Природные яды

Пчелиный укус обладает большой образовательной ценностью.
Гарт Никс

Сегодня, когда мы думаем о токсичных веществах, в первую очередь на ум приходят синтетические соединения. Но, чтобы лучше узнать токсины, создаваемые человеком, для начала стоит рассмотреть природные яды. Эти вещества делятся на две основные группы: первые попадают в организм при контакте хозяина и жертвы (чаще это яды растительного происхождения), а вторые вводятся с помощью жал или зубов животных.

На Земле существует более 400 000 видов растений, содержащих потрясающее разнообразие органических веществ. Неудивительно, что некоторые растения содержат вещества, ядовитые для животных или человека, которые захотят полакомиться ими. Действительно, даже те растения, которые мы привыкли считать безвредными, могут содержать токсины: их можно обнаружить либо в тех частях растения, которые мы не едим, либо в неправильно приготовленных блюдах из них. Например, в яблочных семечках, персиковых и вишневых косточках содержатся цианогликозиды, из которых при взаимодействии с ферментом b-гликозидазой образуется крайне ядовитая синильная кислота. Цианогликозиды можно обнаружить также в листьях и семенах многих других плодовых культур, но в съедобной мякоти содержатся лишь следовые количества этих потенциально опасных соединений. Однако в корнеплодах маниока, культуры, которая представляет собой важный источник углеводов для более 500 млн человек, содержится достаточно большое количество цианогликозидов. Чтобы не получить отравления цианидом, необходимо перед употреблением правильным образом обработать корнеплоды.

Поедание ядовитых растений может вызывать самые разные токсические реакции, что, конечно же, зависит от конкретной химической природы токсина. Эти реакции могут быть относительно легкими и ограничиваться, к примеру, кишечным расстройством, а могут представлять реальную опасность для жизни, как в случае с маниоком. Эффект может быть практически мгновенным или же накапливаться со временем. Так, например, овощные культуры из семейства крестоцветных, или капустных (брокколи, брюссельская, белокочанная, цветная капуста и прочие), содержат достаточно много тио– и изоционатов, веществ, которые мешают поступлению йода в щитовидную железу, а долговременный недостаток йода может вести к развитию зоба.

Растения в ходе эволюции обзаводились токсинами по разным причинам, в том числе для противостояния болезнетворным организмам, например грибам, и для предотвращения поедания травоядными животными, в том числе человеком. Поскольку травоядные животные часто поедают листья или стебли, а не все растение целиком, неприятный гастрономический опыт вполне способен заставить их переключить свое внимание на какую-то иную растительную пищу.

В отличие от травоядных животных, которые съедают обычно лишь небольшую часть растения, многие хищные животные съедают свою добычу целиком; поэтому яды, служащие их потенциальным жертвам для защиты, часто приводят к куда более серьезным последствиям, чем простое кишечное расстройство. Чтобы хищникам было неповадно, животные яды должны оказывать действительно мощное воздействие. Так, например, яд, содержащийся в слизи на коже лягушек-древолазов или в мясе рыбы-ежа, вполне способен не просто убедить хищника предпочесть другой источник пищи, но и убить его.

В природе химическая гонка вооружений достигла своего апогея в изобретениях ядовитых животных, которые не просто содержат токсины в своих тканях, а обзавелись специальными анатомическими приспособлениями для того, чтобы вводить эти токсины непосредственно в организм других животных. Такие яды делятся на четыре типа: цитотоксины, уничтожающие клетки; протеолитики, разрушающие ткани вокруг места укуса на молекулярном уровне; гемотоксины, наносящие вред сердечно-сосудистой системе; и нейротоксины, поражающие нервную систему и мозг.

Некоторые насекомые (осы, муравьи, пчелы) и рыбы (крылатка) используют яды, вводимые в организм противника, для защиты, но другие животные, например рыбоядные моллюски-конусы, пауки и змеи, применяют их для обездвиживания жертвы. Эти яды обычно представляют собой сложную смесь веществ, которая способна оказывать на жертву разностороннее воздействие. Классический пример животного яда – это змеиный яд, о котором мы и поговорим сейчас.

Змеиный яд

Змея – безногое и относительно медленно перемещающееся животное, поэтому для охоты на гиперактивных грызунов (крыс или мышей) ей необходимы какие-то особые приспособления. Неядовитые змеи ловят быструю и иногда опасную (мыши и крысы могут кусаться!) добычу благодаря засадной тактике и большой силе. Удавы не используют яд, а, укусив добычу, мгновенно обвивают ее кольцами и сдавливают, препятствуя дыханию и кровообращению. Ядовитые змеи ведут себя несколько иначе: быстро введя в жертву яд, они должны просто ждать, пока та умрет или потеряет способность к движению.
Змеиный яд – это модифицированная слюна, накапливающаяся в особом органе и усиленная рядом токсичных белков. Эти белки достаточно разнообразны (их как минимум 25), но действие всех змеиных ядов можно разделить на две основные категории: нарушение кровообращения и нарушение электрических связей между нервной системой и мышцами. Так, яд американских ямкоголовых змей (например, гремучников) обычно влияет на кровообращение, а яд азиатских крайтов и африканских мамб нейротоксичен.

С точки зрения токсикологии укус гремучей змеи, если она решает ввести в жертву весь свой запас яда, – крайне неприятная вещь. В большинстве случаев он приводит к потере крови в результате разрыва эритроцитов и вторичного кровотечения. Из-за этого также наступает понижение артериального давления и шок. Белки змеиного яда разрушают не только эритроциты, но и другие ткани. Вокруг места укуса возникает посинение и почернение, отек, ткани могут быть необратимо деформированы, к тому же, укус сопровождается очень сильной болью.

Укус настоящей гадюки, яд которой содержит нейротоксин, выглядит не так страшно – но во многих случаях оказывается летальным. Нейротоксины поднимают планку химической войны в организме животного на совершенно иной уровень. Чтобы до конца понять, как это происходит, нужно вспомнить, как мышцы и нервы проводят электрические сигналы.

Электрические сигналы и их распространение: ахиллесова пята

Электрические сигналы возникают в головном мозге и спускаются дальше по спинному. Оттуда они передаются мышцам через отростки нервных клеток – аксоны. Аксон – это своего рода живой провод, передающий электрические импульсы от спинного мозга к мышцам, которые могут находиться на довольно большом расстоянии от него.

Электрический сигнал, передаваемый моторными нейронами (нервными клетками, посылающими сигналы к мышцам) так же прост, как азбука Морзе. Только вместо точек и тире в нем есть, по сути, одни точки. Возможно, лучше сравнить его с двоичным компьютерным кодом, где сигнал может быть только «1» или «0». Нервный сигнал – это результат потока ионов, и он одинаков практически у всех животных. «Точка» электрического сигнала создается скачком напряжения, за которым следует возвращение к исходному состоянию. В проводящей ткани сигналом служит изменение полярности – или заряда – клеточной мембраны. В состоянии покоя на мембране аксона имеется небольшой отрицательный заряд; при возникновении сигнала (потенциала действия) по мембране проходит положительный заряд.

Потоки ионов изменяются при возникновении потенциала действия – это результат открытия и закрытия ионных каналов. В состоянии покоя концентрация положительно заряженных ионов натрия снаружи аксона примерно в 12 раз выше, чем внутри, а концентрация положительно заряженных ионов калия примерно в 40 раз выше внутри, чем снаружи. Поэтому при возникновении потенциала действия ионно-специфические каналы открываются, и в аксон попадает натрий. Когда потенциал действия заканчивается, открываются каналы, по которым из аксона выходит калий. Изменения содержания ионов внутри и снаружи аксона во время единичного потенциала действия на самом деле невелики, но при быстрых движениях (например, во время марафонского забега) количество отдельных потенциалов, посылаемых по моторным нейронам к мышцам ног, настолько огромно, что общий приток натрия и отток калия может начать снижать градиент концентрации. Постоянная разница концентрации ионов внутри и снаружи клетки поддерживается благодаря работе натриево-калиевого АТФ-насоса, который выкачивает натрий из клетки и закачивает в клетку калий с затратой энергии.

В нервном окончании, где утолщенный конец аксона переплетается с мышечным волокном, существует еще несколько белков, участвующих в межклеточных взаимодействиях, необходимых для скоординированного движения. Электрический сигнал – потенциал действия, который преодолел весь путь от тела нейрона, расположенного в спинном мозге, к окончанию аксона, – слегка изменяется, так что вместо притока в клетку натрия происходит приток кальция. Эти ионы, в свою очередь, способствуют высвобождению пузырьков (везикул) из аппарата Гольджи, находящегося в кончике аксона. Везикулы представляют собой сферы, окруженные двойной липидной мембраной, внутри которых содержится белковый «бульон».

Высвободившись из аппарата Гольджи, пузырьки мигрируют к мембране нервного окончания и выбрасывают свое содержимое в наполненную жидкостью щель между оболочкой нейрона и мембраной мышечного волокна. Практически у всех животных эти пузырьки заполнены ацетилхолином, который затем, преодолевая щель между нервным окончанием и мышечным волокном, связывается с рецептором на мембране последнего. При стимуляции в ацетилхолиновом рецепторе открывается канал, по которому через мембрану мышечного волокна может проходить натрий, так что электрическая «точка», переданная по нейрону, начинает вторую часть своего путешествия уже по волокну, что в конечном итоге вызывает его сокращение.

Последнее в этой цепочке событий – выключение электрического сигнала. Ацетилхолин обратимо присоединяется к холинэстеразному рецептору и после его активации может высвобождаться снова. Однако, если молекула ацетилхолина остается в синапсе (пространстве между мембранами нейрона и мышечного волокна) неиспользованной, она может реактивировать рецептор. Чтобы окончательно отключить это сигнальное вещество, требуется еще один белковый фермент, ацетилхолинэстераза. Он находится в мембране мышечного волокна. Ацетилхолинэстераза расщепляет молекулу ацетилхолина на ацетат и холин, и, таким образом, рецептор больше не может активироваться.

Если рассматривать всю систему в целом, для возникновения и проведения потенциала действия, стимулирующего скоординированное движение мышц, требуется ни много ни мало шесть белков. Для того чтобы произошло движение, необходима совместная работа натриевых, калиевых и кальциевых каналов, натриево-калиевого насоса, ацетилхолинового рецептора и ацетилхолинэстеразы. Хотя эта система превосходно настроена и универсальна для всех животных, она все же представляет собой «ахиллесову пяту» процесса движения. Вещества, способные нарушить функции любого из этих белков, могут вызвать не только нескоординированные спазмы и тремор, но и быструю гибель при воздействии на мышцы, задействованные в дыхании и кровообращении (сердце). Так что чем элегантнее система, тем проще устроить в ней «засор».

Засор в трубах

Как мы уже говорили, змеи – это медлительные засадные хищники, охотящиеся на быструю и опасную добычу. Чтобы уравнять шансы, змеи с нейротоксичным ядом вводят жертве вещества, препятствующие коммуникации между нервной и мышечной системами. Укушенная крыса или мышь теряет контроль над своими движениями, так что змее становится легко схватить и проглотить ее. Интересно, что разные змеиные нейротоксины влияют на разные белки и процессы нейромышечного соединения. Например, один из токсинов крайта (а-бунгаротоксин) необратимо освобождает ацетилхолиновые рецепторы, в то время как другой (b-бунгаротоксин) блокирует высвобождение везикул с ацетилхолином из аппарата Гольджи. Яд черной мамбы содержит нейротоксин, который, наоборот, присоединяется к ацетилхолиновым рецепторам, не давая ацетилхолину связываться с ними.
Химическая гонка вооружений – прерогатива не одних лишь змей. Например, улитки-конусы из засады нападают на рыбу, пронзают ее своим выдвижным хоботом и вводят конотоксин, блокирующий приток кальция к нервным окончаниям. Но яд есть не только у хищников. Лягушки-древолазы из тропиков Южной Америки выделяют эпибатидин поверхностью кожи. Этот токсин блокирует ацетилхолиновые рецепторы хищника, рискнувшего напасть на лягушку, блокируя связи между нейронами и мышцами. В растении рода стробантус содержится уабаин, способный инактивировать натриево-калиевый насос. Грибы рода Anabella производят кураре, токсин, блокирующий ацетилхолиновые рецепторы. Токсины можно найти даже у бактерий: ботулотоксин А, продуцируемый бактериями Clostridium botulinum, считается одним из самых сильных известных ядов. Любое воздействие этого вещества, даже в концентрациях порядка нанограмма на литр, смертельно, так как препятствует высвобождению ацетилхолина из нейронов.

Первые яды, с которыми познакомился человек, были природными. Некоторые из них обладают грубым действием, просто разрушая клетки и ткани, но другие более хитроумны и точны. Яды, поражающие тонко организованную нервную систему животных, нарушая работу одного или более простых белков, вызывают драматические последствия.

Отрывок из книги Алана Колока "Современные яды: Дозы, действие, последствия"