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Hydrophobe membraninteragierende bakterielle Biotoxine

Botulinus-Toxin

Beim Botulinus-Toxin (häufig auch Botulinum-Toxin genannt) handelt es sich um ein Neurotoxin und gleichzeitig um das stärkste bekannte biologische Toxin. Der LD50 des kristallinen Typ A-Toxins in der Maus beträgt weniger als 0,2 pMol. Es wird produziert von dem Gram-positiven anaeroben stäbchenförmigen Bakterium Clostridium botulinum, das nahezu ubiquitär ist.

Hinweis
Clostridien produzieren zwei Toxine, von denen nur das Neurotoxin beim Menschen Vergiftungen hervorruft. Das andere Toxin agiert unspezifischer und induziert den Einstrom von Flüssigkeit durch Membranen.

Die einzelnen Neurotoxine werden von dem Bakterium als einzelkettige Polypeptide synthetisiert und besitzen eine molekulare Masse von ca. 150 kDa. Die Moleküle weisen mindestens eine Disulfid-Brücke auf und sind relativ wenig toxisch. Durch Verdauungsenzyme wie Trypsin oder trypsinähnliche Enzyme erfolgt ein Abbau zu einem zweikettigen Molekül, in dem die schwere Kette (AS 448 bis 1295; ca. 100 kDa) und die leichte Kette (AS 1-447; ca. 50 kDa) durch eine Disulfid-Brücke verbunden bleiben. Dieser Vorgang wird als nicking bezeichnet und steigert die Toxizität des Moleküls. Der proteolytische Abbau kann an drei Stellen erfolgen: am Amino-Terminus, innerhalb des Moleküls und am Carboxy-Terminus.

Serotypen

Botulinus-Neurotoxin wurde in verschiedenen immunologisch distinkten Formen isoliert - es gibt A, B, C, D, E, F, G-Formen, die verschiedene strukturelle und funktionelle Eigenschaften gemeinsam haben. Toxisch für den Menschen sind die Formen A, B, E und F, während die Formen C, D, und G toxisch für Tiere sind. Botulinus-Toxin bindet über die N- und C-Termini der schweren Kette an Gangliosid-Rezeptoren von peripheren Nervenendungen. Nach Internalisierung in die Zelle blockiert Botulinus-Neurotoxin die Freisetzung von Acetylcholin an der Nerven-Muskel-Endplatte durch enzymatische Spaltung einer Reihe von Proteinen, die für die Freisetzung der Neurotransmitter wichtig sind. Für diese Aktivität scheint vor allem die leichte Kette verantwortlich zu sein, die eine Zink-abhängige Endopeptidase-Aktivität besitzt. Die einzelnen Formen haben unterschiedliche Angriffsziele in der Zelle: Typ B, D und F richten sich gegen Synaptobrevin (VAMP), Typ A und E gegen SNAP 25 (synaptosomal associated protein) und Typ C gegen Syntaxin.

Wirkungsmechanismus

Der Wirkungsmechanismus scheint dreistufig zu sein:

  1. Das Toxin bindet über das C- und N-terminale Ende der schweren Kette an einen bisher unbekannten Rezeptor in der Membran. Die Struktur des Moleküls scheint besonders wichtig zu sein; es besitzt 10 α-Helices und zwei möglicherweise transmembranäre α-Helix-umspannende Domänen (AS 626-646 und AS 655-675 in Botulinus-Neurotoxin A). Ähnliche Strukturen weist auch das Tetanus-Toxin auf; beide werden daher in der Botulinus-und Tetanus-Toxin-Familie zusammengefasst. Die N-terminale Domäne der schweren Kette formt dann einen Kanal zum Eintritt des Moleküls in die Zelle. Für die Kanalbildung reichen die Translokationsdomänenfragmente 8, 9 und die Schleife TL5 aus; sie bilden eine Haarnadel in der Membran.
  2. Nach Ausbildung der Haarnadel kommt es zu einer Internalisierung der schweren und leichten Kette und der pH-Wert im Internalisierungsvesikel verringert sich. Dadurch wird die enzymatische Spaltung der Disulfid-Brücke induziert, welche die schwere und leichte Kette zusammenhält.
  3. Die leichte Kette dissoziiert und wird aus dem Vesikel zur präsynaptischen Membran exozytiert. Dort findet die enzymatische Spaltung der für die Freisetzung der Neurotransmitter wichtigen Proteine statt. Dadurch wird die Übertragung von Nervenimpulsen verhindert und der Muskeltonus reduziert, es kommt zu Lähmungen. Symptome einer Botulinus-Toxin-Vergiftung treten bisweilen erst 24 Stunden nach Aufnahme des Erregers oder des Giftes auf, es kommt zunächst zu einer Lähmung der Augen- und Mundmuskulatur, schließlich zu einer Lähmung der Atemmuskeln, die zum Tod führt.
Mouse
Abb.1
Schematischer Aufbau des Botulinus-Toxins
Abb.2
Kristallstruktur des Serotyps A des Botulinus-Neurotoxins

(PDB-Code: 3BTA)

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