Таємниці отрути
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
…Силурійська епоха. 410 мільйонів років тому. З бурхливого океану вийшли перші сухопутні мешканці Землі. Павукоподібні, схожі на скорпіонів, вони вступили в боротьбу за існування, Десь на роздоріжжі цієї боротьби, на якійсь сходинці еволюції скорпіони придбали жало з отрутою. З’явилося плем’я слабких, примітивних, але неприступних завдяки єдиному скарбу — отруті. Але занадто висока ціна недоторканності, — скорпіони вибули з еволюції, зробивши лише один крок. Сучасні їх представники майже не відрізняються від своїх пращурів; 500 видів скорпіонів утворили тупикову гілку еволюції. Решта пішли тернистим шляхом…
При ураженні отрутою можливі два результати: швидка смерть або приховане ураження; організм виживає, але набуває зміни в спадковому апараті — мутації. Тягар цих змін несе його потомство, воно підхоплюється природним відбором. У такому плані отрути — суттєва рушійна сила еволюції. І тоді еволюція — це гончарний круг мутагенезу плюс сувора рука природного відбору.
В процесі боротьби за існування багато живих організмів беруть на озброєння хімічні отрути. Мікроорганізми отримують високоефективні антибіотики і токсини, павуки та змії — отруйне жало. Вищі організми виробляють витончений апарат фагоцитозу та імунологічного захисту. Рослини створюють особливі речовини — алкалоїди.
Все більше розкручується гончарний круг мутагенезу, прискорюються темпи еволюції. Юрський період — 100-160 мільйонів років тому: з’явився загальний предок людини і коня. Третинний період — 44 мільйони років тому: з’явилися примати; 11 мільйонів років тому: з’явився загальний предок людини і горили.
…Проносяться варіанти, повторення і знову варіанти, Виникають і згасають цілі види…
Четвертинний період — близько 2 мільйонів років тому: з’являється людина. І за цей час, скажімо, по одній ознаці, будові а-ланцюгів гемоглобіну (білок з 574 амінокислотних залишків) — всього одна мутація, одне амінокислотне заміщення за 14,5 мільйонів років у розрахунку на 100-160-мільйонолітній період.
З точки зору хіміка, великою подією в розвитку людини був той момент, коли наш далекий предок вперше вмочив стрілу в сік отруйної рослини. Це було початком викрадення отрути у природи.
Нікчемні кількості отрут — двигуни еволюції. Нікчемні кількості бактеріальних отрут — чинний початок збудників ураганів інфекційних захворювань, що змітали народи і цивілізації. Нікчемні кількості отрут — чинний початок ліків для боротьби із збудниками хвороб, засобів для знищення бур’янів і підвищення продуктивності полів; отрути — це, нарешті, спорідненість відтворення окремих етапів еволюції, для отримання нових сортів культурних рослин і корисних мікроорганізмів.
У чому ж хімічний сенс дії отрут? Чому їх нікчемні кількості призводять до таких зримих біологічних ефектів? Чому?
Отрути уповільненої дії
Вплив хімічних мутагенів — дуже ефективний засіб зміни спадкових ознак.
Малі дози мутагенів не надають відразу ж помітного впливу на організм. Але в його статевих клітинах мутагени викликають приховані зміни, які відповідно до законів Менделя оголюють яскраве різноманіття нових ознак лише в потомстві. Зміни можуть бути настільки глибокими, що організм гине на стадії ембріонального розвитку (летальна мутація) або з’являється на світ з таким тягарем дефектів, що існує на межі між життям і смертю.
Яскравий приклад успадкованої мутації — молекулярна хвороба, серповидно-клітинна анемія. Одна з 574 амінокислот гемоглобіну — глутамінова кислота — заміщається на валін. В результаті розвивається важке, як правило, смертельне захворювання, поширене у жителів обширної зони, яка охоплює узбережжя Середземного моря, Африку і Південну Азію.
Мутагени можуть діяти і на соматичні клітини (всі клітини організму, крім полозих). Соматичні мутації, природно, не успадковуються потомством організму, вони передаються потомству клітин ураженого органу. Результат — загибель клітин, виникнення ракових клітин або порушення обміну речовин.
Виявилося, що соматичні мутації лежать в основі дії таких начебто далеких один від одного агентів, як іонізуюче випромінювання і отруйна речовина — іприт. І це породжує схожість у проявах їх дії на організм. Ураження настає не відразу, а після прихованого періоду. Той факт, що хімічна речовина моделює біологічну дію випромінювання, дозволяє зробити припущення про те, що вражаючий і мутагенний ефект радіації зумовлений утворенням в організмі проміжних хімічних продуктів.
Вченим В. Рапопортом був відкритий мутагенний ефект деяких органічних сполук. Цей самовідданий мисливець за мутагенами знайшов три найпотужніших хімічних агента: етиленімин, 1,4-біс-диазоацетил-бутан і нитрозоалкилмочевин. Разюче, що активні угруповання цих трьох мутагенів входять в молекули природних отрут — антибіотиків: митомицинз, азасерин і стрептозотоцин. Природа давним-давно вибрала найбільш активні структури для мутагенного двигуна еволюції. Але природні мутагени — це складні молекулярні конструкції; у штучних ж мутагенах з них маскування скинуто, оголені їх діючі скелети, в результаті мутагена активність значно вища.
В Інституті хімічної фізики під дією мутагенів на пшениці були відтворені саме ті мутації, які з’являлися в ході еволюції. Багатовіковий процес появи і відбору нової ознаки в ході еволюції вченим вдалося з величезним прискоренням «прокручувати» на лабораторному столі. Замість природного — штучний відбір нових форм організмів з корисними людині ознаками. Порушена найвища монополія природи!
Після обробки хімічними мутагенами у рослин і мікроорганізмів поряд з шкідливими змінами виникає до 15— 20% корисних. Ці ознаки селекцією закріплюються в високоврожайних сортах і високопродуктивних штамах. Місце «удару» мутагену,— ділянки ДНК. Хімічні речовини змінюють у них послідовність основ, порушується первородний код білкового синтезу, змінюється план організму. В цьому і є хімічний сенс мутації, сенс заміни, наприклад, глутамінової кислоти валіном в білку гемоглобіну.
Отрути мутагенного типу вражають інформаційний життєвий центр; найменші зміни ведуть до принципових змін при втіленні спадкової інформації в реальність білка.
Є ще одна система організму, де найменша зміна може викликати серйозні наслідки, — це система нервової регуляції. Не дивно, що отрути, що вражають цю систему,— найсильніші отрути.
Елементарна ланка механізму нервової передачі — нервова клітина, нейрон. Проведення нервового імпульсу відбувається в три етапи: електрохімічно по аксону, з допомогою медіаторної речовини ацетилхоліну в синапсі і аналогічна в нервово-м’язовому синапсі. Відомі потужні отрути, що пригнічують передачу нервового сигналу на всіх цих етапах.
Передача нервового імпульсу в синапсах блокується інгібіторами ферменту холінестерази, відповідальної за розщеплення ацегилхоліну.
Боби «езере» — судилищні боби древніх племен Калабара (Західна Африка). Засудженого примушували з’їсти боби, і це була його остання трапеза. Чинний початок бобів — эзерин, або фізостигмін, — нервова отрута, яка вражає холінестерази. М’язи одна за одною скорочуються, щоб вже ніколи не розслабитися.
Езерин — прабатько найсильніших сучасних військових отруйних речовин — фосфороорганічних. Табун, зарин і зоман, подібно эзерину, вражають холінестерази. Для отруєння людини достатньо одного вдихання парів цих речовин. Однак хіміки змогли знайти протиотрути (антидоти) — з’єднання, перехоплюючі отруту з ферменту.
У 1961 році І. Рапопорт та Р. Костяновський виявили високу мутагену активність зарину. Знаряддя знищення переробили в засіб для виведення нових цінних сортів пшениці та інших господарських культур,
Передачу нервового імпульсу по аксону блокують місцеві анестетики. Найдавніший з них, алкалоїд кокаїн, міститься в листі кока, що зростає в Перу і Болівії. З найдавніших часів ця рослина вважалася священною. Її листя, якщо їх пожувати, надавали бадьорість. Вченим вдалося синтезувати знеболюючу речовину, що заміняє кокаїн, — новокаїн. Тут використаний принцип структурної подібності: вчені відтворили тільки діючу частину молекули.
Одна з найсильніших небілкових отрут — тетродотоксин, чинний початок отрути японської риби фугу і американського тритона. По активності блокування аксона тетродотоксин в 160 000 разів активніше кокаїну, а за отруйною дією в 10 разів перевершує кураре.
Відомості про рибу фугу йдуть в далеке минуле. Серед зображень на гробниці єгипетського фараона п’ятої династії (2500 років до н. е.) був виявлений малюнок якоїсь риби, в якій зараз визнали фугу. Симптоми отруєння рибою фугу добре описані англійським капітаном Джеймсом Куком в його щоденниках другої подорожі навколо світу. Зараз в деяких префектурах Японії кухарям, які займаються приготуванням цієї риби — а вона вважається в Японії делікатесом, — потрібно мати спеціальний дозвіл.
Точка дії отрути фугу тетродотоксина — аксон нерва. Його молекула вільно «влазить в отвір» аксона своїм гуанідовим угрупованням замість іона натрію і завдяки громіздкому скелету перетворюється в добре припасовану пробку. Імпульс обривається.
На останньому, третьому етапі передачі нервового імпульсу в нервово-м’язовому синапсі ацетилхолін передає м’язеве збудження рецептора і викликає скорочення м’яза. Саме на цьому етапі «спрацює» широко відома отрута кураре. Вона конкурентно заміщає ацетилхолін і таким чином роз’єднує ацетилхолін і м’язовий білок міозин. М’язи відключаються і знерухомлюються, Зупиняється дихання; настає курариновий шок.
І знову вчені використали в «мирних цілях» властивості отрути. Подібно до того, як тубілець знерухомлював тварину, вражаючи її отруєною стрілою, хірург вводить препарати кураре, щоб під час операції на серці знерухомити легеневі м’язи та перевести хворого на штучне дихання. Серцево-судинна і центральна нервова системи при цьому отрутою не зачіпаються.
Тепер лікар вводить не сам кураре, а його замінник. Хіміки «розколювали» молекулу отрути кураре у всіх мислимих варіантах, шукали зв’язок між хімічною будовою та фізіологічною активністю. Нарешті, з’ясувалося: дія препарату визначається групами з позитивно зарядженими атомами азоту, причому вирішальне значення має відстань між цими групами. Почалося наслідування природи, а потім її вдосконалення.
У 1948 році був знайдений чудовий по простоті варіант — синкурин, що по лікувальній дії перевершує кураре. На тій же стадії передачі сигналу з нерва на м’яз діє і найсильніший з відомих у даний час отрут — нейротоксин ботулізму. Він блокує виділення ацетилхоліну з нервового волокна, прилеглого до м’язової тканини. Цей токсин виділяється палочковидними бактеріями — бацилами. Найбільш сприятливе середовище для їх росту і розмноження — ковбаса, м’ясо, риба, овочеві консерви. Сама назва отрути походить від слова «ботулюс» — ковбаса. Токсини ботулізму — білки, але в противагу більшості інших білкових молекул вони повільно розщеплюються ферментами в шлунково-кишковому тракті. Тому вони на відміну, скажімо, від зміїних отрут вбивають організм навіть при попаданні разом з їжею.
Токсичність одного з різновидів отрут ботулізму — нейротоксину бацили А — разюча. Одним грамом речовини за умови рівномірного розподілу можна знищити 60 мільярдів мишей загальною вагою 1200 тисяч тонн. Дослідники з Південно-Африканської Республіки виділили ще більш фантастичний отруту — посилений токсин бацили Д.
П’ятнадцяти міліграмів цього токсину — крупинки на кінчику скальпеля — досить було б для отруєння всього населення земної кулі. Така «поважна» отруйна речовина, як синильна кислота, слабкіше її в 10 мільярдів разів. На щастя, вдається створити імунітет до дії цього токсину; обробляючи його формальдегідом, отримують знешкоджену речовина, здатну викликати імунітет.
Біохімічне самогубство
У 1952 році відомий англійський вчений Р. Пітері виявив новий принцип токсичності. При вивченні механізму дії фтороцетової кислоти було помічено, що це з’єднання включається в обмін речовин завдяки точній «архітектурній» відповідності оцтовій кислоті — важливого учасника обміну. Їх відмінність тільки в одному атомі: водень заміщений на фтор. Поки для обміну важлива тільки геометрична форма молекули, ферменти «не помічають» різниці — фтороцетова кислота подається в основний енергетичний котел організму — цикл Креэса — замість оцтової.
Але вона робить тільки один етап перетворення. Підміна виявляється вже на стадії утворення фторлимонної кислоти, яка геометрично відповідає активному центру ферменту аконитази, але хімічно веде себе не так, як лимонна: атом фтору не відщеплюється ферментом. Фторлимонна кислота пригнічує фермент — аконитазу, і цикл Кребса вимикається на стадії лимонної кислоти, організм сам синтезував вбив його отруту. Стався летальний (смертельний) синтез — біохімічне самогубство.
Цей казуїстичний шлях природа використовувала для захисту організмів. У Південній Африці та Австралії зараз знайдено кілька отруйних рослин, що містять фтороцетову кислоту.
У Сьєрра-Леоне (Африка) виявлено рослину, токсичну за рахунок вмісту фторолеїнової кислоти, яка в організмі легко перетворюється у фтороцетову кислоту. Отруйність фторолеїнової кислоти дуже специфічна. Вона в 4 рази більш токсична для кролика, ніж для овець та інших господарських тварин. Зараз обговорюється застосування фторолеїнової кислоти для позбавлення Австралії і Нової Зеландії від навали кроликів.
Принцип летального синтезу лежить в основі токсичної дії і багатьох інших отрут.
Отже, ми розглянули дію найбільш сильних отрут, що вражають найважливіші системи організму: апарат спадковості, нервову систему і вузлові ланки обміну речовин. Проте царство отрут набагато ширше. Отрути — з’єднання з видатною біологічною активністю — це конкретні об’єкти дослідження найбільш бурхливо розвиваються на областях стику природничих наук. Це конкретні з’єднання, що стрімко втручаються у всі сфери людської діяльності. Перемога цих речовин над хворобами та шкідниками полів, втручання з їх допомогою в процеси зростання і спадкування розсунули заборони природи і створили небачені можливості.
Автори: І. Кнунянц, Р. Костяновський.