외독소란 세균이 균체 밖으로 분비하는 독소로, 그람음성 세균에서만 발현되는 내독소와 달리, 그람양성 및 그람음성 세균 모두 외독소를 분비합니다. 외독소는 전신으로 확산되며 신체의 먼 부분에서도 질병을 유발할 수 있습니다.
외독소의 구성
외독소의 경우 대부분 단백질이고, 열에 쉽게 불활성화 되는 반면, 내독소는 열을 가해도 불활성화되지 않는 경우도 있습니다. 외독소의 구성성분은 polypeptide이며 plasmid 또는 lysogenic bacterial virus에 존재하는 유전자로부터 형성됩니다. Polypeptide는 두 개의 domain 또는 아단위(subunit)로 구성되어 있습니다. 외독소는 세포막 부착 및 세포 내부로 들어가는 것을 매개하는 아단위와 독성을 나타내는 아단위로 이루어져 있습니다. 외독소는 세포벽을 파괴시키거나, 정상적인 세포물질대사를 방해함으로써 숙주에 위해를 가할 수 있습니다.
외독소의 독성은 강력합니다. 다행히 외독소의 항원성이 높아 외독소에 대한 항체 즉, 항독소(antitoxin)가 생성되어 파상풍과 같은 질환의 예방 및 치료에 활용됩니다. 외독소의 독성은 formaldehyde 같은 화학물질, 산 또는 열에 의하여 외독소의 독성을 중화할 수 있습니다. 독성이 중화된 외독소는 변이독소 혹은 변성독소(toxoid)라고 하며, 이 변성독소는 항원성을 지니고 있어 백신에 사용됩니다.
외독소의 분류
세균의 외독소는 독소가 작용하는 위치에 따라 크게 아래와 같이 분류될 수 있습니다 – 세포독소/면역독소/신경독소/장내독소/심장독소/간세포독소.
1)신경독소(neurotoxin) – 신경세포 또는 신경근육 접합부에 특이적으로 작용하는 외독소입니다. 파상풍 독소, 디프테리아 독소, 보툴리누스독소는 모두 신경독소이며 이들은 신경계에 작용합니다.
Clostridium tetani가 생성하는 파상풍 독소는 억제성 신경 전달물질인 glycine의 분비를 차단하여 근육경련을 일으킵니다. 파상풍 독소는 중쇄(heavy chain) 및 경쇄(light chain) 2개의 polypeptide 아단위(subunit)로 이루어져 있습니다. 중쇄는 뉴런막의 ganglioside(당 체인에 연결된 하나 또는 그 이상의 sialic acids를 포함하는 glycosphingolipid분자, 신경세포나 뇌회백질에 많이 존재)에 결합하며 경쇄는 독소활성역할을 합니다. 상처부위에서 유리된 독소는 역행성 축삭 또는 혈류를 통해 척수의 뉴런으로 전달됩니다. 독소는 억제성 신경전달물질의 분비를 차단하여 수의근의 지속적인 경련성 수축을 유발합니다.
디프테리아 독소는 Corynebacterium diphtheriae에 의해 생성되며 2개의 domain을 가진 단일 polypeptide입니다. 한 도메인은 독소가 세포막 수용체에 결합할 수 있도록 하고, 또 다른 도메인은 효소활성을 지니고 있어 진핵세포의 단백질 합성을 저해합니다. 독소의 효소활성도가 매우 높아 하나의 분자로도 몇 시간 내에 하나의 세포를 죽일 수 있습니다. Escherichia coli, Vibrio cholerae, Bordetella pertusis는 이와 비슷한 활성을 나타내는 외독소를 분비합니다.
보툴리눔 독소는 Clostridium botulinum에 의해 생성되며 독성이 가장 강한 독소 중 하나입니다. 이 독소는 시냅스에서 acetylcholine의 분비를 억제하여 수의근과 불수의근의 마비를 일으킵니다. 독소는 bacteriophage의 유전자로부터 발현되며 두 개의 polypeptide아단위로 구성되어 있습니다.
2)장독소(enterotoxin) - 장독소는 장점막에서 활동하며 소화장애를 일으킵니다. Escherichia coli는 2종류의 장독소를 생성하는데 하나는 열에 불안정하며 다른 하나는 열에 안정합니다. 열에 불안정한 독소(65℃에서 30분간 처리할 때 불활성화됨)는 2개의 도메인으로 구성되어 있습니다. 세포막의 ganglioside에 결합하는 부위와 활성을 나타내는 부위로 구성되어 있으며 활성을 나타내는 부위는 소장 점액세포의 cAMP(cyclic adenosine monophosphate)합성을 매개합니다. 독소에 의한 cAMP의 농도 증가로 세포내의 chloride ion의 배출과 sodium ion흡수가 억제되며 그 결과 장관 내강으로 체액 및 전해질이 지속적으로 배출됩니다. (=설사 증상) E.coli의 열에 안정한 독소(30분간 끓인 경우 불활성화되지 않음)는 guanylate cyclase를 자극하여 cGMP의 농도를 증가시킵니다. 결국 sodium ion의 재흡수를 저해시켜 마찬가지로 설사를 일으킵니다. 두 독소의 유전자는 plasmid에 위치해 있습니다.
설사를 유발하는 V. cholerae 와 Bacillus cereus에서 생성되는 장독소는 E.coli의 열에 불안정한 독소와 비슷한 방법으로 독성을 나타냅니다.
3)기타 외독소
가스괴저(gas gangrene)를 일으키는 Clostridium perfringens 및 여러 clostridia 종이 다양한 외독소를 생성합니다. α – toxin(모든 진핵세포막에 존재하는 lecithin을 가수분해하는 phospholipase), collagenase, protease, hyaluronidase, deoxyribonuclease(=DNAase)가 이에 해당되며 이들은 세포 및 결체조직을 파괴합니다. 면역독소는 특이적으로 다형 핵 세포(polymorphonuclear cells, PMNs)에 작용하며 면역세포를 1차 표적으로 삼아 공격하기 때문에, 면역세포에 의해 죽는 미생물을 보호하는 역할을 하게 됩니다.
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