Кіріспе
Химиялық қосылыс
Дендротоксиндер – мамба жыландарының (Dendroaspis) өндіретін пресинаптикалық нейротоксиндер класы. Олар нейрондардағы кернеуге сезімтал калий арналарының белгілі бір түрлерін бұғаттап, осылайша нейромышелік байланыстарда ацетилхолиннің бөлінуін күшейтеді. Жоғары тиімділігі және калий арналарына қатысты таңдаулылығының арқасында дендротоксиндер осы иондық арналардың құрылымын және жұмысын зерттеу үшін фармакологиялық құрал ретінде өте пайдалы болып табылды. Дендротоксиндер нейрондық тіндердегі кернеуге сезімтал калий (K+) арналарының белгілі бір түрлерін бұғаттайтыны дәлелденді. Нерв жүйесінде кернеуге сезімтал K+ арналары, тыныш мембраналық потенциалды реттеу және әрекеттік потенциал кезінде мембрананы қайта поляризациялау арқылы нервтер мен бұлшықеттердің қозу қабілетін бақылайды. Дендротоксиннің моторлық нейрондардың Ранвье түйіндеріне байланысып, осы калий арналарының қызметін бұзатыны анықталды. Осылайша, дендротоксиндер әрекеттік потенциалдың ұзақтығын ұзартады және нейромышелік байланыста ацетилхолиннің бөлінуін арттырады, бұл бұлшықеттердің жоғары сезімталдығына және құрысу симптомдарына әкелуі мүмкін.
Dendrotoxins are a class of presynaptic neurotoxins produced by mamba snakes (Dendroaspis) that block particular subtypes of voltage gated potassium channels in neurons, thereby enhancing the release of acetylcholine at neuromuscular junctions. Because of their high potency and selectivity for potassium channels, dendrotoxins have proven to be extremely useful as pharmacological tools for studying the structure and function of these ion channel proteins. Dendrotoxins have been shown to block particular subtypes of voltage gated potassium (K+) channels in neuronal tissue. In the nervous system, voltage gated K+ channels control the excitability of nerves and muscles by controlling the resting membrane potential and by repolarizing the membrane during action potentials. Dendrotoxin has been shown to bind the nodes of Ranvier of motor neurons and to block the activity of these potassium channels. In this way, dendrotoxins prolong the duration of action potentials and increase acetylcholine release at the neuromuscular junction, which may result in muscle hyperexcitability and convulsive symptoms.
Дендротоксиннің құрылымы
Дендротоксиндер – шамамен 57-60 аминқышқылынан тұратын бір пептидтік тізбектен құралған ~7 кДа ақуыздар. Альфа дендротоксиннің бірнеше гомологтары бөлініп алынды, олардың барлығы сәл өзгеше реттілікке ие. Дегенмен, бұл ақуыздардың молекулалық құрылымы мен бүктелу конформациясы өте ұқсас. Дендротоксиндер пептидтің N-ұшына жақын жерде өте қысқа 310 спиральға, ал C-ұшына жақын жерде екі айналымды альфа спиральға ие. Молекулалық құрылымның орталық бөлігін екі талшықты антипараллель β-парақ алып жатыр. Бұл екі β-талшық бұрмаланған β-бұрылыс аймағымен байланысқан, ол ақуыздың байланысу белсенділігі үшін маңызды деп саналады. Барлық дендротоксиндер үш дисульфидтік көпірмен байланысқан, бұл ақуызға тұрақтылық сыйлайды және оның құрылымдық конформациясына үлкен үлес қосады. Бұл дисульфидтік байланыстарды құрайтын цистеин қалдықтары дендротоксиндер отбасының барлық мүшелерінде сақталған және C7-C57, C16-C40 және C32-C53 (альфа дендротоксині бойынша нөмірленген) орналасқан. Дендротоксиндер Куниц типті серин протеаза ингибиторларына, соның ішінде сиыр панкреатикалық трипсин ингибиторына (BPTI) құрылымдық жағынан ұқсас. Альфа дендротоксині мен BPTI 35% реттілік сәйкестігіне, сондай-ақ бірдей дисульфидтік байланыстарға ие екені көрсетілген. Бұл екі ақуыздың құрылымы ұқсас болғанымен, дендротоксиндер BPTI сияқты протеазаны тежеу белсенділігін көрсетпейді. Бұл белсенділіктің жоғалуы негізгі аминқышқылдарының болмауынан туындайды, олар BPTI-де байқалатын протеаза белсенділігі үшін қажетті негізгі өзара әрекеттесулерді бәсеңдететін құрылымдық айырмашылықтарды тудырады. Дендротоксиндер – бейтарап pH ортада оң зарядқа ие негізгі ақуыздар. Дендротоксиндердің оң зарядталған аминқышқылдарының көп бөлігі құрылымның төменгі жағында орналасқан, бұл ақуыздың бір жағында катиондық доменді құрайды. Оң заряд лизин (Lys) және аргинин (Arg) қалдықтарының арқасында пайда болады, олар ақуыздың үш негізгі аймағында шоғырланған: N-ұшына жақын (Arg3, Arg4, Lys5), C-ұшына жақын (Arg54, Arg55) және тар β-бұрылыс аймағында (Lys28, Lys29, Lys30). Бұл оң зарядталған қалдықтар дендротоксиннің байланысу белсенділігінде маңызды рөл атқарады деп есептеледі, өйткені олар калий арналарының порындағы аниондық орындармен (теріс зарядталған аминқышқылдарымен) өзара әрекеттесуі мүмкін.
Фармакология
Бір дендротоксин молекуласы өзінің тежегіш әсерін көрсету үшін калий каналымен қайтымды байланысады. Бұл өзара әрекеттесу дендротоксиннің катиондық доменіндегі оң зарядты аминқышқыл қалдықтары мен ион каналының тесігіндегі теріс зарядты қалдықтар арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асады деп ұсынылады. Калий каналдары, басқа катионға таңдамалы каналдар сияқты, калий иондарын өткізу жолы арқылы өткізуге көмектесетін канал тесігіне дейінгі теріс зарядтардың бұлтына ие деп саналады. Көбінесе (бірақ дәлелденбеген) дендротоксин молекулалары каналдың сыртқы бетіне жақын аниондық орындарға байланып, тесікті физикалық түрде жауып, иондардың өткізгіштігін тоқтатады деп есептеледі. Дегенмен, Имреди мен Маккиннон дельта дендротоксиннің мақсатты белоктарында ортадан смещен байлану орны болуы мүмкін екенін, және ол тесікті физикалық түрде жабудың орнына каналдың құрылымын өзгертіп, осылайша оны тежеуі мүмкін екенін айтты.
Биологиялық маңызды қалдықтар
Көптеген зерттеулер дендротоксиндердің калий арналарындағы нысаналық бөліктерге байланысу белсенділігі үшін маңызды аминқышқыл қалдықтарын анықтауға бағытталған. Харви және авторлар тобы дендротоксин I-нің тоқтату әрекетіне ең маңызды оң зарядталған қалдықтарды анықтау үшін қалдықтарға қатысты нақты өзгерістер енгізді. Олар Lys5-тің N-терминальды аймаққа жақын және Lys29-дың бета-бұрылыс аймағында ацетилдендірілуі DTX I байланысу туыстығының айтарлықтай төмендеуіне әкелгенін хабарлады. Дендротоксин K-мен ұқсас нәтижелер оң зарядталған лизин және аргинин қалдықтарын бейтарап аланинге ауыстыру үшін сайтқа бағытталған мутация қолдану арқылы алынды. Бұл нәтижелер, көптеген басқа зерттемелермен бірге, N-терминальды жартысындағы оң зарядталған лизиндердің, әсіресе 310 спиральдегі Lys5-тің, дендротоксиннің калий арналарындағы нысаналарымен байланысуында маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. β-бұрылыс аймағындағы лизин қалдықтары кейбір дендротоксин гомологтарында биологиялық тұрғыдан маңызды болып көрінеді, ал басқаларында қажет емес. Сонымен қатар, альфа-DTX-де лизин триплетінің (K28 K29 K30) Ala Ala Gly-ге мутациясы биологиялық белсенділікте өте аз өзгеріске әкелді. N-ұшындағы консервацияланған лизин қалдығы (Lys5 альфа-DTX) барлық дендротоксиндердің биологиялық белсенділігі үшін маңызды деген жалпы пікір бар, ал бета-бұрылыс аймағындағы сияқты қосымша қалдықтар жеке токсиндердің жеке нысаналарымен өзара әрекеттесуі арқылы дендротоксиннің ерекшелігіне әсер етуі мүмкін. Бұл кейбір дендротоксиндердің кернеуге байланысты жабылатын K+ арналарының әртүрлі субтиптеріне қатысты қатаң ерекшелігін түсіндіруге көмектеседі, сонымен қатар жалпы K+ арналары үшін дендротоксиндердің тиімділігінің айырмашылықтарын түсіндіреді. Мысалы, Ванг және авторлар тобы дендротоксин K-нің KV1.1-ге байланысуы оның лизин қалдықтары арқылы N-ұшында және β-бұрылыс аймағында жүзекететінін көрсетті, ал альфа-дендротоксин өзінің нысанасымен тек N-ұшы арқылы байланысады. Бұл аз кеңейтілген өзара әрекеттесу домені альфа-дендротоксиннің неліктен азырақ таңдамалы екенін, ал дендротоксин K KV1.1 үшін қатаң таңдамалы екенін түсіндіруге көмектеседі.
Ғылыми зерттеулердегі қолданысы
Омыртқалы жануарлар нейрондарының калий арналары жоғары дәрежеде әртүрлілік көрсетеді, бұл нейрондарға калий арнасының әртүрлі комбинацияларын экспрессиялау арқылы электрлік сигнал беру қасиеттерін дәл реттеуге мүмкіндік береді. Бұдан әрі, олар биологиялық мембраналар арқылы иондық ағынды реттейтіндіктен, жасушалық реттеудің көптеген аспектілерінде және әртүрлі жасуша түрлерінің сигнал трансляциясында маңызды рөл атқарады. Сондықтан, вольтажға сезімтал калий арналары жыландар, шаяндар, теңіз анемондары және конус сияқты организмдерден шығатын көптеген қуатты биологиялық уыттардың нысанасы болып табылады. Осылайша, удың тазартылуы дендротоксиндер сияқты пептидтік токсиндерді бөліп алуға әкелді, олар калий арналарын зерттеу үшін пайдалы фармакологиялық құралдарға айналды. Дендротоксиндердің калий арналарының әртүрлі субтиптеріне қатысты жоғары селективтілігі мен әсер етуі оларды осы ақуыздардың құрылымын және функциясын зерттеу үшін молекулалық зондтар ретінде пайдалануға мүмкіндік берді. Бұл жеке арна түрлерінің атқаратын рөлін жақсырақ түсінуге көмектеседі, сондай-ақ осы әртүрлі арна түрлерінің фармакологиялық жіктелуіне қолғабыс жасайды. Сонымен қатар, радиобелгіленген дендротоксиндердің болуы жаңа калий арнасы токсиндерін іздеуде басқа көздерді тексеруге мүмкіндік береді, мысалы, теңіз анемондарынан табылған каликлудин класындағы калий арнасы токсиндері. Дендротоксиндерден алынған құрылымдық ақпарат калий арналарының белгілі бір кластарын бағыттайтын терапиялық қосылыстарды синтездеуге қатысты ақпараттар бере алады. I дендротоксині де әртүрлі байланыс әдістері мен хроматографиялық техникалар арқылы байланысатын K+ арна ақуызын тазартуға және сипаттауға көмектесу үшін қолданылды.