Понератоксин — это парализующий нейротоксический пептид , вырабатываемый муравьем-пулей Paraponera clavata . Он предотвращает инактивацию потенциалзависимых натриевых каналов и, следовательно, блокирует синаптическую передачу в центральной нервной системе . [1] В частности, понератоксин действует на потенциалзависимые натриевые каналы в волокнах скелетных мышц , вызывая паралич, и на ноцицептивные волокна, вызывая боль. [2] Он оценен как 4+ по индексу боли от укусов Шмидта , наивысший возможный рейтинг в этой системе, и его эффекты могут вызывать волны боли в течение двенадцати часов после одного укуса. [3] Он также изучается на предмет его использования в биологических инсектицидах. [4]
В целом, понератоксин нарушает нормальную функцию потенциалзависимых натриевых каналов как у позвоночных , так и у беспозвоночных . Он вызывает повторяющуюся активацию и продление потенциалов действия , особенно в центральной нервной системе насекомых. [4] Увеличение сигнализации является причиной сильной боли от укусов муравьев-пулей . [5]
Понератоксин находится в неактивном состоянии, когда хранится в резервуаре муравьиного яда из-за кислотных условий резервуара, но он становится токсичным при активации посредством многоступенчатого процесса. Сочетание связывания понератоксина с клеточной мембраной (чтобы воздействовать на потенциалзависимый натриевый канал) и перемещения из кислотных условий в резервуаре муравьиного яда в основные условия в целевом месте приводит к тому, что понератоксин претерпевает конформационное изменение , которое активирует его. [1]
Catterall et al. выдвинули гипотезу, что некоторые полипептидные нейротоксины изменяют функцию потенциалзависимых каналов посредством механизма «захвата датчиком напряжения». Гипотеза утверждает, что нейротоксины, подобные понератоксину, такие как токсины альфа-скорпиона , действуют на натриевые каналы посредством связывания с рецепторным сайтом каналов 3, что обычно влияет на способность каналов к инактивации. Поэтому нейротоксины рецепторного сайта 3 часто влияют на натриевые каналы, замедляя или блокируя инактивацию. [2] [6] Обычно область канала, где находится рецепторный сайт нейротоксина 3, претерпевает конформационное изменение внешнего движения, что приводит к инактивации. Предполагается, что нейротоксины рецепторного сайта 3 предотвращают это конформационное изменение посредством взаимодействия с кислотными и гидрофобными аминокислотными остатками в этом сайте. [6]
Когда волокна скелетных мышц лягушки подверглись воздействию понератоксина, было обнаружено, что понератоксин в первую очередь повлиял на потенциалзависимые натриевые каналы, уменьшив пиковый натриевый ток, а также вызвав медленный натриевый ток. Эта комбинация привела к активации натриевых каналов при очень отрицательных потенциалах и очень медленной дезактивации, явление, обычно наблюдаемое в возбудимых тканях. [7] Понератоксин считается медленно действующим агонистом для гладких мышц . [8]
Пептид понератоксина хранится в неактивном пептиде из 25 остатков (аминокислотная последовательность FLPLLILGSLLMTPPVIQAIHDAQR) в резервуаре яда Paraponera clavata . Вторичная структура характеризуется мотивом спираль-поворот-спираль : две альфа-спирали, соединенные бета-поворотом .
Две альфа-спирали образованы остатками 3–9 на N-конце и остатками 17–24 на C-конце, и они соединены бета -поворотом на остатках 11–16. С трехмерной точки зрения эта структура образует преимущественную V-образную форму с двумя спиралями, подвергающимися свободным нековалентным взаимодействиям друг с другом. [1] Это примечательно из-за его структурного сходства с другими пептидами, которые взаимодействуют с мембраной, и указывает на то, что понератоксин также будет взаимодействовать с мембраной и тем самым влиять на встроенные потенциалзависимые натриевые каналы . [9] Кроме того, структура пептида смещается от случайной спирали к структурированной спираль-поворот-спираль при введении в липидную бислойную среду, что указывает на то, что этот мотив важен для взаимодействия с мембраной. [1]
Однако две альфа-спирали имеют заметно разные характеристики. N-концевая альфа-спираль является аполярной, содержащей центральное гидрофобное ядро с гидрофильными остатками на обоих концах, и не заряжена. По своей структуре она похожа на трансмембранный сигнальный пептид , что подразумевает, что она будет закрепляться на мембране, скрывая гидрофобное ядро внутри бислоя. [1] В частности, объемный и очень гидрофобный остаток фенилаланина важен для взаимодействия с незаряженными липидными бислоями, такими как те, которые состоят из фосфатидилхолина . C-концевая альфа-спираль является амфипатической, с одной стороны, демонстрирующей полярные и заряженные остатки, а с другой — неполярные остатки, что обеспечивает вставку в плазматическую мембрану. [10] В частности, было показано, что положительно заряженные остатки аргинина и неполярного аланина необходимы для активности понератоксина. [2] См. рисунок, где гидрофобные (красные) и гидрофильные (синие) области понератоксина и липидного бислоя выровнены, демонстрируя, что структура эволюционировала для встраивания в мембрану, что будет способствовать взаимодействию с потенциалзависимыми натриевыми каналами .
Многие считают, что укус муравья -пули напоминает ощущение от выстрела. Джастин Шмидт , энтомолог , разработавший индекс боли от укуса Шмидта , описал его как «чистую, интенсивную, яркую боль... как будто вы ходите по пылающему углю с трехдюймовым гвоздем, застрявшим в пятке», и считает укус муравья-пули самым болезненным укусом насекомых, который он когда-либо испытывал. [11] Боль от укуса муравья-пули может длиться много часов, даже до 24 часов. И сильная боль, и продолжительность укуса обусловлены действием понератоксина. [5] Помимо пресловутой боли, симптомы укусов муравьев-пулей (а также укусов других муравьев рода Paraponera , а также рода Dinoponera ) включают лихорадку, холодный пот, тошноту, рвоту, лимфаденопатию и сердечную аритмию . [ необходима ссылка ]
Анализы токсичности показали, что LT 50 понератоксина, введенного с помощью инъекций генетически модифицированных вирусов личинкам S. frugiperda , составило 131 час после инъекции. Доза 10 5 БОЕ понератоксина была достаточна для уничтожения личинок S. frugiperda , а доза 10 нг могла бы их парализовать. [1] Основываясь на этих экспериментах, ученые полагают, что понератоксин может стать хорошим кандидатом в качестве биоинсектицида из -за его нейротоксичности для других насекомых, что делает его способным обездвиживать или даже убивать зараженных им насекомых. Было предложено создание рекомбинантного вируса путем конструирования бакуловируса , который экспрессирует понератоксин. [1]