ديندروتوكسين

الموسوعة الحرة

تُعدّ سموم الدندروتوكسين فئة من السموم العصبية قبل المشبكية التي تنتجها أفاعي المامبا ( Dendroaspis )، والتي تعمل على تثبيط أنواع فرعية معينة من قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية في الخلايا العصبية ، مما يعزز إطلاق الأستيل كولين عند الوصلات العصبية العضلية . ونظرًا لفعاليتها العالية وانتقائيتها لقنوات البوتاسيوم، فقد أثبتت سموم الدندروتوكسين فائدتها الكبيرة كأدوات دوائية لدراسة بنية ووظيفة بروتينات قنوات الأيونات هذه .

نموذج ثلاثي الأبعاد لسم ألفا-دندروتوكسين. الأحماض الأمينية الملونة باللون الأحمر هي بقايا الأحماض الأمينية المشحونة إيجابياً في الطرف الأميني ومنطقة الانعطاف بيتا والتي يُعتقد أنها مهمة لارتباط قناة البوتاسيوم.

أظهرت الدراسات أن سموم الدندروتوكسين تحجب أنواعًا فرعية معينة من قنوات البوتاسيوم (K + ) ذات البوابات الفولتية في الأنسجة العصبية. [ 1 ] في الجهاز العصبي، تتحكم قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية في استثارة الأعصاب والعضلات من خلال التحكم في جهد غشاء الراحة وإعادة استقطاب الغشاء أثناء جهد الفعل . وقد ثبت أن الدندروتوكسين يرتبط بعقد رانفييه في الخلايا العصبية الحركية [ 2 ] ويحجب نشاط قنوات البوتاسيوم هذه. وبهذه الطريقة، تُطيل سموم الدندروتوكسين مدة جهد الفعل وتزيد من إطلاق الأستيل كولين عند الوصلة العصبية العضلية، مما قد يؤدي إلى فرط استثارة العضلات وظهور أعراض تشنجية.

بنية ديندروتوكسين

تُعدّ سموم الدندروتوكسين بروتينات يبلغ وزنها الجزيئي حوالي 7  كيلو دالتون، وتتكون من سلسلة ببتيدية واحدة تتألف من حوالي 57-60 حمضًا أمينيًا . وقد تم عزل العديد من نظائر سم ألفا-دندروتوكسين (α-DTX)، وتختلف جميعها اختلافًا طفيفًا في التسلسل. ومع ذلك، فإن البنية الجزيئية وتكوين الطي لهذه البروتينات متشابهة جدًا. تحتوي سموم الدندروتوكسين على حلزون قصير جدًا من نوع 3 10 بالقرب من الطرف الأميني للببتيد، بينما يوجد حلزون ألفا مزدوج اللفة بالقرب من الطرف الكربوكسيلي . ويشغل صفيحة بيتا ثنائية السلاسل متوازية عكسيًا الجزء المركزي من البنية الجزيئية. وترتبط هاتان السلسلتان من بيتا بمنطقة انعطاف بيتا مشوهة [ 3 ] يُعتقد أنها مهمة لنشاط ارتباط البروتين. وترتبط جميع سموم الدندروتوكسين بروابط متقاطعة من خلال ثلاث جسور ثنائية الكبريتيد ، مما يُضفي استقرارًا على البروتين ويُساهم بشكل كبير في تكوينه البنيوي. تم الحفاظ على بقايا السيستين التي تشكل روابط ثنائي الكبريتيد هذه بين جميع أفراد عائلة ديندروتوكسين، وتقع في C7-C57 و C16-C40 و C32-C53 (الترقيم وفقًا لـ α-DTX).

محاذاة تسلسل سموم الدندروتوكسين وBPTI. يتم تلوين بقايا الأحماض الأمينية ذات الخصائص المتشابهة وفقًا لذلك.

تتشابه سموم الدندروتوكسين بنيويًا مع مثبطات سيرين بروتياز من نوع كونيتز ، بما في ذلك مثبط التربسين البنكرياسي البقري (BPTI). وقد أظهرت الدراسات أن ألفا-دندروتوكسين وBPTI يتشاركان في تسلسل الأحماض الأمينية بنسبة 35%، بالإضافة إلى تطابق روابط ثنائي الكبريتيد. وعلى الرغم من التشابه البنيوي بين هذين البروتينين، لا يبدو أن سموم الدندروتوكسين تُظهر أي نشاط تثبيطي للبروتياز قابل للقياس مثل BPTI. ويبدو أن فقدان هذا النشاط ناتج عن غياب بقايا أحماض أمينية أساسية تُحدث اختلافات بنيوية تعيق التفاعلات الرئيسية اللازمة لنشاط البروتياز الموجود في BPTI.

تُعدّ سموم الدندروتوكسين بروتينات قاعدية تحمل شحنة موجبة صافية عند وجودها في بيئة متعادلة الحموضة . تقع معظم بقايا الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة في الجزء السفلي من بنية هذه السموم، مُشكّلةً نطاقًا كاتيونياً على أحد جانبي البروتين. تنشأ الشحنة الموجبة من بقايا الليسين (Lys) والأرجينين (Arg) التي تتركز في ثلاث مناطق رئيسية من البروتين: بالقرب من الطرف الأميني (Arg3، Arg4، Lys5)، وبالقرب من الطرف الكربوكسيلي (Arg54، Arg55)، وفي منطقة الانعطاف بيتا الضيقة (Lys28، Lys29، Lys30). [ 4 ] يُعتقد أن هذه البقايا الموجبة الشحنة تلعب دورًا حاسمًا في نشاط ارتباط سموم الدندروتوكسين، إذ يُمكنها تكوين تفاعلات محتملة مع المواقع الأنيونية (الأحماض الأمينية سالبة الشحنة) في مسام قنوات البوتاسيوم.

النشاط البيولوجي

علم الأدوية

ترتبط جزيئة واحدة من سمّ الدندروتوكسين بشكل عكسي بقناة البوتاسيوم لتُمارس تأثيرها المُثبِّط. يُقترح أن هذا التفاعل يتم بوساطة التفاعلات الكهروستاتيكية بين بقايا الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة في النطاق الكاتيوني لسم الدندروتوكسين وبقايا الأحماض الأمينية السالبة الشحنة في مسام القناة الأيونية . يُعتقد أن قنوات البوتاسيوم، على غرار القنوات الانتقائية الأخرى للكاتيونات، تحتوي على سحابة من الشحنات السالبة تسبق فتحة مسام القناة، مما يُساعد على توصيل أيونات البوتاسيوم عبر مسار النفاذية. يُعتقد عمومًا (وإن لم يُثبت ذلك) أن جزيئات الدندروتوكسين ترتبط بمواقع أنيونية بالقرب من السطح الخارجي للقناة وتُغلق المسام فعليًا، وبالتالي تمنع توصيل الأيونات. مع ذلك، اقترح إيمريدي وماكينون [ 5 ] أن سمّ الدندروتوكسين دلتا قد يكون له موقع ارتباط غير مركزي على البروتينات المستهدفة، وقد يُثبِّط القناة عن طريق تغيير بنية القناة، بدلًا من إغلاق المسام فعليًا.

المخلفات ذات الأهمية البيولوجية

سعت العديد من الدراسات إلى تحديد الأحماض الأمينية المهمة لنشاط ارتباط سموم الدندروتوكسين بقنوات البوتاسيوم المستهدفة. استخدم هارفي وزملاؤه [ 6 ] تعديلات خاصة بالأحماض الأمينية لتحديد الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة التي تُعدّ أساسية لنشاط تثبيط سموم الدندروتوكسين-1 (DTX-I). وأفادوا بأن أستلة الليسين 5 بالقرب من المنطقة الطرفية الأمينية والليسين 29 في منطقة الانعطاف بيتا أدت إلى انخفاضات كبيرة في ألفة ارتباط DTX-I. وقد أظهرت نتائج مماثلة مع سموم الدندروتوكسين-K باستخدام الطفرات الموجهة للموقع لاستبدال بقايا الليسين والأرجينين الموجبة الشحنة بالألانين المتعادل . تشير هذه النتائج، إلى جانب العديد من النتائج الأخرى، إلى أن الليسينات الموجبة الشحنة في النصف الطرفي الأميني، وخاصة الليسين 5 في اللولب 310 ، تلعب دورًا بالغ الأهمية في ارتباط سموم الدندروتوكسين بقنوات البوتاسيوم المستهدفة. أظهرت بقايا الليسين في منطقة الانعطاف بيتا نتائج أكثر تعقيدًا، إذ تبين أنها ذات أهمية بيولوجية في بعض نظائر سموم الدندروتوكسين، بينما لا تُعد ضرورية في نظائر أخرى. علاوة على ذلك، لم يُحدث استبدال ثلاثية الليسين بأكملها (K28-K29-K30) بـ Ala-Ala-Gly في α-DTX سوى تغيير طفيف جدًا في النشاط البيولوجي.

هناك اتفاق عام على أن بقايا الليسين المحفوظة بالقرب من الطرف الأميني (Lys5 في α-DTX) ضرورية للنشاط البيولوجي لجميع سموم الدندروتوكسين، بينما قد تلعب بقايا أخرى، مثل تلك الموجودة في منطقة الانعطاف بيتا، دورًا في خصوصية سموم الدندروتوكسين من خلال التوسط في تفاعلات كل سم مع مواقعه المستهدفة. وهذا لا يساعد فقط في تفسير الخصوصية الدقيقة لبعض سموم الدندروتوكسين لأنواع فرعية مختلفة من قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية ، بل يفسر أيضًا الاختلافات في فعالية سموم الدندروتوكسين لقنوات البوتاسيوم الشائعة . على سبيل المثال، أظهر وانغ وآخرون [ 7 ] أن تفاعل ديندروتوكسين-K مع KV1.1 يتم بوساطة بقايا الليسين في كل من الطرف الأميني ومنطقة الانعطاف بيتا، بينما يبدو أن α-DTX يتفاعل مع هدفه فقط من خلال الطرف الأميني. قد يساعد هذا المجال التفاعلي الأقل اتساعًا في تفسير سبب كون α-DTX أقل تمييزًا بينما يكون dendrotoxin-K انتقائيًا بشكل صارم لـ K V 1.1.

الاستخدامات في البحث

تُظهر قنوات البوتاسيوم في الخلايا العصبية للفقاريات تنوعًا كبيرًا يسمح للخلايا العصبية بضبط خصائص إشاراتها الكهربائية بدقة من خلال التعبير عن تركيبات مختلفة من وحدات قنوات البوتاسيوم. علاوة على ذلك، ونظرًا لدورها في تنظيم تدفق الأيونات عبر الأغشية البيولوجية، فإنها تُعدّ مهمة في العديد من جوانب التنظيم الخلوي ونقل الإشارات في أنواع الخلايا المختلفة. لذلك، تُعتبر قنوات البوتاسيوم ذات البوابات الفولتية أهدافًا لمجموعة واسعة من السموم البيولوجية القوية المستخلصة من كائنات حية مثل الثعابين والعقارب وشقائق النعمان البحرية وقواقع المخروط . وقد أدى تنقية السموم إلى عزل سموم ببتيدية مثل سموم الدندروتوكسين، التي أصبحت أدوات دوائية مفيدة لدراسة قنوات البوتاسيوم. وبفضل فعاليتها وانتقائيتها لأنواع فرعية مختلفة من قنوات البوتاسيوم، أصبحت سموم الدندروتوكسين مفيدة كمجسات جزيئية لدراسة التركيب والوظيفة لهذه البروتينات. قد يُسهم ذلك في تحسين فهمنا للأدوار التي تؤديها أنواع القنوات المختلفة، بالإضافة إلى المساعدة في التصنيف الدوائي لهذه الأنواع المتنوعة من القنوات. [ ٨ ] علاوة على ذلك، يوفر توفر سموم الدندروتوكسين الموسومة إشعاعيًا أداةً لفحص مصادر أخرى في البحث عن سموم جديدة لقنوات البوتاسيوم، مثل سموم قنوات البوتاسيوم من فئة الكاليكلودين في شقائق النعمان البحرية. أخيرًا، قد توفر المعلومات البنيوية التي توفرها سموم الدندروتوكسين أدلةً على تركيب مركبات علاجية تستهدف فئات معينة من قنوات البوتاسيوم. كما استُخدم الدندروتوكسين الأول للمساعدة في تنقية وتوصيف بروتين قناة البوتاسيوم الذي يرتبط به عبر تقنيات مختلفة لفحص الارتباط والكروماتوغرافيا. [ ٩ ]

مراجع

  1. ↑ سي، م.؛ تروسكلير، كريستل؛ هاميلتون، ك.أ.؛ جلاسكوك، إ. (13 نوفمبر 2018). "الاستئصال الجيني أو التثبيط الدوائي لوحدات قناة البوتاسيوم Kv1.1 يُضعف إعادة استقطاب الأذين في الفئران" . المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء الخلوية . 316 (2): C154– C161 . doi : 10.1152/ajpcell.00335.2018 . ISSN 0363-6143 . PMC 6397341. PMID 30427720 .   
  2. ↑ غاسباريني إس، دانس جيه إم، ليكوك إيه، بينكاسفيلد إس، زين-جاستن إس، يونغ إل سي، سي إل دي ميديروس سي، روان إي جي، هارفي إيه إل، ومينيز إيه (1998). تحديد الموقع الوظيفي لسم ألفا-ديندروتوكسين: تختلف التضاريس الوظيفية للديندروتوكسينات، لكنها تشترك في نواة محفوظة مع تلك الخاصةبسموم أخرى تحجب قنوات البوتاسيوم K V 1. مجلة الكيمياء البيولوجية 273: 25393-25403
  3. ↑ كاتوه إي، نيشيو إتش، إينوي تي، نيشيوتشي واي، كيمورا تي، ساكاكيبارا إس، يامازاكي تي (2000). الأساس البنيوي للنشاط البيولوجي لـ Dendrotoxin-I، وهو مُثبِّط قوي لقنوات البوتاسيوم. Biopolymers 54:44-57
  4. ↑ سواميناثان ب، هاريهاران م، مورالي ر، سينغ سي يو (1996). البنية الجزيئية، والتحليل التوافقي، ودراسات العلاقة بين البنية والنشاط لسم ديندروتوكسين ونظائره باستخدام تقنيات الميكانيكا الجزيئية والديناميكا الجزيئية. مجلة الكيمياء الطبية . 39: 2141-2155
  5. ↑ إمريدي جيه بي، وماكينون آر (2000). التفاعلات الطاقية والبنيوية بين دلتا-دندروتوكسين وقناة بوتاسيوم ذات بوابة جهدية. مجلة البيولوجيا الجزيئية 296: 1283-1294
  6. ↑ هارفي إيه إل، روان إي جي، فاتانبور إتش، إنجستروم إيه، ويسترلوند بي، كارلسون إي (1997). تغيرات في النشاط البيولوجي بعد أستلة ديندروتوكسين 1 من ديندرواسبيس بوليبس (الأفعى السوداء). توكسيكون 35: 1263-1273
  7. ↑ وانغ إف سي، بيل إن، ريد بي، سميث إل إيه، ماكنتوش بي، روبرتسون بي، ودولي جيه أو (1999). تحديد البقايا في ديندروتوكسين K المسؤولة عن تمييزه بينقنوات البوتاسيوم العصبية التي تحتوي على وحدات ألفا K V 1.1 و 1.2. المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية 263: 222-229
  8. ↑ يوشيدا إس وماتسوموتو إس (2005). تأثيرات ألفا-دندروتوكسين على تيارات البوتاسيوم وجهود الفعل في خلايا العقدة الثلاثية التوائم المقاومة للتترودوتوكسين في الفئران البالغة. مجلة علم الأدوية والعلاجات التجريبية 314: 437-445
  9. ↑ ريم، هـ.؛ لازدونسكي، م. (1988-07-01). "تنقية وبنية الوحدة الفرعية لبروتين قناة بوتاسيوم افتراضي تم تحديده من خلال خصائص ارتباطه بدندروتوكسين I." وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 85 (13): 4919-4923 . Bibcode : 1988PNAS...85.4919R . doi : 10.1073/pnas.85.13.4919 . ISSN 0027-8424 . PMC 80549. PMID 2455300 .