Дендротоксин

Дендротоксины — класс пресинаптических нейротоксинов, вырабатываемых змеями рода мамба и блокирующих определённые подтипы потенциалзависимых калиевых каналов в нейронах, тем самым повышая высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечных синапсах. Благодаря высокой эффективности и селективности для калиевых каналов, дендротоксины оказались чрезвычайно полезными в качестве фармакологических средств для изучения структуры и функции этих белков ионных каналов.

Функциональные эффекты в нервной системе

Дендротоксины показали способность к блокированию определённых подтипов потенциалзависимых каналов калия (K⁺) в ткани нейронов. В нервной системе K⁺ каналы контролируют возбудимость нервов и мышц, контролируя мембранный потенциал покоя и реполяризируя мембрану во время потенциалов действия. Дендротоксин, как было показано, связывает узлы Ранвье мотонейронов и блокирует активность калиевых каналов. Таким образом, дендротоксины продлевают продолжительность потенциалов действия и увеличивают высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, которое может привести к мышечной перевозбудимости и судорогам.

Структура дендротоксинов

Пространственная модель альфа-дендротоксина

Дендротоксины являются ~ 7kDa белками, состоящими из одной пептидной цепи из приблизительно 57-60 аминокислот. Были выделены несколько гомологов альфа-дендротоксина, все обладающие несколько иной последовательностью. Тем не менее, молекулярная архитектура и складная конформация этих белков очень похожи. Дендротоксины обладают очень короткой 3₁₀-спиралью вблизи N-конца пептида, в то время как два оборота альфа-спирали происходит вблизи С-конца. Двунитевой антипараллельный β-лист занимает центральную часть молекулярной структуры. Эти две β-нити соединены искаженной областью β-оборота, что, предположительно, играет важную роль в активности связывания белка. Все дендротоксины сшиты тремя дисульфидными связями, которые добавляют стабильность белку и в значительной степени способствует её структурной конформации. Радикалы цистеина, образующие эти дисульфидные связи были законсервированы среди всех членов семейства дендротоксинов, и расположены в C7-C57, С16-С40, и С32-С53 (нумерация согласно альфа-дендротоксинам).

Дендротоксины структурно гомологичны ингибиторам серпиновых протеаз (ИСП), в том числе апротинину. Было показано, что последовательности альфа-дендротоксина и ИСП идентичны на 35% и имеют идентичные дисульфидные связи. Несмотря на структурную гомологию между этими двумя белками, дендротоксины не показывают никакого ощутимо ингибирующего действия, в отличие от ИСП. Эта потеря активности возможно является результатом отсутствия ключевых аминокислотных радикалов, которые производят структурные различия, препятствующие ключевым взаимодействиям, необходимым для активности ИСП.

Дендротоксины – основные белки, имеющие положительный заряд при нейтральном pH. Большинство положительно заряженных радикалов аминокислот находятся в нижней части структуры, создавая катионную область в одной части белка. Положительный заряд исходит от радикалов лизина(Lys) и аргинина(Arg), которые сконцентрированы на трёх основных участках: вблизи N-конца (Arg3, Arg4, Lys5), вблизи C-конца (Arg54, Arg55) и узкой области β-оборота (Lys28, Lys29, Lys30). Полагают, что эти положительно заряженные радикалы могут играть критичную роль в связывающей активности дендротоксинов, так как они могут взаимодействовать с анионными участками (отрицательно заряженными аминокислотами) в порах калиевых каналов.

Биологическая активность

Механизм действия

Одна молекула дендротоксина обратимо связывается с калиевым каналом для того, чтобы оказать ингибирующий эффект. Предполагается что это взаимодействие инициируется электростатическими взаимодействиями между положительно заряженными радикалами аминокислот в катионной области дендротоксина и отрицательно заряженными радикалами в порах ионных каналов. Калиевые каналы, как и другие катионно-избирательные каналы, предположительно имеют облако отрицательных зарядов, находящихся перед входным отверстием в пору канала, которое помогает проводить ионы калия по пути проникновения. Обычно считается (но не доказано), что молекулы дендротоксина связываются с анионными связями вблизи внеклеточной поверхности канала и физически закрывают пору, тем самым предотвращая проведение ионов. Однако, Имреди и МакКиннон предположили, что дельта-дендротоксин может иметь отклонённое от центра место связывания на целевых белках, и может ингибировать канал путём изменения его структуры, а не физического блокирования пор.

Использование в исследованиях

Калиевые каналы нейронов позвоночных имеют множество разновидностей, позволяющих им подстраивать свойства их электрических сигналов проявлением различных комбинаций подгрупп калиевых каналов.