Введение

Химические соединения
Дендротоксины – это класс пресинаптических нейротоксинов, производимых змеями-мамбами (Dendroaspis), которые блокируют определенные подтипы потенциал-зависимых калийных каналов в нейронах, тем самым усиливая высвобождение ацетилхолина в нейромышечных соединениях. Благодаря высокой эффективности и селективности к калийным каналам, дендротоксины оказались чрезвычайно полезными в качестве фармакологических инструментов для изучения структуры и функции этих ионных канальных белков. Показано, что дендротоксины блокируют определенные подтипы потенциал-зависимых калийных (K+) каналов в нервной ткани. В нервной системе потенциал-зависимые K+ каналы контролируют возбудимость нервов и мышц, регулируя потенциал мембраны в состоянии покоя и осуществляя реполяризацию мембраны во время потенциалов действия. Дендротоксин связывается с перехватами Ранвье моторных нейронов и блокирует активность этих калийных каналов. Таким образом, дендротоксины увеличивают продолжительность потенциалов действия и повышают высвобождение ацетилхолина в нейромышечном соединении, что может привести к гиперекситабельности мышц и судорогам.

Структура дендротоксина

Дендротоксины представляют собой белки массой около 7 кДа, состоящие из одной пептидной цепи, содержащей приблизительно 57-60 аминокислот. Было выделено несколько гомологов альфа-дендротоксина, каждый из которых обладает несколько отличающейся последовательностью. Однако молекулярная архитектура и конформация этих белков в целом очень похожи. Дендротоксины содержат короткую 310-спираль вблизи N-конца пептида, а также двухвитковую альфа-спираль вблизи C-конца. Центральную часть молекулярной структуры занимает двухнитевой антипараллельный β-лист. Эти две β-нити соединены искаженной областью β-поворота, которая, как считается, важна для связывающей активности белка. Все дендротоксины связаны тремя дисульфидными мостиками, которые придают белку стабильность и существенно влияют на его структурную конформацию. Цистеиновые остатки, формирующие эти дисульфидные связи, консервативны для всех членов семейства дендротоксинов и расположены в позициях C7-C57, C16-C40 и C32-C53 (нумерация в соответствии с альфа-дендротоксином). Дендротоксины структурно гомологичны ингибиторам серинпротеаз типа Куница, включая ингибитор трипсина панкреатического сока крупного рогатого скота (BPTI). Показано, что альфа-дендротоксин и BPTI имеют 35% идентичности последовательностей, а также идентичные дисульфидные связи. Несмотря на структурную гомологию между этими двумя белками, дендротоксины не проявляют измеримой ингибиторной активности протеаз, подобно BPTI. Эта потеря активности, по-видимому, связана с отсутствием ключевых аминокислотных остатков, которые приводят к структурным различиям, препятствующим ключевым взаимодействиям, необходимым для протеазной активности, наблюдаемой у BPTI. Дендротоксины являются основными белками, обладающими чистым положительным зарядом при нейтральном pH. Большинство положительно заряженных аминокислотных остатков дендротоксинов локализованы в нижней части структуры, формируя катионный домен на одной стороне белка. Положительный заряд обусловлен остатками лизина (Lys) и аргинина (Arg), которые концентрируются в трех основных областях белка: вблизи N-конца (Arg3, Arg4, Lys5), вблизи C-конца (Arg54, Arg55) и в узкой области β-поворота (Lys28, Lys29, Lys30). Предполагается, что эти положительно заряженные остатки могут играть важную роль в связывающей активности дендротоксинов, поскольку они способны вступать во взаимодействие с анионными участками (отрицательно заряженными аминокислотами) в порах калиевых каналов.

Фармакология

Одиночная молекула дендротоксина обратимо связывается с калийным каналом для реализации своего ингибирующего эффекта. Предполагается, что это взаимодействие опосредовано электростатическими взаимодействиями между положительно заряженными аминокислотными остатками в катионном домене дендротоксина и отрицательно заряженными остатками в поре ионного канала. Калийные каналы, как и другие каналы, селективные к катионам, предположительно обладают облаком отрицательных зарядов, расположенным перед входом в канал, которое способствует проведению ионов калия по пути проницаемости. Обычно считается (хотя это и не доказано), что молекулы дендротоксина связываются с анионными участками вблизи внеклеточной поверхности канала и физически перекрывают пору, тем самым предотвращая ионную проводимость. Однако Имреди и Маккиннон предположили, что дельта-дендротоксин может связываться со смещенным от центра участком на своих белковых мишенях и ингибировать канал, изменяя его структуру, а не физически блокируя пору.

Биологически важные остатки

Многие исследования были направлены на выявление аминокислотных остатков, важных для связывающей активности дендротоксинов с их калиевыми каналами-мишенями. Харви и соавторы использовали модификации, специфичные для отдельных остатков, чтобы определить положительно заряженные остатки, критически важные для блокирующей активности дендротоксина I. Они сообщили, что ацетилирование Lys5 вблизи N-концевой области и Lys29 в области β-поворота приводило к значительному снижению аффинности связывания DTX I. Аналогичные результаты были получены для дендротоксина K с использованием сайт-направленного мутагенеза для замены положительно заряженных лизина и аргинина на нейтральные аланины. Эти результаты, наряду с многими другими, указывают на то, что положительно заряженные лизины в N-концевой половине, особенно Lys5 в 310-спирали, играют очень важную роль в связывании дендротоксина с его калиевыми каналами-мишенями. Остатки лизина в области β-поворота дали более противоречивые результаты, оказываясь биологически критичными для некоторых гомологов дендротоксина и необязательными для других. Кроме того, мутация всей лизиновой триплетной последовательности (K28 K29 K30) в Ala Ala Gly в α-DTX привела к незначительному изменению биологической активности. Существует общее мнение, что консервированный лизиновый остаток вблизи N-конца (Lys5 в α-DTX) имеет решающее значение для биологической активности всех дендротоксинов, в то время как дополнительные остатки, такие как те, что находятся в области β-поворота, могут играть роль в специфичности дендротоксина, опосредуя взаимодействие отдельных токсинов с их индивидуальными участками-мишенями. Это не только помогает объяснить строгую специфичность некоторых дендротоксинов к различным подтипам воротковых калиевых каналов, но и объясняет различия в эффективности дендротоксинов для общих калиевых каналов. Например, Ван и соавторы показали, что взаимодействие дендротоксина K с KV1.1 опосредуется его лизиновыми остатками как в N-конце, так и в области β-поворота, в то время как α-дендротоксин, по-видимому, взаимодействует со своей мишенью исключительно через N-конец. Эта менее обширная интерактивная область может помочь объяснить, почему α-дендротоксин менее дискриминирует, а дендротоксин K строго селективен к KV1.1.

Использование в научных исследованиях

Калийные каналы нейронов позвоночных демонстрируют высокую степень разнообразия, позволяющую нейронам точно настраивать свои электрические сигнальные свойства за счет экспрессии различных комбинаций субъединиц калийных каналов. Более того, поскольку они регулируют ионный поток через биологические мембраны, они играют важную роль во многих аспектах клеточной регуляции и передачи сигналов в различных типах клеток. Поэтому калийные каналы, активируемые напряжением, являются мишенью для широкого спектра мощных биологических токсинов, выделяемых такими организмами, как змеи, скорпионы, морские анемоны и конусовидные улитки. Таким образом, очистка яда привела к выделению пептидных токсинов, таких как дендротоксины, которые стали полезными фармакологическими инструментами для изучения калийных каналов. Благодаря своей эффективности и селективности к различным подтипам калийных каналов, дендротоксины оказались полезными в качестве молекулярных зондов для структурного и функционального исследования этих белков. Это может способствовать лучшему пониманию роли отдельных типов каналов, а также помочь в фармакологической классификации этих разнообразных типов каналов. Кроме того, наличие радиоактивно меченых дендротоксинов предоставляет инструмент для скрининга других источников в поисках новых токсинов калийных каналов, таких как класс токсинов каликлудин в морских анемонах. Наконец, структурная информация, предоставляемая дендротоксинами, может подсказать пути синтеза терапевтических соединений, способных воздействовать на определенные классы калийных каналов. Дендротоксин I также использовался для очистки и характеристики белка K+-канала, к которому он связывается, с использованием различных методов анализа связывания и хроматографии.