В нашей статье «Самая ядовитая лягушка» мы рассказали о присутствии в коже некоторых видов лягушек рода Phyllobates(Рис.1) из семейства древолазов (Dendrobatidae) батрахотоксина, который является одним из сильнейших в мире натуральных токсинов нервнопаралитического действия (Рис.2). Кроме колумбийских лягушек, батрахотоксин и его производные были обнаружены в перьях и коже пяти видов птиц рода Pitohui и одного вида рода Ifrita, живущей в лесах Новой Гвинеи. Считается, что птицы накапливают этот алкалоид, питаясь жуками рода Choresine. А вот откуда он берётся в самих жуках, науке пока неизвестно.

Природные запасы батрахотоксина крайне ограничены. Колумбийские лягушки рода Phyllobates, которые его накапливают, внесены в список исчезающих видов, и их коллекционирование для сбора алкалоидов фактически запрещено. Поэтому разработка эффективного метода лабораторного синтеза этого вещества была необходима для широкого круга биохимических и электрофизиологических исследований.

Группа учёных из Стенфордского университета (США)¹ в 2016 году впервые разработала успешный протокол асимметричного синтеза батрахотоксина. В ходе элегантного химического пути, включающего 24 этапа, с использованием радикальной каскадной циклизации был собран сложный стероидный каркас молекулы. Хотя конечный выход вещества был низким и составлял всего 0.25%, благодаря этому синтезу ученые смогли получить как природную форму яда, (−)-батрахотоксин, так и его, не существующий в природе, энантиомер, (+)-батрахотоксин, молекула которого представляет собой зеркальное отражение молекулы природного токсина. Позднее были предложены альтернативные пути биосинтеза данного вещества, которые, тем не менее, тоже включали 22² и 28³ последовательных органических превращений и обеспечивали конечный выход продукта не более 0.71%.

Синтез батрахотоксина играет ключевую роль в изучении потенциал-зависимых натриевых каналов (NaV), предоставляя исследователям инструменты, которые практически невозможно получить из природных источников.

Биологические испытания показали интересный результат: если натуральный токсин является мощным агонистом натриевых каналов, заставляя каналы открываться легче (при более низком напряжении) и блокируя их инактивацию, то его искусственный изомер ведет себя прямо противоположным образом — как обратимый антагонист (блокатор), подавляющий работу канала.

Тот факт, что две зеркальные молекулы вызывают противоположные эффекты, помогает понять, как тонкие изменения в расположении молекулы внутри канала радикально меняют его функциональный отклик, а также определить места связывания токсинов в канале.

Эксперименты показали, что оба энантиомера связываются в одном и том же месте — во внутренней полости поры натриевого канала (так называемый «Site 2»). Использование мутантных каналов, в котрых некоторых аминокислоты были заменены, подтвердило, что эти остатки критически важны для взаимодействия с токсином.

Дальнейшие исследования той же группы, результаты которых были опубликованы в журнале Nature Communications⁴ в 2024 году, помогли раскрыть молекулярный механизм воздействия батрахотоксина на сердечные натриевые каналы NaV1.5. С помощью функционального аналога батрахотоксина, batrachotoxinin-A 20-α-benzoate (BTX-B), и криоэлектронной микроскопии исследователи обнаружили два уникальных участка связывания токсина, расположенных на стыках доменов I/IV и III/IV центральной полости канала (Рис. 3). Установлено, обе молекулы алкалоида стабилизирует определенную спиральную конфигурацию, которая удерживает пору в открытом состоянии и блокирует её инактивацию. При этом одна из молекул взаимодействует с критически важным остатком лизина, играющего ключевую роль в проводимости и избирательности ионов.

Проведенные исследования позволяют лучше понять механизмы функционирования клеточных мембран и ионных потоков и открывают путь к созданию новых модуляторов ионных каналов. Работа подтверждает, что даже незначительные изменения в пространственной форме молекулы могут коренным образом менять её фармакологическое воздействие на организм. Это создаёт структурную основу для разработки новых лекарственных препаратов против эпилепсии, сердечной аритмии и боли.