Токсины животных и их практическое применение.

Факультет зоотехнии и биологии

Кафедра физиологии, морфологии и биохимии животных

РЕФЕРАТ

на тему: "Токсины животных и их практическое применение."

Выполнил

магистр 224 группы

Кравцова С. В.

Проверил

доц., к.б.н.

Метревели Т. В.

Москва, 2016

Содержание

Введение. 3

1. Действие токсинов и отравляющих веществ. 4

2. Токсины животных (зоотоксины) 5

a. Токсины белковой природы.. 6

b. Токсины небелковой природы.. 10

3. Практическое применение ядов животного происхождения. 14

Список литературы.. 16

Введение

Мир вокруг нас насыщен токсичными элементами и соединениями. Процесс эволюции привел к продолжающейся биологической борьбе между конкурирующими видами. В результате возникло огромное количество различных токсичных соединений — от сравнительно простых молекул до сложных белковых структур. Помимо этого процесс индустриализации привел к появлению миллиардов токсичных соединений, которые были намеренно созданы как потенциально токсичные для других видов, а в некоторых случаях — для нашего вида.

Более опасным аспектом является применение ядов и токсинов в качестве оружия или других форм насилия, таких как терроризм. Биологическое оружие не является новым видом оружия. В течение веков военные пытались использовать инфекционные болезни против неприятеля. В настоящее время люди расширили свои знания о возможностях токсинов и ядов, используемых в насильственных целях. Этот список включает помимо биологического оружия токсичные газы, ингибиторы холинэстеразы и природные токсины.

Любое природное или синтетическое соединение может причинить вред при избыточном воздействии. Точно определить такие термины, как «токсин», «зоотоксин» и «отравляющее вещество», невозможно, поскольку любое соединение может нанести вред при введении в большой дозе.

Помимо токсических, они могут иметь полезные эффекты. Токсины и зоотоксины обычно являются белками или полипептидами, вырабатывают их в основном позвоночные, а отравляющие вещества, как правило, представлены малыми молекулами. Беспозвоночные и растения также вырабатывают токсины; большинство растительных ядов — алкалоиды (азотсодержащие органические молекулы). Токсины, зоотоксины и отравляющие вещества по-разному влияют на нашу жизнь.

1. Действие токсинов и отравляющих веществ

Является ли соединение зоотоксином, токсином или отравляющим веществом — зависит главным образом от источника, а не от действия. Таким образом:

•      Токсинами изначально называют яды, вырабатываемые микроорганизмами, но сегодня этот термин широко используют и для других организмов (например, СО-конотоксины брюхоногих моллюсков);

•      Зоотоксины — это яды, вводимые от одного вида животных другому;

•      Отравляющие вещества — это природные или синтетические соединения, которые могут нарушить функции организма.

Токсины, зоотоксины и отравляющие вещества по разным причинам представляют опасность для человека. К ним относят:

•      природные токсины и отравляющие вещества, пероральные или ингаляционные (курение табака);

•      токсины, продуцируемые вирусами и бактериями;

•      токсины окружающей среды из природных источников;

•      промышленные токсины в окружающей среде;

•      зоотоксины;

•      отравляющие вещества, используемые в качестве боевого оружия или в терактах.

Давно замечено, что жизнь — это токсический процесс. Кислород, который настолько необходим для аэробной жизни, потенциально токсичен для всех тканей вследствие своей способности образовывать свободные радикалы, повреждающие биологические молекулы.

 Также необходимо помнить, что эволюция снабдила разными биохимическими и физиологическими механизмами защиты. Классическим примером является рвотный рефлекс в ответ на яды, поступившие с пищей и определенные рвотным центром в заднем поле ромбовидной ямки, который, активируясь, инициирует рвоту, очищая желудок от потенциально ядовитого содержимого. В этих отделах ЦНС отсутствует гематоэнцефалический барьер, поэтому они быстро чувствуют яды, циркулирующие в крови. Печень посредством CYP-ферментов, подобных ферментов в кишечнике и других органах обезвреживает поглощенные и циркулирующие яды. К сожалению, действие указанных механизмов направлено и против потенциально полезных биологических молекул, в частности лекарственных средств.

2. Токсины животных (зоотоксины)

Токсины животных, 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. Они тем самым 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.

Описано множество токсинов у наземных, водных беспозвоночных и у позвоночных животных, включая рыб, амфибий, рептилий и млекопитающих. 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, зу бов, 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.

a. Токсины белковой 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. 1.

Яды змей. 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.

По характеру действия на теплокровных животных яды змей подразделяются на две основные группы – нейротоксины (действуют на нервную систему) и гемотоксины (действуют на кровь).

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

Таблица 1

Сравнительная токсичность ядов различной природы

из разных групп животных

Яды паукообразныхизучены меньше, чем яды змей. 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.

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.

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.

Яды перепончатокрылых 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 жуков включают самый мощный зоотоксин – одноцепочечный полипептид диамфотоксин (молекулярная масса 60 кДа), содержащийся в личинках листоедов-диамфидий (Diamphidia locusta) распространенных в Африке. Токсическое действие диамфотоксина обусловлено образованием в мембране каналов для ионов К+ и Na+. Ядовитые свойства личинок диамфидий давно известны бушменам, которые использовали их для приготовления яда для стрел – одной стрелой можно убить жирафа массой до 500 кг.

Основные компоненты ядов кишечнополостных (медузы, коралловые полипы) – вещества белковой природы (нейро-, кардио-, гемо- и цитотоксины, ферменты, гистаминолибераторы, кинины). Обладая сложным составом, эти яды имеют очень широкий спектр токсического действия.

Яды брюхоногих моллюсков. У рода конус (Conus) действующее - пептиды с нейротропной активностью. Лучше всего изучены пептиды (конотоксины) яда С. geographus. 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.

 Белковые токсины ядовитых рыбобладают относительно невысокой токсичностью для теплокровных (табл. 6).

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).

Токсичные белки содержатся также в ядах организмов других систематических групп:

·                     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.

 b. Токсины небелковой природы

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. 2) 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 2

Соединения небелковой природы, входящие в состав ядов животных

Класс соединений	Животное
Биогенные амины	Муравьи, бабочки-пестрянки, амфибии, скорпионы, пауки, пчелы, кишечнополостные и др.
Класс соединений	Животное
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 на рис. 1 и в табл. 1.

Рисунок 1

Структура зоотоксинов небелковой природы

1 – палитоксин; 2 – батрахотоксин; 3 – тетродотоксин;

4 – буфотоксин; 5 – кантаридин; 6 – аплизиатоксин (R=Br)

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.

3. Практическое применение ядов животного происхождения

1. В медицине яды животных используются в качестве лекарственных средств. Например, препараты на основе ядов пчел и змей традиционно применяют как обезболивающие и противовоспалительные средства; на основе ядов жаб готовят стимуляторы сердечной деятельности, средства для лечения кровоизлияний и язв. В экспериментальной терапии токсины применяются для диагностики и моделирования некоторых заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем.

2. Научные исследования. Некоторые токсины животных оказались незаменимыми инструментами для исследования механизмов проведения нервного импульса и транспорта ионов через мембраны. Например, палитоксин трансформирует натриевую помпу мембран эритроцитов в небольшие поры, проницаемые для ионов натрия, калия и холина.

3. Сельское хозяйство. Некоторые природные токсины или их синтетические аналоги могут быть использованы в качестве биопестицидов. Например, на основе продуцируемого полихетами нереистотоксина, обладающего сильным нейротоксическим действием по отношению к насекомым, синтезирован и производится в промышленном масштабе инсектицид падан. Этот препарат токсичен для такого опасного фитофага, как колорадский жук, причем действуют и на такие расы насекомого, которые устойчивы к фосфорорганическим пестицидам.

Список литературы

1.            Куценко, С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. – М.: Фолиант, 2004. — 570 с. 

2.            Саловарова, В. П. Введение в биохимическую экологию : учеб. пособие / В. П. Саловарова, А. А. Приставка, О. А. Берсенева. – Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. – 159 с.

3.            Жоголев Д.Т., Келлер А.А. Опасные животные моря и некоторых районов суши. - М.: Воениздат, 1984. - 160 с.

4.            Баженов С.В. Ветеринарная токсикология. - Л.: Колос, 1964. - 375 с.

5.            Султанов М.Н. Укусы ядовитых животных. Клиника, патогенез, лечение и профилактика укусов змей и других ядовитых животных. - М.: Госиздат мед. лит., 1963. - 152 с.