微生物毒素

微生物之剑—毒素寻找毒素细菌毒素分类和命名某些代表性的内毒素细菌毒素的作用机制细菌毒素的应用肉毒毒素的临床应用毒素在生物医学中的应用真菌毒素真菌毒素概述主要的真菌毒素几种最主要的真菌毒素黄曲霉毒素展青霉素赭曲霉毒素镰刀菌毒素容易被真菌毒素污染的食物预防措施真菌毒素的去毒寻找毒素中毒，是我们经常遇到的事情。除了某些无机化合物如氰化钾、砒霜以外，大部分都是来自生物毒素，而微生物毒素是最常见的。例如食物中毒绝大部分是细菌毒素或真菌毒素引起的。当前，作为病原菌致病的主要因素，以及作为癌症的重要诱发因子，细菌和真菌毒素的研究和在食品中的监控，受到高度重视。在古代，中毒事件频频发生，历史记载很多。例如我国传说中的神农尝百草，一日遇70毒的故事。公元前600年中亚的亚述人在画像砖上也曾记载了食用裸麦发生麦角中毒的事件。不过，当时并不了解毒素来自何方，更不清楚是些什么物质。人类在实践过程中对有毒动植物，从感性认识提高到理性认识经历了漫长的时间。由于自然灾害和战争常迫使人们“饥不择食”，食物中毒事件经常发生。1770-1780年，英国人移民到美国东北的新英格兰地区后，人丁不兴旺，有人认为是吃了真菌毒素污染的裸麦面包所致。后来改吃小麦面包，并加强了食品卫生监督以后，麦角中毒就不再成为公共卫生问题了。但1926年在俄罗斯，1929年在爱尔兰，1953年在法国，1979年在埃塞俄比亚，都发生了大规模的麦角中毒。历史上最严重的真菌毒素中毒事件发生在俄罗斯的西伯利亚。当时正值第二次世界大战，劳动力非常缺乏，田间粮食不能及时收割，次年春天，饥民食用了被污染的麦，发生了大规模真菌毒素中毒，其中阿木尔州10万居民就死了l万多人。对微生物毒素的科学研究开始于19世纪后期。人类发现的第一种细菌毒素是白喉毒素。当时，白喉是一种严重危害人类健康的传染病，病人咽喉部长出灰白色膜，致使呼吸困难和心肌发炎而死亡。1883年Theodor,Klebs，1884年Friedrich,Loeffler相继成功分离和培养了病原菌白喉棒杆菌，1888年Emil,Roux和Alexandre,Yersin分离出白喉毒素。后来德国细菌学家科赫的学生Richard,Pfeiffer在研究霍乱弧菌感染的发病机理时，发现该菌可产生两种具有不同性质的毒性物质，一种为由活菌合成并释放出来，对热敏感的蛋白质成分即外毒素（exotoxin）；另一种为对热抵抗，并且只有当细菌崩解后才能释放出来的非蛋白质成分，他将后一种毒性物质称为内毒素（endotoxin）。在此后的约50年中，随着弄清细菌致病性和传染病病原以及对人及动物免疫预防等的研究一起，继白喉毒素后又发现了许多种毒素，现在发现的细菌毒素有200多种。第二次世界大战时开始从分子水平研究毒素的生化作用，发现产气荚膜梭菌毒素是一种磷脂酶；20世纪50年代以后，在美、英、法、日等国形成了专门从事细菌毒素研究的小组。发现炭疽毒素由3个不同部分（水肿因子、保护性抗原和致死因子）组成，接着，英、美和法国等学者对炭疽毒素开展了多方面的研究。1959年证实霍乱的致病因子是不耐热肠毒素，17年后，分离和提纯出了霍乱肠毒素（CT），证实霍乱毒素的分子组成，从此许多对人畜致病的重要毒素相继分离出来；20世纪70年代以后，生物合成、免疫学、细胞和分子生物学等方面的大量科学家被吸引到毒素研究方面来，不仅微生物毒素研究取得了重大成就，也对现代生物学做出了重要贡献。关于真菌毒素，虽然对蘑菇中毒的认识已延续了数千年，科学研究也开展得较早，但受到特别重视，是在20世纪60年代初。当时，在英国东南部一些农场中，有大约10万只火鸡不明原由地突然死亡，一时间在人群中造成了恐慌和不安。后来经过食品、毒理和细菌学方面专家的通力合作，终于找出了引起火鸡大批死亡的原因：他们从喂养火鸡的玉米粉中分离出一种前所未知的由黄曲霉菌产生的毒素，命名为“黄曲霉毒素”。从此，对真菌毒素的研究在全世界活跃地开展起来。黄曲霉毒素的毒性被列为极毒级毒素。按每公斤体重喂饲小于1或等于1毫克的黄曲霉毒素，就能够使一半的试验动物死亡。其毒性比人们熟知的剧毒药氰化钾要强10倍；比眼镜蛇、金环蛇的毒汁还要毒；比剧毒的农药1605、1059的毒性还要强28-33倍。黄曲霉毒素的毒性主要是对肝脏的损害，所以，属于肝毒性毒素。即使我们平常通过进食米饭所摄入毒素量很少，时间稍长仍可引起慢性中毒。临床表现为食欲不振，体重下降，逐渐进入肝细胞变性、坏死，进一步生成肝肿瘤；而大量摄入则形成急性中毒：肝功能被破坏，出现肝昏迷并致人死亡。黄曲霉毒素除了可致肝癌外，还可能引发前胃乳头癌、肾小管腺瘤、泪腺癌、垂体腺瘤和纤维组织肿瘤等。黄曲霉毒素能使植物和动物细胞染色体发生畸变，使细胞发生突变，因此会对后代产生不良影响，使胎儿发生畸形。分类和命名细菌毒素种类很多，而且，科学家们还在以相当快的速度陆续发现新的毒素。随着生物医学技术的发展，许多毒素的致病性及致病机理逐步弄清。毒素之间还有复杂的关系。除了分成内毒素和外毒素两大类外，对毒素的分类还有各种方法。因为外毒素的危害远比内毒素强，所以以下分类主要是指外毒素。1）根据寄主细胞和靶器官类型分类。可以按照毒素作用的寄主细胞和靶器官类型分类，例如：细胞毒素、作用于神经细胞和器官的神经毒素和白细胞毒素；也可以根据产生毒素的微生物命名，像绿脓杆菌产生的毒素就叫绿脓外毒素A；或根据毒素所致疾病的名称命名，如霍乱毒素、痢疾毒素和破伤风毒素等。2）根据毒素的结构和功能分类。根据外毒素的结构和功能可分为3个类型：A—B毒素、膜损伤毒素和超抗原毒素。A—B毒素。毒素由A、B两个部分构成，多数细菌毒素属于此类。A部分具酶活性，B部分起结合作用，A—B部分之间的结合可用酶切开，但两部分仍以二硫键(一S—S一)连接。A部分进人到寄主细胞时，一S—S一键打断，A部分与B部分脱离，B部分进入细胞质中。膜损伤毒素。该类毒素也有两种不同作用机理，一种为蛋白质毒素插入到寄主细胞质膜，形成腔或孔直接同细胞质连接。因为细胞内细胞质的渗透压比外环境高，寄主体内组织中的水便会通过腔或孔大量涌入寄主细胞内，使细胞膨胀，甚至破裂。另一种损伤膜的毒素主要是酶类，例如磷脂酶，可以去除磷脂部分的电荷，使寄主细胞的磷脂双层结构破坏，造成细胞裂解。这类膜损伤毒素有时也叫溶血素。超抗原(SAg)毒素。1989年以来，发现某些细菌毒素，主要是葡萄球菌肠毒素、链球菌致热性外毒素。它们与常规抗原不同，不需要常规抗原而直接结合到细胞或组织的受体上，引起休克等等。3）根据细菌毒素蛋白质分类。结合到寄主细胞表面蛋白质的结合类毒素。大肠杆菌的热稳定毒素(ST)和葡萄球菌中毒性休克毒素(TSST—1)属于此类。转运—受体分子修饰类。许多细菌毒素属于此类。此组毒素具有ADP一核糖基化酶活性，有两个功能区，一是毒性部分(toxic)，另一为载体(vector)。整个毒素的A区(活力区)是一稳定构型，由B结合区携带。B区可结合到寄主细胞表面，通过胞吞作用后转送A区通过膜，从而达到细胞质靶位。例如破伤风和肉毒毒素便属于这类。膜损伤毒素。它们入侵靶细胞，使细胞膜受损伤而大大增加通透性，这一点对于细胞是致死性的。革兰氏阳性和阴性菌都可产生这类毒素。研究得比较清楚的是葡萄球菌毒素。不同毒素与不同受体分子结合，如霍乱毒素结合的受体是神经节苷酯，白喉毒素则是结合在一种类似生长因子前体的膜蛋白上，苏云金杆菌的结晶δ一内毒素及气溶素的受体是GPI一锚蛋白，绿脓杆菌细胞毒素的受体为水通道蛋白质，等等。某些代表性的内毒素毒素细菌致病机制临床作用霍乱肠毒素霍乱弧菌（Vibriocholerae）霍乱瓦解正常的细胞调节刺激肠上皮分泌液体，引起剧烈腹泻热稳定大肠杆菌肠毒素大肠杆菌（Escherichiacoli）旅游腹泻瓦解正常的细胞调节类似霍乱破伤风神经毒素破伤风梭菌（Clostridiumtetani）破伤风裂解神经细胞的蛋白质成分，阻骨骼肌强直收缩（即抽筋）断神经递质肉毒神经毒素肉毒梭菌（Clostridiumbotulinum）肉毒中毒类似破伤风肌肉松弛，呼吸麻痹白喉杆菌细胞毒素白喉棒杆（Corynebacteriumdiphtheriae）白喉抑制蛋白质合成杀死咽喉细胞，损伤脏器百日咳毒素百日咳博德特氏菌（Bordetellapertussis）百日咳抑制细胞中应答信号传递的蛋白质破坏细胞调节细菌毒素的作用机制1）外毒素。外毒素由两部分组成，是由两个蛋白质亚基构成的。有毒性的部分为A，是一种酶；与细胞结合的部分叫B，B使外毒素结合到寄主细胞的特定组分上，这个组分多半是酶。2）内毒素。内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁中的一种成分，叫做脂多糖。脂多糖对宿主是有毒性的。内毒素只有当细菌死亡溶解或用人工方法破坏菌细胞后才释放出来，所以叫做内毒素。内毒素不是蛋白质，因此非常耐热。在100℃的高温下加热1小时也不会被破坏，只有在160℃的温度下加热2到4个小时，或用强碱、强酸或强氧化剂加温煮沸30分钟才能破坏它的生物活性。与外毒素不同之处，还有：内毒素不能被稀甲醛溶液脱去毒性成为类毒素；把内毒素注射到机体内虽可产生一定量的特异免疫产物（称为抗体），但这种抗体抵消内毒素毒性的作用微弱。内毒素脂多糖分子由菌体特异性多糖、非特异性核心多糖和脂质A三部分构成。脂质A是内毒素的主要毒性组分。不同革兰氏阴性细菌的脂质A结构基本相似。因此，凡是由革兰氏阴性菌引起的感染，虽菌种不一，其内毒素导致的毒性效应大致类同。这些毒性反应主要有：发热反应。人体对细菌内毒素极为敏感。极微量（1-5纳克/公斤体重）内毒素就能引起体温上升，发热反应持续约4小时后逐渐消退。自然感染时，因革兰氏阴性菌不断生长繁殖，同时伴有陆续死亡、释出内毒素，故发热反应将持续至体内病原菌完全消灭为止。内毒素引起发热反应的原因是内毒素作用于体内的巨噬细胞等，使之产生白细胞介素1、6和肿瘤坏死因子α等细胞因子，这些细胞因子作用于宿主下丘脑的体温调节中枢，促使体温升高发热。白细胞反应。细菌内毒素进入宿主体内以后，血流中占白细胞总数60-70%的中性粒细胞数量迅速减少，这是因为细胞发生移动并粘附到组织毛细血管上了。不过1-2小时后，由内毒素诱生的中性细胞释放因子刺激骨髓释放其中的中性粒细胞进入血流，使其数量显著增加，有部分不成熟的中性粒细胞也被释放出来。革兰氏阴性菌的伤寒沙门菌是例外，其内毒素使白细胞总数始终是减少状态，目前还不清楚是什么原因。由于绝大多数被革兰氏阴性菌感染的患者血流中白细胞总数都会增加，所以现在医生在诊断前，为了初步区别是细菌性感染还是病毒性感染，常常要化验病人的血液，对白细胞进行总数测定和分类计数。被病毒感染的病人，其白细胞总数和中性粒细胞百分比基本在正常值范围内。内毒素血症与内毒素休克。当病灶或血流中革兰氏阴性病原菌大量死亡，释放出来的大量内毒素进入血液时，可发生内毒素血症。大量内毒素作用于机体的巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞、血小板，以及补体系统和凝血系统等，便会产生白细胞介素1、6、8和肿瘤坏死因子α、组胺、5羟色胺、前列腺素、激肽等生物活性物质。这些物质作用于小血管造成功能紊乱而导致微循环障碍，临床表现为微循环衰竭、低血压、缺氧、酸中毒等，于是导致病人休克，这种病理反应叫做内毒素休克。关于内毒素休克，过去曾有过惨痛的教训。20世纪40年代青毒素刚问世的时候，医生发现青霉素对脑膜炎奈瑟菌引起的流行性脑膜炎疗效非常显著。因此，凡发现这类病人，一律优选青霉素进行治疗；且按照一般规律，用药剂量随病情严重程度而递增。结果发生了意外，用大剂量青霉素治疗重症脑膜炎患者时，不少发生了内毒素休克而死亡。后来经过研究分析，发现了其中的原委。病情严重的患者，体内存在的病原菌数量多，医生采用大剂量“轰炸”，意欲“一举歼敌”。快速、彻底杀灭病原体，这种战略无可非议，但有些医生忽略了另一方面，即流行性脑膜炎的病原菌是属革兰氏阴性菌的脑膜炎奈瑟菌，其致病物质是内毒素，而内毒素是要在病菌死亡后再放出的。如今用大剂量青霉素一下子将全部病菌杀死，也就是使大量内毒素