Кальциептин - Calciseptine - Wikipedia

Кальциептин
ФормулаC299ЧАС476N90О87S10
Молекулярный вес7036 г / моль
Кальциептин
3D модель кальциептиновой структуры.png
Модель трехмерной структуры кальциептина, основанная на ЯМР-структуре его гомолога FS2 (PDB: 1TFS). Дисульфидные мостики показаны желтым цветом. Три остатка, которые различаются между FS2 и кальцисептином, показаны красным.
Идентификаторы
ОрганизмDendroaspis polylepis polylepis
СимволCaS
UniProtP22947

Кальциептин (CaS) является естественным нейротоксин изолированные от Черная мамба Dendroaspis p. полилепис яд. Этот токсин состоит из 60 аминокислоты с четырьмя дисульфидные связи. Кальцисептин блокирует L-тип кальциевые каналы, но не другие Напряжение -зависимый Ca2+ каналы, такие как каналы N-типа и T-типа.[1]

История

В Черная мамба (Dendroaspis polylepis) считается одной из самых смертоносных змей на планете,[2][3] и несет ответственность за множество смертельных случаев на всей территории К югу от Сахары классифицировать. Без лечения укус черной мамбы приводит к 100% смертности.[4]

Яд Черная мамба состоит из более чем 28 пептидов. Один из этих пептидов - кальциептин. Он составляет 2,8% яда Черная мамба. При первой очистке пептид был назван протеином E3, который позже был заменен на кальциептин Weille et al.[1][4]

Важность

Было показано, что кальцисептин специфически ингибирует потенциал-зависимый Ca2+ каналов и был первым природным полипептидом, обнаруженным с этим свойством. Специфические полипептидные ингибиторы чувствительных к напряжению каналов являются важными инструментами в исследованиях и уже были известны для чувствительных к напряжению Na+ каналы, чувствительные к напряжению и Ca2+-активированный K+ каналов, а для Ca2+-каналы.[1]

До того, как кальциептин был секвенирован и показал, что он является специфическим Кальциевый канал L-типа ингибитора, никаких специфических полипептидных ингибиторов для этого типа потенциалзависимых каналов не известно. Специфическими блокаторами канала L-типа были небольшие органические молекулы, такие как 1,4-дигидропиридины. Было высказано предположение, что ингибиторы полипептидов можно найти в ядах змей. Кальцисептин подтвердил это, поскольку было показано, что он не только блокирует конкретно каналы L-типа, но и делает это точно в том же месте, что и 1,4-дигидропиридины.[5] После кальциептина были обнаружены и другие полипептиды, специфически блокирующие каналы L-типа: FS2, C10S2C2 и S4C8.[1]

Выделение / синтез

Кальцисептин содержится только в черной мамбе и может быть очищен от неочищенного яда.[1] Змею можно доить, чтобы получить яд. Schweitz et al. использовали трехэтапный метод очистки кальциептина до гомологии. Этими тремя этапами были: 1) гель-фильтрация, 2) ионный обмен на TSK SP 5PW и 3) обращенно-фазовая хроматография на RP18.[4]

Ученым также удалось синтезировать кальциептин в лаборатории. FS2, который является еще одним компонентом яда черной мамбы и гомологичен кальциептину, также может быть синтезирован в лаборатории.[6]

Структура

Семейство трехпалых токсинов

Основная статья: Токсин из трех пальцев

Кальцисептин - член семейства токсичных пептидов, содержащихся в змеином яде. Белки этого семейства небольшие и состоят из 58-74 аминокислот. Все они имеют одинаковую трехпалую структуру, которая возникает в результате образования четырех дисульфидные мостики между восемью остатками цистеина.[7]

Активность этих токсинов - хотя они принадлежат к одному семейству - на самом деле весьма разнообразны и могут варьироваться от блокирования рецепторы ацетилхолина к изменению проницаемости мембраны. Их общая черта в том, что все они так или иначе влияют на передачу сигнала.[7]

Последовательность и структура

Сам кальциептин состоит из 60 аминокислот и полностью секвенирован:[8]

RICYIHKASL PRATKTCVEN TCYKMFIRTQ REYISERGCG CPTAMWPYQT ECCKGDRCNK

Трехмерная структура кальциептина экспериментально не определена. Однако другой токсин, обнаруженный в яде черной мамбы, называемый FS2, последовательно отличается от кальциептина только тремя остатками: он содержит серин вместо изолейцина в положении 5, гистидин вместо глутамина в положении 30 и глутамин вместо глутаминовой кислоты в позиция 32.[1] Трехмерная структура FS2 была определена с использованием ЯМР, и из-за незначительных последовательных отличий это может служить моделью структуры кальциептина.[9]

Токсикокинетика

Поглощение и распределение

Поскольку кальциептин вводится змеей в жертву вместе с остальной частью ее яда, ему не нужно преодолевать защитный барьер кожи, и он вводится непосредственно в ткани и / или кровоток жертвы. Никаких исследований по этому поводу не проводилось. токсикокинетика кальциептина, но общие исследования динамики змеиного токсина доступны. Хотя токсичные пептиды, как правило, имеют небольшой размер (около 60 аминокислот), их размер достаточен, чтобы они не пересекали эпителиальные слои, такие как гематоэнцефалический барьер.[10]

Биодоступность измерения были проведены для нескольких ядов змей. Например, кобра Было обнаружено, что биодоступность яда при внутримышечном введении составляет 41,7%, а для других ядов она может быть даже менее 10%. Эти значения довольно низкие по сравнению со значениями большинства терапевтических препаратов, биодоступность которых обычно составляет почти 100% после внутримышечной инъекции.[11]В целом было обнаружено, что токсичные пептиды из 10-40 аминокислот имеют относительно низкую биодоступность из-за их размера и гидрофильности.[10] Таким образом, ожидается, что кальциептин, содержащий 60 аминокислот, также будет иметь низкую биодоступность.

Метаболизм

Поскольку кальциептин представляет собой пептид, теоретически он может расщепляться на протеазы в тканях, куда вводится. Было обнаружено, что переваривание токсичных пептидов змеи протеазами действительно происходит в тканях жертвы, но из-за относительной стабильности токсинов, скорости, с которой действуют токсины, и количества введенного яда, этого недостаточно для защиты от последствия укуса змеи. То же самое и с иммунной системой: более крупные пептиды яда вряд ли будут пропущены иммунной системой, но иммунологическое действие недостаточно быстрое, чтобы противодействовать эффектам яда.[10][12]

Как упоминалось выше, кальциептин имеет трехпалую структуру, обычно обнаруживаемую в токсинах. Хотя многие токсины имеют такую ​​структуру, их функции разнообразны. Причина, по которой эта структура настолько консервативна, вероятно, заключается в ее стабильности: цистеиновые мостики создают стабильное ядро, которое, возможно, замедляет расщепление протеина протеазами.[10]

Механизм действия

Было показано, что кальцисептин блокирует кальциевые каналы L-типа, таким образом подавляя сокращение гладких мышц и сердечную функцию.[1]

Кальциевые каналы, активируемые напряжением

Напряжение зависимые кальциевые каналы важны для генерации электрических сигналов в возбудимых клетках, таких как нейроны, сердечные или гладкая мышца клетки. N-тип Ca2+ каналы находятся в нейрональных клетках и играют важную роль в соединении нервного возбуждения и нейротрансмиттер секреция. Кальциевые каналы L-типа присутствуют в клетках сердца и гладких мышц, связывая возбуждение с сокращением мышц. Другие типы активируемого напряжением Ca2+-каналы включают каналы T-типа и P-типа.[1]

Блокирование кальциевых каналов L-типа

Поскольку присутствие кальция в цитозоле необходимо для сокращения мышц, блокаторы кальциевых каналов не позволяют мышцам создавать напряжение. Блокаторы Кальциевые каналы L-типа, которые возникают при сердечных и гладкие мышцы, таким образом, действуют как релаксанты гладких мышц и ингибиторы сердечных сокращений.[1]Распространенными блокаторами кальциевых каналов L-типа являются 1,4-дигидропиридины, которые используются при лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Поскольку они действуют как релаксант, они могут расслаблять гладкие мышцы, окружающие кровеносные сосуды, тем самым расширяя их и снижая кровяное давление.[1][7][13]

Кальцисептин как блокатор кальциевых каналов L-типа

Кальцисептин напоминает вышеупомянутые 1,4-дигидропиридины в своем биологическом действии, поскольку он обладает такой же способностью связывать и блокировать кальциевые каналы L-типа в гладких и сердечных мышцах.[1]

Аминокислоты, отвечающие за связывание и блокирование Кальциевые каналы L-типа вероятно, расположены в третьем «пальце» структуры кальциептина, где-то между аминокислотами 40 и 50. Хотя пептиды из семейства трехпалых похожи по структуре, только некоторые из них способны связывать и блокировать кальциевые каналы. Множественное выравнивание последовательностей исследования дали 12 аминокислотных остатков, которые были уникальными для токсинов с активностью блокирования каналов. Эти остатки расположены на концах петель II и III в трехпалой структуре. Была предложена модель, в которой считается, что аминокислоты с 45 по 48, MWPY, токсина FS2 связываются с кальциевыми каналами. Эта модель основана на предсказании взаимодействия этих аминокислот с кальциевым каналом. Эти взаимодействия напоминают свойства гидрофобных и водородных связей нифедипин, известный блокатор 1,4-дигидропиридина.[7]Из-за сходства между кальциептином и FS2 эта модель может также учитывать взаимодействие кальциептина с кальциевыми каналами L-типа.

Другая модель основана на более крупном сегменте той же петли, содержащем аминокислоты с 42 по 47, PTAMWP. Поскольку участки белок-белкового взаимодействия часто фланкируются пролином,[14] присутствие двух пролинов в этом «пальце» структуры указывает на возможный сайт взаимодействия. Действительно, было обнаружено, что короткий полипептид из восьми аминокислотных остатков, содержащий эту последовательность, блокирует кальциевые каналы L-типа, хотя и с меньшей активностью.[15]

Эти взаимодействующие аминокислоты также обнаруживаются в двух других белках, блокирующих кальциевые каналы L-типа, C10S2C2 и S4C8. Хотя оба этих токсина относятся к семейству трехпалых, трехпалая структура, вероятно, не является требованием для блокировки каналов: другие змеиные токсины, включая дендротоксин, имеют одинаковые эффекты на разных каналах, но не показывают трехпалую структуру.[7][15]

Показания / Симптомы

Типичные симптомы укуса черной мамбы включают быстрое начало головокружения, сонливости и кашля, а также затрудненное дыхание. Другие вероятные симптомы включают судороги, нервно-мышечные симптомы, шок, потерю сознания, гипотония, атаксия, излишний слюноотделение, паралич конечностей, тошнота и рвота, жар и сильная боль в животе. Если укус не лечить, очень вероятен постоянный паралич конечностей. В самом тяжелом случае, если его не лечить, укус Черной Мамбы может привести к смерти от удушья в результате паралича дыхательных мышц.[16]

Все эти симптомы возникают из-за комбинации всех токсичных пептидов, содержащихся в неочищенном яде черной мамбы. Симптомы связаны с кальциептином, потому что он также действует как релаксант гладких мышц.[1] таким образом объясняется раннее начало затруднения дыхания, паралич конечностей и даже смерть от удушья. Кальцисептин, как известно, оказывает гипотензивный эффект.[17]Невозможно четко установить, какой пептид наиболее ответственен за какой симптом, поскольку комбинации различных токсинов могут иметь различные эффекты.

Противоядие

В случае укуса черной мамбы пострадавшего следует лечить по стандартному протоколу. Самая важная часть этого лечения - это внутривенная инъекция поливалентного противоядие. Это противоядие производит южноафриканский производитель вакцин. Поливалентность означает, что его можно использовать при различных укусах змей: гадюки, мамбы и кобры.[18] Необходимо вводить большое количество противоядия, чтобы противодействовать действию яда.

Поливалентный противоядие получают путем введения лошадям адаптированного яда. Яд сначала очищается от токсинов, чтобы предотвратить слишком большой урон и смерть. В основном это делается путем объединения яда с альдегид как формалин. Яд также вводят с адъювант, как гидроксид алюминия или альгинат натрия, для стимуляции иммунологического ответа. Когда вводится яд, тело производит антитела. Они будут связывать компоненты - вариабельность пептидов - яда, которые предотвращают дальнейшую активность молекулы и в конечном итоге удаляются иммунной системой организма. Эти антитела собирают и очищают из крови, а затем упаковывают в основном в жидкой форме. Лошадей используют из-за большого объема крови. Срок годности окончательного противоядия истекает через 5 лет, и его предпочтительно хранить в прохладном месте при 4-8 ° C. Однако он может выживать в различных экологических ситуациях от нескольких недель до месяцев, не теряя своей эффективности.[19]

Поскольку со временем вводится несколько ядов разных змей, у лошади вырабатываются разные антитела против всех ядов. Это придает противоядию его поливалентность. Это также увеличивает эффективность противоядия. Некоторые яды не могут достаточно вызвать иммунную систему сами по себе, или комбинация двух или более ядов приводит к лучшему реагированию на противоядие.[19]

Токсичность

Летальность

Кальцисептин в малых дозах токсичен. Нет никаких конкретных данных о токсичности кальциептина для человека. Однако LD50 значения для мышей были определены и их можно найти в таблице ниже:[20]

Режим управленияLD50 ценить
Внутривенная инъекция0,25 мг / кг
Подкожная инъекция0,38 мг / кг
Внутрибрюшинное введение0,94 мг / кг

Ядовитая токсичность

Черная Мамба может ввести от 100 до 120 мг яда за один укус. Сравнение LD50 Результаты с количеством яда, которое можно ввести, показывают, что один укус является смертельным. Для человека дозы 10–15 мг достаточно, чтобы привести к летальному исходу.[21]

Прочие данные

Кальцисептин влияет на K+-индуцированные сокращения и Са L-типа2+ активность канала, СК50 значения были определены и дали значения 230 и 430 нМ соответственно. Кальцисептин также влияет на сердечную функцию. IC50 найденное значение для этой ткани составило 15 нМ. Эти значения были определены на крысах и мышах.[1]

Синергетическая токсичность

Было обнаружено, что некоторые трехпалые токсины из яда мамбы взаимодействуют синергетически друг с другом. Молекулярные механизмы этих взаимодействий остаются неизвестными.[22] Неизвестно также, оказывает ли кальциептин синергетический эффект с другими соединениями яда.

Воздействие на животных

Кальцисептин исследовали in vivo и in vitro на всех видах животных, но в основном на крысах. Кальцисептин расслабляет предварительно сокращенную (грудную) аорту крысы и резко снижает артериальное давление.[17]

Снижение артериального давления показывает сочетание краткосрочных и долгосрочных эффектов. Раннее, острое начало длилось пять минут, а эффект мог длиться 120 минут или дольше. Кроме того, кальциептин незначительно влиял на сердечный ритм, лишь незначительно его изменяя. Кроме того, он также может расслабить трахея кольца в легких. Эти эффекты можно объяснить расслабляющим действием кальциептина на различные гладкая мышца клетки.[1] Подавляющее действие кальциептина приводит к снижению или полному исчезновению электрической активности в этих клетках. Общий тормозящий эффект зависит от ткани: сердечно-сосудистая система наиболее уязвима, нейронные клетки менее уязвимы, а клетки скелетных мышц полностью устойчивы. Эта разница в чувствительности тканей, вероятно, вызвана небольшими различиями в кальциевых каналах L-типа в этих тканях.[1] Эти эффекты могут возникать при небольших количествах от 0,1 до 1 мкМ кальцисептина. В мышке миотрубка CA2+ токи имеют более высокую амплитуду после инкубации в кальцисептине (1 мкМ). Этот эффект кальциептина на Ca2+ течение развивается относительно быстро. Кальцисептин изменяет обратный потенциал Са2+ ток в миотрубках мыши.[23] В волокнах скелетных мышц взрослых лягушек кальциептин также вызывает повышение Ca2+ Текущий. Это увеличение сопоставимо с увеличением, обнаруженным в мышечных трубках мыши. В отличие от мышечных трубок кальциептин не изменял обратный потенциал Са2+ Текущий. В мышечных волокнах крыс после применения кальциептина были обнаружены очень незначительные изменения в напряжении сокращений, что показывает нам, что пептид очень мало влияет на сокращение мышц. Кальцисептин также мало влиял на мышечные волокна лягушки.[23]

Существует небольшой эффект кальциептина во время серии повторяющихся стимулов, которые вызывают столбняк; кальциептин усиливает тетаническое напряжение. Среднее тетаническое напряжение после применения кальцисептина было немного выше контрольного значения. Хотя кальциептин увеличивает движение заряда и увеличивает приток Са.2+ через каналы L-типа это не оказывает существенного влияния на сокращение мышц даже при столбняке.[23]

Исследования на крысах и морских свинках показали, что синтетический кальциептин и FS2 имеют такой же эффект, как и их природные аналоги.[17]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о Де Вайль Дж. Р., Швайц Х., Маес П., Тартар А., Лаздунски М. (1991). «Кальцисептин, пептид, выделенный из яда черной мамбы, является специфическим блокатором кальциевых каналов L-типа». Proc. Natl. Акад. Sci. Соединенные Штаты Америки. 88 (6): 2437–2440. Bibcode:1991ПНАС ... 88.2437D. Дои:10.1073 / pnas.88.6.2437. ЧВК  51247. PMID  1848702.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  2. ^ Кафедра Медицинского и хирургического бюро ВМФ (2013 г.). Ядовитые змеи мира: руководство для десантных войск США. Skyhorse Publishing. п. 93. ISBN  978-1-62087-623-7.
  3. ^ Хаджи, Р. «Ядовитые змеи и укус змеи» (PDF). Zoocheck Canada Inc. Архивировано из оригинал (PDF) 25 апреля 2012 г.. Получено 2 декабря 2011.
  4. ^ а б c Швейц Х, Бидард Дж., Лаздунски М (1990). «Очистка и фармакологическая характеристика пептидных токсинов из яда черной мамбы (Dendroaspis Polylepis)». Токсикон. 28 (7): 847–856. Дои:10.1016 / с0041-0101 (09) 80007-х. PMID  1977212.
  5. ^ Ясуда О., Моримото С. и др. (1993). «Связывание кальциептина с сайтом распознавания 1,4-дигидропиридина кальциевого канала L-типа синаптосомных мембран крыс». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 194 (2): 587–594. Дои:10.1006 / bbrc.1993.1862. PMID  8393668.
  6. ^ Kuroda, H .; и другие. (1992). «Синтез раствора кальциептина, специфического блокатора кальциевых каналов L-типа». Pept. Res. 5: 265–268.
  7. ^ а б c d е Шлейфер, К. (1997). «Сравнительное молекулярное моделирование блокаторов кальциевых каналов нифедипина и токсина черной мамбы FS2». Журнал компьютерного молекулярного дизайна. 11 (5): 491–501. Bibcode:1997JCAMD..11..491S. Дои:10.1023 / а: 1007974124426. PMID  9385552.
  8. ^ «Юнипрот КБ». Получено 3 апреля 2013.
  9. ^ Albrand, J.P .; и другие. (1995). «ЯМР и ограниченная молекулярная динамика исследования трехмерной структуры раствора токсина FS2, специфического блокатора кальциевых каналов L-типа, выделенного из яда черной мамбы». Биохимия. 34 (17): 5923–5937. Дои:10.1021 / bi00017a022. PMID  7727450.
  10. ^ а б c d Lewis, R.J .; Гарсия, М. (2003). «Лечебный потенциал пептидов яда». Обзоры природы Drug Discovery. 2 (10): 790–802. Дои:10.1038 / nrd1197. PMID  14526382.
  11. ^ Яп, М.К.К .; и другие. (2013). «Токсикокинетика яда Naja sputatrix (яванская плевательница) после внутримышечного и внутривенного введения яда кроликам». Токсикон. 68: 18–23. Дои:10.1016 / j.toxicon.2013.02.017. PMID  23537711.
  12. ^ Bottrall, J.L .; и другие. (2010). «Протеолитическая активность ядов змей elapid и viperid и ее влияние на пищеварение». J Venom Res. 1: 18–28. ЧВК  3086185. PMID  21544178.
  13. ^ Varon, J .; Марик, П. (2003). «Клинический обзор: лечение гипертонических кризов». Крит. Забота. 7 (5): 374–384. Дои:10.1186 / cc2351. ЧВК  270718. PMID  12974970.
  14. ^ Кини, Р. (1998). «Скобки пролина и идентификация потенциальных функциональных сайтов в белках: токсины для терапии». Токсикон. 36 (11): 1659–1670. Дои:10.1016 / s0041-0101 (98) 00159-7. PMID  9792183.
  15. ^ а б Kini, R.M .; и другие. (1998). «Фланкирующие остатки пролина идентифицируют сайт связывания Са2 + канала L-типа кальцисептина и FS2». Биохимия. 37 (25): 9058–9063. Дои:10.1021 / bi9802723. PMID  9636051.
  16. ^ «Немедленная первая помощь». Архивировано из оригинал на 2012-11-02. Получено 2013-03-27.
  17. ^ а б c Watanabe, T .; и другие. (1995). «Расслабляющая гладкая мускулатура и гипотензивная активность синтетического кальциептина и гомологичного пептида змеиного яда FS2». Jpn. J. Pharmacol. 68 (3): 305–313. Дои:10.1254 / jjp.68.305. PMID  7474554.
  18. ^ "Африканские рептилии и яд". Архивировано из оригинал 8 мая 2013 г.. Получено 3 апреля 2013.
  19. ^ а б Chippaux, J.P .; Гойффон, М. (1998). «Яды, противоядия и иммунотерапия». Токсикон. 36 (6): 823–846. Дои:10.1016 / s0041-0101 (97) 00160-8. PMID  9663690.
  20. ^ «База данных токсинов и токсинов». Получено 3 апреля 2013.
  21. ^ Бранч, Уильям Р. (1998). Полевой справочник по змеям и другим рептилиям Южной Африки. Кейптаун: Издательство Struik.
  22. ^ Kini, R.M .; Доли, Р. (2010). «Структура, функция и эволюция трехпальцевых токсинов: мини-белки с множеством мишеней». Токсикон. 56 (6): 855–867. Дои:10.1016 / j.toxicon.2010.07.010. PMID  20670641.
  23. ^ а б c Garcia, M.C .; и другие. (2001). "Кальцисептин, блокатор каналов Ca2 +, оказывает агонистическое действие на Ca L-типа"2+ токи на скелетные мышцы лягушки и млекопитающих ". J. Membrane Biol. 184 (2): 121–129. Дои:10.1007 / s00232-001-0080-7. PMID  11719849.