Дьяков Ю.Т. Занимательная микология

m_3713

<abbr class="updated" title="2015-08-08T18:03:00+03:00">8 августа, 2015</abbr>

</dl>
Вторичные метаболиты грибов

Токсины
Токсические метаболиты грибов, опять-таки — условно, разделяют на три группы: вещества, токсичные для микроорганизмов (антибиотики); вещества, токсичные для растений (фитотоксины); вещества, токсичные для позвоночных животных и человека (микотоксины). Почему такое деление условно? Да все потому же: одно и то же вещество может быть токсичным для двух или даже всех трех указанных групп организмов. Поэтому мы эти группы токсических метаболитов будем рассматривать отдельно лишь исходя из общепринятой классификации.

Антибиотики

Грибы сапротрофы, обитающие в почве, находятся там в сложном микробоценозе, включающем разнообразные группы грибов, бактерий и простейших животных. И все эти организмы имеют одну цель — оста¬вить как можно больше потомков, а для этого им необходимо хорошее питание. Поэтому в почвенных ценозах непрерывно происходит конку¬рентная борьба между разными микроорганизмами за источники питания. Конечно, такая борьба несколько ослаблена наличием групп микроорганизмов, отличающихся пищевой специализацией. Например, есть бактерии, вырабатывающие специальный фермент нитрогеназу, который позволяет им использовать атмосферный азот, количество которого очень велико, для получения аммония; а из него можно уже строить и элементы белка — аминокислоты. Такие бактерии, называемые азотфиксаторами, не нуждаются в органических источниках азота — белках и основаниях нуклеиновых кислот, то есть они не конкурируют с другими микроорганизмами за эти источники пищи. А микроорганизмы целлюлозолитики извлекают углерод из прочных и труднодоступных для других микроорганизмов источников целлюлозы. Но первая группа нуждается в источниках углерода, а вторая — в источниках азота, так что специализация снимает конкуренцию лишь частично. Все почвообитающие сапротрофные микроорганизмы должны иметь широкие и острые локти для того, чтобы оттереть конкурентов, быстрее добраться до блюда с пищей и отхватить кусок побольше. Эти «локти» могут быть двух типов, причем у самых активных микроорганизмов присутствуют оба типа: высокомолекулярные ферменты, позволяющие быстрее разрушить субстрат и поглотить образовавшиеся продукты, и низкомолекулярные антибиотики, убивающие или, по крайней мере, тормозящие рост микробов-конкурентов. Поэтому большинство антибиотиков, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, получено из почвообитающих микроорганизмов — актиномицетов (мицелиальных бактерий) — и грибов.

Полезные токсины — антибиотики

Первый антибиотик, получивший широкое практическое применение, — продукт распространенного в разных почвах рода грибов Пенициллиум, он был обнаружен английским микробиологом А. Флемингом в 1929 г. и назван пенициллином. В чистом виде он получен химиками X. Флори и Е. Чейн, за что все трое ученых были удостоены Нобелевской премии. Пенициллины и родственные им антибиотики цефалоспорины, продуцируемые грибами из рода Цефалоспориум, подавляют образование пептидоглюкана — основного компонента клеточной стенки многих бактерий. Поэтому, когда бактериальная клетка находится в покое и не делится, она не чувствительна к пенициллину, но как только начинается ее деление, содержимое растущей новой клетки остается без каркаса из стенки и погибает. Интересно, что химическое сходство с пенициллином имеется у большого числа соединений, продуцируемых различными грибами и бактериями. Последние этапы синтеза этих соединений осуществляется ферментами, которые находятся под контролем трех сцепленных (расположенных рядом друг с другом) генов. Установление структуры этих генов у разных видов грибов и бактерий показало их удивительное сходство и привело исследователей к парадоксальному заключению. Существует метод расчета времени, которое прошло после расхождения сравниваемых видов, по числу замен в аминокислотах одного и того же белка или азотистых оснований в одном и том же гене (метод молекулярных часов). Сравнение разных генов у бактерий и грибов показало, что расхождение между ними произошло более 1,5 миллиарда лет назад, что соответствует времени превращения прокариотной клетки в эукариотную, однако после сравнения генов синтеза соединений пенициллинового ряда был сделан вывод, что они возникли у грибов гораздо позже, около 370 миллионов лет назад. Предполагается, что эти гены появились у грибов вследствие горизонтального переноса участка хромосомы, содержащего их кластер (группу). Все носители этих генов (и бактерии, и грибы) встречаются в почве, где, возможно, и произошел горизонтальный перенос группы сцепленных генов из бактериальной клетки в грибную.

Большая группа антибиотиков, образуемых грибами, убивает другие грибы, а не бактерии. Таковы антибиотики трихотецин и триходермин, имеющие сходные химическую природу и механизмы токсического действия. Интересно, что грибы из родов Трихотециум и Триходерма, образующие эти антибиотики, развиваются не только на мертвых и живых тканях растений, но также часто нападают на другие грибы и паразитируют на них, то есть являются паразитами грибов (микопаразитами). Выделяемые антибиотики используются ими как орудие нападения на грибы.

Микотоксины

Микотоксинами, с легкой руки нашего знаменитого миколога А. X. Саркисова, стали называть вещества микроскопических плесневых грибов, вызывающие отравления человека и сельскохозяйственных животных. Чаще всего микотоксины попадают в организмы человека и животных с растительной пищей, зараженной грибами, которые образуют эти вещества.

С отравлениями микотоксинами люди познакомились очень давно, и, пожалуй, наиболее ранние свидетельства таких отравлений связаны с заболеваниями эрготизмом, бушевавшими наряду с чумой в Средние века. Эта болезнь возникает в результате попадания в организм токсинов гриба Клавицепс, вызывающего заболевание ржи под названием спорынья. Гриб заражает цветки, в которых вместо семени образуется плотный, удлиненный, темно-фиолетовый рожок (склероций), обычно более крупный, чем зерно ржи, и поэтому высовывающийся наружу. Судьба склероциев может быть двоякой. Если они осыпятся или попадут в партию семенного зерна, то рано или поздно окажутся в почве, весной прорастут и образуют споры, которые заразят цветки ржи. Если же они попадут в партию продовольственного зерна, то будут перемолоты в порошок и, как примесь к муке, станут составной частью хлеба. И этот путь самый опасный, ибо склероции со держат химические вещества — алкалоиды, обладающие сильным нервно- паралитическим действием и вызывающие резкие сокращения мышц — судороги. Поэтому заболевание получило в народе название «злые корчи». Другой характерный симптом болезни — сильное жжение внутри всего тела, за что средневековые врачи дали заболеванию латинское название sager ignis — святой огонь. Заболевание сопровождается рвотой, болями в области желудка, галлюцинациями и часто имеет летальный исход.

Две страшные болезни, как Дамоклов меч, постоянно угрожающие населению средневековой Европы, — чума и отравление спорыньей (эрготизм). Первое письменное упоминание об эпидемии в Париже, вызванной отравлением, содержится в хронике Реймского собора за 945 год. За 400 лет с X до XIV века описаны 24 особо сильные эпидемии, сопровождавшиеся гибелью тысяч людей.

Причина болезни выяснилась гораздо позже. В 1582 г. немецкий ботаник и врач Адам Лонизер описал удлиненные твердые образования, иногда заменяющие зерна в колосьях ржи. Он слышал, что некоторые женщины для облегчения родов (чтобы усилить сокращения матки) съедают по три рожка спорыньи, и первый высказал предположение, что зараженный спорыньей хлеб — причина заболевания Антоновым огнем.

Последнее сообщение об эрготизме в Европе, как и первое, пришло из Франции. В августе 1951 г. в деревне Понт-сан-Эспри близ Авиньона около 200 человек внезапно отравились хлебом. Отравление сопровождалось резкими болями в области желудка, рвотой, похолоданием конечностей, галлюцинациями. Заболели и многие домашние животные. В газетах писали, что во Францию вернулся Антонов огонь. О причинах этой эпидемии не было единого мнения. Одни считают, что это было спорыньевое отравление, другие — что произошло отравление органическими фосфорсодержащими пестицидами, которыми опрыскивали растения для защиты от вредителей.

Все эти события стали достоянием истории. Сейчас благодаря улучшению техники сортирования зерна и ежегодному обязательному обследованию (апробации) состояния семенных посевов, зараженность их спорыньей резко снизилась. Но, хотя в Европе опасность отравления зараженным спорыньей хлебом сведена до минимума, в ряде тропических стран она продолжает существовать. Так, в Восточной Африке, на Абиссинском нагорье, кроме ячменя население использует для приготовления хлеба несколько видов дикорастущих злаков, часто сильно пораженных спорыньей. Процент тяжелых заболеваний с летальным исходом в этих местах в отдельные годы бывает очень высоким.

Биологически активные вещества склероциев давно привлекли внимание врачей и химиков. Из склероциев выделено несколько алкалоидов, вызывающих сокращение мышц и получивших применение в акушерской практике (можно только удивляться наблюдательности средневековых женщин). Кроме того, из алкалоидов спорыньи получают некоторые гормональные медицинские препараты. Поэтому в ряде стран созданы хозяйства, в которых рожь специально заражают спорыньей. Такое хозяйство имеется и у подмосковного института лекарственных растений. Кроме того, было показано, что исходным веществом, из которого в клетках склероциев синтезируются алкалоиды, является также интересное в фармакологическом отношении соединение — лизергиновая кислота, или знаменитый галлюциноген ЛСД, известный многим наркотик.

Афлатоксины

В 1960 г. английские газеты пестрели сенсационными сообщениями о гибели индюшек на многих фермах. Всего за этот год в Англии от острого некроза печени погибло около 100 ООО индюшек. Так как причина болезни была неизвестна, ее заболевание назвали индюшачьей болезнью X. Исследования, проведенные по горячим следам, показали, что на всех фермах, где погибли индюшки, их кормили арахисовой мукой, закупленной в Бразилии. Закупленные партии были заражены грибом желтым аспергиллом и содержали его метаболит, названный афлатоксином (от начальных букв латинского названия гриба —- Аспергиллюс флавус). В настоящее время у штаммов желтого аспергилла найдено целое семейство сходных по структуре и токсичности соединений (афлатоксины Вь В2, Gj, G2 и др.), что обычно для многих вторичных метаболитов.

Афлатоксины обладают не только остро токсичным действием, но, даже при попадании в организм в очень низкой концентрации (менее одного микрограмма на килограмм веса животного), способны вызывать рак печени. Из афлатоксина Bi под действием ферментов печени образуется соединение, которое способно вызывать мутации гена, продукт которого подавляет рост опухоли. В связи с этим афлатоксины не только сами вызывают рак, но и усиливают онкогенное действие вирусов гепатита типа В.

Росту и размножению продуцента афлатоксинов Аспергиллюс флавус, как и других аспергиллов, способствует теплая, влажная погода, поэтому он вызывает плесневение сельскохозяйственной продукции во влажных тропиках и субтропиках. Токсичную дозу афлатоксинов можно получить из зараженных арахиса, кукурузы и других растений, а также из молока, мяса, яиц сельскохозяйственных животных, которых кормили зараженными аспергиллом кормами. Так что горьковатые на вкус арахисовые орешки надо сразу выплевывать.

Фузариотоксины

В течение около десяти лет первой четверти крестьяне вместо того, чтобы выращивать рожь и пшеницу, стреляли: сначала в немцев, а затем — друг в друга. Старики и женщины, оставшиеся в деревнях, не успевали за наше короткое лето справиться с сельскохозяйственными работами, и многие поля уходили под снег неубранными. Но так как кушать хочется, перезимовавшие зерна собирали и пекли из них хлеб. Евшие такой хлеб люди часто тяжело заболевали. Симптомы отравления— сильное головокружение, боли в области желудки, рвота — были сходными с симптомами алкогольного отравления, поэтому болезнь получила в народе название «пьяного хлеба». Причиной отравления были токсины, производимые грибами из рода Фузариум. Многие виды этого рода заражают различные растения, вызывая у них разного рода заболевания. Одни виды заражают подземные части молодых растений и вызывают корневые гнили и выпадения всходов, другие — проникают внутрь зараженных растений и, поселяясь в сосудистой системе, препятствуют току воды с питательными веществами, вследствие чего зараженные растения увядают даже в достаточно влажной почве.

Некоторые виды заражают цветки и развивают свой мицелий в генеративных органах (фузариозы колоса). В результате болезни колосковые чешуйки часто приобретают красноватый цвет от пигментов, образуемых грибом, а зерна становятся щуплыми и тоже красноватыми. Фузариоз колоса особенно опасен, так как зерна содержат токсины, не разрушающиеся при хлебопечении. Большинство фузариотоксинов имеют структурное сходство и общий начальный путь биосинтеза с описанным уже грибным антибиотиком трихотецином, поэтому их называют трихотециновыми токсинами. Они ингибируют синтез белка в эукариотных клетках, поэтому высокотоксичны для многих эукариотных организмов, включая человека и позвоночных животных. Кроме того, трихотециновые токсины сходны с половыми гормонами млекопитающих и могут замещать их в физиологических процессах, вызывая серьезные нарушения течения беременности.

Стахиботриотоксины

В 30-е годы прошлого столетия на Украине получило значительное распространение заболевание лошадей. Сначала поражались ротовые органы, появлялось воспаление губ, стоматиты, некрозы гортани, риниты, конъюнктивиты. Затем заболевали внутренние органы, наблюдались легочные кровотечения, часто сопровождающиеся гибелью животных. Была отмечена связь заболеваний лошадей с их питанием мокрым сеном и соломой. А из мокрой соломы выделили гриб стахиботрис. Этот гриб развивается на субстратах, содержащих целлюлозу, которую он эффективно перерабатывает своими ферментами, но только в условиях высокой влажности — не ниже 90-95 %. Он образует очень токсичные продукты, трихотециновые токсины, сходные по строению и механизму действия с токсинами фузариевых грибов. Поскольку для роста гриба требуется высокая влажность, подсушивание соломистых кормов — лучшая форма защиты скота от инфекции.

Сейчас стахиботрис волнует в большей степени не ветеринаров, а санитарных врачей. Поскольку гриб может питаться чистой целлюлозой, он развивается на обоях и других покрытиях стен во внутренних помещениях, имеющих высокую влажность воздуха, образуя темно-зеленые налеты плесени. Его споры и обрывки мицелия, разносятся по жилым (или рабочим) помещениям и, попадая в рот и дыхательные органы, могут вызывать серьезные заболевания, не только вследствие аллергических реакций на грибной белок, но и вследствие наличия микотоксинов. Заболевания людей, вызванные токсинами гриба стахиботрис, получили на¬звание «синдром больного строения» (sick building syndrome).

***

Во многих странах проблемы экологии и защиты окружающий среды от ксенобиотиков, то есть веществ, созданных человеком, вошла в государственные программы; весьма популярными становятся принципы биологического земледелия, в основе которых лежит отказ от минеральных удобрений и пестицидов, то есть продуктов химической промышленности при выращивании растений. К сожалению, борцы за чистоту урожаев сельского хозяйства плохо знают и биологию, и само сельское хозяйство. Отказ от химических средств защиты растений от грибов — фунгицидов — может привести не только к снижению урожая от грибов-паразитов, но и к накоплению в урожае микотоксинов. И если химические средства защиты растений, прежде чем попасть на рынок, проходят серьезнейшую проверку на остротоксическое, мутагенное и канцерогенное действие, персистентность, миграцию в окружающей среде и прочие тесты, то действие многих митоксинов не предсказуемо, а некоторые токсины грибов в сотни и тысячи раз опаснее разрешенных к применению фунгицидов.
Микотоксины очень коварны. В низких дозах, не вызывающих отчетливых симптомов отравления, он могут быть причинами повышенной активности, чувства страха и агрессивности. Несомненно то, что в низких дозах микотоксины в пищевых продуктах могут стимулировать онкогенные заболевания. Исследования Всемирной организации здравоохранения показали, что у населения стран, в рационе жителей которых преобладают мучные изделия, наиболее высокий процент раковых заболеваний составляют опухоли пищеварительных органов, что связано как с приготовлением хлеба из зараженного зерна, так и с плесневением хлеба в процессе хранения. В странах, население которых питается в большей степени мясом, рыбой и овощами, преобладают раковые заболевания иных органов.

Токсины макромицетов

Народы разных стран можно разделить на микофилов (любителей собирать и есть дикорастущие грибы) и микофобов, которые боятся собирать и есть дикорастущие грибы. К микофобам относится, в основном, население Западной Европы и Северной Америки, а к микофилам — население Восточной Европы и, прежде всего, России. При этом использовать в пищу грибы, выращенные искусственно, например, шампиньоны, любят и те, и другие. Микофобия развивалась у населения постепенно, как ответ на отравления, вызванные грибными токсинами. В древнем Риме грибы считались лакомством, деликатесом, недаром один из съедобных видов рода Аманита (мухоморы) римляне называли цезарским грибом. Отменным вкусом обладает и другой представитель этого рода, растущий в Средней России розовый шампиньон (не самый распространенный красный, который ядовит, а съедобный, розовый), и даже, по свидетельству тех, кто успел свидетельствовать, бледная поганка. Но в этом роде есть много ядовитых и, в том числе, смертельно ядовитых видов. И использование ядовитых грибов, прежде всего бледной поганки, для решения жизненных задач и задачек, стало излюбленным занятием дворцовых интриганов.

Первым известным ученым-токсикологом была римлянка Локуста, которая готовила ядовитые добавки к пище по заказам видных особ. Для отработки оптимальных доз яда она проводила опыты на козах. Так что она была и основательницей экспериментальной медицины, проверяющей новые лекарства и приемы лечения на животных. Услугами Локусты часто пользовалась другая римская дама, Агриппина. Сначала, желая выйти замуж за овдовевшего императора Клавдия, она отравила грибами собственного мужа. Затем она уговорила императора усыновить и сделать наследником своего сына Нерона, а самого императора, чтобы он не передумал, также отправила на тот свет соусом, приготовленным из бледной поганки. После этого она отравила сына Клавдия от предыдущего брака Британика, двух внуков императора Августа и капитана императорской гвардии Серенуса. Последний был микофобом и не ел грибы, поэтому, зная, что капитан ест из общего котла со своими солдатами, ей пришлось отправить на тот свет вместе с капитаном 100 его солдат. И все это для того, чтобы расчистить от конкурентов дорогу на императорский престол своему сыну Нерону, который отплатил ей черной неблагодарностью: сначала он хотел ее отравить поганкой, но не смог, так как она приучила свой организм приемом малых доз яда, тогда он приказал убить свою мать.

Другая интересная римская история, связанная с грибными токсина¬ми, произошла в Восточном Средиземноморье. После распада империи Александра Македонского там сформировалось несколько царств, воз¬главляемых его генералами и их потомками. В Понтийском царстве пра¬вили потомки македонского полководца Митридата. Один из них, Мит- ридат VI, опасаясь, что его отравят ядом бледной поганки, стал приучать к нему свой организм, съедая периодически небольшое, но все увеличивающееся количество гриба с пищей. После того, как римская армия во главе с Цезарем разгромила его войско и оккупировала царство, бежавший Митридат решил покончить с собой и принял большую дозу яда, но оказался нечувствительным к нему. С тех пор возникновение устойчивости к ядовитым веществам в результате периодического приема низких доз получило название митридатизма.

Аманитин - токсин бледной поганки

Главным токсином бледной поганки оказался циклический октапептид, названный аманитином. Октапептид — это соединение, содержащее восемь аминокислот, циклический означает, что первая и последняя аминокислота в цепочке соединены друг с другом, образуя цикл. Такие циклические пептиды синтезируются не на рибосомах матричным синтезом — трансляцией (на матрице информационной РНК), а с помощью специальных ферментов — цикл аз. Аманитин подавляет действие одного из важнейших ферментов — РНК-полимеразы, который участвует в процессе транскрипции — построения цепочки информационной РНК на матрице ДНК. Поэтому молекулярные биологи, изучающие процессы транаскрипции и трансляции, используют аманитин, как реактив, вмешивающийся в эти процессы. А если нарушены процессы синтеза белка в клетке, то клетка гибнет. Поэтому аманитины так токсичны.

Аманитин не только очень ядовит, но и коварен: симптомы отравления появляются поздно — через 6-12 часов после приема грибной пищи, когда часто бывает уже поздно принимать меры для спасения. Сначала наступает период острого заболевания желудочно-кишечного тракта, сопровождающийся непрекращающейся мучительной рвотой, спастическими болями в желудке, мучительной диареей, головными болями, гипотонией и тахикардией. Через 2-3 суток часто боли проходят, и наступает период мнимого выздоровления, но спустя сутки наступает период острой печеночной недостаточности, заканчивающийся при приеме высоких доз гриба смертью.

Аманитины очень ядовиты. LD50 (доза, убивающая половину особей, которые приняли яд) для наиболее токсичного альфааманитина составляет 0,1 мг на килограмм веса особи, то есть 6-7 мг для человека со средним весом. Содержание альфааманитина в бледной поганке варьирует от 0,5 до 1,5 мг на грамм веса гриба. Следовательно, при среднем весе шляпки 60 г достаточно съесть одну шляпку, что поставить свою жизнь под угрозу.

Аманитины содержатся не только в бледной поганке и некоторых родственных ей мухоморах (мухоморе весеннем), но и в других грибах. Грибникам-любителям хорошо известен гриб зонтик пестрый — крупный гриб на длинной ножке с хорошо сохраняющимся кольцом, которое не при¬креплено к ножке, и большой зонтиковидной шляпкой, сверху покрытой коричневыми чешуйками, а снизу имеющей крупные белые пластинки. Шляпка гриба очень вкусная, используется для приготовления различных изысканных блюд. Однако более мелкие родственные виды грибов тоже образуют аманитины, хотя и в меньших, чем у бледной поганки, концентрациях, но достаточных, чтобы вызывать тяжелые симптомы отравления, вплоть до гибели.

Среди родственников бледной поганки, грибов из рода Аманита, известно еще несколько ядовитых видов, содержащих не аманитины, а другие, менее вредоносные токсины, и поэтому не столь опасные, как она. У всем известного красного мухомора выделено токсическое соединение мускарин — алкалоид, имеющий структурное сходство с ацетилхолином, переносчиком (медиатором) сигнала в нервных клетках. Мускарин соединяется с рецепторами на синаптической мембране, которые так и называются — мускариновыми рецепторами, — и повышает ее проницаемость для ионов, что приводит к нарушениям в деятельности нервной системы. Поэтому симптомами отравления наряду с рвотой, диареей, кишечными коликами являются потливость и нервно-психические расстройства — эйфория, тревога, мышечная дрожь. Как это часто бывает, токсическое вещество, нареченное мускарином по названию мухомора (Аманита мускария), в самом мухоморе находится в очень низкой концентрации и не токсично, а в некоторых грибах — видах волоконницы и говорушки — концентрация мускарина в десятки раз выше, чем в мухоморе, отравление этими грибами гораздо опаснее.

А чем же опасен мухомор? В красном, пантерном и желтом мухоморах содержатся соединения иботеновая кислота, мусцимол и другие, которые блокируют рецепторы головного мозга и вызывают повышение двигатель¬ной активности вплоть до судорог, угнетение эмоционально-психической деятельности мозга, галлюцинации, а в высоких концентрациях могут оказывать летальное действие. Именно этими свойствами мухомора обусловлено его применение в Средние Века норманнскими воинами-берсерками и шаманами северных народов, которые вводили себя в кататоническое состояние, сравнимое с безумием.

Но наиболее сильным нейротропным действием обладают псилоцибин и родственные ему соединения, образующиеся из аминокислоты триптофана. Их образуют различные виды грибов, токсические вещества которых вызывают нарушение деятельности центральной и периферической нерв¬ной системы. Обладая химической структурой, сходной с серотонином, они взаимодействуют с рецепторами серотонина в головном и спинном мозге и вызывают возбуждение и острый психоз. Вначале возникают эйфория, беспричинное веселье, нарушение координации, зрительные галлюцинации. Затем беспричинный смех сменяется приступами тревоги и ужаса, чувства агрессии и суицидального состояния. После глубокого сна больной выздоравливает. Однако при приеме высокой дозы грибов-галлюциногенов возможны необратимые нарушения сердечной деятельности, инфаркт миокарда, коматозное состояние и смерть.