имеющие от 50% до 60% гомологии: Stx/ Stx1 и Stx2 [Tesh V., O’Brien A., 1991]. Stx и Stxl различаются только одной аминокислотной последовательностью и встречаются преимущественно в S. disenteriae. Stx2-цитотоксин обнаружен недавно у кишечных палочек, т.е. его образование может быть результатом действия длительной изоляции в другой экологической нише. Любопытны и оцениваемые сроки такой дивергенции. Анализ молчащих замещений нуклеотидных последовательностей генов холерного, LT- и ST-токсинов показал, что эти гены дивергировали не менее чем 130 млн. лет назад [Вертиев Ю.В.,1996]. Т.е. в эпоху расцвета пресмыкающихся и уже в знакомом нам виде они пережили не только их вымирание, но и расцвет млекопитающих в миоцене, и их массовое вымирание и юнце плиоцена. Если это так, то тогда появление прототипного холерного токсина теряется где-то в глубине геологического времени. С антропоцентрической точки зрения, какая-то есть в этом нецелесообразность. Мы явно переоцениваем свое значение в природе, когда утверждаем, что человек является единственным хозяином холерного вибриона.
Как мы убедились на примере порообразующих доменов, сходность функциональных структур токсинов между собой и с отдельными ферментами клеток хозяина обусловлена тем, что различные белки с родственными функциями имеют схожую последовательность аминокислот. Полагают, что такие семейства белков возникли путем дупликации одного предкового гена и последующего накопления в процессе эволюции мутаций, постепенно обусловивших появление родственных белков с новыми функциями [Альберте Б. с соав., 1994]. Наличие А и В субъединиц (доменов) в структурах молекул подавляющего большинства белковых токсинов, свидетельствует о том, что они, как правило, являются крупными функциональными белковыми агрегатами. Образование таких агрегатов стало возможным путем объединения двух или более белков в результате как нековалентных взаимодействий (сибиреязвенный, коклюшный и другие токсины), так и путем образования ковалентной связи между ними (ботулинический и столбнячный токсины). В свою очередь отдельные субъединицы токсинов так же состоят из некогда различных белков, объединенных в пептид, проявляющий несколько активностей сразу. Например, тяжелые цепи ботулинического и столбнячного токсина содержат два домена — регион, необходимый для транслокации токсина и регион, необходимый для взывания с клеткой. Белки такого типа образуются слиянием соответствующих генов в один ген, кодирующий большую полипептидную цепь. Для всех токсинов характерна «мультидоменная» структура. Это означает, что разные их части состоят из некогда отдельных глобулярных белков, объединенных естественным отбором ходе эволюции (рис. 20).
Рис. 20. «Мультидоменная» структура бактериальных токсинов. А. Общий принцип, по которому наложение двух различных белковых поверхностей в процессе эволюции приводит к появлению белков, содержащих новые центры связывания для других молекул — лигандсвязывающие центры часто располагаются в месте соприкосновения двух белковых доменов [Альберте Б. с соавт., 1994]. Б. Пространственные ленточные модели кристаллов шига-токсина S. dysenteriae [Frasier M. et al., 1994], температуро-лабильного токсина кишечной палочки [Sixma Т. et al., 1993] и коклюшного токсина [Stein P. et al., 1994]. Несмотря на выраженное конформационное сходство, каждый из этих белков имеет собственную эволюционную историю. Наличие большого количества доменов, независимо свертывающихся в разных частях молекул, свидетельствует о происхождении этих токсинов путем объединения генов различных глобулярных белков
Если, не ввязываясь в спор о том, что прогрессивно в эволюции, что нет, подойти к эволюции токсинов только исходя из сложности их молекул, то можно построить своего рода эволюционную «лестницу». На ее нижнюю ступеньку, видимо, можно поместить порообразующие токсины, типа альфа-токсина стафилококка. Они способны лигандрецепторному узнаванию и образуют поры, через которые могут быть введены ферментативные молекулы, однако такие молекулы появляются уже на следующей эволюционной ступеньке. Ее занимают двухкомпонентные токсины, А- и В-субъединицы которых взаимодействуют без образования ковалентной связи, т.е. либо клетка еще не способна образовывать дисульфидные связи между субъединицами, либо еще не произошло слияния их генов. Последней ступенькой можно считать крупномолекулярные токсины, состоящие из тяжелых и легких цепей, объединенных ковалентными связями. Такие токсины имеют максимально возможную для белков молекулярную массу и, видимо, токсичность (супертоксины — ботулинический и столбнячный). Трехсоставные токсины типа сибиреязвенного и двухсоставные, объединенные ковалентной связью, занимают промежуточную ступеньку между крупномолекулярными супертоксинами, а так же двухсоставными, компоненты которых взаимодействуют без образования ковалентных связей. Видимо оба типа токсинов являются альтернативами эффективных структур, выбор между которыми в конкретных обстоятельствах остается за естественным отбором.
Максимально возможная токсичность. Такая постановка вопроса не имеет смысла при исследовании патогенности бактерий, так как токсины — это только часть механизма их паразитирования, устроенного невероятно сложно и имеющего много альтернативных, взаимодополняющих элементов. Однако ответ на него чрезвычайно интересует зарубежных военных токсикологов, рассматривающих токсины как опасное средства поражения.
Незнание условий, которые в процессе эволюции способствовали естественному отбору биологических токсинов, привело к формированию у таких исследователей представления о возможности снижения летальных доз биологических токсинов с помощью методов генной инженерии и породило множество спекуляций на эту тему [Tucker J.B., 1985; Гайслер Э., 1986].
Выше мы уже приводили примеры последствий вмешательства в структуру токсина. Н.С. Антонов (1994), используя элементарные приемы математической статистики, установил любопытную закономерность (рис. 21). Если на эвклидовой поверхности в логарифмических координатах «LD 50 — молекулярная масса» отобразить весь массив веществ, для которых летальные дозы экспериментально установлены, то плоскость графика оказывается разделенной на две части: на одной из них сосредоточены отображения всех взятых веществ, в то время как другая часть плоскости графика остается свободной, ибо в природе не существует веществ, которые по величине летальной дозы и молекулярной массы соответствовали бы той части плоскости графика. Между указанными частями плоскости графика отчетливо прослеживается граница (токсоида), формируемая отображениями наиболее токсичных веществ в соответствующих интервалах изменения величины молекулярной массы. Наиболее токсичному веществу — ботулиническому токсину, соответствует и наибольшая молекулярная масса.
Рис. 21. График токсоиды по Н.С. Антонову. Максимальная токсичность супертоксинов достигается за счет предельного увеличения размеров и сложности их молекул
Эффект возрастания биологической активности по мере увеличения молекулярной массы отмечался ранее Н.И. Кобозевым у алкалоидов, гликозидов, гормонов, витаминов и синтетических лекарственных веществ. Им было показано, что путем вариации состава и строения молекул можно добиться некоторого увеличения активности веществ. Но если требуется добиться увеличения активности в десятки и более раз, одних структурных изменений молекул уже недостаточно, требуется переход к соединениям с большей величиной молекулярной массы [Антонов Н.С, 1994], т.е. более сложно организованных.
1) токсичность ботулинического токсина является предельной не только для бактериальных токсинов, но и для природных токсических веществ;
2) LD 50 рекомбинантных токсинов не будет достигать данной величины для ботулинического токсина.
Но почему же LD 50 большинства природных токсинов в тех случаях, когда их токсичность создает преимущества микроорганизмам, не достигают того предельного значения, которое нам демонстрирует ботулинический токсин? Видимо это проявление все того же бессилия демона Дарвина, которое генетик С. Райт представил в виде холмистого ландшафта, где высота холма (адаптивного пика) ответствует степени его приспособления (в рассматриваемом нами случае — это LD 50 токсина, имеющего значение для патогенности бактерии). Популяция, поднявшаяся на маленький пик ландшафта приспособленности (например, с помощью простейшего порообразующего токсина), не может сменить его на больший (например, с помощью более эффективного токсина, использующего порообразующую субъединицу для транслокации в клетку хозяина ферментативной субъединицы) и стать более приспособленной, ибо при смене пиков отбор пойдет против уровня приспособленности (часть жизненно важных генов должна мутировать либо слиться).
Подлинная роль биологических токсинов в живой природе на сегодняшний день известна не до конца. Сложность и многофункциональность молекул токсинов свидетельствуют об их длительном эволюционном пути. Токсичность, это частное проявление первичной функции сигнальных молекул отдельных бактерий. В настоящее время выделяют 5 типов токсинов. Одинаково направленное действие отбора привело к конвергентным гомологиям отдельных структур токсических молекул, а также выполняющих сходную функцию структур белков эукариотов и вирусов. Максимальная токсичность достигнута ботулиническим токсином за счет предельного увеличения размера и сложности молекулы.