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Bakterientoxine

Membraninteragierende bakterielle Toxine

Die meisten transmembranen Proteine werden während ihrer Synthese in die Lipiddoppelschicht inseriert, aber es gibt auch einige wenige Proteine, die erst posttranslational in die Membran eingebracht werden. Zu diesen gehören einige Membranproteine von ER-, Chloroplasten-, Mitochondrien- und Bakterienmembranen, aber auch eine Reihe von bakteriellen Toxinen, besonders die porenbildenden Toxine.

Definition
Porenbildende Toxine kommen in zwei unterschiedlichen Baumustern vor: ein Typ benutzt ausgedehnte α-Helices zum Durchspannen einer Membran, der andere Typ benutzt β-Barrel-Strukturen zur Porenbildung.

Unabhängig vom Strukturtyp besteht für die Toxin produzierende Zelle die Notwendigkeit, sich selbst vor der Toxinwirkung zu schützen. Das Toxin muss aus der Zelle in einer unschädlichen Form ausgeschleust werden und darf erst bei der Interaktion mit einer fremden Zielzelle in die aktive Form übergehen. Dies ist ein mehrstufiger Prozess. Die Toxin-Proteine werden in einer wasserlöslichen Form synthetisiert und aus der Produzentenzelle exportiert. In dieser Form diffundieren sie durch das Medium bzw. den Blutkreislauf, bis sie auf die geeignete Membran einer Zielzelle oder einen spezifischen Rezeptor treffen und dort binden. Durch Umlagerung von Proteindomänen - und in einigen Fällen auch Oligomerisierung von Protein-Untereinheiten - geht die wasserlösliche in eine membrangängige Konformation über, die in der Membran verankert wird und dort einen Kanal bildet.

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Abb.1
Membran-gängige Colicin-N-Domäne aus E. coli

(PDB-Code: 1A87)

Während die meisten Proteine Chaperone oder andere Helferproteine benötigen, um in eine Membran zu inserieren oder sie durchqueren zu können, inserieren diese Toxine von selbst in die Membran der Zielzelle und perforieren sie regelrecht. Das Toxin bindet meistens sehr effizient an Rezeptoren auf der Zelloberfläche der Zielzelle. Dies können z.B. Ganglioside (Rezeptor für das Cholera-Toxin) oder Membran-durchspannende Kanalproteine (Rezeptor für das Pseudomonas-Exotoxin A) sein. Manche Toxine lösen aber auch enzymatische Reaktionen im Cytoplasma der Zielzelle aus oder bringen eine enzymatisch aktive Untereinheit des Toxins ins Zellinnere. Ganz allgemein kann man einteilen in:

  • Toxine, die an der Oberfläche der Zielzelle bleiben und mit dem Zell-Signaltransfer interferieren,
  • Toxine, die die Membranpermeabilität drastisch ändern und
  • Toxine, die in die Zelle eindringen und dort eine Zielstruktur modifizieren.
Tab.1
Wichtige Eigenschaften einiger exemplarischer Toxine
ToxinOrganismusWirkungsweisemolekulare Masse (kDa)Hauptstrukturelementzellulärer Rezeptor
Aerolysin Aeromonas hydrophila Porenbildung52 β-Faltblatt GPI1)-verankertes Protein
α-Toxin Staphylococcus aureus Porenbildung33β-Faltblattnicht bekannt
Colicin A, E1, Ia, N Escherichia coli Porenbildung21 α-Helix OmpF, BtuB, FepA, Cir
Streptolysin O Pseudomonas aeruginosa Porenbildung29β-FaltblattCHIP28 (Aquaporin, Wasserkanal)
Anthrax-Toxin (Ödem-Faktor) Bacillus anthracis Porenbildung68Adenylat-Cyclase-Domäne (αβ-Multidomäne); EF-hand-loop Struktur, Calmodulin-bindende Domäne; Anthrax-Toxin-Rezeptor (kodiert durch TEM-8-Gen) und das Kapillar-Morphogenese-Protein 2 (CMG2), beide haben eine strukturelle Analogie zum von-Willebrand-Faktor A.
Diphtherie-Toxin Corynebacterium diphtheria Calmodulin- aktivierte Adenylat-Cyclase89 bzw. 93β-Faltblattunbekanntes Glycoprotein
Exotoxin A Pseudomonas aeruginosa ADP2)-Ribosylierung des EF3)-2 (Inhibition der Proteinsynthese)58α-HelixErythrocyten-Wachstumsfaktor; EGF4)-ähnlicher Wachstumsfaktor-Vorläufer
Exoenzym S Pseudomonas aeruginosa ADP-Ribosylierung des EF-2 (Inhibition der Proteinsynthese)45α-Helixα2-Makroglobulin-Rezeptor/LDL5)-Rezeptor-verwandtes Protein
1)GPI: Glycosyl-phosphatidyl-inositol
2)ADP: Adenosin-diphosphat
3)EF: Elongationsfaktor
4)EGF: epidermal growth factor
5)LDL: low density lipoprotein
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