Bakterielle ToxineMaximilian Benedikt RossolJohannes-Gutenberg-Universität MainzInsitut für Mikrobiologie und WeinforschungJohann-Joachim-Becherweg 15, 55128 Mainz

Gliederung

1) Was ist ein Toxin?

2) Klassifizierung bakterieller Toxine

- Wirkmechanismen

- Populäre Vertreter

3) Fazit

ToxinGriechisch τοξίνη, „die giftige Substanz“

Von Lebewesen hergestelltes Gift

Schädigt / stört grundlegende zelluläre Prozesse anderer Organismen

Zugehörige wissenschaftliche Disziplin: Toxikologie

Chemische Zusammensetzung

Proteine

Peptide

Alkaloide ( insbesondere Pflanzentoxine )

Bakterielle ToxineBakterielle Infektion Auftreten von Krankheitssymptomen

Folge von Toxinproduktion

Struktur: Polymere Verbindungen, sehr häufig Proteine

Schädigung / Störung zellulärer Prozesse der Wirtszelle

Tod des Wirtes im Extremfall

Diphtherietoxin (Corynebacterium diphtheriae)

1888 von Émile Roux und Alexandre Yersin entdeckt und isoliert ( Institut Pasteur )

Klassifizierung bakterieller ToxineExotoxine

Komplex zusammengesetzte Proteine, Freisetzung in umgebendes Medium, Eindringen in Wirtszelle

Exotine wirken spezifisch

Endotoxine

Bestandteil der äußeren Hülle von gramnegativen Bakterien, Freisetzung nach Lyse

Endotoxine wirken unspezifisch

Exo-/ Endotoxine sind thermolabil

ExotoxineCytolytische Toxine

A-B-Toxine

Enterotoxine

Superantigene

Cytolytische Toxine

Einlagerung in Cytoplasmamembran der Wirtszelle

Keine enzymatische Aktivität, Porenbildung in der Membran

Zusammenbruch von Ionengradienten über Zellmembran, direkte Lyse möglich Zerstörung der Membranintegrität / Lebensfähigkeit der Zelle

α-Toxin von Staphylococcus aureus und verschiedenen Streptococci

Zelldepolarisation, Verlust vitaler Moleküle ( z.B. ATP )

α-Hämolysine: Staphylococcus aureus / StreptococciHämolyse der Erythrocyten

β- und γ-Hämolysine führen über andere Mechanismen zur Lyse

Hämolyse von Erythrocyten auf Agar-Platte

A-B-Toxine

Bestehen aus zwei Komponenten

A-Komponente enzymatisch aktiv

B-Domäne für Transport der A-Domäne zuständig

Choleratoxin ( CTX ) von Vibrio cholerae

A1 enzymatisch aktiv / toxisch

Aktivierung eines Second-Messenger-Signalweges

Wirkort im Darmepithel

Tetanus: Clostridium tetani

Botulismus: Clostridium botulinum

Diphtherie: Corynebacterium diphtheriae

Shiga-Toxin ( Shigella dysenteriae ) Shigellendysenterie (Bakterienruhr)

Hemmung der Proteinbiosynthese

Shiga-Toxin auch von einigen enterohämorrhagischen E. Coli (EHEC) produziert

entero : altgriechisch ἔντερον enteron = Darm

hämorrhagisch = Blutung

Enterotoxine

Greifen Darm an, verursachen Nahrungsmittelvergiftungen, Gastroenteritis und Durchfallerkrankungen

Meist Superantigene und A-B-Toxine

Shigellendysenterie / Cholera ( A-B-Toxine )

Choleratoxin ( CTX ) von Vibrio cholerae

A1 enzymatisch aktiv / toxisch

Aktivierung eines Second-Messenger-Signalweges

Wirkort im Darmepithel

Verstärkter Einbau von Cl- Kanälen, Hemmung von Na+ Kanälen (Resorption) und Na+/H+Austauschern Insgesamt Verlust von NaCl

H2O folgt NaCl passiv ins Darmlumen( erhöhte Durchlässigkeit der Epithelzellen )

Folge: Starke Durchfälle mit Wasserverlust von bis zu 1 L pro Stunde Massiver Ausstrom von K+ und HCO3-

Antigene

Kohlenhydrate, Lipide, Proteine o.a.

Auslösen einer Immunantwort in fremdem Organismus

Bildung von Antikörpern, spezifisch gegen Strukturen dieser Moleküle gerichtet

Antigen-präsentierende Zelle mit MHC II bindet an Antigen

Präsentation des Antigens ( MHC-Restriktion )

T-Lymphozyt aktiviert, wächst und differenziert sich aus

Entstehung von T-Killerzelle, Zerstörung des Antigen

Anlocken zusätzlicher Immunzellen mithilfe von Botenstoffen (Cytokine)

Superantigene

Toxine, die das Immunsystem des Wirtes manipulieren

Bindung an MHC-II und T-Zellrezeptor, unspezifische Aktivierung von T-Helferzellen ( viel stärker als bei Antigenen )

Kaskade von Zellrkt. / Zellentzündungsrkt.

Toxischer Schock

Massiver Zelltod und Organversagen

Staphylococcus aureus: Mastitis, Hautentzündungen, in ungünstigen Fällen bspw. Lungenentzündungen

Streptococcus pyrogenes: Haut- und Atemwegserkrankungen

EndotoxineBestandteil der Lipopolysaccharide der äußeren Membran von gramnegativen Bakterien

Freisetzung bei Lyse des Bakteriums

LPS führt zu vermehrter Freisetzung von Cytokinen

Cytokine: Glykoproteine mit signalübertragenden Funktionen

Signalkaskade, allgemeine Entzündungsreaktionen, Fieber

Septischer Schock, Tod des Wirtes

LPS bilden mit LBP Komplex, Bindung an sCD14

sCD14 dirigiert LPS zu Proteinkomplex auf Oberfläche des Makrophagen (TLR 4, MD-2, mCD14)

Signaltransduktionskaskade, Eintritt des Transkriptionsfaktors NFkB in Zellkern

Genaktivierung für Cytokinsynthese

Makrophagen sekretieren versch. Cytokine

Signalkaskade, Entzündungsrkt.

Septischer Schock, Tod des Wirtes

Escherichia coli: Durchfallerkrankungen

Salmonella ssp.: Salmonellose

FazitMehrere Mechanismen von bakteriellen Toxinen führen zu Krankheitssymptomen

Verschiedene können zusammenwirken

FazitTetanus: Clostridium tetani

Botulismus: Clostridium botulinum A-B-Toxine

Diphtherie: Corynebacterium diphtheriae

Mastitis, Hautentzündungen: Staphylococcus aureus Superantigene

Haut-/Atemwegserkrankungen: Streptococcus pyrogenes α-Toxine

Durchfallerkrankungen: Escherichia ColiA-B-Toxine, Endotoxine

Bild- und Literaturquellen

http://de.wikipedia.org/wiki/Nicotin#/media/File:Nikotin_-_Nicotine.svg

http://www.friedli.com/herbs/phytochem/peptide_bond.gif

http://de.wikipedia.org/wiki/Protein#/media/File:Myoglobin.png

http://de.wikipedia.org/wiki/Diphtherietoxin#/media/File:Diphtheria_toxin_1DDT.png

http://en.wikipedia.org/wiki/Hemolysin#/media/File:The_process_of_hemolysis.png

https://www.youtube.com/watch?v=5yGbxyOpZRk

http://www.biodiversitylibrary.org/page/3061773#page/711/mode/1up

Bild- und Literaturquellen

Allgemeine Mikrobiologie, Georg Fuchs, Hans G. Schlegel: 9.Auflage, Juni 2014 Georg Thieme Verlag : S.152-155, S.649-655

Purves Biologie, Jürgen Markl: 9. Auflage, 2011, Spektrum akademischer Verlag S.726

Toxikologie: Eine Einführung für Chemiker, Biologen und Pharmazeuten Wolfgang Dekant, Spiros Vamvakas: 2. Auflage, Mai 2010 Spektrum akademischer Verlag