zum Directory-modus

Membranaktive Toxine

Das Diphtherie-Toxin von Corynebacterium diphtheriae

Diphtherie ist eine hochansteckende Infektionskrankheit, die sich vor allem bei schlechten hygienischen Verhältnissen durch Tröpfcheninfektion verbreitet. Das Diphtherie-Toxin gehört zur Gruppe der AB-Toxine und wird von Corynebacterium diphtheriae als monomeres Protein von 535 Aminosäuren Länge ausgeschieden. Das Toxin, das an eukaryontische Membranen bindet, ist in dem Sinne kein bakterielles Protein, denn es wird von einem speziellen Bakteriophagen dieses Bakteriums gebildet. Wenn die Bakterien nicht lysogeniert sind, also nicht den Phagen tragen, gibt es bei einer Infektion mit Corynebacterium diphtheriae keine Diphtherie, sondern nur eine Halsentzündung.

Das Diphtherie-Toxin besteht aus drei Untereinheiten:

  • Fragment A (Aminosäure 1-193) enthält die katalytische Domäne und inhibiert den Elongationsfaktor EF-2 der Proteinsynthese im befallenen Organismus.
  • Die Transmembrandomäne des Fragments B besteht nur aus α-Helices, die für Membranproteine charakteristische Eigenschaften aufweisen. Der Kern der Domäne wird von zwei Helices aus überwiegend hydrophoben Aminosäuren gebildet.
  • Die Rezeptor-bindende Domäne des Fragments B besteht aus antiparallelen β-Strängen.

Das inaktive, native Toxin wird nach der Bindung an die Zielzelle oder aber nach endocytotischer Aufnahme proteolytisch gespalten, die beiden Untereinheiten A und B (21 und 37 kDa) bleiben aber über eine Disulfid-Brücke verbunden. Das B-Fragment sorgt dafür, dass das noch nicht vollständig gefaltete A-Fragment ins Cytoplasma entlassen wird. Im Cytoplasma der Zielzelle geht nun das A-Fragment in seine native Konformation über und die Disulfid-Brücke wird durch Reduktion gespalten. Das nun aktive A-Fragment ADP-ribosyliert EF-2 und inhibiert damit die Proteinsynthese der eukaryontischen Zelle.

Mouse
Abb.1
Diphtherie-Toxin (Dimer; Komplex mit NAD)

Die beiden Untereinheiten des Diphtherie-Toxin-Dimers, gebunden an NAD1) (PDB-Code: 1tox). Linkes Dimer: Darstellung der Helix- und β-Faltblatt-Strukturbereiche; rechtes Dimer, in blau: Fragment A; grün: komplexiertes NAD. Das Diphtherie-Toxin ist ein sehr wirksames Toxin, schon ein Molekül der A-Untereinheit ist tödlich für eine Zelle und ein einziges Diphtherie-Bakterium kann etwa 5.000 dieser Toxin-Moleküle pro Stunde produzieren.

Es existieren zwei Modelle dafür, wie das B-Fragment den Transport des A-Fragmentes bewerkstelligt:

  1. Die Tunnelhypothese: Das B-Fragment bildet einen Kanal, durch den das A-Fragment geschleust wird. Auch wenn die Pore mit etwa 8 Å groß genug wäre, ist diese Hypothese sehr kontrovers diskutiert.
  2. Die Spalthypothese (engl. "cleft model"): Das B-Fragment bildet eine Art hydrophilen Spalt innerhalb der Membran. Die hydrophilen Anteile des A-Fragmentes interagieren mit dieser hydrophilen Tasche, während die hydrophoben Anteile von A mit der Membran interagieren. Dieses Modell wird auch durch experimentelle Daten gestützt: A- und B-Fragment verändern beide ihre Konformation in Kontakt mit der Membran.
Abb.2
3D-Animation zum Diphtherie-Toxin
© Wiley-VCH
1)NAD: Nicotin-Adenin-Dinucleotid
Seite 7 von 7>