Las dendrotoxinas son una clase de neurotoxinas presinápticas producidas por serpientes mamba (y contenidas en su veneno ) y que bloquean ciertos subtipos de canales de potasio dependientes de voltaje en las neuronas , lo que aumenta la liberación de acetilcolina en las sinapsis neuromusculares . Debido a su alta potencia y selectividad por los canales de potasio, las dendrotoxinas han demostrado ser extremadamente útiles como agentes farmacológicos para estudiar la estructura y función de estas proteínas de los canales iónicos .
Las dendrotoxinas bloquean ciertos subtipos de canales de potasio (K + ) dependientes de voltaje en las neuronas. En el sistema nervioso, los canales de K + dependientes de voltaje son responsables de la repolarización de la membrana y controlan la duración de los potenciales de acción . Se ha demostrado que la dendrotoxina se une a los canales de potasio de las intersecciones de las neuronas motoras de Ranvier [1] y bloquea la actividad de los canales de potasio. Por lo tanto, las dendrotoxinas aumentan la duración de los potenciales de acción y aumentan la liberación de acetilcolina en la unión neuromuscular, lo que puede provocar sobreexcitación muscular y convulsiones.
Las dendrotoxinas son proteínas de ~7 kDa, que consisten en una sola cadena peptídica de aproximadamente 57-60 aminoácidos. Se han aislado varios homólogos de α-dendrotoxina, todos con una secuencia ligeramente diferente. Sin embargo, la arquitectura molecular y la conformación de estas proteínas son muy similares. Las dendrotoxinas tienen una hélice 3 10 muy corta cerca del extremo N-terminal del péptido, mientras que dos vueltas de la hélice α ocurren cerca del extremo C-terminal. Una hoja β antiparalela de doble cadena ocupa la parte central de la estructura molecular. Estas dos hebras β están conectadas por una región de giro β distorsionada [2] , que presumiblemente juega un papel importante en la actividad de unión a proteínas. Todas las dendrotoxinas están entrecruzadas por tres enlaces disulfuro , que añaden estabilidad a la proteína y determinan en gran medida su conformación. Los radicales de cisteína que forman estos enlaces disulfuro tienen una ubicación idéntica en todos los miembros de la familia de las dendrotoxinas, se encuentran en las regiones C7-C57, C16-C40 y C32-C53 (numeradas según las α-dendrotoxinas).
Las dendrotoxinas son estructuralmente homólogas a los inhibidores de la serina proteasa (SPI), incluida la aprotinina . Se demostró que las secuencias de α-dendrotoxina e ISP son idénticas en un 35% y tienen enlaces disulfuro idénticos. A pesar de la homología estructural entre estas dos proteínas, las dendrotoxinas no tienen ningún efecto inhibidor medible sobre el factor de coagulación, a diferencia de las ICP. Esta pérdida de actividad es posiblemente el resultado de la ausencia de radicales de aminoácidos clave que producen diferencias estructurales que evitan las interacciones clave requeridas para la actividad de ICP.
Las dendrotoxinas son proteínas básicas que tienen carga positiva a pH neutro . La mayoría de los radicales de aminoácidos cargados positivamente se encuentran en la parte inferior de la estructura, creando una región catiónica en una parte de la proteína. La carga positiva proviene de los radicales lisina (Lys) y arginina (Arg), que se concentran en tres sitios principales: cerca del extremo amino (Arg3, Arg4, Lys5), cerca del extremo C (Arg54, Arg55) y un región estrecha del giro β (Lys28, Lys29, Lys30) [3] . Se cree que estos radicales con carga positiva pueden desempeñar un papel fundamental en la actividad de unión de las dendrotoxinas, ya que pueden interactuar con sitios aniónicos (aminoácidos con carga negativa) en los poros de los canales de potasio.
Una molécula de dendrotoxina se une de forma reversible al canal de potasio para ejercer un efecto inhibidor. Se supone que esta interacción es iniciada por interacciones electrostáticas entre los radicales de aminoácidos cargados positivamente en la región catiónica de la dendrotoxina y los radicales cargados negativamente en los poros de los canales iónicos . Los canales de potasio, al igual que otros canales selectivos de cationes, presumiblemente tienen una nube de cargas negativas frente a la entrada del poro del canal que ayuda a guiar los iones de potasio a lo largo de la vía de permeación. Generalmente se cree (pero no está probado) que las moléculas de dendrotoxina se unen a enlaces aniónicos cerca de la superficie extracelular del canal y cierran físicamente el poro, evitando así la conducción de iones. Sin embargo, Imready y McKinnon [4] han sugerido que la delta-dendrotoxina puede tener un sitio de unión desviado en las proteínas diana y puede inhibir el canal cambiando su estructura en lugar de bloquear físicamente los poros.
Muchos estudios se han dirigido a determinar los radicales de aminoácidos necesarios para la acción de unión de las dendrotoxinas en los canales de potasio específicos. Harvey y otros [5] utilizaron modificaciones específicas dirigidas a radicales para identificar radicales cargados positivamente que son críticos para la actividad de bloqueo de la L-dendrotoxina. Informaron que la acetilación de Lys5 cerca del extremo amino y Lys29 cerca de la región del giro β dio como resultado una disminución significativa en la similitud de unión de la l-dendrotoxina. Se obtuvieron resultados similares para la K-dendrotoxina usando mutagénesis para reemplazar residuos de lisina y arginina cargados positivamente con alaninas neutras . Estos resultados, junto con muchos otros, sugieren que los radicales de lisina cargados positivamente en la mitad amino, en particular Lys5 en la hélice 3 10 , juegan un papel muy importante en la unión de la dendrotoxina a los canales de potasio específicos. Los residuos de lisina en la región de recambio β proporcionaron resultados más mixtos, pareciendo ser biológicamente críticos en algunos homólogos de dendrotoxina y opcionales en otros. Además, la mutación del trío de lisina completo (K28-K29-K30) a Ala-Ala-Gly en α-dendrotoxina dio como resultado cambios muy pequeños en la actividad biológica.
Existe un acuerdo general de que el radical lisina conservado cerca del extremo amino (Lys5 en la dendrotoxina α) es fundamental para la actividad biológica de todas las dendrotoxinas, mientras que los radicales adicionales, como los de la región de recambio β, pueden desempeñar un papel en la especificidad de la dendrotoxina al mediar en las interacciones de las toxinas individuales en sus áreas objetivo individuales. Esto no solo ayuda a explicar la fuerte especificidad de algunas dendrotoxinas por diferentes subtipos de canales de K+ dependientes de voltaje , sino que también explica las diferencias en la potencia de las dendrotoxinas con respecto a los canales de K + normales . Por ejemplo, Wang y otros científicos [6] demostraron que la interacción de la dendrotoxina K con K V 1.1 es proporcionada por sus radicales lisina tanto en el extremo amino terminal como en la región del giro β, mientras que la dendrotoxina α aparentemente interactúa con su objetivo únicamente a expensas del amino-terminal. Esta área de interacción menos extensa puede ayudar a explicar por qué la α-dendrotoxina es menos discriminatoria mientras que la K-dendrotoxina es altamente selectiva para K V 1.1.
Los canales de potasio de las neuronas de los vertebrados tienen muchas variedades que les permiten afinar las propiedades de sus señales eléctricas al manifestar diferentes combinaciones de subconjuntos de canales de potasio. Además, dado que regulan el movimiento de iones a través de las membranas biológicas, son importantes en muchos aspectos de la regulación celular y la señalización entre tipos de células. Por lo tanto, los canales de potasio activados por voltaje son el objetivo de una amplia gama de potentes toxinas biológicas de animales como serpientes, escorpiones , anémonas de mar y caracoles cónicos . Por lo tanto, la purificación del veneno condujo al aislamiento de toxinas peptídicas, como la dendrotoxina, que se han convertido en herramientas farmacológicas útiles para estudiar los canales de potasio. Debido a su actividad y selectividad por varios subtipos de canales de potasio, las dendrotoxinas se han vuelto útiles como sondas moleculares para el análisis estructural y funcional de estas proteínas. Esto puede ayudar a comprender las funciones que desempeñan los tipos de canales individuales, así como ayudar a clasificar los distintos tipos de canales [7] . Además, la presencia de dendrotoxinas radiomarcadas proporciona una herramienta para explorar otras fuentes en busca de nuevas toxinas que actúen sobre los canales de potasio, como la clase calicludina presente en las anémonas de mar. Finalmente, la información estructural proporcionada por la dendrotoxina puede brindar pistas sobre la síntesis de compuestos farmacológicos que pueden actuar sobre ciertas clases de canales de potasio.