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Conotoxine

Conotoxin ist eine Gruppe Neurotoxine die von den tropischen Schnecken der Kegel-Gattung. Diese Neurotoxine sind Peptide, die spannungsabhängige Ionenkanäle blockieren. Conotoxin ist nicht nur ein tödliches Nervengift, sondern auch ein starkes Schmerzmittel, stärker sogar als das Opiat Morphium.

Kommt in der Natur vor

Kegelschnecken

Conotoxine sind Neurotoxine. Diese giftigen Stoffe können die Signalübertragung von Nervenzelle auf Nervenzellen Conotoxine kommen in Schnecken der Gattung . vor Kegel. Diese sind hauptsächlich in warmen und flachen Meeren in der Nähe von Korallenriffen zu finden. Diese Schalentiere verwenden ihr Gift, um ihre Beute zu fangen. Es gibt sowohl fischfressende Schnecken als auch Schnecken, die sich von anderen Schalentieren oder Würmern ernähren. Alle Conus-Schnecken besitzen Toxine, aber die Varianten dieser Gifte sind zwischen den verschiedenen Arten sehr unterschiedlich. Welche Giftart die Schnecke enthält, hängt unter anderem von der Art der Beute ab.

Giftproduktion

Conotoxin wird in einer röhrenförmigen Giftröhre hergestellt. Es kann dann von Muskeln um dieses Rohr herum in den Rüssel geschoben werden, eine Art Rumpf, den die Schnecke um sich selbst bewegen kann. Am Ende dieses Rüssels befindet sich die sogenannte Radula. Dies ist ein zahnähnliches Organ, das von der Schnecke für ihre Beute mit dem Gift und lässt den Zahn in der Beute zurück.

Jagd

Die Fischfresser fangen ihre Beute auf sehr effektive Weise. Sie strecken ihren Rüssel (ein zungenartiges Organ) aus. Hier befindet sich die Radula. Dieser wird von der Schnecke auf die Beute geschossen, bohrt sich dort in die Beute und injiziert das Gift. Es ist nun gelähmt und kann direkt von der Schnecke geschluckt werden. In einigen Fällen kann die Beute sogar so groß sein wie die Schnecke selbst. Diese Fangmethode wird unter anderem von Conus striatus und Conus magus verwendet, einige fischfressende Conus-Arten verwenden eine andere Taktik. Sie wickeln zuerst eine Art Netz um den Fisch, danach kann er nirgendwo mehr hin. Erst danach wird der Fisch durch die Radula, die sich im Maul dieser Schnecken befindet, gelähmt.Es gibt auch Conus-Arten, die sich von Schalentieren oder Würmern ernähren. Sie tun dies, indem sie ihre Radula auf den weichen Teil der Weichtiere oder des Wurms schießen. Dieser lähmt ihn, woraufhin die Schale leergesaugt oder der Wurm ganz verschluckt wird.

Geschichte

Entdeckung

Conotoxin ist ein Toxin, das ursprünglich in allen Arten der Gattung vorkommt Kegel, eine Gastropode, die in vielen (tropischen) Meeren vorkommt. Rumphius sah 1700, dass Menschen nach dem Stich einer Conus-Schnecke gelähmt waren und dann starben.Da der Stich einer Conus-Schnecke für den Menschen tödlich ist, begann Alan Kohn, diese Schnecken zu erforschen. Er entdeckte, dass die Conus-Schnecken Fische erbeuteten. Robert Endean setzte seine Forschungen fort und entdeckte, dass jede Conus-Art eine andere Zusammensetzung von Toxinen verwendet. Nach mehreren Versuchen konnten Cruz und Gray das erste Conus-Peptid, das 13 Aminosäuren lange α-Conotoxin GI, sequenzieren. Dieses Gift wurde aus dem Conus geographus gewonnen. Die µ-Conotoxine wurden dann sequenziert. Diese Toxine wirken lähmend auf Säugetiere (Stone; Nakamura; Sato und Cruz) und sind daher für den Menschen tödlich. Anschließend wurde festgestellt, dass 70 % der Stiche von C. geographus aufgrund einer antagonistischen Wirkung auf die Nikotinrezeptoren und einer Natriumkanalblockade tödlich verlaufen.

Forschung

Die Forschung trat in eine zweite Phase ein, als 1981 von einer Reihe von Studenten entdeckt wurde, dass die Wirkung von Conotoxinen auf das Zentralnervensystem durch direkte Injektion in das Zentralnervensystem gemessen werden kann. (Clark et al., 1981; Olivera et al.). Bei Conotoxinen wurden mehrere Verhaltensänderungen beobachtet, darunter Schlafverhalten, Zittern (Shaker-Peptide), Krämpfe usw. Die „Shaker-Peptide“ stellten sich als eine neue Art von Conotoxin heraus, die Kalziumkanäle Blöcke: -Conotoxin.

Melken von Schnecken

Ein großes Problem in der Conotoxinforschung war die Giftgewinnung. Dies wurde schließlich gelöst, als der Student Chris Hopkins 1995 entdeckte, dass Sie ein eppendorf mit Membran und einem Stück Fischflosse als Köder. Die Schnecke durchsticht mit ihrer Harpune die Membran und lässt ihr Gift in die Röhre fließen. Dies war ein großer Fortschritt in der Erforschung verschiedener Conotoxine, da man keine Schnecke töten musste, um Gift zu bekommen.

Aktuelle Entwicklungen

Bis heute hat die Molekularbiologie neben dem Schneckenmelken die Entdeckung und Sequenzierung verschiedenster Conotoxine ermöglicht. Darüber hinaus wird zunehmend nach pharmakotherapeutischen Möglichkeiten mit Conotoxinen gesucht. Mit Conotoxin könnte ua Epilepsie behandelt werden (White et al., 2000). Auch ω-Conotoxin unter dem Namen Ziconotide ist als starkes Z . bekannt Narkose.

Synthese

Bauen

Das Conotoxin der Conus-Schnecken ist eine Mischung aus mehreren Conopeptiden. Conot-Peptide sind eine Gruppe von Proteinen, die in den Drüsengang einer Conus-Schnecke freigesetzt werden. Heute sind über 100 verschiedene Varianten des Toxins bekannt, die durch Biotransformation in über 50.000 verschiedene Wirkstoffe umgewandelt werden können. (Halai & Craig, 2009)

Die Conotoxine sind der Hauptbestandteil des Schneckengifts. Diese schwefelbrückenreichen Verbindungen sind ungefähr 10-71 Aminosäuren lang und 80 % liegen in einem Bereich zwischen 12 und 30 Aminosäuren. (Halai und Craig, 2009). Aufgrund der hohen Dichte an Disulfidbrücken sind Conopeptide sehr stabil. Sie sind jedoch für disulfidhaltige Peptide extrem klein (in vergleichbaren Toxinen enthalten die Peptide 40-80 Aminosäuren). Nichtsdestotrotz besteht selbst bei homologen Conopetiden eng verwandter Conus-Arten ein hohes Maß an Divergenz in den Aminosäuresequenzen. Dies ist teilweise auf den hohen Grad an posttranslationalen Modifikationen der Aminosäuren zurückzuführen.

Da es so viele verschiedene Conotoxine gibt, werden diese Peptide nach folgenden Merkmalen in Superfamilien eingeteilt:

  • Die Struktur der Signalsequenz im Vorläufer-Conopeptid.
  • Die Cysteinstruktur des Toxins.
  • Die Conus-Spezies, in der das Peptid gefunden wird.

Bei der Klassifizierung von Conotoxinen sind die folgenden Familien am wichtigsten:

  • α-Conotoxin
  • δ-Conotoxin
  • κ-Conotoxin
  • μ-Conotoxin
  • ω-Conotoxin

Innerhalb dieser Familien ist die für die Disulfidbrücken und die Faltung des Conotoxins verantwortliche Cysteinstruktur stark konserviert. Infolgedessen existieren innerhalb dieser Familien relativ ähnliche tertiäre Strukturen.

Natürliche Synthese

Conopeptide werden als Perpropeptide durch Transkription und Translation in der Giftdrüse synthetisiert. Dieses Präpropeptid besitzt eine hochkonservierte N-Terminus-Signalsequenz (Percursor-Region) mit der variablen toxischen Sequenz am C-Terminus. (Olivera et al., 1999). Diese sorgen dafür, dass das Peptid an die richtigen Stellen in der Zelle transportiert wird. Die Propetidregion enthält Bindungsstellen für modifizierende Enzyme, die nach der Translation Veränderungen am Peptid vornehmen. Nach Abspaltung dieser beiden Gruppen wird die Region mit dem aktiven Toxin freigesetzt.

Bei der Herstellung des Toxins werden folgende Schritte unterschieden:

  • Transkription und Translation des Präpropeptids.
  • Abspaltung des Propeptids vom Toxin.
  • Faltung des Conotoxins (Bulaj & Olivera, 2007) durch oxidative Anlagerung von Cysteinresten und Anlagerung spezifischer Gruppen an das Protein unter Verwendung von Chaperonmolekülen und dem N-terminalen Propeptid, die die Faltung unterstützen.

Chemische Synthese

Chemische Synthese von Conotoxinen begann um 1985. Insbesondere bei Omega-Conotoxinen ist die chemische Synthese mittels Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) weit verbreitet (Jubilut et al., 2001). Dies gelingt, jedoch gibt es große Probleme mit der Faltung und der Verbindung der richtigen Cysteine ​​untereinander. Dies liegt zum Teil daran, dass der Faltungsmechanismus von Conotoxinen noch nicht vollständig bekannt ist und viele verschiedene Chaperonmoleküle verwendet. Im Labor werden S-Trityl- und S-Acedamidomethyl (S-Acm)-Gruppen verwendet, um spezifische Cysteine ​​vor vorzeitiger Bindung zu schützen. Darüber hinaus werden eine Reihe anderer Schutzgruppen verwendet. Dies erhöht die Effizienz der Conotoxinproduktion. SPPS hat den Vorteil, dass verschiedenste Veränderungen im Molekül vorgenommen werden können, die einerseits die pharmakotherapeutische Wirkung verstärken und andererseits bei der Untersuchung der Funktion von Conotoxinen im Körper von Mensch und Tier von Bedeutung sein können.

Biotechnologie

Die rekombinante Conotoxinproduktion erfolgt hauptsächlich mit ω-Conotoxin. Dieses Toxin wird als Analgetikum verwendet und muss daher in größeren Mengen produziert werden, als es durch Schneckenmelken oder chemische Synthese effizient ist. Ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, dass bei den verwendeten Mikroorganismen die Maschinerie zur Anwendung posttranslationaler Applikationen auf das Conotoxin oft teilweise oder vollständig fehlt. (Bangham et al., 2010) Derzeit wird E. coli Origami zur Herstellung von Conotoxin verwendet, da es oxidative Disulfidbrücken bilden kann, die für die Faltung von Conotoxinen wichtig sind. (Beckers & Terlau, 2008). Es ist jedoch mehr Forschung erforderlich, um eine effiziente rekombinante Produktion zu ermöglichen.

Physiologische Wirkung

Die 6 verschiedenen Conotoxin-Superfamilien haben unterschiedliche physiologische Funktionen

A–Überfamilie

Dieses besteht aus α-, αA-, κA- und ρ-Conotoxinen. Die ersten beiden davon sind Antagonisten des nikotinergen Acetylcholinrezeptors (nAChR), A-Conotoxine wirken über die Kaliumkanäle, während -Conotoxine 1B-Adrenozeptor-Antagonisten sind. Eine Störung des nAChR kann zu einer beeinträchtigten Schmerzwahrnehmung, Nikotinsucht und Lernschwierigkeiten führen. Dieser Rezeptor ist auch an der Parkinson- und Alzheimer-Krankheit beteiligt

M–Überfamilie

Diese besteht aus der µ-Conotoxin- und ψ-Conotoxin-Gruppe. Letztere hemmen nicht-kompetitiv nAChR, während µ-Conotoxine spannungsabhängige Natriumkanäle unter anderem in Nerven- und Muskelzellen blockieren.

O-Überfamilie

Dies ist die größte Superfamilie und besteht aus 5 Familien: µO-, δ-, κ-, ω- und γ-Conotoxine. Die ersten beiden blockieren wie µ-Conotoxine die spannungsabhängigen Natriumkanäle, jedoch an einer anderen Stelle. Die anderen Familien blockieren jeweils Kaliumkanäle, Kalziumkanäle und Herzschrittmacherkanäle

P-Superfamilie

Conotoxine aus dieser Familie kommen in Schnecken vor, die sich von anderen Weichtieren ernähren. Sie können spastische Lähmungen verursachen. Der Mechanismus dahinter ist jedoch noch nicht bekannt.

S Superfamilie

Sie besteht aus nur 1 Familie, die in der Schnecke C. geographus vorkommt. Dies sind die -Conotoxine, die als 5-Hydroxytryptamin-Rezeptor-Antagonisten wirken. Dieser Rezeptor erzeugt normalerweise eine erregende Wirkung auf Neuronen, wenn der Neurotransmitter Serotonin gebunden ist. Durch die Hemmung dieses Rezeptors wird somit die Reizübertragung gehemmt.

T-Superfamilie

Die letzte Familie besteht aus -Conotoxinen und χ-Conotoxinen. Die erste blockiert Kalziumkanäle auf der präsynaptischen Membran. Χ-Conotoxine hemmen NETs.

Vergiftungen

Symptome

Die Symptome einer Conotoxin-Vergiftung sind vor allem im Labor aus der Forschung an Mäusen bekannt. Diese zeigen innerhalb von 10 Minuten nach der Verabreichung hyperaktives Verhalten und Krämpfe in den Vorder- und Hinterbeinen. Spätestens nach 2 Stunden folgen Muskellähmung, Atemnot und Tod. Beim Menschen sind derzeit etwa 30 Todesfälle durch Conotoxin-Vergiftungen durch Kontakt mit Toxinen des Conus geographus bekannt. Dies ist die giftigste bisher bekannte Conus-Art. Zu den Symptomen gehören:

  • starke Schmerzen,
  • Schwellung,
  • Taubheit und Kribbeln.
  • Muskellähmung,
  • Veränderung der visuellen Wahrnehmung
  • Probleme mit der Atmung.

Derzeit gibt es keine diagnostischen oder therapeutischen Verfahren für eine Conotoxin-Vergiftung.

Toxizität

Über die Toxizität von Conotoxin sind sich die Forscher nicht einig. Auf der EHS-Website wird eine LD50 von 12-13 g/kg angegeben. Es gibt jedoch Studien, die für bestimmte Untergruppen auch auf eine niedrigere LD50 hinweisen. Es sind auch Fälle bekannt, in denen der Stich einer Conus-Schnecke innerhalb von Stunden tödlich endete. Diese können jedoch als Ausnahmen betrachtet werden. Heute sind insgesamt nur 30 Todesfälle durch Conotoxin bekannt. Die Sterblichkeit durch Wespen- und Bienenstiche ist viel höher.

Anwendungen

Medizinische Verwendung

In der pharmazeutischen Industrie werden hauptsächlich die Familien α-Conotoxin und ω-Conotoxin verwendet.

  • Forschung zur Anwendung bei Alzheimer und Parkinson (Halai und Craik, 2008)

ω-Conotoxin

  • Blockiert präsynaptische spannungsabhängige Calciumkanäle.
  • Verlangsamt die Wege, die Schmerzen verursachen. (Halai und Craik, 2008)
  • Es hat eine anästhetische und lähmende Wirkung und ist ein stärkeres Schmerzmittel als Morphin (J.-P. Bingham et al., 2010)
  • Hat viele Nebenwirkungen wie erhöhtes Suizidrisiko, Übelkeit, Verwirrtheit, Gedächtnisverlust und Kopfschmerzen.

Negative Auswirkungen

Ein wesentlicher Nachteil von Conotoxinen als Arzneimittel besteht darin, dass es sich um Peptide handelt. Dadurch werden sie bei oraler Verabreichung direkt im Darm abgebaut und unschädlich gemacht. Sie haben auch Schwierigkeiten, sich über die Blut-Hirn-Schranke (Binghamet al., 2010). Daher ist der beste Verabreichungsweg direkt in das zentrale Nervensystem über die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit (Liquor cerebrospinalis) und ansonsten in relativ hohen Dosen über das Blut. Dies kann fast ausschließlich im Krankenhaus erfolgen. Die intravenöse Verabreichung hat den Nachteil, dass das Conotoxin die peripheren Nerven früher erreicht als das zentrale Nervensystem. Dies kann zu Lähmungen oder Krämpfen führen, die für den Patienten sehr gefährlich sind.

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