Hóa học đằng sau nọc độc của côn trùng

Nếu bạn vô tình bị những loài côn trùng có nọc độc cắn hay đốt thì những vết thương này trở nên đau nhức, đôi khi dẫn đến tử vong. Điều này thật là nguy hiểm đúng không? Vì thế để giúp cho các bạn có khái niệm cơ bản về các loại nọc độc này, bài viết hôm nay sẽ đề cập chủ yếu về nọc độc của ong và kiến. Đây là hai loại côn trùng chúng ta thường tiếp xúc mỗi ngày. Ngoài ra bạn có thể tham khảo bài viết hóa học của những chất xua đuổi côn trùng tại đây để hiểu rõ hơn về cách các hóa chất dùng để xua đuổi côn trùng nhé!

Đôi nét

Theo wikipedia thì côn trùng hay còn gọi là sâu bọ, là một lớp (sinh vật) thuộc về ngành động vật không xương sống, chúng có bộ xương ngoài làm bằng kitin, cơ thể có ba phần (đầu, ngực và bụng), ba cặp chân, mắt kép và một cặp râu. Côn trùng là nhóm động vật đa dạng nhất hành tinh, gồm hơn một triệu loài đã được mô tả và gồm hơn một nửa số sinh vật sống. Số loài còn sinh tồn theo nghiên cứu từ 6 – 10 triệu loài, và đại diện cho 90% dạng sống của các loài động vật khác nhau trên Trái Đất.

Côn trùng có thể sống được ở hầu hết các môi trường sống, mặc dù chỉ có số ít các loài sống ở biển và đại dương, nơi mà động vật giáp xác chiếm ưu thế hơn. Các loài này có đời sống khá phức tạp và được phân bổ ở nhiều môi trường sống khác nhau: Sa mạc, rừng, đồng cỏ, nước ngọt, ao hồ, suối, đất ngập nước hay thậm chí là biển.

Côn trùng có lợi thế về hệ thống giác quan cực nhanh nhạy, chính xác giúp chúng có thể di chuyển tốt và lẫn trốn kẻ thù. Ngoài ra, chúng còn là loài mắn đẻ, mỗi lần con cái sinh sản chúng có thể sinh ra từ vài chục đến vài trăm trứng. Đó cũng chính là lý do loài này không ngừng tồn tại, tiến hóa, phát triển trong hàng triệu năm.

Nọc độc côn trùng

Nọc độc côn trùng rất phức tạp. Thực sự phức tạp. Bạn có thể nghĩ rằng nó phải là một hợp chất tương đối đơn giản tạo nên cảm giác đau đớn của ong hoặc ong bắp cày, nhưng thực tế là một hỗn hợp cực kỳ phức tạp của tất cả các loại hợp chất – protein, peptide, enzyme và các loại khác các phân tử nhỏ hơn – đi vào một lượng nhỏ nọc độc. Phạm vi của các hợp chất là quá lớn để chi tiết từng loại một – nhưng chúng ta có thể kiểm tra một số thành phần chính trong ong, ong bắp cày, ong vò vẽ và nọc độc của kiến.

Nọc độc ong

Chúng ta sẽ bắt đầu với nọc độc mà chúng ta biết nhiều nhất – đó là ong. Không giống như nhiều nọc độc côn trùng khác, chúng ta có một ý tưởng tương đối tốt về tỷ lệ phần trăm của nọc độc của con ong trung bình. Khi ong đốt, nọc độc được trộn với nước, vì vậy thành phần thực sự của chất mà nó tiêm vào bạn là khoảng 88% nước và 12% nọc độc. Từ thời điểm này trở đi, chúng ta sẽ xem xét tỷ lệ phần trăm của các hợp chất hoàn toàn trong nọc độc.

Nọc ong là hỗn hợp của histamine, pheromone, enzyme, peptide, axit amin và các axit khác, với tổng cộng 63 thành phần. Các enzyme chính có mặt là phospholipase A, hyaluronidase và lecithinase; trong khi các peptide chính là mellitin, apamin và peptide 401. Nọc độc của ong là gây độc tế bào (nghĩa là phá hủy tế bào) và có tác dụng trái ngược với việc ức chế hệ thần kinh, đồng thời kích thích tim và tuyến thượng thận.

Thành phần độc hại chính của nọc ong là melittin, còn được gọi là apitoxin. Melittin là một peptide 26 axit amin bao gồm khoảng 50-55% trọng lương khô của nọc ong (dry venom) và là một hợp chất có thể phá vỡ màng tế bào, dẫn đến sự phá hủy các tế bào. Tuy nhiên, nó không được coi là thành phần có hại nhất của nọc ong; mà thuộc về một loại enzyme chiếm khoảng 10-12%, phospholipase A. Enzyme này phá hủy phospholipids, và cũng phá vỡ màng tế bào máu, dẫn đến phá hủy tế bào; Ngoài ra, không giống như phần lớn các phân tử lớn hơn trong nọc độc, nó gây ra sự giải phóng các chất gây đau. Một enzyme khác, hyaluronidase, hỗ trợ hoạt động của nọc độc bằng cách xúc tác sự phân hủy phức hợp protein-polysacarit trong mô, cho phép nọc độc xâm nhập sâu hơn vào da thịt.

Thêm vào đó là các phân tử nhỏ hơn cũng có thể đóng góp vào các hiệu ứng đau đớn. Một lượng nhỏ histamine được tìm thấy trong nọc ong, chiếm 0,9% nọc độc; histamine là một trong những hợp chất được cơ thể giải phóng trong quá trình phản ứng dị ứng, và có thể gây ngứa và viêm. Các protein trong nọc có thể gây ra phản ứng dị ứng, dẫn đến giải phóng nhiều histamine hơn và có thể bị sốc phản vệ. MCD peptide, một thành phần nhỏ khác của nọc độc, cũng có thể khiến các tế bào mast (dưỡng bào) trong cơ thể giải phóng nhiều histamine, làm tình trạng viêm nặng hơn.

Thành phần chính xác của nọc độc ong bắp cày và ong vò vẽ không được biết đến nhiều như ong, nhưng chúng ta vẫn có một ý tưởng đúng đắn về các thành phần chính là gì. Các peptide được tìm thấy trong nọc độc được gọi lần lượt là ‘wasp kinin’ và ‘hornet kinin’; Tuy nhiên, chúng không đặc trưng như các peptide trong nọc ong. Giống như nọc ong, chúng cũng chứa phospholipase A, enzyme hyaluronidase và histamine. 

Tuy nhiên, có một số khác biệt trong thành phần hóa học. Cũng như sự thay đổi về tỷ lệ phần trăm của các thành phần khác nhau, chúng cũng chứa hợp chất acetylcholine, không thường thấy trong nọc ong. Acetylcholine thực sự là một chất dẫn truyền thần kinh cũng được sản xuất trong cơ thể chúng ta, nhưng trong nọc độc của ong bắp cày và ong vò vẽ, nó giúp kích thích các thụ thể đau, làm tăng cảm giác đau đớn từ vết chích và nọc độc.

Bạn có thể đã được chỉ dẫn trong các lớp học khoa học của mình rằng ong đốt có tính axit và có thể được trung hòa bằng kiềm, trong khi đó ong bắp cày có tính kiềm, và do đó có thể được trung hòa bằng axit. Đáng buồn thay, đây là một cái gì đó đơn giản hóa quá mức. Mặc dù đúng là nọc ong có một số thành phần axit, trong khi nọc độc ong có một số thành phần kiềm, nọc độc nhanh chóng xâm nhập vào mô sau khi bạn bị chích. Do đó, việc bôi tại chỗ một loại axit hoặc kiềm vào khu vực chích không có khả năng giúp giảm đau. 

Ngoài ra, vì nọc độc là một hỗn hợp phức tạp của các thành phần, nhiều thành phần có tác dụng góp phần, không chắc rằng việc trung hòa một số lượng nhỏ các thành phần này sẽ làm giảm cơn đau. Tuy nhiên, những gì có thể có một số tác dụng là kem chống histamine, có thể giúp ngăn ngừa viêm thêm.

Nọc ong gần đây đã tìm thấy một sử dụng trong một hình thức trị liệu bổ sung. Trong liệu pháp nọc ong, ong có thể được gây ra để đốt khu vực bị ảnh hưởng, hoặc nọc độc có thể được áp dụng bằng cách tiêm bắp. Nọc độc kích thích giải phóng cortisol, và do đó có hiệu quả trong điều trị các rối loạn thấp khớp như bệnh đa xơ cứng, viêm khớp dạng thấp và bệnh gút. Mellitin được cho là tác nhân chính hoạt động. Liệu pháp nọc ong là một khía cạnh của apitheracco – sử dụng các sản phẩm từ ong để chữa bệnh.

Mellitin cũng đang được điều tra như một tác nhân chống ung thư. Bằng cách sửa đổi phân tử mellitin để ngăn chặn phản ứng dị ứng và gắn kháng thể đặc hiệu ung thư (sự kết hợp giữa độc tố và kháng thể này được gọi là immunotoxin), các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tạo ra một ‘viên đạn ma thuật’ – được gọi là vì nó chỉ tiêu diệt các tế bào ung thư (không giống như các tác nhân hóa trị thông thường, phá hủy tất cả các loại tế bào, gây ra tác dụng phụ khó chịu như nôn mửa và rụng tóc).

Nọc độc kiến

Tất nhiên, trong khi có sự khác biệt về nọc độc giữa các loài ong, ong bắp cày và ong vò vẽ khác nhau, thì ở loài kiến ​​này lại không khác biệt mấy. Nọc độc của một số loài kiến ​​chứa rất ít protein và hàm lượng peptide, và được cấu tạo chủ yếu là các hợp chất nhỏ hơn. Một ví dụ là kiến ​​lửa. Nọc độc của kiến ​​lửa chỉ bao gồm khoảng 0,1% trọng lương khô của nọc ong, với phần lớn thay vào đó bao gồm một lớp các hợp chất gọi là alkaloids; các alkaloid này gây độc cho tế bào và dẫn đến cảm giác nóng rát. Mặc dù hàm lượng protein thấp hơn nhiều so với ong, ong bắp cày và ong vò vẽ, nhưng nó cũng có thể gây ra phản ứng dị ứng và sốc phản vệ.

Những con kiến ​​khác không chích, nhưng thay vào đó có thể phun nọc độc của chúng; Trong số nhiều thành phần chính của nọc độc là axit formic. Điều này dẫn chúng ta đến một phản ứng hóa học. Tuy nhiên, nọc độc của loài kiến ​​lửa cho cảm giác không dễ chịu tí nào, đặc biệt xảy ra giữa chúng trong trận đấu với một loài kiến ​​khác, hay còn được gọi là “con kiến ​​điên cuồng”. 

Cả hai loài kiến ​​đang chiến đấu đều sử dụng nọc độc của chúng trong cuộc xung đột, nhưng loài kiến ​​điên cuồng sử dụng hóa học để đạt được lợi thế rõ ràng. Chúng chống lại độc tính của nọc độc kiến lửa bằng cách tự giải độc nó, dựa trên axit formic. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa hoàn toàn hiểu chính xác cách thức giải độc xảy ra, nhưng cho thấy nó có thể là kết quả của axit formic trung hòa các enzyme hỗ trợ hiệu lực của nọc độc kiến lửa. Thậm chí thú vị hơn, quá trình giải độc này tạo thành một chất lỏng ion ở nhiệt độ môi trường, một hiện tượng mà trước đây không được quan sát thấy trong tự nhiên.

Hợp chất được tìm thấy trong nọc độc kiến lửa có tên solenopsin. Đây là chất có vai trò quan trọng trong thành phần lớp biểu bì. Bằng cách giữ độ ẩm cho da, nó sẽ hỗ trợ chức năng rào cản của da và giúp bảo vệ những tế bào khỏe mạnh.

Chất solenopsin có cấu trúc gần giống với chất ceramides được sử dụng trong các sản phẩm dưỡng da. Tuy nhiên, chất này có thể gây ra tác dụng phụ bởi đôi khi nó biến đổi thành một phân tử sphingosine-1 (S1P) dễ gây viêm. Vì vậy các nhà khoa học đã phát triển 2 chất tương tự solenopsin, nhưng không bị biến đổi thành S1P.

Các nhà nghiên cứu đã phát triển chất solenopsin thành một thành phần của kem dưỡng da có tác dụng điều trị vẩy nến. Qua nghiên cứu họ thấy rằng hợp chất solenopsin sẽ góp phần phục hồi đầy đủ các chức năng của da, từ đó làm dịu da và ngăn ngừa những triệu chứng của bệnh vẩy nến

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Wikipedia, Dietcontrung, Sciencedirect, CHM, Donald R. Hoffman, C&EN BrainkartCompound Interest.