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为什么「蓖麻毒素」会具有高毒性?

作为一种植物蛋白,「蓖麻毒素」为何具有高毒性,其毒性作用机理是怎样的?

知乎用户,病休中的小白兔,随缘答题,随缘回复。

感觉蓖麻毒素又热了,作为业余毒理学爱好者,下面是之前整理的一些资料。

其他的回答里,蓖麻毒素的来源,蛋白结构等都说的很清楚了,这些各种百科上也能找到,就不多提。讲一下化学上的“毒性作用机理”就是蓖麻毒素的 A 链是怎样水解核糖糖苷的。

一般的毒理分析上会写[1]

蓖麻毒素是一种细胞毒。当毒素进入体内,A、B 链分开。A 链通过渗透经细胞膜进入细胞浆,主要使真核细胞的核糖体抑制失活,从而抑制蛋白质的合成。B 链与细胞表面结合,通过内陷作用转入细胞内,它能促使 A 链进入胞浆。
蓖麻毒素具有强烈的细胞毒性,属于蛋白合成抑制剂或核糖体失活剂,这也是在构建免疫毒素时,应用到蓖麻毒素的主要原因。
合成的机理在 20 世纪 70 年代已经明确。首先,毒素依靠 B 链上的半乳糖结合位点与细胞表面含末端半乳糖残基的受体结合,促进整个毒素分子以内陷方式进入细胞,形成细胞内囊,毒素从细胞内囊中进入细胞质,随后蛋白链间二硫键被还原裂解,游离出 A 链。A 链是一种蛋白酶,作用于真核细胞核糖体 60S 大亚单位的 28S rRNA,水解 A4324 位点的腺嘌呤 N- 糖甙的甙键,使其脱去腺嘌呤,丧失抗 RNA 酶的抗性而被降解,不能与延长因子(EF-2)结合,从而干扰了核糖体,EF-2,鸟嘌呤三磷酸腺苷(GTP)复合体的形成,导致蛋白质合成的抑制,最终细胞死亡。

之后的生化过程都和“蛋白合成抑制剂或核糖体失活剂”这一点相关,下面是细胞生物学中的图释,蓖麻毒素干扰的就是其中的 28S rRNA,就不赘述了[2]

这个毒素的结构非常巧妙,除了 A 链 B 链相互配合外,高效水解腺嘌呤 N- 糖甙也是它神奇的地方。下图就是 A 链的结构。Ribose:核糖;adenine:腺嘌呤。它的结构中的“裂缝”或者说“口袋”通过氢键等相互作用可以很好的和真核细胞核糖体 60S 大亚单位的 28S rRNA 结合。

毒性相关反应的核心是 A 链“裂缝”处的 Glu177 和 Arg180 通过质稳定水解反应中的过渡态的方式催化了水解过程。Glu:谷氨酸,有两个羧基,一个用来形成肽键,还有一个外露的羧基;Arg:精氨酸,有一个碱性很强的胍基,就是图上那个长得相尿素的有三个 N 的结构(一个黑球连三个白球),它对应的胍盐 pKa 大约 12.5 左右,而腺嘌呤 pKa 大约是 9,也就是说胍基的碱性强于腺嘌呤。

在一般的生理环境中,一个有带负电一个带正电,很自然地就形成下图中左上角

这样的离子对,并通过氢键作用稳定“控制”着几个水分子在附近。

上面这个过程只是一个可能的机理,Arg 和 Glu 的离子对就像两只手一样和腺嘌呤 N- 糖甙甙键两端的碱基 / 核糖部分相互作用。左边是待宰的糖苷,右边是 A 链上的两个蛋白侧链基团。

水解是异裂过程,所以一个偏向于带正电荷(核糖)一个偏向于带负电荷(腺嘌呤),Arg 和 Glu 的离子对正好一正一负,和基团的距离也是非常合适,所以很好的“切开了”这个糖苷键。

其中 A 链上的 Glu177 中的羧酸根可以和由于嘌呤碱的离去生成的氧鎓离子形成离子对,因而稳定了由离去基团腺嘌呤离开所形成的带正电荷的中间体。

同时,离去基团腺嘌呤与 Arg180 中的邻近胍基自发地形成离子对,这进一步稳定了上述离去基团离开时所形成的过渡态。

最后,离子对控制的水分子亲核加成完成最后一击。腺嘌呤 N- 糖甙甙键就这样被水解,核糖体被干扰,抑制蛋白的合成,导致细胞死亡。之后,Glu 把质子转移给 Arg 的胍基,等待水解下一个腺嘌呤 N- 糖甙。

整个过程需要 B 链协助 A 链进入细胞,A 链对核糖糖苷位置的精准识别,A 链上的 Glu 和 Arg 恰到好处的电荷分布和距离控制,总之,这是自然界的鬼斧神工。