Кальцисептин
| Кальцисептин | |||
|---|---|---|---|
 | |||
| Идентификаторы | |||
| Организм | |||
| Символ | КаС | ||
| ЮниПрот | P22947 | ||
| |||
Кальцисептин ( CaS ) — природный нейротоксин , выделенный из черной мамбы Dendroaspis p. полилеписа яд . Этот токсин состоит из 60 аминокислот с четырьмя дисульфидными связями . Кальцисептин специфически блокирует кальциевые каналы L-типа , но не другие потенциал -зависимые кальциевые каналы. 2+ каналы, такие как каналы N-типа и T-типа. [1]
История
[ редактировать ]Черная мамба ( Dendroaspis Polylepis ) считается одной из самых смертоносных змей на планете. [2] [3] и несет ответственность за множество смертей во всем своем ареале в Африке к югу от Сахары . Без лечения укус Черной Мамбы приводит к 100% смертности. [4]
Яд Черной Мамбы состоит из более чем 28 пептидов. Одним из таких пептидов является кальцисептин. Он составляет 2,8% яда Черной Мамбы . При первой очистке пептид назывался белком Е3, который позже был заменен на кальциптин Weille et al. [1] [4]
Важность
[ редактировать ]Было показано, что кальцисептин специфически ингибирует потенциалзависимый Са L-типа. 2+ каналов и был первым природным полипептидом, обнаруженным с этим свойством. Специфические полипептидные ингибиторы потенциал-чувствительных каналов являются важными инструментами в исследованиях и уже были известны для потенциал-чувствительных каналов Na. + каналы, как потенциалочувствительные, так и Ca 2+ -активирован К + каналов, а для Ca N-типа 2+ -каналы. [1]
До того, как кальцисептин был секвенирован и показано, что он является специфическим ингибитором кальциевых каналов L-типа , не было известно никаких специфических полипептидных ингибиторов для этого типа потенциалзависимых каналов. Специфическими блокаторами канала L-типа были небольшие органические молекулы, такие как 1,4- дигидропиридины . Было высказано предположение, что в ядах змей можно обнаружить полипептидные ингибиторы. Кальцисептин подтвердил это, поскольку было показано, что он не только специфически блокирует каналы L-типа, но и делает это точно в том же месте, что и 1,4- дигидропиридины . [5] После кальцисептина были обнаружены и другие полипептиды, специфически блокирующие каналы L-типа: FS2, C10S2C2 и S4C8. [1]
Изоляция/Синтез
[ редактировать ]Кальцисептин содержится только в Черной Мамбе и может быть очищен от сырого яда. [1] Змею можно доить, чтобы получить яд. Швейц и др. использовали трехстадийный метод очистки кальцисептина до гомологичности. Тремя стадиями были: 1) гель-фильтрация, 2) ионный обмен на TSK SP 5PW и 3) обращенно-фазовая хроматография на RP18. [4]
Ученым также удалось синтезировать кальцисептин в лаборатории. FS2, который является еще одним компонентом яда Черной Мамбы и гомологичен кальцицептину, также может быть синтезирован в лаборатории. [6]
Структура
[ редактировать ]Семейство трехпалых токсинов
[ редактировать ]Кальцисептин — член семейства токсичных пептидов, обнаруженных в змеиных ядах. Белки этого семейства небольшие и состоят из 58–74 аминокислот. Все они имеют одинаковую трехпалую структуру, возникающую в результате образования четырех дисульфидных мостиков между восемью остатками цистеина. [7]
Действия этих токсинов, хотя они и являются членами одного семейства, на самом деле весьма разнообразны и могут варьироваться от блокирования рецепторов ацетилхолина до изменения проницаемости мембран. Их общей чертой является то, что все они тем или иным образом влияют на передачу сигнала. [7]
Последовательность и структура
[ редактировать ]Сам кальцисептин состоит из 60 аминокислот и полностью секвенирован: [8]
RICYIHKASL PRATKTCVEN TCYKMFIRTQ REYISERGCG CPTAMWPYQT ECCKGDRCNK
Трехмерная структура кальцицептина экспериментально не определена. Однако другой токсин, обнаруженный в яде черной мамбы, названный FS2, последовательно отличается от кальцисептина всего тремя остатками: он содержит серин вместо изолейцина в позиции 5, гистидин вместо глутамина в позиции 30 и глютамин вместо глутаминовой кислоты в позиции 30. позиция 32. [1] Трехмерная структура FS2 была определена с помощью ЯМР , и из-за незначительных последовательных различий она может служить моделью структуры кальцисептина. [9]
Токсикокинетика
[ редактировать ]Поглощение и распределение
[ редактировать ]Поскольку кальцисептин вводится змеей в жертву вместе с остальной частью яда, ему не нужно проходить через защитный барьер кожи, и он вводится непосредственно в ткани и/или кровоток добычи. кальцисептина конкретно не проводилось Никаких исследований токсикокинетики , но доступны общие исследования динамики змеиного токсина. Хотя токсичные пептиды обычно невелики (около 60 аминокислот), их размера достаточно, чтобы предотвратить их проникновение через эпителиальные слои, например, через гематоэнцефалический барьер . [10]
Измерения биодоступности были проведены для нескольких змеиных ядов. Например, было обнаружено, что яд кобры имеет биодоступность 41,7% при внутримышечном введении, а для других ядов она может быть даже менее 10%. Эти значения довольно низкие по сравнению с показателями большинства терапевтических препаратов, биодоступность которых после внутримышечного введения обычно составляет почти 100%. [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 кальцисептин, содержащий 60 аминокислот, также будет иметь низкую биодоступность.
Метаболизм
[ редактировать ]Поскольку кальцисептин является пептидом, теоретически он может расщепляться протеазами в тканях, куда его вводят. Установлено, что переваривание змеиных токсичных пептидов протеазами действительно происходит в тканях жертвы, но из-за относительной стабильности токсинов, скорости действия токсинов и количества впрыскиваемого яда этого недостаточно для защиты от последствия укуса змеи. То же самое касается и иммунной системы: иммунная система вряд ли пропустит более крупные пептиды яда, но иммунологическое действие недостаточно быстрое, чтобы противостоять воздействию яда. [10] [12]
Как упоминалось выше, кальцисептин имеет трехпалую структуру, обычно встречающуюся 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 распад белка протеазами. [10]
Механизм действия
[ редактировать ]Было показано, что кальцисептин блокирует кальциевые каналы L-типа, тем самым ингибируя сокращение гладких мышц и функцию сердца. [1]
Кальциевые каналы, активируемые напряжением
[ редактировать ]Потенциально-зависимые кальциевые каналы важны для генерации электрических сигналов в возбудимых клетках, таких как нейроны, клетки сердца или гладкомышечные клетки. Са N-типа 2+ каналы обнаруживаются в нейрональных клетках и играют важную роль в сочетании нервного возбуждения и нейромедиаторов секреции . Кальциевые каналы L-типа присутствуют в сердечных и гладкомышечных клетках, связывая возбуждение с мышечными сокращениями. Другие типы Ca, активируемые напряжением 2+ -каналы включают каналы T-типа и P-типа. [1]
Блокировка кальциевых каналов L-типа
[ редактировать ]Поскольку присутствие кальция в цитозоле необходимо для сокращения мышц, блокаторы кальциевых каналов не позволяют мышцам создавать напряжение. Блокаторы кальциевых каналов L-типа , которые встречаются в сердечных и гладких мышцах , действуют таким образом 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. Благодаря своей релаксирующей активности 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.
[ редактировать ]Кальцисептин по своему биологическому действию напоминает упомянутые выше 1,4- дигидропиридины , так как обладает такой же способностью связывать и блокировать кальциевые каналы L-типа в гладких и сердечных мышцах. [1]
Аминокислоты, ответственные за связывание и блокирование кальциевых каналов L-типа , вероятно, расположены в третьем «пальце» структуры кальцисептина, где-то между аминокислотами 40 и 50. Хотя пептиды из семейства трехпалых схожи по структуре, только некоторые из них способны связывать и блокировать кальциевые каналы. Множественные исследования по выравниванию последовательностей выявили 12 аминокислотных остатков, которые были уникальными для токсинов, обладающих 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 связывают кальциевые каналы. Эта модель основана на предсказании взаимодействия этих аминокислот с кальциевым каналом. Эти взаимодействия напоминают гидрофобные свойства и свойства водородных связей нифедипина , известного блокатора 1,4-дигидропиридина. [7] Из-за сходства между кальцисептином и FS2 эта модель также может учитывать взаимодействие кальцисептина с кальциевыми каналами L-типа.
Другая модель основана на более крупном сегменте той же петли, содержащем аминокислоты с 42 по 47, PTAMWP. Поскольку часто обнаруживалось, что места белок-белкового взаимодействия фланкированы пролинами, [14] присутствие двух пролинов в этом «пальце» структуры указывает на возможное место взаимодействия. Было обнаружено, что короткий полипептид из восьми аминокислотных остатков, содержащий эту последовательность, действительно блокирует кальциевые каналы L-типа, хотя и с меньшей активностью. [15]
Эти взаимодействующие аминокислоты также обнаружены в двух других белках, блокирующих кальциевые каналы L-типа, C10S2C2 и S4C8. Хотя оба эти токсина являются членами семейства трехпалых, трехпалая структура, вероятно, не является обязательным условием для блокирования каналов: другие змеиные токсины, включая дендротоксин , оказывают сходное воздействие на различные каналы, но не проявляют трехпалого эффекта. структура. [7] [15]
Показания/Симптомы
[ редактировать ]Типичные симптомы после укуса черной мамбы включают быстрое головокружение, сонливость, кашель и затрудненное дыхание. Другие вероятные симптомы включают судороги, нервно-мышечные симптомы, шок, потерю сознания, гипотонию , атаксию , повышенное слюноотделение , паралич конечностей, тошноту и рвоту, лихорадку и сильную боль в животе. Если укус не лечить, весьма вероятен постоянный паралич конечностей. В самом тяжелом случае, при отсутствии лечения, укус Черной Мамбы может привести к смерти от удушья, возникающего в результате паралича дыхательных мышц. [16]
Все эти симптомы обусловлены сочетанием всех токсичных пептидов, содержащихся в сыром яде Черной Мамбы. Симптомы связаны с кальцицептином, поскольку он также действует как релаксант гладких мышц. [1] таким образом объясняя раннее начало затрудненного дыхания, паралича конечностей и даже смерть от удушья. Известно, что кальцисептин оказывает гипотензивное действие. [17] Невозможно однозначно установить, какой пептид за какой симптом наиболее ответственен, поскольку комбинации разных токсинов могут оказывать различное действие.
Противоядие
[ редактировать ]При укусе черной мамбы пострадавшего следует лечить по стандартному протоколу. Наиболее важной частью этого лечения является внутривенная инъекция поливалентного противоядия . Южноафриканские производители вакцин производят это противоядие. Поливалентность означает, что его можно использовать при укусах различных змей: гадюк , мамб и кобр . [18] Чтобы нейтрализовать действие яда, необходимо вводить большие количества противоядия.
Поливалентное противоядие получают путем инъекции лошадям адаптированного яда. Яд сначала обезвреживается, чтобы предотвратить слишком большой ущерб и смерть. В основном это достигается путем образования комплекса яда с альдегидом , например формалином. Яд также вводят с адъювантом , таким как гидроксид алюминия или альгинат натрия, для стимуляции иммунологического ответа. При введении яда организм вырабатывает антитела . Они связывают компоненты яда (вариабельность пептидов), которые предотвращают дальнейшую активность молекулы и в конечном итоге удаляются иммунной системой организма. Эти антитела собираются и очищаются из крови, а затем упаковываются преимущественно в жидкую форму. Лошадей используют из-за большого объема крови. Срок годности конечного противоядия истекает через 5 лет, и его желательно хранить в прохладном месте, при температуре 4–8 °C. Однако он может выдерживать различные экологические ситуации в течение нескольких недель или месяцев, не теряя при этом своей эффективности. [19]
Поскольку с течением времени вводится несколько ядов разных змей, у лошади вырабатываются разные антитела против всех ядов. Это придает противоядию его поливалентное свойство. Это также усиливает эффективность противоядия. Некоторые яды сами по себе не могут достаточно индуцировать иммунную систему, или комбинация двух или более ядов приводит к лучшему реагированию противоядия. [19]
Токсичность
[ редактировать ]Летальность
[ редактировать ]Кальцисептин токсичен в низких дозах. Специальных данных о токсичности кальциптина для человека нет. Однако значения LD 50 для мышей были определены и их можно найти в таблице ниже: [20]
| Способ применения | ЛД 50 Значение |
|---|---|
| Внутривенная инъекция | 0,25 мг/кг |
| Подкожная инъекция | 0,38 мг/кг |
| Внутрибрюшинная инъекция | 0,94 мг/кг |
Токсичность яда
[ редактировать ]Черная мамба может ввести от 100 до 120 мг яда за один укус. Сравнение результатов LD 50 с количеством яда, которое можно ввести, показывает, что один укус смертелен. Для человека достаточно дозы 10–15 мг, чтобы привести к летальному исходу. [21]
Другие данные
[ редактировать ]Кальцисептин влияет на К. + -индуцированные сокращения и Ca L-типа 2+ IC 50 активности канала, определяли значения , которые давали значения 230 и 430 нМ соответственно. Кальцисептин также оказывает влияние на функцию сердца. Значение IC 50 , обнаруженное для этой ткани, составило 15 нМ. Эти значения были определены на крысах и мышах. [1]
Синергетическая токсичность
[ редактировать ]Установлено, что некоторые трехпалые токсины яда мамбы синергически взаимодействуют друг с другом. Молекулярные механизмы этих взаимодействий остаются неизвестными. [22] Также неизвестно, оказывает ли кальцисептин синергический эффект с другими ядовитыми соединениями.
Воздействие на животных
[ редактировать ]Кальцисептин исследовался in vivo и in vitro на всех видах животных, но преимущественно на крысах. Кальцисептин расслабляет предварительно сокращенную (грудную) аорту крысы и резко снижает кровяное давление. [17]
Снижение артериального давления демонстрирует сочетание кратковременных и долгосрочных эффектов. Раннее острое начало заняло пять минут, а эффект мог длиться 120 минут или дольше. Кроме того, кальцисептин лишь незначительно влиял на сердечный ритм, незначительно изменяя его. Кроме того, он также может расслабить кольца трахеи в легких. Эти эффекты можно объяснить расслабляющим действием кальцисептина на различные гладкомышечные клетки. [1] Ингибирующее действие кальцисептина приводит к снижению или полному исчезновению электрической активности этих клеток. Общий тормозной эффект зависит от ткани: сердечно-сосудистая система наиболее уязвима, нейрональные клетки менее уязвимы, а клетки скелетных мышц полностью резистентны. Эта разница в чувствительности тканей, вероятно, вызвана небольшими различиями в кальциевых каналах L-типа в этих тканях. [1] Эти эффекты могут возникать при низких дозах кальцицептина от 0,1 до 1 мкМ. В миотрубке мыши Ca 2+ токи демонстрируют более высокую амплитуду после инкубации в кальциптине (1 мкМ). Этот эффект кальцисептина на Ca 2+ течение развивается относительно быстро. Кальцисептин изменяет реверсивный потенциал Ca 2+ ток в миотрубках мыши. [23] В волокнах скелетных мышц взрослой лягушки кальцисептин также вызывает повышенное содержание кальция. 2+ текущий. Это увеличение сравнимо с увеличением, обнаруженным в мышечных трубках мышей. В отличие от мышечных трубочек кальцисептин не изменял реверсивный потенциал Ca. 2+ текущий. В мышечных волокнах крысы после применения кальцисептина были обнаружены очень незначительные изменения в сокращении мышц, что показывает нам, что пептид оказывал очень незначительное влияние на сокращение мышц. Кальцисептин также мало влиял на мышечные волокна лягушки. [23]
Кальцисептин оказывает небольшой эффект во время серии повторяющихся раздражителей, вызывающих столбняк ; Кальцисептин усиливает тетаническое напряжение. Среднее тетаническое напряжение после применения кальцисептина было несколько выше контрольного значения. Хотя кальцисептин дает увеличение движения заряда и увеличение притока 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 кальцисептин и FS2 оказывают тот же эффект, что и их природные аналоги. [17]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот Де Вейль-младший, Швейц Х., Маес П., Тартар А., Лаздунски М. (1991). «Кальцицептин, пептид, выделенный из яда черной мамбы, является специфическим блокатором кальциевых каналов L-типа» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 88 (6): 2437–2440. Бибкод : 1991PNAS...88.2437D . дои : 10.1073/pnas.88.6.2437 . ПМК 51247 . ПМИД 1848702 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Хаджи, Р. «Ядовитые змеи и укусы змей» (PDF) . Zoocheck Canada Inc. Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года . Проверено 2 декабря 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с Швейц Х., Бидар Ж.Н., Лаздунски М. (1990). «Очистка и фармакологическая характеристика пептидных токсинов яда черной мамбы (Dendroaspis Polylepis)». Токсикон . 28 (7): 847–856. дои : 10.1016/s0041-0101(09)80007-x . ПМИД 1977212 .
- ^ Ясуда О., Моримото С. и др. (1993). «Связывание кальцисептина с сайтом узнавания 1,4-дигидропиридина кальциевого канала L-типа синаптосомальных мембран крысы». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 194 (2): 587–594. дои : 10.1006/bbrc.1993.1862 . ПМИД 8393668 .
- ^ Курода, Х.; и др. (1992). «Синтез раствора кальцицептина, специфического блокатора кальциевых каналов L-типа». Пепт. Рез . 5 (5): 265–268. ПМИД 1450521 .
- ^ Jump up to: а б с д и Шлейфер, К. (1997). «Сравнительное молекулярное моделирование блокаторов кальциевых каналов нифедипина и токсина черной мамбы FS2». Журнал компьютерного молекулярного дизайна . 11 (5): 491–501. Бибкод : 1997JCAMD..11..491S . дои : 10.1023/а:1007974124426 . ПМИД 9385552 . S2CID 5334453 .
- ^ «Юнипрот КБ» . Проверено 3 апреля 2013 г.
- ^ Альбранд, Япония; и др. (1995). «Исследование методом ЯМР и ограниченной молекулярной динамики 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 . ПМИД 7727450 .
- ^ Jump up to: а б с д Льюис, Р.Дж.; Гарсия, ML (2003). «Терапевтический потенциал пептидов яда» . Nature Reviews Открытие лекарств . 2 (10): 790–802. дои : 10.1038/nrd1197 . ПМИД 14526382 .
- ^ Яп, МКК; и др. (2013). «Токсикокинетика яда Naja sputatrix (яванской плюющейся кобры) после внутримышечного и внутривенного введения яда кроликам». Токсикон . 68 : 18–23. дои : 10.1016/j.токсикон.2013.02.017 . ПМИД 23537711 .
- ^ Ботролл, JL; и др. (2010). «Протеолитическая активность ядов элапидных и гадюковых змей и ее влияние на пищеварение» . Джей Веном Рез . 1 : 18–28. ПМК 3086185 . ПМИД 21544178 .
- ^ Варон, Дж.; Марик, ЧП (2003). «Клинический обзор: Лечение гипертонических кризов» . Крит. Уход . 7 (5): 374–384. дои : 10.1186/cc2351 . ПМК 270718 . ПМИД 12974970 .
- ^ Кини, Р.М. (1998). «Пролиновые скобки и идентификация потенциальных функциональных участков в белках: токсины для терапии». Токсикон . 36 (11): 1659–1670. дои : 10.1016/s0041-0101(98)00159-7 . ПМИД 9792183 .
- ^ Jump up to: а б Кини, Р.М.; и др. (1998). «Фланкирующие остатки пролина идентифицируют сайт связывания Ca2+-канала L-типа кальцицептина и FS2». Биохимия . 37 (25): 9058–9063. дои : 10.1021/bi9802723 . ПМИД 9636051 .
- ^ «Немедленная первая помощь» . Архивировано из оригинала 2 ноября 2012 г. Проверено 27 марта 2013 г.
- ^ Jump up to: а б с Ватанабэ, Т.; и др. (1995). «Расслабляющее гладкость мышц и гипотензивное действие синтетического кальцисептина и гомологичного пептида змеиного яда FS2» . Япония. Дж. Фармакол . 68 (3): 305–313. дои : 10.1254/jjp.68.305 . ПМИД 7474554 .
- ^ «Африканские рептилии и яд» . Архивировано из оригинала 8 мая 2013 года . Проверено 3 апреля 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Чиппо, Япония; Гойфон, М. (1998). «Яды, противоядия и иммунотерапия». Токсикон . 36 (6): 823–846. дои : 10.1016/s0041-0101(97)00160-8 . ПМИД 9663690 .
- ^ «База данных по токсинам и мишеням токсинов» . Проверено 3 апреля 2013 г.
- ^ Бранч, Уильям Р. (1998). Полевое руководство по змеям и другим рептилиям Южной Африки . Кейптаун: Издательство Струик.
- ^ Кини, Р.М.; Доули, Р. (2010). «Структура, функции и эволюция трехпальцевых токсинов: мини-белки с несколькими мишенями». Токсикон . 56 (6): 855–867. дои : 10.1016/j.токсикон.2010.07.010 . ПМИД 20670641 .
- ^ Jump up to: а б с Гарсия, MC; и др. (2001). «Кальцисептин, блокатор Ca2+-каналов, оказывает агонистическое действие на Ca L-типа. 2+ токи на скелетных мышцах лягушек и млекопитающих». J. Membrane Biol . 184 (2): 121–129. : 10.1007 /s00232-001-0080-7 . PMID 11719849. . S2CID 9016897 doi
