Botulinum neurotoxin type A (Hebrew)

From Proteopedia

Jump to: navigation, search

רעלן הבוטולינום

Contents

מקור הרעלן ודרכי הידבקות

רעלן הבוטולינום הוא חלבון המיוצר ע"י חיידק הנקנקת (Clostridium botulinum). רעלן זה הוא הקטלני ביותר לאדם הידוע כיום, וגורם למוות כבר בריכוז של 1 ננוגרם (מיליארדית הגרם) לק"ג משקל גוף. הרעלות נקנקת מתרחשות גם בימינו ומדי פעם ניתן למצוא כתבות בעיתונים על מקרי הרעלה.

החיידק הנקנקת הוא חיידק אל אווירני המצוי בקרקע. לחיידק זה יכולת יצירת נבגים העמידים גם בתנאי סביבה קשים. החיידק מתפתח במכלי מזון ללא אוויר כגון קופסאות שימורים ונקניקים שלא טופלו כראוי. הרעלות בד"כ נגרמות עקב אכילת מזון שלא טופל כנדרש ומכיל נבגים של החיידק. הנבגים מתפתחים במעיים לחיידקים ושם מפרישים את הרעלן. במקרים אחרים יכולה להיגרם הרעלה כאשר החיידק נכנס לפצע עמוק המספק סביבה אל אווירנית לחיידק ומתפתח שם.

הרעלות של חיידק הנקנקת הובילו, כנראה, ליצירתה של האגדה, לפיה ערבוב של שום ושמן זית יוצר רעל מסוכן. למעשה, בכל פעם שירק או פרי לא נשטפים או לא מבושלים היטב, ולאחר מכן מוכנסים לסביבה אל אווירנית (למשל, שמן, או קופסת שימורים) יש סיכוי שהחיידקים על המזון יתפתחו וייווצר הרעלן. תינוקות הם רגישים יותר לרעלן ובדיוק מסיבה זו קיימת ההמלצה לא לתת דבש לתינוקות עד גיל שנה מכיוון שדבש מכיל מעט נבגים של חיידק הנקנקת[1].

תסמינים קליניים ושימוש רפואי

הנקנקת (הבוטוליזם) היא מחלת שיתוק שרירים הנגרמת ע"י הרעלן של חיידק הנקנקת. הרעלן, בוטולינום, גורם למוות ע"י שיתוק השרירים ובהם שרירי מערכת הנשימה. תסמיני המחלה הם: תוך מספר שעות, קשיים בראיה ועפעפיים שמוטים, שיתוק בשרירי הפנים והגרון, קשיים בדיבור ובבליעה ובהמשך, חולשת שרירים כללית, אובדן קואורדינציה בשרירי השלד, קשיי נשימה ואפילו מוות[2]. הטיפול בחולים הוא ע"י מתן אנטיטוקסין לרעלן ותמיכה נשימתית. הטיפול באמצעות האנטיטוקסין יעיל מאוד אם הוא ניתן בשלב מוקדם של התפתחות המחלה, אצל רוב החולים ההתאוששות חלה לאחר מספר שבועות או חודשים של טיפול תומך.

בוטולינום הוא רעל, אולם במינונים נמוכים ובשימוש מדויק יש לו גם שימושים רפואיים. בכמויות זעירות ביותר יכול הרעלן להחליש את פעילותם של שרירים וכך לעזור לאנשים עם בעיות הנובעות מפעילות יתר של שרירים שונים בגוף, כגון בעיות בהטלת שתן (תסמונת השלפוחית הרגיזה), הזעת יתר, מיגרנות ופזילה.

כמו כן משמש הרעלן לטיפול קוסמטי בקמטי הבעה שנובעים מפעילות יתר של השרירים. התכשיר הנפוץ ביותר המכיל את הרעלן הוא בוטוקס. לאנשים הפונים לטיפול זה מוזרק הרעלן בהזרקה מקומית מתחת לעור, ומרפה למשך משפר חודשים את השרירים הגורמים לקמטים.

מבנה

רעלן הבוטולינום לפני החיתוך לתת היחידות שלו

רעלן הבוטולינום מתורגם, ברוב החיידקים הנושאים את הגן לחלבון, לשרשרת אחת ארוכה בת (כל סוג חומצת אמינו מסומן בצבע שונה) [3] במשקל של כ- 150 kDa. המבנה המצורף מדגים את מבנה החלבון לפני שלב החיתוך [4]. לאחר התירגום, החלבון נקטע על ידי פרוטאז (אנזים מפרק) לשתי תת יחידות. במודל המצורף, מסומן באדום האזור שיהיה לאחר חיתוך החלבון לשתי שרשראות. לעומתו, מסומן בכחול האזור שיהיה לאחר החיתוך.

כתוצאה מהחיתוך, מתקבל חלבון מעט קצר יותר, בן 1285 חומצות אמינו. השרשרת הכבדה בחלבון זה הינה שרשרת בת 848 חומצות אמינו שמשקלה הוא כ- 100 kDa. בשרשרת זו ניתן להבחין בשני אזורים:

  1. (מסומן באדום)- מוביל לקישור החלבון לקולטנים מתאימים על גבי ממברנת תא העצב.
  2. (מסומן בירוק)- גורם לממברנת התא לקלוט את החלבון ולהעביר אותו מהתווך החוץ תאי אל תוך הציטופלזמה.

אזור הקישור מורכב ממספר רב של (מסומנים באדום) והוא המאפשר לחלבון להיצמד לאתרים ייחודיים בממברנות תאי עצב כולינרגיים- תאי עצב המפרישים אצטיל-כולין. אזור ההתקה בנוי מ וכולל גם , המסתירה באופן חלקי את האזור הפעיל בשרשרת הקצרה (הלולאה מסומנת בירוק ואילו האתר הפעיל מסומן באדום). אזור ההתקה תורם, בין השאר, לתנועת החלבון ממערכת העיכול (או הנשימה) דרך התווך הבין תאי אל מערכת הדם ואל מערכת העצבים ההיקפית[5][6].

השרשרת הקלה בחלבון הרעלן הינה שרשרת של 448 חומצות אמינו (במשקל של כ- 50 kDa). ניתן לראות כי היא בעלת (באדום מסומן האתר הפעיל של החלבון). שרשרת זו היא הפרוטאז החותך את חלבוני תא העצב, כלומר האתר הפעיל בחלבון, והיא הגורמת לתסמיני ההרעלה [6]. במרכזה ניתן להבחין ב. קבוצה זו הינה קבוצה שמורה בין רעלנים דומים, ביניהם רעלן הטטנוס. בחלבונים מוטנטיים, הכוללים שינוי בחומצות אמינו אלו, ניתן להבחין בחוסר פעילות או פעילות מופחתת של האנזים. אל שתי חומצות ההיסטידין בקבוצה זו, נקשר יון אבץ (מסומן בתכלת), שנוכחתו חיונית לצורך פעולת החיתוך שמבצעת השרשרת הקלה.[7][8][9]

בחלבון הרעלן, שתי השרשראות (הכבדה והקלה) נשארות מקושרות זו לזו באמצעות קשרים דיסולפידיים. גם במבנה הנוכחי, לפני שלב החיתוך לשתי השרשראות, ניתן להבחין בסמיכות של חומצות האמינו מסוג ציסטאין המאפשרות זה (חומצות האמינו ציסטאין מסומנות בירוק ואילו אטומי הגופרית בצהוב). לעומת זאת, ניתן להבחין בחלבון גם בקיומן של , שאינן מקיימות קשרים דיסולפידיים- בצבעי ירוק כהה מסומנות חומצות האמינו שאינן מקיימות קשרים אלו.

בחיידק, הרעלן מופרש ביחד עם חלבונים לא רעילים אחרים שעוטפים אותו ותורמים להישרדותו בתנאי ה- pH הקשים של מערכת העיכול. כתוצאה מכך, הרעלן מסוכן גם כאשר הוא חודר לגוף דרך מערכת העיכול, למרות שהשפעתו הרעילה (נקנקת) באה לידי ביטוי רק לאחר שהוא נדד אל מערכת העצבים. נקנקת, אם כן, עשויה להופיע לאחר אכילה, שאיפה או חדירה לכלי הדם של הרעלן.[5]

אופן פעולה

כאשר הרעלן חודר לגוף דרך מערכת העיכול, או דרך מערכת הנשימה, הוא עובר בין תאי האפיתל של המערכת עד אשר הוא מגיע למחזור הדם. לאחר מכן, הרעלן חודר בין תאי צינורות הדם אל התווך הבין תאי ואל אזורים המכילים תאי עצב היקפיים. מרגע שהחלבון נדד והגיע למערכת העצבים ההיקפית, אזור הקישור בשרשרת הכבדה מאפשר לחלבון להיקשר לרצפטורים על גבי הקרום של תאי עצב כולינרגיים- תאי עצב המפרישים אצטיל-כולין. לאחר הקישור החלבון חודר אל תוך תא העצב באמצעות אנדוציטוזה המתאפשרת הודות לפעילות של איזור ההתקה בשרשרת הכבדה. [5][6]

בעת חדירת החלבון, מתנתקים הקשרים הדיסולפידיים בין השרשרת הכבדה לקלה, והשרשרת הקלה חודרת לבדה אל תוך תא העצב. בשלב זה, כאשר הרעלן מגיע לנוזל הציטופלזמה של תא העצב, הוא מתפקד כפרוטאז וחותך חלבוני SNARE. חלבוני SNARE הינם חלבונים קריטיים לתהליך האקסוציטוזה. כתוצאה מחיתוך זה, של חלבוני SNARE, התא הכולינרגי אינו מסוגל להפריש את החלבון אצטיל כולין והתוצאה היא נקנקת. [6]

ניתן לצפות בתהליך החדירה והפעולה של חלבון זה בסרטון האנימציה הבא.

דף עבודה

דף עבודה בנושא רעלן הבוטולינום

מקורות מידע

  1. האכלת התינוק בשנה הראשונה, משרד הבריאות [Internet]. [צוטט ב- 23 מאי 2016] מתוך: http://www.health.gov.il/Subjects/infants/feeding/Pages/feeding_babies_first_year.aspx
  2. CDC | Facts About Botulism [Internet]. [cited 2016 May 23]. Available from: http://emergency.cdc.gov/agent/botulism/factsheet.asp
  3. חלבון רעלן הבוטולינום באתר NCBI, מתוך: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/P10845
  4. מבנה החלבון רעלן הבוטולינום באתר PDB, מתוך: http://www.uniprot.org/uniprot/P10845
  5. 5.0 5.1 5.2 Simpson LL. Identification of the major steps in botulinum toxin action. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2004;44:167-93. PMID:14744243 doi:http://dx.doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.44.101802.121554
  6. 6.0 6.1 6.2 6.3 Lacy DB, Tepp W, Cohen AC, DasGupta BR, Stevens RC. Crystal structure of botulinum neurotoxin type A and implications for toxicity. Nat Struct Biol. 1998 Oct;5(10):898-902. PMID:9783750 doi:10.1038/2338
  7. Li L, Binz T, Niemann H, Singh BR. Probing the mechanistic role of glutamate residue in the zinc-binding motif of type A botulinum neurotoxin light chain. Biochemistry. 2000 Mar 7;39(9):2399-405. PMID:10694409
  8. Fu FN, Lomneth RB, Cai S, Singh BR. Role of zinc in the structure and toxic activity of botulinum neurotoxin. Biochemistry. 1998 Apr 14;37(15):5267-78. PMID:9548758 doi:http://dx.doi.org/10.1021/bi9723966
  9. Schiavo G, Rossetto O, Santucci A, DasGupta BR, Montecucco C. Botulinum neurotoxins are zinc proteins. J Biol Chem. 1992 Nov 25;267(33):23479-83. PMID:1429690

Proteopedia Page Contributors and Editors (what is this?)

Gur Arie Livni Alcasid, Ehud Zadok, Shany Doron

Personal tools