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Hydrophobe membraninteragierende bakterielle Biotoxine

Die Colicine aus E. coli

Die Colicine A, E1, Ia, Ib, N und B bilden spannungsabhängige Kanäle in der inneren Membran der Zielzelle und gehören zu den am besten charakterisierten porenbildenden Toxinen überhaupt. Sezerniert werden sie von den Enterobacteriaceen Citrobacter freundii und Escherichia coli und wirken vor allem auf eng verwandte Stämme. Die Colicin-Interaktion mit der Zielzelle verläuft in drei Schritten:

  • Bindung des Proteins an die äußere Membran (OM, outer membrane) der Zielzelle
  • das Toxin benutzt den Tol-Aufnahmekomplex der OM, um in das Periplasma der Zielzelle zu gelangen
  • Perforation der inneren Membran und Zerstörung des Membranpotenzials
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Abb.1
Das Colicin Ia aus E. coli

(PDB-Code: 1CII) Kerndomäne, Aminosäuren 450-626, in silber

Abb.2
Colicin A (Kerndomäne)

(PDB-Code: 1COL)

(Abb. 1) : Colicin Ia ist 210 Å lang und bildet 160 Å lange Helices, die gleichzeitig mit der inneren und äußeren Membran wechselwirken können. Der C-Terminus (Aminosäurereste 450-626, in silber) des Colicins bildet 10 Helices, von denen die zentralen Helices 8 und 9 aus rein hydrophoben Aminosäuren aufgebaut sind und den eigentlichen Kanal bilden. Der Kanal ist gerade lang genug, um den Lipidlayer zu durchqueren. (Abb. 2) : Die porenbildende Domäne von Colicin A ist in silber dargestellt, Bereiche mit hydrophilen Aminosäuren in hellblau. Die hydrophoben Helices 8 (orange) und 9 (rotorange) im Inneren des Kanals sind gut zu erkennen.

Wie inseriert das Protein in die Membran?

Wenn das Toxin die Zielmembran erreicht, entfaltet sich das lösliche Protein teilweise und geht in einen molten globule-Zustand über. Die zuvor innen liegenden hydrophoben Helices gelangen dabei an die Oberfläche des Proteins und können so mit der Membran der Zielzelle in Wechselwirkung treten. Die Helices dringen in die Membran ein und bilden den Kanal, der dann die Zielzelle perforieren kann.

Der Übergang des Toxins in die molten globule-Konformation wird vermutlich durch den lokal sehr niedrigen pH-Wert der bakteriellen Membran induziert, denn die Lipopolysaccharide der OM sind stark negativ geladen. Durch diesen Trick der Natur gelangt das Colicin als lösliches Protein an die Membran und geht dann in eine lipophile Struktur über.

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