Dendrotoxiny jsou třídou presynaptických neurotoxinů produkovaných hady mamba (a obsažených v jejich jedu ) a blokujících určité podtypy napěťově řízených draslíkových kanálů v neuronech , čímž zvyšuje uvolňování acetylcholinu na neuromuskulárních synapsích . Vzhledem ke své vysoké účinnosti a selektivitě pro draslíkové kanály se dendrotoxiny ukázaly jako extrémně užitečné jako farmakologická činidla pro studium struktury a funkce těchto proteinů iontových kanálů .
Dendrotoxiny blokují určité podtypy napěťově řízených draslíkových (K + ) kanálů v neuronech. V nervovém systému jsou napěťově řízené K + kanály odpovědné za membránovou repolarizaci a řídí dobu trvání akčních potenciálů . Bylo prokázáno, že dendrotoxin se váže na draslíkové kanály Ranvierových záchytných bodů motorických neuronů [1] a blokuje aktivitu draslíkových kanálů. Dendrotoxiny tedy prodlužují dobu trvání akčních potenciálů a zvyšují uvolňování acetylcholinu v nervosvalovém spojení, což může vést ke svalovému přebuzení a křečím.
Dendrotoxiny jsou ~7kDa proteiny skládající se z jednoho peptidového řetězce o přibližně 57-60 aminokyselinách. Bylo izolováno několik homologů a-dendrotoxinu, všechny s mírně odlišnou sekvencí. Molekulární architektura a konformace těchto proteinů jsou však velmi podobné. Dendrotoxiny mají velmi krátkou šroubovici 3 10 blízko N-konce peptidu, zatímco dva závity a-šroubovice se vyskytují poblíž C-konce. Dvouvláknový antiparalelní β-list zaujímá centrální část molekulární struktury. Tyto dva β-řetězce jsou spojeny deformovanou β-otočnou oblastí [2] , která pravděpodobně hraje důležitou roli ve vazebné aktivitě proteinů. Všechny dendrotoxiny jsou zesíťovány třemi disulfidovými vazbami , které dodávají proteinu stabilitu a do značné míry určují jeho konformaci. Cysteinové radikály , které tvoří tyto disulfidové vazby, mají identické umístění u všech členů rodiny dendrotoxinů, nacházejí se v oblastech C7-C57, C16-C40 a C32-C53 (číslované podle α-dendrotoxinů).
Dendrotoxiny jsou strukturálně homologní s inhibitory serinových proteáz (SPI), včetně aprotininu . Bylo ukázáno, že sekvence a-dendrotoxinu a ISP jsou z 35 % identické a mají identické disulfidové vazby. Navzdory strukturální homologii mezi těmito dvěma proteiny nemají dendrotoxiny na rozdíl od ICP žádný měřitelný inhibiční účinek na koagulační faktor. Tato ztráta aktivity je pravděpodobně důsledkem nepřítomnosti klíčových aminokyselinových radikálů, které produkují strukturální rozdíly, které brání klíčovým interakcím potřebným pro aktivitu ICP.
Dendrotoxiny jsou základní proteiny, které mají kladný náboj při neutrálním pH . Většina kladně nabitých aminokyselinových radikálů je ve spodní části struktury a vytváří kationtovou oblast v jedné části proteinu. Kladný náboj pochází z lysinových (Lys) a argininových (Arg) radikálů, které jsou koncentrovány na třech hlavních místech: v blízkosti amino-konce (Arg3, Arg4, Lys5), v blízkosti C-konce (Arg54, Arg55) a úzká oblast β-otočky ( Lys28, Lys29, Lys30) [3] . Předpokládá se, že tyto kladně nabité radikály mohou hrát kritickou roli ve vazebné aktivitě dendrotoxinů, protože mohou interagovat s aniontovými místy (negativně nabitými aminokyselinami) v pórech draslíkových kanálů.
Jedna molekula dendrotoxinu se reverzibilně váže na draslíkový kanál, aby vykázala inhibiční účinek. Předpokládá se, že tato interakce je iniciována elektrostatickými interakcemi mezi kladně nabitými radikály aminokyselin v kationtové oblasti dendrotoxinu a záporně nabitými radikály v pórech iontových kanálů . Draslíkové kanály, stejně jako jiné kationtově selektivní kanály, mají pravděpodobně oblak záporných nábojů před vstupem do pórů kanálu, který pomáhá vést draslíkové ionty podél permeační cesty. Obecně se má za to (ale není prokázáno), že molekuly dendrotoxinu se vážou na aniontové vazby blízko extracelulárního povrchu kanálu a fyzicky uzavírají póry, čímž zabraňují vedení iontů. Imready a McKinnon [4] však navrhli, že delta-dendrotoxin může mít odchylné vazebné místo na cílových proteinech a může inhibovat kanál spíše změnou jeho struktury než fyzickým blokováním pórů.
Mnoho studií bylo zaměřeno na stanovení aminokyselinových radikálů potřebných pro vazebné působení dendrotoxinů na cílené draslíkové kanály. Harvey et al [5] použili specifické radikálově cílené modifikace k identifikaci kladně nabitých radikálů, které jsou kritické pro blokovací aktivitu l-dendrotoxinu. Uvedli, že acetylace Lys5 v blízkosti amino-konce a Lys29 v blízkosti oblasti β-turn vedla k významnému snížení vazebné podobnosti l-dendrotoxinu. Podobné výsledky byly získány pro K-dendrotoxin za použití mutageneze k nahrazení kladně nabitých lysinových a argininových zbytků neutrálními alaniny . Tyto výsledky spolu s mnoha dalšími naznačují, že kladně nabité lysinové radikály v amino-polovině, zejména Lys5 v 310 helixu , hrají velmi důležitou roli ve vazbě dendrotoxinu na cílené draslíkové kanály . Lysinové zbytky v oblasti β-přeměny poskytly smíšenější výsledky, které se zdají být biologicky kritické u některých homologů dendrotoxinu a volitelné u jiných. Navíc mutace celého lysinového tria (K28-K29-K30) na Ala-Ala-Gly v a-dendrotoxinu vedla k velmi malým změnám v biologické aktivitě.
Existuje obecná shoda v tom, že konzervovaný lysinový radikál poblíž amino-konce (Lys5 v α-dendrotoxinu) je kritický pro biologickou aktivitu všech dendrotoxinů, zatímco další radikály, jako jsou ty v oblasti β-přeměny, mohou hrát roli ve specifičnosti dendrotoxin zprostředkováním interakcí jednotlivých toxinů na jejich jednotlivých cílových oblastech. To nejen pomáhá vysvětlit silnou specifitu některých dendrotoxinů pro různé podtypy napěťově řízených K+ kanálů , ale také vysvětluje rozdíly v potenci dendrotoxinů vůči normálním K + kanálům . Například Wang a další vědci [6] ukázali, že interakci K-dendrotoxinu s KV 1.1 zajišťují jeho lysinové radikály jak na amino-konci, tak v oblasti β-turn, zatímco α-dendrotoxin zjevně interaguje s jeho cíl pouze na úkor amino-konce. Tato méně rozsáhlá interakční oblast může pomoci vysvětlit, proč je a-dendrotoxin méně rozlišující, zatímco K-dendrotoxin je vysoce selektivní pro KV 1.1 .
Draslíkové kanály neuronů obratlovců mají mnoho variant, které jim umožňují doladit vlastnosti jejich elektrických signálů projevením různých kombinací podskupin draslíkových kanálů. Kromě toho, protože regulují pohyb iontů přes biologické membrány, jsou důležité v mnoha aspektech buněčné regulace a signalizace napříč buněčnými typy. Napěťově řízené draslíkové kanály jsou proto cílem pro širokou škálu silných biologických toxinů ze zvířat, jako jsou hadi, štíři , mořské sasanky a šišatí plži . Purifikace jedu tedy vedla k izolaci peptidových toxinů, jako je dendrotoxin, které se staly užitečnými farmakologickými nástroji pro studium draslíkových kanálů. Díky své aktivitě a selektivitě pro různé podtypy draslíkových kanálů se dendrotoxiny staly užitečnými jako molekulární sondy pro strukturní a funkční analýzu těchto proteinů. To může pomoci porozumět roli, kterou hrají jednotlivé typy kanálů, a také pomoci klasifikovat různé typy kanálů [7] . Kromě toho přítomnost radioaktivně značených dendrotoxinů poskytuje nástroj k prozkoumání dalších zdrojů při hledání nových toxinů, které působí na draslíkové kanály, jako je třída calicludin přítomná v mořských sasankách. A konečně, strukturní informace poskytované dendrotoxinem mohou poskytnout vodítko k syntéze sloučenin léčiv , které mohou působit na určité třídy draslíkových kanálů.