RSS 
اگزوتوکسین,Exotoxins ,توکسین های باکتری,تولید توکسین,نروتوکسین

 

اگزوتوکسین (Exotoxins ) های باکتریایی

توکسین های باکتری ها را به طور کلی می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد.

 اندوتوکسین (Endotoxins) باکتریایی که از اجزای دیواره سلولی باکتریایی
مانند غشاء خارجی ،می باشد و پس از لیز باکتری ، به درون محیط آزاد می شود که بارز
ترین مثال آن لیپوپلی ساکارید
lipopolysaccharide (LPS)  باکتریایی در باکتری های گرم منفی می باشد که به
طور جداگانه به آن پرداخته ایم
.



دسته ی دیگر از توکسین های باکتریایی ، اگزوتوکسین (Exotoxins ) های باکتریایی هستند که به طور عمده از جنس پروتئین بوده و به درون محیط زندگی باکتری ترشح می شوند. که خود از لحاظ عملکرد و مکانیسم به چندین کلاس تقسیم بندی می شوند که در اینجا به شرح آن خواهیم پرداخت.توکسینو ژنسیز (Toxigenesis) به معنای توانایی تولید توکسین می باشد که در بسیاری از باکتری های پاتوژن این توانایی دیده می شود. اگزوتوکسین باکتریایی معمولاً به محیط کشت و یا میزبان ترشح می شوند اما باکتری هایی هستند که جهت آزاد سازی اگزوتوکسین تولید شده درون سیتوپلاسم سلولی باید لیز شوند مانند عامل دیفتری ، کورینه باکتریوم دیفتریا ، که تا زمانیکه لیز نشود توکسین تولید شده درون سیتوپلاسم آزاد نمی شود. همانطور که گفته شد اگزوتوکسین ها به طور عمده پروتئینی و گاهی اوقات قطعه ای پلی پپتیدی هستند. اگزوتوکسین ها اکثراً دارای فعالیت آنزیمی هستند و می توان آنها را آنزیم هایی در نظر گرفت که سوبسترای  (مواد اولیه مصرفی) آنها مواد حیاتی سلولی می باشد. برای مثال توکسین دیفتری که توسط باکتری کورینه باکتریوم دیفتریا(Corynebacterium diphtheriae ) تولید می شود چیزی جز یک آنزیم نیست که سوبسترای آن EF2 (Elongation factor-2)    سلول های بدن ما می باشد که این توکسین آنرا غیر فعال می کند . فاکتور EF2  یکی از فاکتور های اصلی پروتئین سازی در سلولها می باشد که پس از غیر فعال شدن سلول دیگر توانایی تولید آنزیم ، رسپتور ، پمپ های غشائی … و دیگر فراورده های پروتئینی سلولی را از دست می دهد.توکسین ها معمولاً در فاز لگاریتمی (Exponential growth) رشد باکتری ها ترشح می شوند و قاعدتاً هم از باکتری  های زنده تولید می شوند اما همانطور که گفته شد در برخی موارد مانند باکتری دیفتری ، توکسین پس از لیز باکتری در محیط آزاد می شود.تولید توکسین معمولاً برای باکتری ها اختصاصی است به طوریکه فقط کورینه باکتریوم دیفتریا تولید توکسین دیفتری می کند یا فقط کلستردیوم تتانی (Clostridium tetani )تولید توکسین تتانوس (tetanus toxin) می کند. در این میان فقط گونه های ویرولانت (بیماری زا) باکتری توانایی تولید توکسین دارند و گونه های غیر بیماری زا و در اصطلاح غیر ویرولانت (nonvirulent strains ) توانایی تولید توکسین را ندارند.زمانی تصور می شد که اگزوتوکسین فقط توسط باکتری های گرم مثبت تولید می شود اما امروز می دانیم که هم باکتری های گرم مثبت و هم باکتری های گرم منفی توانایی تولید توکسین را دارند.توکسین های باکتریایی جز کشنده ترین سموم شناخته شده می باشند به طوریکه تخمین زده می شود یک بطری نوشابه از سم باکتری کلستریدوم بوتولونیوم (botulinum Clostridium) می تواند تمام انسانهای رو زمین را از بین ببرد! در زیر جدولی از حداقل دوز کشنده سموم مختلف مانند سم مار ، سم استرکینین (یک نوع سم گیاهی) ، و اندوتوکسین باکتریایی (LPS) مشاهده می شود که کشندگی آنها را با برخی از اگزو توکسین های باکتریای بر رو موش مقایسه کرده است. به حداقل دوز کشنده توکسین کلستریدیوم بوتولونیوم توجه کنید !اسامی توکسین ها معمولاً به محل اثر توکسین برمی گردد برای مثال :انتروتوکسین (enterotoxin) بر روی روده و دستگاه گوارشی اثر می گذارد مانند انتروتوکسین E.coliنروتوکسین (neurotoxin) بر روی نرون ها و اعصاب اثر می گذارد مانند نروتوکسین شیگلا لوکوسیدن (leukocidin) که بر روی لوکوسیت ها اثر می گذارد مانند لوکوسیدن استافیلوکوکوس اورئوس همولیزین (hemolysin) که بر روی سلولهای گلبول قرمز خون اثر می گذارد مانند همولیزین استرپتوکوک پایوژنزسیتوتوکسین (cytotoxin )  که به روی دسته ی گسترده ای از سلول های بدن میزبان فعالیت توکسیسیته دارند و غیره…. که به خوبی محل اثر توکسین را بیان می کنند.توکسین هایی که باعث مرگ میزبان خود می شوند را توکسین های کشنده یا لتال توکسین می نامند (lethal toxins)برخی توکسین های باکتریایی ، توانایی تهاجم باکتری را افزایش می دهند مانند الاستاز یا هیالورونیداز یا کلاژناز که باعث تجزیه ماتریکس بین سلولی میزبان می شوند و باکتری به راحتی در بافت های میزبان گسترش می یابد که به چنین توکسین هایی به صورت کلی اینواسین (invasins ) هم گفته می شوند (یعنی فاکتور های تهاجم) برای مثال در مورد باکتری استافیلوکوکوس اورئوس الاستاز ، هیالورونیداز ، فیبرینولیزین (استافیلوکیناز) توکسین هایی هستند که ماتریکس بین سلولی باکتری ها را تجزیه می کنند و جز فاکتور های تهاجم و گسترش باکتری محسوب می شوند به اینواسین  های (invasins) این باکتری معروف هستند .توکسین های اثر کننده بر روی غشاء:(A  فسوفولیپاز و لستیناز : برخی توکسین ها با تجزیه اجزای غشاء سلولی میزبان موجب از بین رفتن این سلولها می شوند . برای مثال باکتری کلستریدیوم پرفرین جنز که عامل بیماری گاز گانگرن می باشد دارای توکسین لستیناز می باشد که لستین (فسفاتیدیل کولین) غشائ سلولی را به دی آسیل گلیسرول و فسفوکولین تجزیه می کنند . برخی دیگر از باکتری ها دارای توکسینی هستند که به عنوان یک فسوفولیپاز عمل کرده و موجب تجزیه فسفولیپید های دیواره سلولی باکتری ها می شود.(B توکسین های تشکیل دهنده ی پور در غشاء سلولی : دسته ی دیگری از توکسین های اثر کننده بر روی غشاء باکتری ها توکسین هایی هستند که در غشاء سلولی میزبان ایجاد حفره هایی پروتینی به نام پور (Pore) می کنند که خاصیت نفوذپذیری انتخابی سلول را از بین می برند و از آنجا که سیتوپلاسم سلولی دارای پتانسیل اسمزی بالاتری نسبت به محیط بیرون سلولی می باشد آب و الکترولیت ها به صورت کنترل نشده ای از طریق این کانال های ایجاد شده ، به درون سلول وارد شده و در نهایت سلول از بین می رود. این دسته از توکسین ها به نام توکسین های تشکیل دهنده ی پور معروف هستند (Pore-forming toxins ) که در ادامه بیشتر توضیح داده خواهند شد .برخی از خواص عمومی توکسین های باکتری ها : از آنجا که توکسین های باکتریایی از جنس پروتئین هستند در نتیجه بسیار ایمونوژن هستند و سیستم ایمنی را تحریک می کنند و در نتیجه این تحریک علیه آنها آنتی بادی اختصاصی ساخته می شود که موجب خنثی شدن توکسین می گردد. البته در شرایط این ویترو (in vitro) امکان دارد که آنتی بادی به طور کامل توکسین را خنثی نکند که این امر نشان می دهد که شاخص های آنتی ژنی توکسین الزاماً جایگاه فعال توکسین نیست. (برای مثال امکان دارد بخشی از توکسین که مسئول توکسیسته ی توکسین است ، در بخش فوقانی توکسین قرار داشته باشد و بخشی از توکسین که توسط آنتی بادی ها شناسایی می شود در بخش تحتانی توکسین قرار داشته باشد.)اما از آنجا که توکسین ها در شرایط این ویوو (in vivo) به صورت کامل توسط آنتی بادی های خنثی کننده ، خنثی می شوند نتیجه گرفته می شود که فاکتور های دیگری در ایمنی میزبان جهت خنثی کردن توکسین نقش ایفا می کنند.(شرایط این ویترو (in vitro) به شرایطی گفته می شود که یک آزمایش در شرایط آزمایشگاهی بررسی شود اما شرایط این ویوو (in vivo) به شرایطی گفته می شود که یک آزمایش در سیستم طبیعی موجود زنده بررسی شود ).توکسوئید : خاصیت توکسیسیته (سمیت) توکسین ها ناپایدار بوده و با گذشت زمان از توکسیسته ی توکسین ها کاسته می شود و در نهایت حذف می شود اما خاصیت آنتی ژنسیته ی آنها از بین نمی رود ، این موضوع اولین بار توسط باکتریولوژیست آلمانی پاول ارلیخ(Ehrlich, 1854_1915 Paul) مطرح شد . وی از واژه ی توکسوئید برای توکسینی که خاصیت توکسیسیته ی خود را از دست داده است استفاده کرد. در نتیجه توکسوئید همان توکسین غیر فعال شده می باشد که خاصیت تحریک ایمنی را دارا می باشد و به عنوان واکسن نیز به کار می رود برای مثال واکسن کزاز یا تتانوس (tetanus) از جنس واکسن های توکسوئیدی می باشد.جهت غیرفعال کردن توکسین و تولید توکسوئید ، ترکیباتی مانند فرمالین (به طور معمول) ، یدین ،پپسین ، اسید آسکوربیک … را بر روی توکسین اثر می دهند و ترکیب فوق را به مدت چند هفته در PH = 6_9 در دمای ۳۷ درجه نگهداری می کنند.همانطور که گفتیم توکسین ها چیزی جز آنزیم هایی که سوبسترای آنها اجزای بافت میزبان می باشد ، نیستند و در نتیجه خواص فیزیکی و شیمیایی آنها مانند دیگر آنزیم ها است به طوریکه در دمای بالا دناتوره (denatured by heat) می شوند ، نسبت به اسید و فعالیت پرولیتیک دیگر آنزیم ها حساس هستند، و دارای فعالیت اختصاصی علیه یک سوبسترای خاص می باشند.(specificity of action).توکسین هایی با ساختار (A+B) : (A plus B Subunit Arrangement)بسیاری از توکسین های باکتریایی و بطور خاص آنهایی که بصورت درون سلولی بر روی سلول ها اثر می گذارند داراری ساختاری دو قسمتی هستند که این ویژگی را به توکسین می دهند که به درون سلول میزبان وارد شوند و از شرایط اسیدی درون فاگوزوم ها فرار کرده و به سیتوپلاسم سلول دسترسی پیدا کنند و در آنجا اثر خود را اعمال کنند.این نوع توکسین ها از دو قسمت تشکیل شده اند :(subunit A) ساب یونیت A : این قسمت از توکسین هایA+B بخش فعال توکسین می باشد که مسئول فعالیت توکسین می باشد برای مثال غیر فعال کردن فاکتور E2F توسط توکسین دیفتری به وسیله ی ساب یونیت A این توکسین صورت می گیرد.(حرف Aبرگرفته از کلمه ی Active به معنای فعال می باشد).(subunit B) ساب یونیت B : این قسمت از توکسین های A+B مسئول اتصال توکسین به رسپتور مخصوص بر روی سلول میزبان می باشد و پس از اتصال این ساب یونیت به سلول، بخش A از توکسین را از درون غشاء عبور می دهد و به درون سیتوپلاسم وارد می کند.(حرف B برگرفته از کلمه ی Binding به معنای اتصال می باشد).جهت فعال بودن توکسین لازم است که ساب یونیت A از توکسین از ساب یونیت B جدا شود . همچنین هیچکدام از بخش ها به تنهایی توانایی ایجاد توکسیسته علیه سلول را دارا نیستند به طوریکه اگر بخش A که مسئول فعالیت توکسین است را به طور جداگانه به موجود زنده تزریق کنیم اثر توکسیسته ای اعمال نمی کند و همینطور در مورد بخش B به طوریکه اگر در شرایط آزمایشگاه این بخش رابه میزبان تزریق کنیم فقط رسپتور های سلول میزبان را اشغال می کنند و فعالیت توکسیسته ای ندارد.انواع توکسین های با ساختار (A+B) :توکسین هایی با ساختار A+B : هرگاه توکسینی را به صورت A+B نشان دهند این به این معنا است که توکسین به صورت دو بخش مجزا و جدا از هم سنتز و به بیرون ترشح می شوند. در این نوع توکسین ها بخش B پس از تولید و ترشح به بیرون به رسپتور خاص خود در سطح سلول های میزبان اتصال پیدا می کند. بخش A نیز پس از تولید و ترشح به بیرون ، از مجاورت سلول های میزبان عبور می کند اما توانایی ورود به سلول های میزبان را ندارد تا اینکه به سلولی برسد که به سطح آن بخش B اتصال یافته است در این هنگام به بخش B اتصال می یابد و سپس توسط آن از غشاء سلول میزبان عبور می کند و وارد سلول می شود. توکسین هایی با ساختار A_B : هرگاه توکسینی را به صورت A_B نشان دهند این به این معنا است که بخش A و بخش B توکسین باکتری به صورت جداگانه تولید می شوند اما هنگام ترشح به بیرون توسط پیوند های غیرکوالانتی (noncovalent bonds) به هم اتصال پیدا می کنند . این گونه توکسین ها به صورت متصل به هم به بیرون از باکتری ترشح می شوند و در نتیجه به صورت متصل به هم به سطح سلول اتصال می یابند و بخش B پس از اتصال ، بخش A را به درون سلول انتقال می دهد. هر گاه توکسینی را به صورت A_B5 نشان دهند این به این معنا است که توکسین از یک ساب یونیت A و از ۵ ساب یونیت B تشکیل شده است. برای مثال توکسین بوردتلا پورتوسیس به صورتA_B5 می باشد.توکسین هایی با ساختار A/B : هرگاه توکسینی را به صورت A/B نشان دهند این به این معنا است که توکسین به صورت یک پروتئین واحد تولید می شود که از دو دومین A و Bتشکیل یافته است که بعد ها توسط فعالیت پروتئولیتیک آنزیمی از یکدیگر جدا شده و به صورت فعال در می آیند.نحوه ی اتصال و ورود توکسین به درون سلول میزبان:(Attachment and Entry of Toxins)حداقل دو نوع مکانیسم ورود توکسین به درون سلول میزبان وجود دارد۱٫ ورود مستقیم: (Direct entry) : در این مکانیسم بخش B از توکسین به رسپتور خاص خود در سطح سلول میزبان اتصال می یابد و پس از آن درون غشاء سلول میزبان یک پور (Pore) ایجاد می کند و بخش A را از حفره ایجاد شده درون غشا (Pore) به درون سلول انتقال می دهد.۲٫ ورود توسط اندوسیتوز وابسته به رسپتور (Receptor-Mediated Endocytosis): در این مکانیسم که به (RME) نیز معروف است رسپتوری که توکسین به آن متصل می شود به سلول اندوسیتوز را القاء می کند و سلول توکسین را اندوسیتوز می کند و به صورت یک اندوزوم توکسین را به درون سلول وارد می کند. در واقع عملی که در اینجا اتفاق می افتد شبیه به فاگوسیتوز می باشد و می توان گفت که توکسین پس از اتصال به سطح سلول میزبان به درون سلول فاگوسیته می شود. در این هنگام یون هایH+ به درون اندوزوم وارد می شوند و PH درون اندوزوم به سرعت پایین می آید که این امر نمی تواند باعث از بین رفتن توکسین شود! شرایط اسیدی تولید شده بخش B را از بخش A جدا می کند که در این فرآیندِ جدا شدن بخش A از درون غشاء عبور داده می شود و به سمت سیتوپلاسم سلول آزاد می شود. اما بخش B درون اندوزوم باقی می ماند و از طرف دیگر سلول خارج می شود(در انتهای معرفی توکسین ها، توکسین دیفتری را که از این مکانیسم جهت ورود به درون سلول استفاده می کند به عنوان مدلی برای این نوع ورود به درون سلول شرح خواهیم داد. ) بخش B توکسین هایی از این قبیل دارای یک دومین هیدروفوبیک (آبگریز) می باشند که به خاطر همین خاصیت هیدروفوبیک می تواند درون غشاء نفوذ کند . این دومین هیدروفوبیک از بخش B توکسین را دومین T می نامند (حرف T برگرفته از کلمه یTranslocation می باشد) که در ادامه نقش آن به خوبی شرح داده خواهد شد.در زیر تصویری دیفتریا توکسین (توکسین کورینه باکتریوم دیفتریا) نشان داده شده است همان طور که مشاهده می شود ساب یونیت B این توکسین دارای ۲ دومین اصلی می باشد که دومین B جهت اتصال و دومین T جهت انتقال بخش A به درون سلول عمل می کنند. همانطور که توضیح داده شد دو مکانیسم عمده جهت ورود توکسین به درون سلول وجود دارد برخی از توکسین های باکتریایی این توانایی را دارند که از هر دو مکانیسم جهت ورود به درون سلول استفاده کنند مانند توکسین دیفتری که در زیر مکانیسم ورود این توکسین به درون سلول را به روش (RME) را توضیح می دهیم.همانطور که در شکل فوق نشان داده شده است مکانیسم عملکلردی این توکسین را به چهار مرحله کلی تقسیم کرده ایم که به ترتیب توضیح خواهیم داد.۱). دراین مرحله توکسین توسط دومین B (از بخش B توکسین) به رسپتور موجود در سطح سلول که در اینجا گیرنده های هپارین هستند (heparin-binding protein)متصل می شود.۲).سپس اندوسیتوز القاء می شود و توکسین درون یک اندوزوم به درون سلول وارد می شود.۳). سلول جهت از بین بردن توکسینی که اندوسیته کرده است درون اندوزوم را اسیدی می کند. PH کاهش می یابد اما نه تنها توکسین از بین نمی رود بلکه این شرایط اسیدی موجب می شود که دومین T (از بخش B توکسین) از مرکز پروتئین توکسین خارج شود و به صورت فعال در آید.۴). گفتیم که دومین T توکسین هیدروفوب است در نتیجه به راحتی درون غشاء لیپیدی اندوزوم وارد می شود و بخش A توکسین را از درون غشاء به درون سیتوپلاسم انتقال می دهد.از اینجا به بعد بخش A فعالیت توکسیسیته ی خود را اعمال می کند که در مورد توکسین دیفتری به صورت زیر است: همانطور که گفتیم توکسین ها نیز آنزیم هستند اما سوبسترای آنها اجزای سلولی می باشد ، در اینجا نیز سوبسترای این توکسین EF2 (Elongation factor 2) می باشد که یکی از فاکتور های مهم در فرآیند تولید پروتئین درون سلول می باشد. این توکسین از ملکولِ NAD ترکیب ADP ریبوز را جدا می کند و ADP ریبوز بهE2F متصل می کند که این امر موجب غیر فعال شدن E2F ،این فاکتور مهم پروتئین سازی می شود. از آنجا که میزان E2F درون سلول بسیار کم است ، در نتیجه سلول از این فرآیند به شدت آسیب می بیند و از بین می رود.جالب است بدانید که اگزوتوکسین A از باکتری سئودوموناس آئروجینوزا نیز مکانیسم کاملاً مشابه با توکسین دیفتری دارد. اما شاید این سوال پیش آید که پس چرا توکسین دیفتری اثرات گسترده تری روی بافت های بدن انسان نسبت به اگزوتوکسین Aس.آئروجینوزا دارد و میزان مرگ و میر توکسین دیفتری بسیار بیشتر می باشد؟علت آن تفاوت در بخش B توکسین های فوق می باشد بطوریکه بخش B از توکسین دیفتری به طیف گسترده ای از سلول های بدن ما متصل می شود مانند رسپتور های قلب، کبد ، کلیه ، فوق کلیه ، چشم ها ، … اما در مورد اگزوتوکسین A از باکتری س.آئروجینوزا رسپتور های کمتری بر روی سلول ها برای این توکسین وجود دارد و طیف سلول هایی را که در گیر می کند کمتر از توکسین دیفتری می باشد.مورد مشابه ای را در مورد توکسین LT باکتری E.coli یا (ETEC) و توکسین Vibrio cholerae مشاهده می کنیم که همانطور که می دانید شدت اسهالی که باکتری Vibrio cholerae تولید می کند بسیار شدیدتر از اسهالی است که توسط باکتری E.coli یا(ETEC) تولید می شود این در حالی است که بخش A از هر توکسین هر دو باکتری شبیه به هم عمل می کنند. اما بخش B توکسین Vibrio cholerae به طوری بسیار موثرتر و گسترده تری به گیرنده های GM1 متصل می شود.در جدولی که در زیر مشاهده می کنید مثال هایی از توکسین های مهم باکتریایی آورده شده است که در ستون سمت چپ نام توکسین ، در ستون وسط فعالیت آنزیمی بخش A توکسین و در ستون سمت راست مکانیسم عملکردی توکسین وتاثیر آن را بر روی میزبان شرح داده شده است. توکسین ها تشکیل دهنده پور (حفره) 🙁 Pore – forming Toxins )همانطور که در ابتدای همین بحث توضیح دادیم این نوع از توکسین ها با ایجاد یک حفره در غشاء سلولی باعث از بین رفتن خاصیت نفوذپذیری انتخابی سلول میزبان می شوند و در نهایت سلول بر اثر جذب آب بیش از حد از محیط ، متلاشی می شود. واحد های تشکیل دهنده ی این نوع توکسین ها دارای خاصیت (self-assemble) هستند به این معنا که توانایی اتصال به یکدیگر را به صورت خود به خود و بدون صرف انرژی دارا هستند . باکتری به میزان زیادی شروع به ساخت و ترشح واحدهای تشکیل دهنده ی این نوع توکسین می کند، پس از اتصال این واحد ها به سطح غشاء سلولی میزبان ، درون غشاء سلولی میزبان فرو می روند و پس از آن دیگر واحدهای تشکیل دهنده ی توکسین به آنها اتصال می یابند و در نتیجه یک ساختمان حلقوی شکل بوجود می آورند که به آن پور می گویند که خاصیت نفوذ پذیری انتخابی سلول میزبان را از بین می برد و سلول لیز می شود . در شکل زیر نحوه ی (self-assemble) شدن واحدهای تشکیل دهنده ی این نوع توکسین ها و در نهایت تشکیل توکسین نشان داده شده است.  در جدول زیر تعدادی به تعدادی از توکسین ها ی تشکیل دهنده ی پور اشاره شده است.  در اینجا بحث توکسین های باکتریایی به اتمام می رسد اما لازم به ذکر است که بسیاری از ترکیبات باکتریای وجود دارند که به عنوان توکسین عمل می کنند اما از آنجا که این نوع از ترکیبات به حالت پروتئینی تولید و ترشح نمی شوند در این دسته بندی قرار نمی گیرند اما در مبحث باکتری شناسی پزشکی در مورد هر باکتری ذکر خواهند شد. به عنوان مثال از این نوع توکسین ها می توان به سیتوتوکسین تراکئال (tracheal cytotoxin) بردتلا پرتوسیس (Bordetella pertussis) (عامل بیماری سیاه سرفه) اشاره کرد که جزئی از پپتیدوگلیکان دیواره سلولی این باکتری بوده و باعث از بین رفتن سلول های مژه دار مجرای تنفسی می شود  

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *