Эколого-биохимические взаимодействия между животными

Эколого-биохимические взаимодействия между животными.

Токсины животных (зоотоксины), участвующие в межвидовых взаимодействиях, в зависимости от биологических и экологических особенностей вида, выполняют противоположные функции: у хищных животных служат средством агрессии, у потенциальных жертв являются орудием защиты от нападения хищных видов. Соответственно, токсичные алломоны способствуют выживанию отдельных видов и в то же время регулируют специфику трофических цепей и скорость переноса энергии по экосистемам.

Можно выделить несколько особенностей, характеризующих токсины животных в целом.

• 
  В качестве токсинов используются вещества различных химических классов – от низкомолекулярных (хиноны, амины, терпеноиды) до высокомолекулярных (пептиды и белки).
  
• 
  Один и тот же вид в качестве химического оружия может использовать комплекс веществ, зачастую совершенно различных по химической природе.
  
• 
  Одно и то же токсичное вещество может продуцироваться несколькими неблизкородственными видами.
  
• 
  Некоторые виды животных накапливают токсичные вещества из организмов, служащих для этих видов пищей. Более того, источником токсинов могут являться ядохимикаты, используемые в сельском хозяйстве. Например, 2,5-дихлорфенол, обнаруженный у саранчи Romalea microptera, является производным гербицидов.
  

По способу введения зоотоксина в организм другого вида ядовитые животные делятся на две группы:

1. Активно-ядовитые (змеи, пауки, скорпионы) – в основном продуцируют токсины белковой природы, которые вводятся в тело жертвы с помощью специального аппарата (жала, зубов, игл и др.).

2. Пассивно-ядовитые (рыбы, кишечнополостные, жесткокрылые) – часто вырабатывают не пептидные яды, оказывающие действие при поедании животного-продуцента.

По химическому составу все зоотоксины подразделяются на две основные группы: белковой и небелковой природы.

Обычно яды, содержащие в качестве активного начала вещества белковой природы, включают также минорные белковые компоненты и ряд органических и неорганических веществ, определяющих в совокупности физиологическую активность и характер токсического действия. По этой причине яды белковой природы принято классифицировать по видам животных, вырабатывающих яд и характеризовать как целый яд, так и его наиболее значимые компоненты.

Сравнительная токсичность зоотоксинов из разных групп организмов представлена в табл. 4.

Яды змей. Считается, что ежегодно около 1 млн человек подвергаются укусам ядовитых змей, при этом в 24 % случаев развиваются тяжелые поражения, а 2–3 % укусов – со смертельным исходом.

Токсины змей представляют собой комплекс активных веществ, в состав которого входят:

• 
  ферменты – во всех ядах найдены: гиалуронидаза, фосфолипаза А, нуклеотидаза, фосфодиэстераза, дезоксирибонуклеаза, рибонуклеаза, аденозинтрифосфатаза, нуклеотидпирофосфатаза, оксидаза L-аминокислот и экзопептидаза;
  
• 
  полипептиды, относящиеся к нейро- и гемотоксинам;
  
• 
  белки со специфическими свойствами, например, фактор роста нейронов, антикомплементарный фактор и др.;
  
• 
  неорганические вещества.
  

Сравнительная токсичность ядов различной природы из разных групп животных

По характеру действия на теплокровных животных яды змей подразделяются на две основные группы – нейротоксины и гемотоксины.

1. Нейротоксичные – действуют на нервную систему. Наиболее характерны для аспидов (кобры, бунгарусы, мамбы) и морских змей.

Нейротоксины, в свою очередь, делятся на пресинаптические и постсинаптические.

Некоторые нейротоксины состоят из двух компонентов. Например, крототоксин из яда гремучей змеи (Crotalus terrificus) представляет собой комплекс щелочной фосфатазы с кислым белком кротопатином, не обладающим ни заметной токсичностью, ни ферментативной активностью. Считают, что кротопатин предотвращает неспецифическую сорбцию фосфолипазы, что благоприятствует ее связыванию с пресинаптическими участками.

По структуре молекулы постсинаптических токсинов подразделяются на «короткие» (60–62 аминокислотных остатков, 4 дисульфидные связи, мол. м. ~7000) и «длинные» (71–74 аминокислотных остатков, 5 дисульфидных связей; мол. м. 8000).

В основе действия этих токсинов лежит способность модифицировать поверхностные клеточные мембраны, при этом возбудимые мембраны деполяризуются.

2. Гемотоксичные яды – действуют на кровь. К ним относятся большинство ядов гадюк и гремучих змей.

Гемотоксины представлены двумя группами: сериновыми протеазами и металлопротеазами. Первые – эндопептидазы, по характеру действия близкие к тромбиноподобным ферментам и кининогеназам. Вторые – ферменты, катализирующие гидролиз казеина, гемоглобина, инсулина и др. Металлепротеазы активируются двухзарядными ионами (например Са2+) и действуют в основном на связи остатков лейцина и фенилаланина. Относительное содержание протеаз в ядах сильно варьирует: в яде гадюки Vipera berus 75 % протеолитической активности приходится на металлопротеазы и 25 % – на сериновые; в яде гюрзы V. lebetina – обратное соотношение.

Протеазы ядов могут вызывать нарушение свертываемости крови и фибринолиза, приводя к тромбоэмболиям или геморрагиям. Действуя на разные звенья гемокоагуляционного каскада, протеазы большинства ядов оказывают двоякое действие; вначале наблюдается внутрисосудистое свертывание крови, затем кровь может на длительный период терять способность к свертыванию.

Интоксикация ядами гадюк и гремучников характеризуется геморрагическими отеком и некрозом тканей в зоне введения яда. В тяжелых случаях развивается шок, чему способствуют развитие сердечной недостаточности, уменьшение венозного объема крови, нарушение функций форменных элементов крови, сгущение крови, тромбоэмболия, дисбаланс электролитов, различные нарушения центральной нервной системы.

Гемотоксины разных видов змей могут оказывать противоположное действие: так, яд коричневой змеи (Pseudonaja textilis) обладает сильным коагулирующим действием, а яд кобры (Naja naja) замедляет свертываемость крови.

Кроме этого, действие яда кобр обусловлено не только токсичными компонентами, но и развитием процессов аутоинтоксикации вследствие высвобождения гистамина, простагландинов и других биологически активных веществ.
Яды паукообразных изучены меньше, чем яды змей. Наибольшее токсикологическое значение имеют скорпионы (свыше 1500 видов), от укусов которых ежегодно страдают около 150 тыс. человек, причем число смертельных исходов в некоторых зонах составляет 11–16 %. Наиболее опасны скорпионы родов Leiurus, Buthus, Androctonus (Африка, Азия), Centruroides (США, Мексика), Tityus (Бразилия). При единичном ужалении обычно выделяется менее 1 мг яда.

Яды скорпионов содержат полипептиды, ферменты (фосфолипазы А и В, кислая фосфатаза, фосфодиэстераза, ацетилхолинэстераза, 5'-нуклеотидаза и др.), моно- и полисахариды, в некоторых ядах найдены серотонин и гистамин.

Уникальное свойство ядов некоторых видов (семейства Buthidae и Scorpionidae) – наличие нейротоксинов, избирательно действующих на млекопитающих, насекомых или ракообразных. Токсины млекопитающих обычно имеют молекулярную массу около 7 кДа. Исключение составляет токсин скорпиона Scorpio maurus palmatus, состоящий из 32 аминокислотных остатков с молекулярной массой 3478. Механизм действия нейротоксинов обусловлен модификацией Na-каналов электровозбудимых мембран.

Яды пауков обладают нейро- и гемотоксической активностью. В состав ядов входят полипептиды, ферменты, биогенные амины и другие активные вещества. Яды некоторых видов обладают сравнительно высокой токсичностью для теплокровных.

Наиболее изучен яд каракурта (р. Latrodectus). Активное начало – α-латроксин, который действует на пресинаптическом уровне, вызывая массовый выброс медиатора из везикул.

Иным характером токсического действия и составом обладает яд пауков рода Loxosceles (Сев. Америка). Наличие в составе секрета ядовитых желез сфингомиелинидазы Д определяет дерматонекротическое действие яда и промотирует слипание тромбоцитов и распад эритроцитов.

В яде паука Atrax robustus (Австралия) содержатся нейротоксин атраксин, γ-аминомасляная кислота, белок спермин и гиалуронидаза. Токсин действует на α-адренорецепторы и вызывает высвобождение ацетилхолина из холинергических нервных окончаний.

Среди клещей к ядовитым относится несколько видов родов Ixodes и Ornithodoros. В слюнных железах I. Holocyclus (Австралия) найден паралитический токсин, который на пресинаптическом уровне разобщает процесс деполяризации нервных окончаний и механизм секреции медиатора. Укус клеща приводит к развитию паралича, заканчивающегося часто смертельным исходом.

Следует отметить, что белковые токсины – ингибиторы протеаз – содержатся также в яйцах некоторых иксодовых клещей (Amblyomma hebraeum, Boophilus decoloratus и др.).
Яды перепончатокрылых (пчелы, осы) также обладают относительно высокой токсичностью. Хотя количество выделяемого при ужалении яда невелико, даже единичные укусы могут привести к смертельному исходу, если возникает быстро развивающаяся аллергическая реакция. Наиболее опасными считаются насекомые, ведущие общественный образ жизни.

Обычно их яды действуют на вегетативную и центральную нервные системы, как следствие наблюдаются тахикардия, судороги и параличи, общая слабость, возможна смерть от паралича дыхания.

Яды общественных перепончатокрылых имеют много общих элементов состава (табл. 5) и характеризуются относительно невысоким содержанием ферментов. Их токсическое действие определяют в основном полипептиды и биогенные амины.
Таблица 5

Основные компоненты ядов пчел, ос и шершней

Многие жуки, например колорадский (Leptinotarsа decemlineata), имеют гемолимфу, токсичную для насекомых и млекопитающих. Токсическая доза гемолимфы колорадского жука для мышей ~5 мкл. Активное начало гемолимфы – белок лептинотарзин (50 кДа), действующий на нервно-мышечные окончания.

Яды медуз помимо токсичных белков содержат также биогенные амины, ферменты, простагландины (например, морская крапива Chrysaora quinquecirrha), углеводы, гистаминолибераторы.

Яды кишечнополостных содержатся в стрекательных клетках (нематоцитах, или киндобластах), что осложняет их изучение и характеристику. Нативным ядам обычно свойственны местное (сильная боль, воспаление, иногда некроз тканей) и общетоксическое действие (нарушение сердечной деятельности и дыхания, судороги, и др.).
Действующее начало яда брюхоногих моллюсков рода конус (Conus) – пептиды с нейротропной активностью. Лучше всего изучены пептиды (конотоксины) яда С. geographus. Они содержат 13–15 аминокислотных остатков с двумя дисульфидными связями (молекулярная масса 1500–2000). Конотоксины по характеру действия подобны постсинаптическим токсинам змей, но почти на порядок превосходят их по токсичности.
Среди пептидных токсинов бесхвостых амфибий (Anura) особый интерес представляют тахикинины, содержащиеся в ядах свистунов (р. Physalaemus), австралийских жаб (р. Uperoleia), квакш (р. Hyla) и др. Тахикины подобно брадикининам вызывают расширение кровеносных сосудов и падение артериального давления, но в отличие от последних приводят также к быстрому сокращению внесосудистой мускулатуры.

Из кожи Phyllomedusa sauvagei выделен новый класс сильных опиоидных пептидов – дерморфинов. Активность дерморфина (Туr – D(Ala – Phe – Gly – Туr – Pro – Ser – NH2) в 11 раз выше, чем у морфина, при этом токсин является уникальным примером включения D-аминокислоты в природную пептидную цепь.

Тем не менее, яды активно-ядовитых рыб имеют определенное значение, т. к. поражения ими купающихся и ныряльщиков достаточно часты – у побережья США за год до 750 случаев поражений скатом-хвостоколом. Помимо токсичных белков в состав ядов обычно входят биогенные амины и ферменты, например холинэстераза – у дракончика (Trachinidae), гиалуронидаза – у бородавчатковых (Synanceiidae), 5'-нуклеотидаза и фосфодиэстераза – у ската (U. halleri).

• 
  черви немертины – слизистый секрет Cerebratulus lacteus содержит нейро- и цитотоксины;
  
• 
  головоногие моллюски – осьминоги Eledone moschata и Е. aldrovandi продуцируют нейротоксин эледозин, С-концевая последовательность которого имеет сходство с медиатором болевых импульсов в спинном мозге;
  
• 
  чешуекрылые – пептид кайин (молекулярная масса 1000) бабочки медведицы токсичен для насекомых и теплокровных.
  

Выделяют две группы зоотоксинов непептидной природы:

1) низкотоксичные вещества, являющиеся минорными компонентами ядов белковой природы и основными составляющими многокомпонентных ядов небелковой природы;

2) высокотоксичные вещества, определяющие токсичность и характер физиологического действия яда.

Многие соединения первой группы (табл. 6) встречаются как в организме продуцента яда, так и реципиента. Токсический эффект этих соединений обусловлен избыточностью их концентраций после попадания в организм реципиента и наложением эффектов поражения различных тканей – мишеней.

Таблица 6

Соединения небелковой природы, входящие в состав ядов животных

Класс соединений	Животное
Биогенные амины	Муравьи, бабочки-пестрянки, амфибии, скорпионы, пауки, пчелы, кишечнополостные и др.
Серная кислота H2SO4	Моллюски
Синильная кислота HCN	Бабочки-пестрянки, многоножки Apheloria
Карбоновые кислоты (органический радикал C1-C4)	Муравьи
Сложные эфиры	Моллюски (р. Murex), каменные окуни
Аммониевые соли [RN(CHV)3]+C1(, где R = CH3S(CH2)3, (CH3)2S+CH2)3, Аr(СН2)2 и др.	Моллюски семейства Turbinidae, амфибии
Γ-аминомасляная кислота H2NCH2CH2CH2COOH	Пауки Atrax robustus
Гидрохиноны, хиноны, фенолы	Жуки-бомбардиры, многоножки
Сапонины	Морские звезды, голотурии
Нейротоксические алкалоиды, кардиотоксические стероиды	Амфибии
Конденсированные азотсодержащие гетероциклы	Немертины
Монотерпены, диалкилпиридины, индолы	Муравьи (Myrmica natalensis, Solenopsis richeri, Pheidole pallox)
Фурановые, гидрохиноновые и изонитрильные сесквитерпеноиды	Губки, моллюски
Ароматические бромиды	Губки
Полиолы, включающие фурановые циклы	Коралловые полипы

Соединения второй группы являются чужеродным для реципиента веществами. Наиболее активные представители этих токсинов представлены в табл. 4.

Палитоксин содержится в шестилучевых кораллах зоонтариях (р. Polythoa). Предполагается, что токсин продуцируется вирусом, находящимся в симбиозе с зоонтариями. Аборигены острова Таити и Гавайских островов используют зоонтарии для изготовления отравленного оружия.

Механизм действия обусловлен связыванием токсина с Nа+, К+-АТФазами клеток нервной ткани, сердца и эритроцитов. Образующиеся в местах связывания в цитоплазматических мембранах поры приводят к потере клетками К+ и Са2+ и гибели животных в результате сужения коронарных сосудов и остановки дыхания.

Батрахотоксин содержится в кожных железах бесхвостых земноводных из рода Phyllobates. Стойко и необратимо повышает проницаемость покоящейся мембраны для ионов Na+, блокирует аксональный транспорт. Противоядия к батрахотоксину не найдены до сих пор.

Тетродотоксин является ярким примером зоотоксина, характерного для разных неблизкородственных видов животных. Он содержится в коже жаб из рода Atelopus, яйцах калифорнийского тритона (Taricha torosa), слюнных железах осьминога (Hapalochlaena maculosa), моллюсках (Babylonia japonica), яичниках и печени рыб семейства иглобрюхие (Tetraodontidae). Из этих рыб готовят знаменитое и почитаемое в восточных странах блюдо «фугу». Тетродотоксин обладает мощным нейротоксическим действием – избирательно блокирует Na+-каналы в мембранах нервных окончаний, в связи с чем активно используется в научных исследованиях для изучения мембранной проводимости, строения рецепторов и плотности ионных каналов. В ряде стран на его основе производятся обезболивающие препараты.

Среди токсинов стероидной природы наибольшая активность характерна для ядов жаб и саламандр. Эти соединения по структуре близки агликонам сердечных гликозидов растений и так же обладают кардиотонической активностью. Примером токсичных стероидов является буфотоксин, содержащийся в кожном секрете обычных жаб. Его кардиотоническое действие связано с ингибированием активности транспортной АТФазы. По некоторым данным, помимо защитной функции соединение является феромоном тревоги.

Среди насекомых небелковые токсины продуцируются в основном жесткокрылыми, например кантаридин, содержащийся в жуках-нарывниках (сем. Melqidae), в частности в шпанской мушке (Lytta vesicatoria). Является ядом кожно-нарывного действия и одновременно афродизиаком. При попадании капель гемолимфы жуков-нарывников на кожу поражаются устья фолликул с образованием крупных волдырей, в случае поражений обширных участков кожи развиваются параличи.

В секреторной жидкости брюхоногих моллюсков – морских зайцев (сем. Aplysiidae) обнаружен аплизиатоксин, также обладающий кожно-нарывным и паралитическим действием.