Дендротоксин

редактировать

Дендротоксины - это класс пресинаптических нейротоксинов, вырабатываемых мамба змеями (Dendroaspis ), которые блокируют определенные подтипы управляемых напряжением калиевых каналов в нейронах, тем самым увеличивая высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечных соединениях. Благодаря своей высокой эффективности и селективности в отношении калиевых каналов, дендротоксины оказались чрезвычайно полезными в качестве фармакологических инструментов для изучения структуры и функции этих ионных каналов белков.

Выравнивание последовательностей дендротоксинов и BPTI. Соответственно окрашены аминокислотные остатки с аналогичными свойствами.

Содержание

  • 1 Функциональные эффекты в нервной системе
  • 2 Структура дендротоксина
  • 3 Биологическая активность
    • 3.1 Фармакология
    • 3.2 Биологически важные остатки
  • 4 Использование в исследованиях
  • 5 Ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Функциональные эффекты в нервной системе

Было показано, что дендротоксины блокируют определенные подтипы потенциалзависимых калиевых (K) каналов в нейрональной ткани. В нервной системе управляемые напряжением К-каналы контролируют возбудимость нервов и мышц, контролируя мембранный потенциал покоя и реполяризуя мембрану во время потенциалов действия. Было показано, что дендротоксин связывает узлы Ранвье из мотонейронов и блокирует активность этих калиевых каналов. Таким образом, дендротоксины увеличивают продолжительность потенциалов действия и увеличивают высвобождение ацетилхолина в нервно-мышечном соединении, что может приводить к повышенной возбудимости мышц и судорожным симптомам.

Структура дендротоксина

3D-модель альфа-дендротоксина. окрашены в красный цвет - это положительно заряженные аминокислотные остатки на N-конце и в области β-поворота, которые, как полагают, важны для связывания с калиевым каналом.

Дендротоксины представляют собой белки с массой ~ 7 кДа, состоящие из одной пептидной цепи примерно 57-60 аминокислоты. Было выделено несколько гомологов альфа-дендротоксина, все из которых имеют несколько отличающуюся последовательность. Однако молекулярная архитектура и складчатая конформация этих белков очень похожи. Дендротоксины обладают очень короткой 310-спиралью около N-конца пептида, в то время как двухвитковая альфа-спираль находится около C-конца.. Двухцепочечный антипараллельный β-лист занимает центральную часть молекулярной структуры. Эти две β-цепи связаны искаженной областью β-поворота, которая, как считается, важна для связывающей активности белка. Все дендротоксины поперечно сшиты тремя дисульфидными мостиками, которые добавляют стабильность белку и в значительной степени способствуют его структурной конформации. Остатки цистеина, образующие эти дисульфидные связи, были консервативными среди всех членов семейства дендротоксинов и расположены в C7-C57, C16-C40 и C32-C53 (нумерация в соответствии с альфа-дендротоксином).

Дендротоксины структурно гомологичны ингибиторам сериновой протеазы типа Kunitz , включая бычий ингибитор трипсина поджелудочной железы (BPTI). Было показано, что альфа-дендротоксин и BPTI имеют 35% идентичность последовательностей, а также идентичные дисульфидные связи. Несмотря на структурную гомологию между этими двумя белками, дендротоксины, по-видимому, не проявляют какой-либо измеряемой ингибирующей протеазной активности, такой как BPTI. Эта потеря активности, по-видимому, является результатом отсутствия ключевых аминокислотных остатков, которые вызывают структурные различия, которые препятствуют ключевым взаимодействиям, необходимым для протеазной активности, наблюдаемой в BPTI.

Дендротоксины - это основные белки, которые обладают чистым положительным зарядом, когда они присутствуют при нейтральном pH. Большинство положительно заряженных аминокислотных остатков дендротоксинов расположены в нижней части структуры, образуя катионный домен на одной стороне белка. Положительный заряд является результатом остатков лизина (Lys) и аргинина (Arg), которые сосредоточены в трех первичных областях белка: около N-конца (Arg3, Arg4, Lys5), возле С-конца (Arg54, Arg55) и в узкой области β-разворота (Lys28, Lys29, Lys30). Считается, что эти положительно заряженные остатки могут играть решающую роль в связывающей активности дендротоксина, поскольку они могут осуществлять потенциальные взаимодействия с анионными сайтами (отрицательно заряженными аминокислотами) в порах калиевых каналов.

Биологическая активность

Фармакология

Отдельная молекула дендротоксина обратимо связывается с калиевым каналом для оказания своего ингибирующего эффекта. Предполагается, что это взаимодействие опосредуется электростатическими взаимодействиями между положительно заряженными аминокислотными остатками в катионном домене дендротоксина и отрицательно заряженными остатками в поре ионного канала. Считается, что калиевые каналы, как и другие катион-селективные каналы, имеют облако отрицательных зарядов, которые предшествуют открытию поры канала, что помогает проводить ионы калия через путь проникновения. Обычно считается (хотя и не доказано), что молекулы дендротоксина связываются с анионными сайтами вблизи внеклеточной поверхности канала и физически закупоривают поры, тем самым предотвращая ионную проводимость. Однако Имреди и Маккиннон предположили, что дельта-дендротоксин может иметь нецентральный сайт связывания на их белках-мишенях и может ингибировать канал, изменяя структуру канала, а не физически блокируя поры.

Биологически важные остатки

Многие исследования пытались определить, какие аминокислотные остатки важны для связывающей активности дендротоксинов с их мишенями для калиевых каналов. Харви и др. использовали специфичные для остатков модификации для идентификации положительно заряженных остатков, которые имели решающее значение для блокирующей активности дендротоксина-I. Они сообщили, что ацетилирование Lys5 около N-концевой области и Lys29 в области бета-поворота приводит к существенному снижению аффинности связывания DTX-I. Аналогичные результаты были показаны с дендротоксином-K с использованием сайт-направленного мутагенеза для замены положительно заряженных остатков лизина и аргинина на нейтральные аланины. Эти результаты, наряду со многими другими, предполагают, что положительно заряженные лизины в N-концевой половине, особенно Lys5 в 3 10 -спирали, играют очень важную роль в связывании дендротоксина с их калиевым каналом. цели. Остатки лизина в области β-поворота дали более противоречивые результаты, оказавшись биологически важными для одних гомологов дендротоксина и не обязательными для других. Кроме того, мутация всего триплета лизина (K28-K29-K30) в Ala-Ala-Gly в альфа-DTX приводила к очень небольшому изменению биологической активности.

Существует общее согласие с тем, что консервативный остаток лизина возле N-конца (Lys5 в альфа-DTX) имеет решающее значение для биологической активности всех дендротоксинов, в то время как дополнительные остатки, например, в бета-повороте области, может играть роль в специфичности дендротоксина, опосредуя взаимодействия отдельных токсинов с их индивидуальными целевыми сайтами. Это не только помогает объяснить строгую специфичность некоторых дендротоксинов для различных подтипов потенциалзависимых K-каналов, но также объясняет различия в эффективности дендротоксинов для общих K-каналов. Например, Wang et al. показали, что взаимодействие дендротоксина-K с K V 1.1 опосредуется его остатками лизина как на N-конце, так и в области β-поворота, в то время как альфа-дендротоксин, по-видимому, взаимодействует со своей мишенью исключительно через N-конец. Этот менее обширный интерактивный домен может помочь объяснить, почему альфа-дендротоксин менее различим, в то время как дендротоксин-K строго селективен для K V 1.1.

Использование в исследованиях

Калиевые каналы нейронов позвоночных демонстрируют высокую степень разнообразия, что позволяет нейронам точно настраивать свои электрические сигнальные свойства путем выражения различных комбинаций калиевых каналов субъединицы. Кроме того, поскольку они регулируют поток ионов через биологические мембраны, они важны во многих аспектах клеточной регуляции и передачи сигналов различных типов клеток. Таким образом, потенциалзависимые калиевые каналы являются мишенями для широкого спектра сильнодействующих биологических токсинов от таких организмов, как змеи, скорпионы, морские анемоны и конусные улитки. Таким образом, очистка яда привела к выделению пептидных токсинов, таких как дендротоксины, которые стали полезными фармакологическими инструментами для изучения калиевых каналов. Из-за их эффективности и селективности в отношении различных подтипов калиевых каналов дендротоксины стали полезными в качестве молекулярных зондов для структурного и функционального исследования этих белков. Это может помочь улучшить наше понимание роли отдельных типов каналов, а также помочь в фармакологической классификации этих различных типов каналов. Кроме того, наличие радиоактивно меченных дендротоксинов обеспечивает инструмент для скрининга других источников в поисках новых токсинов калиевых каналов, таких как класс каликлюдина токсинов калиевых каналов у морских анемонов. Наконец, структурная информация, предоставляемая дендротоксинами, может дать ключ к разгадке синтеза терапевтических соединений, которые могут воздействовать на определенные классы калиевых каналов. Дендротоксин I также использовался, чтобы помочь очистить и охарактеризовать белок K + канала, с которым он связывается, с помощью различных методов анализа связывания и хроматографии.

Ссылки

  1. ^Gasparini S, Danse JM, Licoq A, Pinkasfeld S, Zinn -Джастин С, молодой LC, CL де Медейрос К., Роуэн Э.Г., Харви А.Л. и Менез А. (1998). Определение функционального сайта альфа-дендротоксина: Функциональная топография дендротоксинов отличается, но имеет общую консервативную сердцевину с таковыми у других токсинов K V 1, блокирующих калиевые каналы. Journal of Biological Chemistry 273: 25393-25403
  2. ^Като Э., Нишио Х., Инуи Т., Нишучи Ю., Кимура Т., Сакакибара С., Ямадзаки Т. (2000). Структурная основа биологической активности дендротоксина-I, мощного блокатора калиевых каналов. Biopolymers 54: 44-57
  3. ^Swaminathan P, Hariharan M, Murali R, Singh CU (1996). Молекулярная структура, конформационный анализ и изучение структуры-активности дендротоксина и его гомологов с использованием методов молекулярной механики и молекулярной динамики. Журнал медицинской химии. 39: 2141-2155.
  4. ^Имреди Дж. П. и Маккиннон Р. (2000). Энергетические и структурные взаимодействия между дельта-дендротоксином и калиевым каналом, управляемым напряжением. Journal of Molecular Biology 296: 1283-1294
  5. ^Харви А.Л., Роуэн Э.Г., Ватанпур Х., Энгстром А, Вестерлунд Б, Карлссон Э (1997). Изменения биологической активности после ацетилирования дендротоксина I из Dendroaspis polylepis (черная мамба). '35: 1263-1273
  6. ^Ван ФК, Белл Н., Рид П., Смит Л.А., Макинтош П., Робертсон Б. и Долли Дж. О. (1999). Идентификация остатков в дендротоксине К, ответственных за его различение между нейронными К-каналами, содержащими альфа-субъединицы K V 1,1 и 1,2. Европейский журнал биохимии 263: 222-229
  7. ^Йошида С. и Мацумото С. (2005). Влияние альфа-дендротоксина на токи К и потенциалы действия в нейронах тройничного ганглия взрослых крыс, устойчивых к тетродотоксину. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics 314: 437-445
  8. ^Rehm, H.; Лаздунский, М. (1988-07-01). «Очистка и субъединичная структура предполагаемого белка K + -канала, идентифицированная по его свойствам связывания с дендротоксином I.» Труды Национальной академии наук. 85 (13): 4919–4923. doi : 10.1073 / pnas.85.13.4919. ISSN 0027-8424. PMC 80549. PMID 2455300.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-17 13:07:26
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте