内毒素和外毒素

内毒素和外毒素

1．外毒素产生菌主要是革兰阳性菌中的破伤风梭菌、肉毒梭菌、白喉杆菌、产气荚膜梭菌、A群链球菌、金黄色葡萄球菌等。某些革兰阴性菌中的痢疾志贺菌、鼠疫耶氏菌、霍乱弧菌、肠产毒素型大肠埃希菌、铜绿假单胞菌等也能产生外毒素。大多数外毒素是在菌细胞内合成后分泌至细胞外；也有存在于菌体内，待菌溶溃后才释放出来的，痢疾志贺菌和肠产毒素型大肠埃希菌的外毒素属此。

外毒素的毒性强。1mg肉毒毒素纯品能杀死2亿只小鼠，毒性比KCN大1万倍。不同细菌产生的外毒素，对机体的组织器官具有选择作用，各引起特殊的病变。例如肉毒毒素能阻断胆碱能神经末梢释放乙酰胆碱，使眼和咽肌等麻痹，引起眼睑下垂、复视、斜视、吞咽困难等，严重者可因呼吸麻痹而死。又如白喉毒素对外周神经末梢、心肌等有亲和性，通过抑制靶细胞蛋白质的合成而导致外周神经麻痹和心肌炎等。

多数外毒素不耐热。例如白喉外毒素在58—60℃经1—2h，破伤风外毒素在60℃经20min可被破坏。但葡萄球菌肠毒素是例外，能耐100℃30min。大多外毒素是蛋白质，具有良好的抗原性。在0.3%—0.4%甲醛液作用下，经一定时间，可以脱去毒性，但仍保有免疫原性，是为类毒素（toxoid）。类毒素注入机体后，可刺激机体产生具有中和外毒素作用的抗毒素抗体。类毒素和抗毒素在防治一些传染病中有实际意义，前者主要用于人工主动免疫，后者常用于治疗和紧急预防。

多数外毒素的分子结构为A-B模式，即由A和B两种亚单位组成。A亚单位是外毒素活性部分，决定其毒性效应。B亚单位无毒，能与宿主靶细胞表面的特殊受体结合，介导A亚单位进入靶细胞。A或B亚单独对宿主无致病作用，因而外毒素分子的完整性是致病的必要条件。利用B亚单位能与靶细胞受体结合后阻止受体再与完整外毒素分子结合，且B亚单位抗原性强；将B亚单位提纯制成疫苗，有可能预防相关的外毒素性疾病。

根据外毒素对宿主细胞的亲和性及作用方式等，可分成神经毒素、细胞毒

素和肠毒素三大类。

细菌的外毒素多数为A-B型分子结构，这类外毒素的作用机制不完全相同，又可分为几种类型：

（1）具腺苷二磷酸核糖基转移酶活性的毒素：这类毒素通过转移烟酰胺腺苷二核苷中的腺苷二磷酸（ADP）核糖，核糖基化真核细胞中腺苷环化酶复合物中的鸟嘌呤核苷结合蛋白。例如百日咳毒素和铜绿假单胞菌毒素A靶向的延伸因子-2（EF-2）是三磷酸结合蛋白；肉毒梭菌C2毒素使肌动蛋白结合至腺苷三磷酸；肉毒梭菌C3毒素即ADP核糖基转移酶，靶向小分子鸟苷三磷酸结合蛋白Rho 和Rac。这类毒素都为A-5B结构，即每一外毒素分子由1个A亚单位和5个B 亚单位组成。包括有霍乱肠毒素、大肠埃希菌不耐热肠毒素、百日咳毒素等。

（2）RNA糖基化酶毒素：这类毒素的分子结构式为A-5B。例如痢疾志贺菌产生的志贺毒素和大肠埃希菌0157：H7产生的Vero毒素。它们的A亚单位与蓖麻毒素蛋白的A亚单位具有同源性。A亚单位的N糖苷酶，直接作用于靶细胞核糖体的60S亚单位，使28S RNA近3ˊ端的特殊嘌呤残基脱嘌呤。

（3）钙调节蛋白依赖性腺苷酸环化酶毒素：炭疽毒素属此类毒素。它由保护性抗原（PA）、水肿毒素（EF）和致死毒素（LF）三部分组成。单一组分无毒性，PA和EF可引起实验动物皮肤水肿，PA和LF则使动物迅速死亡。PA和EF 或LF反应产生完全的水肿毒素或致死毒素，符合A-B结构模式。水肿因子是一种钙调节蛋白依赖性腺苷酸环化酶，进入靶细胞后导致cAMP水平增高。致死毒素是炭疽病死亡的主要毒力因子，它可能是一种金属蛋白酶。

（4）具锌结合内肽酶活性的神经毒素：这类毒素的代表是肉毒神经毒素（BoNT），其结构和功能与破伤风痉挛毒素（TeTx）相似。BONT和TeTx产生时为单一多肽，经蛋白酶水解成由二硫键连接的双链毒素。100kDa重链与神经元受体结合，50kDa轻链封闭神经递质的释放。这两种毒素均为锌内肽酶，其靶分子是神经元膜内的小突触泡蛋白（synaptobrevin），毒素可将之切割、降解而失活。锌内肽酶活性位于这些毒素的轻链，若锌结合基序发生突变则其活性丧失。

（5）其他梭菌外毒素：艰难梭菌可产生毒素A（肠毒素）和毒素B（细胞毒素）。毒素A和B的靶分子是Rho，其作用机制尚不清楚。

外毒素的分子结构不是A—B型模式的尚有：

（1）损伤细胞膜的毒素：有两种类型。一种具有磷脂酶活性。例如产气荚膜梭菌的α毒素是磷脂酶C；金黄色葡萄球菌的β毒素是鞘磷脂酶；水肿梭菌的β毒素是卵磷脂酶等。这些毒素消化靶细胞膜的磷脂组分而引起细胞溶解。另一种是毒素本身嵌进细胞膜，使形成小孔。例如金黄色葡萄球菌α毒素通过在靶细胞上打孔而损伤细胞；产气荚膜梭菌β毒素与金黄色葡萄球菌α毒素具有同源性，是一种孔形成毒素；链球菌溶素O是结合于靶细胞膜胆固醇的孔形成毒素，在寡聚化后形成小孔。

（2）激素样作用的毒素：例如大肠埃希菌耐热肠毒素ST-1能活化肠粘膜上的鸟苷环化酶，使cGMP水平增加，导致腹泻。

细菌外毒素中，有一类具有超抗原（superantigen）作用。这些超抗原性外毒素主要是葡萄球菌肠毒素A-E、毒性休克综合征毒素-1、链球菌致热外毒素A-C等。这些毒素是强力的有丝分裂原，能活化一大群T细胞。它们结合至抗原递呈细胞上的MHCⅡ类分子，以及T细胞受体β区刺激T细胞，产生和释放大量IL-1、IL-2、TNF-α和IFN-γ等细胞因子。超抗原性外毒素引起的病症有毒性休克综合征、猩红热、食物中毒等，也可能与一些自身免疫病有关，例如毒性

休克综合征患者常伴有关节炎、滑膜炎等并发症。

2．内毒素是革兰阴性菌细胞壁中的脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）组分，只有当细菌死亡裂解或用人工方法破坏菌体后才释放出来。螺旋体、衣原体、支原体、立克次体亦有类似的LPS，有内毒素活性。

内毒素的分子量大于10万，其分子结构由O特异性多糖、非特异核心多糖和脂质A三部分组成。

内毒素耐热，加热100°C经1h不被破坏；需加热至160°C经2-4h，或用强碱、强酸或强氧化剂加温煮沸30min才灭活。不能用甲醛液脱毒成类毒素。内毒素注射机体可产生相应抗体，但中和作用较弱。

内毒素LPS能刺激巨噬细胞、血管内皮细胞等产生IL-1、IL-6、TNF-α及趋化因子等。小量内毒素诱生的这些细胞因子，可导致适度发热、微血管扩张、炎症反应等对宿主有益的免疫保护应答。但当革兰阴性菌进入血循环发生败血症时，内毒素大量释出，诱生的细胞因子过量，常致患者休克甚至死亡。高浓度的内毒素也可激活补体替代途径，引发高热、低血压，以及活化凝血系统，最后导致弥散性血管内凝血（disseminated intravascular coagulation,DIC）.

脂质A是内毒素的主要毒性组分。不同革兰阴性菌的脂质A结构虽有差异，但基本相似。因此，不同革兰阴性菌感染时，由内毒素引起的毒性作用大致类同。

（1）发热反应：极微量（1～5ng/kg）内毒素就能引起人体体温上升，维持约4h后恢复。其机制是内毒素作用于巨噬细胞等，使之产生IL-1、IL-6和TNF-α这些具有内源性致热原（endogenous pyrogens）的细胞因子。它们再作用于宿主体下丘脑体温调节中枢，促使体温升高发热。

（2）白细胞反应：注射内毒素后，血循环中的中性粒细胞数骤减，系与其移动并粘附至组织毛细血管有关。1～2h后，LPS诱生的中性粒细胞释放因子（neutrophil releasing factor）刺激骨髓释放中性粒细胞进入血流，使数量显著增加，且有左移现象。但伤寒沙门菌内毒素是例外，始终使血循环中的白细胞总数减少，机制尚不清楚。

（3）内毒素血症与内毒素休克：当血液中细菌或病灶内细菌释放大量内毒素入血时，可导致内毒素血症（endotoxemia）。内毒素作用于巨噬细胞、中性粒细胞、内皮细胞、血小板、补体系统、凝血系统等并诱生TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、组胺、5-羟色胺、前列腺素、激肽等生物活性物质，使小血管功能紊乱而造成微循环障碍，表现为微循环衰竭和低血压、组织器官毛细血管灌注不足、缺氧、酸中毒等。严重时则导致以微循环衰竭和低血压为特征的内毒素休克。

（4）Shwartzman现象与DIC：将革兰阴性菌培养物上清或杀死的菌体注射入家兔皮内，8～24h后再以同样或另一种革兰阴性菌行静脉注射。约10h后，在第一次注射处局部皮肤可出现出血和坏死，是为局部Shwartzman现象。若两次注射均为静脉途径，则动物两侧肾皮质坏死，最终死亡，此为全身性Shwartzman现象。该现象不是抗原与抗体结合的免疫应答反应，因两次注射仅间隔短时间，且两次注射的革兰阴性菌可为无抗原交叉者。在人类的严重革兰阴性菌感染中常出现的DIC，其病理变化和形成机制酷似动物的全身性Shwartzman 现象。