kappa-bungarotoxina

La κ-bungarotoxina (kappa-bungarotoxina) es una neurotoxina perteneciente a la familia de las bungarotoxinas . Esta neurotoxina se encuentra en el veneno de la krait multibanda ( Bungarus multicinctus ). ^{[ 1 ]} Esta especie de serpiente se encuentra en China, Myanmar, Laos, el norte de Vietnam y Tailandia. ^{[ 2 ]} La toxina ataca los receptores nicotínicos de acetilcolina neuronales, inhibiendo la neurotransmisión. Si bien la mordedura de esta especie es poco frecuente, su tasa de letalidad oscila entre el 7 % y el 50 %. La muerte puede ocurrir entre 6 y 30 horas después de la mordedura de una serpiente Bungarus multicinctus . ^{[ 3 ]}

La neurotoxina fue descrita en 1983, cuando los investigadores estudiaron el veneno de serpiente para determinar sus efectos en la transmisión neuromuscular. Desde entonces, ha contribuido al conocimiento sobre la transmisión sináptica, las sinapsis colinérgicas y los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR). ^{[ 4 ]} La κ-bungarotoxina sigue siendo ampliamente utilizada en la investigación debido a su especificidad para diversos nAChR.

La toxina recibió la letra kappa en su nombre en referencia a la palabra latina kiliaris , que significa "relacionado con el ojo", de donde proviene el nombre del ganglio ciliar. ^{[ 5 ]} Dos toxinas, denominadas "toxina F" y "bungarotoxina 2.1", fueron identificadas mediante secuenciación de proteínas de la misma manera que la κ-bungarotoxina. ^{[ 6 ]}

La κ-bungarotoxina tiene una única cadena polipeptídica compuesta por 66 aminoácidos. El peso molecular total de esta cadena es de 7313 DA. Dos cadenas polipeptídicas simples pueden unirse para formar un dímero. La subunidad del dímero consta de tres bucles de cadena principal. Estos bucles tienen una rotación de 178,6 grados. ^{[ 8 ]}

En general, la κ-bungarotoxina tiene diez hebras beta. Esto forma una configuración de lámina beta antiparalela de seis hebras ^[8] . Esta se forma por tres de las cinco hebras beta de cada subunidad del dímero. ^{[ 9 ]} Arg 34 está en la parte superior del bucle central para cada subunidad. ^{[ 9 ]} La hebra externa del bucle III está involucrada en una disposición antiparalela.

El dímero de κ-bungarotoxina puede formar enlaces disulfuro, enlaces de hidrógeno y conexiones de van der Waals.

• Enlaces de hidrógeno: se pueden formar seis enlaces de hidrógeno de cadena principal y tres enlaces de hidrógeno de cadena lateral ^{[ 9 ].}
• Interacciones de Van Der Waals: Phe 49 y Leu 57 pueden formar interacciones de Van Der Waals a través del dímero ^{[ 10 ]}
• Enlaces disulfuro: la cadena polipeptídica tiene 10 residuos de cisteína que pueden formar cinco enlaces disulfuro ^{[ 11 ].}

La toxina muestra alta afinidad por el receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR) en la membrana postsináptica, principalmente aquellos que contienen la subunidad α3 con una IC50 _menor a 100 nM. ^{[ 10 ]} Esto significa que bloquea la transmisión nicotínica a concentraciones muy bajas. El bucle II es el más importante para la unión a los nAChR. ^{[ 12 ]} Las dos superficies de unión son las regiones extracelulares N-terminales de la subunidad del receptor. Estas son los residuos 51-70 y 183-201. El más importante es Arg-34 en la posición 36 para la unión a los receptores α3. Sin embargo, la κ-bungarotoxina tiene baja afinidad por los receptores neuromusculares. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

La κ-bungarotoxina se encuentra de forma natural en las glándulas venenosas de Bungarus multicinctus ^[11] . El polipéptido consta de 66 aminoácidos y está entrecruzado por cinco enlaces disulfuro. Esto es similar a LS-III, un veneno purificado de Laticauda semifasciata ^[12] .

La κ-bungarotoxina puede formar heterodímeros, creando así la κ-2-bungarotoxina y la κ-3-bungarotoxina. Estas diferencias también se observan a nivel mundial. Si bien tanto la κ-2-bungarotoxina como la κ-3-bungarotoxina se derivan del veneno de Bungarus multicinctus , estas son más frecuentes en la provincia de Guangdong, China, mientras que la κ-bungarotoxina se encuentra en el B. multicinctus de Taiwán . ^{[ 13 ]} Estas formas podrían tener una ventaja evolutiva en cada región específica.

Otra forma de κ-bungarotoxina es la α-bungarotoxina. La κ-bungarotoxina presenta una homología estructural del 47% con la α-bungarotoxina, pero tiene un extremo COOH aún más corto que la LS-III. La α-bungarotoxina también contiene el aminoácido triptanofilo, que no está presente en la κ-bungarotoxina. La α-bungarotoxina se une a los receptores nicotínicos con una afinidad 200 veces mayor que la κ-bungarotoxina. ^{[ 14 ]}

Por último, la β-bungarotoxina también se asemeja a la familia de las bungarotoxinas. La β-bungarotoxina es un potente inhibidor del sistema de transporte de colina en la terminal presináptica. ^{[ 15 ]} Se diferencia en que la β-bungarotoxina no se une a un receptor, sino que lo hace enzimáticamente. La β-bungarotoxina se une a los canales de potasio dependientes de voltaje, tras lo cual se produce la destrucción de los fosfolípidos de la membrana en los nervios, mediada por la fosfolipasa A _2. ^{[ 16 ]}

Existen varias formas de sintetizar la κ-bungarotoxina:

1. La κ-bungarotoxina se puede extraer de las glándulas venenosas de Bungarus multicinctus . Tras la extracción, la κ-bungarotoxina debe aislarse y purificarse para su posterior uso. ^{[ 13 ]}
2. Otra forma de obtener κ-bungarotoxina es mediante la síntesis química del gen que codifica la toxina. El trasplante de este gen a Escherichia coli no produce un producto estable. Sin embargo, tras fusionar la toxina con ácidos grasos intestinales de rata, las proteínas de fusión solo diferían en los sitios de escisión. Posteriormente, la κ-bungarotoxina pudo aislarse y purificarse. ^{[ 17 ]}
3. Investigaciones posteriores descubrieron que una forma activa de levadura, Pichia pastoris , era capaz de producir kappa-bungarotoxina biológicamente activa. Este proceso no requiere manipulación adicional de genes o proteínas. Además, la cantidad producida es cinco veces mayor que la de la κ-bungarotoxina producida por E. coli . ^{[ 18 ]}

La κ-bungarotoxina actúa como una neurotoxina postsináptica. ^{[ 14 ]} La neurotoxina postsináptica es un antagonista competitivo prolongado, potencialmente irreversible, de los receptores nicotínicos de acetilcolina neuronales (nAChRs). ^{[ 14 ]} Aunque la α-bungarotoxina se une específicamente a los nAChRs musculares, la κ-bungarotoxina se dirige a las subunidades α3 y α4 —aunque α4 en menor medida— del nAChR en el sistema nervioso central y autónomo , específicamente en los ganglios ciliares aviares porque la subunidad α3 del nAChR es el principal tipo ganglionar. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Uno de los sitios diana de la Kappa-bungarotoxina es el mismo que el de la Alfa-bungarotoxina, mientras que el segundo sitio diana del receptor nicotínico es unido exclusivamente por la κ-bungarotoxina. ^{[ 5 ]} Esto se debe a que los nAChR neuronales contienen una variedad más amplia de subunidades que los nAChR musculares. ^{[ 21 ]}

Al unirse con alta afinidad al sitio de unión de la acetilcolina de los nAChR neuronales, la kappa-bungarotoxina bloquea estos receptores, impidiendo la unión de la acetilcolina. ^{[ 14 ]} Normalmente, la activación de los nAChR neuronales por la acetilcolina liberaría varios neurotransmisores y generaría un influjo iónico hacia el interior, creando potenciales de acción. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Sin embargo, cuando la kappa-bungarotoxina se une a los nAChR neuronales, inhibe la despolarización a 75 nM y, por lo tanto, la transmisión sináptica. ^{[ 5 ]} Este bloqueo provoca la interrupción de la comunicación neuronal en el sistema nervioso central y los ganglios, causando parálisis neuromuscular e insuficiencia respiratoria en caso de exposición prolongada a la κ-bungarotoxina. ^{[ 13 ]}

Tras la picadura de Bungarus multicinctus, el veneno entra en el torrente sanguíneo y circula hasta el sistema nervioso central y periférico. Dado que la κ-bungarotoxina tiene una alta afinidad por los nAChR, el veneno se dirige a los tejidos ricos en nAChR. ^{[ 14 ]} Junto con su unión prolongada y potencialmente irreversible, no habrá mucha κ-bungarotoxina disponible en el torrente sanguíneo, sino que permanecerá localizada en el sistema nervioso central y los ganglios. ^{[ 14 ]} Los nAChR no unidos solo estarán disponibles mediante la síntesis de novo de estos receptores.

Aunque la biotransformación de la κ-bungarotoxina no se ha investigado lo suficiente, este miembro de la familia de toxinas de tres dedos de cadena larga (3FTx) bloquea los canales iónicos en la membrana postsináptica. ^{[ 21 ] [ 23 ]} Por lo tanto, se sugiere que la toxina actúa extracelularmente y, por consiguiente, no puede ser biotransformada por las enzimas del citocromo P450. La κ-bungarotoxina es una proteína y, por lo tanto, puede ser degradada gradualmente por enzimas como las peptidasas y los lisosomas. El resultado serán péptidos y aminoácidos más pequeños, que pueden utilizarse para la síntesis de compuestos endógenos. Sin embargo, dado que la afinidad de la κ-bungarotoxina por el nAChR neuronal es muy alta, no se degrada mucha proteína antes de que se forme el complejo ligando-receptor. ^{[ 14 ]}

La κ-bungarotoxina puede unirse selectivamente a los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) neuronales, inhibiendo o bloqueando así la neurotransmisión. La toxina presenta diferentes efectos en diversos animales. Por ejemplo, en insectos, la κ-bungarotoxina bloquea la transmisión en la sinapsis colinérgica entre neuronas mecanosensoriales y una interneurona en el ganglio abdominal terminal. ^{[ 24 ]} También bloquea los nAChR en una motoneurona del ganglio metatorácico de una cucaracha. ^{[ 25 ]}

Los receptores nAChR musculares en nematodos muestran una mayor sensibilidad a la κ-bungarotoxina que a la versión alfa de la bungarotoxina. En comparación con otra toxina, solo se necesitó una concentración de 10 nM para bloquear el receptor muscular en lugar de 100 nM. Esto también significa que existe una diferencia en los efectos de la toxina en diferentes animales, ya que parece que los nematodos son más sensibles a la κ-bungarotoxina que los insectos. ^{[ 24 ]}

En los polluelos, la κ-bungarotoxina parece unirse con baja afinidad a los receptores nicotínicos del músculo esquelético ^[12] . Aunque no se han descrito los efectos en los polluelos, según el mecanismo, se espera que haya poca o ninguna parálisis muscular a bajas concentraciones de κ-bungarotoxina. Sin embargo, la toxina se une con alta afinidad a los receptores nicotínicos neuronales en los ganglios autonómicos, lo que puede bloquear la transmisión sináptica incluso a bajas concentraciones ^{[ 26 ]} . Esto causaría efectos como insuficiencia respiratoria.

Tras la mordedura, casi no se sentirá dolor en la zona afectada. Sin embargo, al cabo de un breve tiempo, el habla puede volverse ininteligible, la deglución más difícil y la persona puede sentir mareos. Poco después, la debilidad puede extenderse desde la cara hasta las extremidades, y los músculos pueden paralizarse ligeramente. En esta etapa también puede producirse insuficiencia respiratoria, como dificultad para respirar. Entre 6 y 30 horas después de la envenenación, las víctimas pueden ser incapaces de moverse o de respirar. La muerte puede ocurrir por paro cardíaco debido a la falta de oxígeno. Aproximadamente el 27,3 % de los pacientes en Taiwán experimentaron síntomas de dolor generalizado o insuficiencia respiratoria. ^{[ 27 ]}

En Taiwán se dispone de un antídoto específico, pero este podría no prevenir eficazmente la insuficiencia respiratoria y el dolor. ^{[ 27 ]} Los pacientes deben ser monitoreados de cerca durante las primeras horas posteriores a la intoxicación para detectar signos de parálisis y dificultad respiratoria.

• Bungarotoxinas en los Encabezamientos de Materia Médica (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.