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14.4E: Siderophore - Biologie

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Lernziele

  • Vergleichen und kontrastieren Sie die Rolle verschiedener Siderophore bei der Pathogenität, einschließlich: Yersiniabactin, Enterobactin und Ferrichrome

Siderophore sind spezifische Arten von Molekülen, die von Mikroorganismen verwendet werden, um Eisen aus der Umgebung zu gewinnen. Im Hinblick auf die Pathogenität setzen Organismen, die die Fähigkeit aufweisen, Siderophore zu produzieren, diese eisenspezifischen Moleküle frei und fangen Eisen aus ihren Wirtsorganismen ab. Die Siderophore werden dann von den Krankheitserregern verwendet, um Eisen zu gewinnen. Daher sind Siderophore Chelatbildner, die die Eisenionen binden. Die Fähigkeit von Krankheitserregern, Eisen aus dem Wirt zu gewinnen, ist überlebenswichtig, da das Eisen in der Umgebung des Wirts, insbesondere in den Geweben und Flüssigkeiten des Wirts, begrenzt ist. Das Eisen wird verwendet, um die Bildung von löslichen Eisen(III)-Ionen (Fe3+)-Komplexen zu ermöglichen, die für die Aufrechterhaltung der homöostatischen Mechanismen innerhalb des Pathogens notwendig sind.

Die Fähigkeit, wasserlösliche Fe3+-Komplexe zu bilden, ist eine Schlüsselkomponente für den aktiven Transport des Fe-Siderophor-Komplexes durch die Zellmembran. In Umgebungen mit Eisenmangel werden die Siderophore freigesetzt und ermöglichen die Bildung wasserlöslicher Fe3+-Komplexe, um die Eisenaufnahme zu erhöhen. Die Komplexe binden dann im Allgemeinen über zellspezifische Rezeptoren an die Zellmembran. Sie werden über die Membran transportiert, die für die notwendigen Prozesse verwendet wird. Es gibt jedoch Unterschiede in den Mechanismen, die von verschiedenen Siderophoben verwendet werden, um Eisen zu erhalten, und die spezifische Art des verwendeten Siderophors variiert.

Yersiniabactin

Die pathogenen Bakterien, Yersinia pestis, Yersinia pseduotuberculosis, und Yersinia enterocolitica haben die Fähigkeit, ein Siderophor namens Yersiniabactin zu produzieren. Die pathogene Yersinie ist für zahlreiche Krankheiten verantwortlich, darunter die Beulenpest. Die Fähigkeit pathogener Yersinien, Krankheiten zu begründen und zu verbreiten, beruht auf ihrer Fähigkeit, Eisen für grundlegende zelluläre Prozesse zu gewinnen. In Bereichen mit niedrigem Eisengehalt setzt der Organismus Yersiniabactin frei, um Fe3+-Komplexe zu bilden. Der Yersiniabactin-Fe3+-Komplex bindet dann aufgrund einer spezifischen Rezeptorerkennung an die äußere Membran der Bakterien. Der Komplex wird dann über in die Membran eingebettete Proteine ​​durch die Membran transloziert und Eisen wird aus dem Yersiniabactin freigesetzt. Das Eisen wird dann in zahlreichen zellulären Prozessen verwertet.

Enterobactin

Krankheitserregende Bakterien wie Escherichia coli und Salmonella typhimurium haben die Fähigkeit, ein Siderophor namens Enterobactin zu produzieren. Dieser spezifische Siderophortyp ist der bisher am stärksten identifizierte Siderophor mit einer extrem hohen Bindungsaffinität zu Fe3+. Bei einer Abnahme des Eisens setzen die Bakterienzellen Enterobactin frei, das mit Fe3+ einen Komplex bildet. Der Komplex wird dann intrazellulär über einen ATP-bindenden Kassettentransporter transportiert. Sobald der Enterobactin-Fe3+-Komplex intrazellulär ankommt, ist es notwendig, das Fe3+ aus dem Komplex zu entfernen. Aufgrund der hohen Bindungsaffinität von Enterobactin benötigen die Bakterien ein hochspezifisches Enzym, die Ferrienterobactin-Esterase, um das Eisen aus dem Komplex zu spalten. Das aus dem Komplex freigesetzte Eisen wird dann in Stoffwechselprozessen verwertet.

Ferrichrom

Eine andere Art von Siderophor, die von pathogenen Pilzen produziert wird, umfasst ein Ferrichrom. Pilze, von denen gezeigt wurde, dass sie Ferrichrome produzieren, umfassen solche der Gattungen Aspergillus, Ustilago und Penicillum. Das Ferrichrom ermöglicht die Bildung eines Ferrichrom-Eisen-Komplexes, der dann mit einem Proteinrezeptor auf der Zelloberfläche interagieren kann. Das Ferrichrom fördert den Eisentransport innerhalb des Organismus, um Stoffwechselprozesse ablaufen zu lassen.

Die Entdeckung und Identifizierung von Siderophoren hat die Entwicklung von Behandlungen ermöglicht, die auf diese Siderophor-Eisen-Komplexe abzielen. Durch das Anvisieren dieser Komplexe können die pathogenen Mikroorganismen anvisiert werden, indem notwendige zelluläre Prozesse gehemmt werden. Die Produktion und Bedeutung dieser Siderophore für pathogene Organismen ist der Schlüssel zu ihrem Überleben.

Wichtige Punkte

  • Siderophor – Eisenkomplexe sind für die Eisenaufnahme an verschiedene pathogene Organismen für Stoffwechselprozesse notwendig.
  • Die produzierten Arten von Siderophoren sind speziesspezifisch und weisen unterschiedliche Eigenschaften auf.
  • Die Siderophore sind notwendig, um Eisen zu gewinnen, indem sie an Zelloberflächen binden und die Siderophor-Eisen-Komplexe intrazellulär transportieren.
  • Siderophore werden in Umgebungen produziert, die eine niedrige Eisenkonzentration aufweisen, wie z. B. Wirtsgewebe und -flüssigkeiten. Sie gelten als vorteilhaft für pathogene Organismen.

Schlüsselbegriffe

  • Siderophor: Jedes mittelgroße Molekül, das eine hohe Spezifität zum Binden oder Chelatisieren von Eisen aufweist; sie werden von Mikroorganismen eingesetzt, um Eisen aus der Umwelt zu gewinnen
  • Chelatbildner: Eine Verbindung, die mit einem Metallion reagiert, um ein Chelat zu bilden.