Состав ядов пауков-птицеедов и биологическая активность их компонентов

Глава 3

ЯДЫ ПАУКОВ-ПТИЦЕЕДОВ:

ЧТО О НИХ ИЗВЕСТНО НАУКЕ?

Состав ядов пауков-птицеедов и биологическая активность их компонентов

Неоднократно я встречал высказывания со стороны террариумистов, дескать, о ядах пауков-птицеедов практически ничего не известно, поскольку учёным якобы неинтересно их изучать. Согласиться с подобными утверждениями я не могу: яды птицеедов активно исследуют специалисты из разных стран, так что к настоящему моменту накоплен большой пласт информации, касающейся их состава и биологической активности. И пусть сегодня в этой области знаний всё ещё остаются значительные пробелы, уже давно понятны общие принципы, по которым работают яды терафозид. Собственно, предлагаю попробовать разобраться в этом непростом вопросе. Должен предупредить, хотя я и пытался написать данный раздел доступным языком, он получился довольно трудно воспринимаемым (фактически самым мудрёным во всей книге). Для полного понимания написанного вам потребуются некоторые знания из области физиологии возбудимых тканей, поэтому если вы не знакомы с этой темой, советую сначала обратиться к главе "Дополнительные материалы" (стр. …). Там же даны определения специальных терминов, что встречаются в тексте ниже. Сразу отмечу, что нижеизложенный текст является лишь грубым упрощением реальной картины. Я не стал рассматривать абсолютно все имеющиеся данные по компонентному составу ядов терафозид, а кратко остановился на самых значимых. Также я не приводил подробную информацию о химической структуре упоминаемых в тексте токсинов, поскольку счёл её лишней. Если вам интересны детали, советую обратиться к специализированной научной литературе, например, этим работам [Rash, Hodgson, 2002; Escoubas, Rash, 2004; Василевский и др., 2009; Kuhn-Nentwig et al., 2011; Herzig, King, 2013]. Особое внимание рекомендую обратить на обзор от 2011 года, как наиболее подробный.

Итак, яды пауков-птицеедов представляют собой многокомпонентные смеси, чей состав крайне сложен и включает широкий спектр всевозможных неорганических и органических веществ, начиная свободными ионами и заканчивая крупными белковыми молекулами. Среди их низкомолекулярных компонентов видное место занимают ионы и соли калия, биогенные амины (гистамин, серотонин, октопамин), свободные аминокислоты (глутамат), нуклеозиды и нуклеотиды, ацилполиамины и органические кислоты. Строго говоря, большинство из перечисленных соединений являются не специализированными токсинами, но биологически активными веществами, что в норме играют физиологическую роль в организме животных. Вырабатываются они эндогенно[1] в определённых количествах и строго там, где это необходимо. В то же время, при избытке многие из них оказывают мощный разрушительный эффект на нервную, мышечную и сердечно-сосудистую системы. Так, в паучьих ядах содержатся высокие дозы калия, провоцирующие калиевую деполяризацию мембран нейронов и мышечных клеток в месте укуса, чего уже достаточно для парализации и умерщвления соразмерных паукам животных. Стоит сказать, что эффективность солей калия по части отнятия чужих жизней оценена по достоинству не только восьмилапыми, но и людьми: хлорид калия, например, включён в состав инъекций, применяемых в ряде стран для осуществления смертной казни, поскольку его быстрое введение в больших дозах приводит к остановке сердца. По той же причине хлорид калия иногда используют и для эвтаназии животных. В свою очередь, присутствующие в ядах пауков биогенные амины, свободные аминокислоты и нуклеотиды выступают в качестве важнейших нейротрансмиттеров в нервной системе беспозвоночных и позвоночных, тогда как их попадание в организм извне вызывает перегрузку и критические сбои в работе последней. Важно подчеркнуть, что выделяемых терафозидами количеств этих соединений достаточно, дабы оказывать заметное влияние не только на насекомых и прочую мелочь, но и на крупных позвоночных, включая человека. Часть из них являются передатчиками болевых импульсов: скажем, гистамин и серотонин даже в небольших дозах сильно раздражают нервные окончания ноцицепторов,[2] вызывая жгучую боль в месте введения, которая позднее часто сменяется стойким зудом и прочими малоприятными ощущениями. Более того, эти же биогенные амины способствуют увеличению проницаемости кровеносных и лимфатических сосудов, помогая другим компонентам яда распространяться в организме жертвы.

Отдельного упоминания заслуживают ацилполиамины – специфические низкомолекулярные токсины паралитического действия, прерывающие передачу нервных импульсов через блокирование ионотропных рецепторов нейронов, таких как никотиночувствительный холинорецептор и рецепторы глутамата. Вообще, наиболее широко ацилполиамины представлены в ядах пауков-кругопрядов (сем. Araneidae), но они не относятся к главным составляющим ядов терафозид. Скорее всего, в случае с птицеедами их вклад в общий физиологический эффект от воздействия яда на жертву невелик.

Автор рисунка не указан Источник: Pineda et al., 2014

Схематическое изображение мотива ингибиторного цистинового узла (ICK). Дисульфидные связи показаны в виде красных линий, β-цепи – синих стрелок. Благодаря трём дисульфидным связям мотив ICK является очень стабильной белковой структурой, устойчивой к термической денатурации и протеолизу.

Нужно отметить, что не все из низкомолекулярных агентов, присутствующих в ядах пауков-птицеедов, имеют выраженное токсическое действие на организм добычи или агрессора. Некоторые из них работают как вспомогательные вещества, обеспечивая своевременную активацию прочих компонентов яда. Например, лимонная кислота и её производные – цитраты – являются ингибиторами (подавителями активности) ферментов и, по-видимому, нужны паукам для их собственной защиты от выделяемых ими же соединений, пока те находятся в ядовитых железах. Введение яда в тело жертвы при укусе приводит к разбавлению смеси и снятию ингибирующего эффекта цитратов. В свою очередь, другие органические кислоты, такие как молочная и фосфорная, вероятно, формируют слабокислую среду (значения pH яда пауков-птицеедов варьируют в пределах 4-7), необходимую для адекватного функционирования белковых компонентов яда, прежде всего, муколитических ферментов.

Наиважнейшими компонентами ядов пауков-птицеедов и прочих мигаломорф являются дисульфид-содержащие пептиды, чьи молекулярные массы обычно находятся в диапазоне от 2,6 до 7,2 кДа (27-65 аминокислотных остатков). Большинство из них относят к так называемым ноттинам (knottins) – пептидным молекулам, формирующим в пространстве особую структуру "ингибиторного цистинового узла" (inhibitor cystine knot, ICK) [Gracy, Chiche, 2011]. Ноттины обнаружены в составе ядов представителей многих групп араней, они выделяются среди их прочих компонентов своим невероятным разнообразием, связанным с огромной вариабельностью последовательностей аминокислотных остатков в петлевых участках, расположенных между дисульфидными мостами. Что интересно, среди них встречаются паралоги,[3] отличающиеся друг от друга всего лишь по одной аминокислоте. В настоящее время описано более тысячи ноттинов, при этом учёные говорят, дескать, это только верхушка айсберга и, вероятно, существует от нескольких сот тысяч до многих десятков миллионов подобных молекул. Как показывают исследования, в яде даже у одного конкретного вида пауков порой присутствует сразу несколько десятков или сотен таких пептидов [Tang et al., 2010]. О некоторых следствиях и эволюционном значении этого буйства разнообразия токсинов мы ещё поговорим в других разделах настоящей книги, сейчас же предлагаю сосредоточиться на том, как всё это функционирует.

Фото: Tarou Yamada; ссылка на оригинал

Китайский птицеед вида Cyriopagopus schmidti (= Haplopelma huwenum) является самым изученным на предмет ядовитости представителем терафозид. Из его яда выделена и описана большая группа нейротоксичных пептидов, названных хувентоксинами. Кроме того, именно этот вид птицеедов многие киперы считают ответственным за смерть человека, хотя учёные опровергают эту информацию.

Итак, абсолютное большинство обнаруженных в ядах птицеедов дисульфид-содержащих пептидов являются высокоселективными нейротоксинами, в качестве главных мишеней которых выступают ионные каналы разных типов. Лучше всего изучено их воздействие на потенциал-зависимые натриевые (Na_V), калиевые (K_V) и кальциевые (Ca_V) ионные каналы, встроенные в мембраны нервных и мышечных клеток. В ядах птицеедов обычно присутствуют специфические блокаторы K_V и Ca_V, а также модуляторы активности Na_V, облегчающие и усиливающие работу последних. Нацеленные на K_V и Na_V пептиды обладают сильным деполяризующим действием, что достигается как полным блокированием или затруднением активации K_V, так и замедлением инактивации Na_V, уменьшением периода их восстановления или сдвигом порога активации в более отрицательную область мембранного потенциала. Из-за вызываемой паучьим ядом патологической деполяризации нейроны генерируют аномально длительные повторяющиеся потенциалы действия, что ведёт к усиленному высвобождению ими нейротрансмиттеров и спонтанной передаче сигналов другим клеткам, включая мышечные и секреторные. Последние также подвержены воздействию токсинов, которые резко повышают их чувствительность к нервным импульсам, при этом клетки начинают самопроизвольно сокращаться или выделять различные секреты и биологически активные вещества даже после минимальной стимуляции. Физиологические проявления этих процессов разнообразны, но наиболее заметными из них являются спонтанные острые боли, судороги, тремор, спастические парезы и параличи, а также разного рода расстройства деятельности внутренних органов. Кроме того, на поздних стадиях отравления возможно развитие вялых параличей (по крайней мере, у небольших или чувствительных к яду животных), связанных с возникновением общего нейротрансмиттерного дефицита, спровоцированного предшествующей чрезмерной активации нервной системы. Проще говоря, к парализации приводит истощение запасов нейротрансмиттеров, выделяемых из окончаний нейронов, отчего последние теряют способность передавать мышечным волокнам нервные импульсы, которые бы заставляли их сокращаться.

Тут необходимо добавить, что в ядах некоторых пауков-птицеедов, а конкретнее Cyriopagopus schmidti и Thrixopelma pruriens, обнаружены также блокаторы Na_V, в частности, хувентоксин IV и β/ω-терафотоксин-Tp1a. По-видимому, функции этих соединений сводятся к парализации добычи через угнетение генерации потенциалов действия, хотя такой механизм не характерен для ядов паукообразных. Впрочем, Na_V могут быть их случайными мишенями, например, тот же β/ω-терафотоксин-Tp1a проявляет куда большую селективность к Ca_V. К слову о них, Ca_V обеспечивают поступление в клетку ионов кальция, что необходимо для запуска процессов выброса нейротрансмиттеров нейронами и последующей инициации сокращения миоцитов. При угнетении кальциевых ионных токов указанные процессы затухают, благодаря чему выделяемые птицеедами блокаторы Ca_V вызывают паралитический эффект. Считается, что они действуют медленнее токсинов, нацеленных на K_V и Na_V, подстёгивая развитие вялого паралича на поздних стадиях отравления.

Помимо вышеописанных механизмов, паучьи нейротоксины могут воздействовать на нормальную ионную регуляцию и, следовательно, электрическую, сократительную и секреторную активность клеток через модуляцию работы механо-, хемо- и термочувствительных ионных каналов, однако эта тема практически не изучена. Тут, пожалуй, отдельного упоминания заслуживает взаимодействие обнаруженных у Cyriopagopus schmidti и Psalmopoeus cambridgei ваниллотоксинов с ваниллоидным, или капсаициновым рецептором первого типа [Cromer, McIntyre, 2008]. Одной из функций ваниллоидного рецептора является передача сигнала боли и жжения. Именно этот рецептор ответственен за возникновение "пожара" во рту при употреблении в пищу острого красного перца, поскольку в последнем содержится его сильный активатор – алкалоид капсаицин. Несложно догадаться, что присутствие в ядах птицеедов агонистов[4] ваниллоидного рецептора может вызывать расходящееся по телу болезненное чувство жара [Siemens et al., 2006]. Вероятно, отчасти благодаря ваниллотоксинам появляются ощущения разрезающего тело раскалённого ножа или льющегося на кожу кипятка, часто описываемые укушенными террариумистами.

Как и в случае с низкомолекулярной органикой, не все пептидные компоненты ядов пауков-птицеедов работают как токсины – некоторые из них являются лишь вспомогательными веществами. Так, из яда Cyriopagopus schmidti выделен ингибитор сериновых протеаз, состоящий из 55 остатков аминокислот. Он необратимо связывается с активным центром ферментов. Скорее всего, основная функция этого пептида (а подобных ему, по-видимому, существует немало) заключается в защите других компонентов яда от протеолитической деградации в организме добычи или агрессора.

Помимо низкомолекулярных соединений и пептидов яды птицеедов содержат и крупные белки (33-47 кДа), представленные различными ферментами. К сожалению, функции последних плохо изучены и многие исследователи полагают, что они по большей части являются посторонними примесями. Их обнаружение в ядах птицеедов объясняют апокриновым или голокриновым типом секреции, при котором продукция токсичного секрета сопряжена с отделением фрагментов или полным разрушением производящих его клеток ядовитой железы, что сопровождается включением в получившуюся смесь веществ, ранее просто участвовавших в клеточном метаболизме. Среди белковых компонентов паучьих ядов лучше всего изучена роль гиалуронидаз и им подобных муколитических ферментов. Они катализируют расщепление кислых мукополисахаридов, таких как гиалуроновая кислота, которые являются основой аморфного вещества матрикса соединительной ткани. Благодаря этому муколитические ферменты увеличивают проницаемость тканей для различных соединений, облегчая распространение в теле жертвы прочих компонентов яда и повышая тем самым их смертоносный потенциал (если вам не совсем понятно, как это происходит, то подробности можно прочесть в главе "Дополнительные материалы", стр. …). Любопытно, что в ядах орнаментных пауков-птицеедов из рода Poecilotheria, укусы которых считают наиболее болезненными, гиалуронидазы особенно активны [García-Arredondo et al., 2015; Rodríguez-Rios et al., 2017]. На том открытии базируется одно из возможных объяснений различий в силе ядов одних терафозид по сравнению с ядами других.

Хорошо, вот мы и познакомились с примерным составом ядов пауков-птицеедов и тем, как действуют отдельные их компоненты на жертв паучьих укусов. Теперь давайте подумаем, как всё это работает в комплексе. На первый взгляд яд любой терафозиды кажется избыточно сложным, поскольку многие его составляющие вызывают если и не идентичные, то, как минимум, очень похожие эффекты. Тем не менее, при тщательном рассмотрении становится понятно, что он представляет собой стройную систему, включающую синергически действующие вещества. Так, из-за спровоцированной ионами калия первичной деполяризации клеточных мембран в нервных и мышечных волокнах происходит активация потенциал-зависимых ионных каналов, что облегчает взаимодействие с ними дисульфид-содержащих пептидов. Работая в связке с биогенными аминами, свободными аминокислотами и нуклеотидами, нацеленные на K_V и Na_V пептидные токсины вызывают чрезмерную генерацию нервных импульсов и спонтанные сокращения мышц, провоцируя перегрузку в нервной системе жертвы и нарушая двигательную функцию её мышечной ткани. Соразмерные паукам животные при этом быстро погибают из-за стремительно развивающегося спастического паралича и острых дисфункций внутренних органов, обусловленных глубокими нарушениями в секреции внутренних факторов. Если же укушенное птицеедом существо оказалось достаточно большим и не погибло сразу, со временем у него развивается системный нейротрансмиттерный дефицит, возникающий на фоне стойкой деполяризации мембран нейронов. Вкупе с прерыванием кальциевых ионных токов блокаторами Ca_V это приводит к вялой парализации, охватывающей в том числе дыхательную мускулатуру, что ведёт к смерти от асфиксии. Более того, у чувствительных к яду жертв первичное сильное возбуждение вегетативной нервной системы может провоцировать и другие фатальные нарушения, такие как внезапный гипертонический криз или отёк лёгких, обусловленный перераспределением жидкости в организме, в частности, её накоплением в легочной системе. У крупных, но малочувствительных к ядам терафозид животных (включая людей), спастические или вялые парезы и параличи, а также другие опасные осложнения, обычно не возникают, и всё ограничивается лишь сравнительно лёгкими неврологическими симптомами: болью, изменением тонуса мышц, судорогами и тремором. Дабы гремучая смесь из нейротоксинов беспрепятственно распространялась в тканях укушенного и не была деактивирована защитными системами его организма, в её составе имеются вспомогательные вещества, включающие муколитические ферменты и ингибиторы сериновых протеаз. Первые нарушают целостность структуры внеклеточного матрикса соединительной ткани, позволяя яду пропитывать плоть, вторые – инактивируют ферменты, которые в противном случае расщепляли бы паучьи токсины. Таким образом, согласованность действий отдельных компонентов паучьего яда, подобных группе заговорщиков и работающих заодно для реализации общей цели, позволяет в короткий срок достичь разрушительного физиологического эффекта и вывести жертву из строя. Подробнее о том, какие составляющие ядов пауков-птицеедов ответственны за конкретные симптомы отравления у людей, я расскажу в четвёртой главе.