Antibiotika an der 50S Untereinheit

Die Bindung von Antibiotika an der großen ribosomalen Untereinheit als dreidimensionale Strukturinformation zu erhalten ist bisher (9/2003), wie auch bei der kleinen Untereinheit, nur 2 Gruppen gelungen.

Nachtrag 2009: Mittlerweile gibt es zwei 70S Strukturen mit hoher Auflösung, deren 50S sind jedoch nicht 'frei', sondern gebunden am 30S.


Im Herbst 2001, zeitgleich zu der Veröffentlichung der Struktur der 50S Untereinheit von Deinococcus radiodurans (in Cell) gelang uns in Nature die weltweit erste Veröffentlichung struktureller Daten von 50S-Antibiotika Komplexen. (Chloramphenicol, Clindamycin, Erythromycin, Clarythromycin und Roxythromycin).
Es war Nature sogar die Cover-Page wert. Erst im Sommer 2002 wurden von der Yale Gruppe, weitere Makrolid-Antibiotika Komplexe veröffentlicht. Interessanterweise binden diese in Haloarcular marismortui zwar an der selben Stelle, aber in anderer Orientierung als bei unseren Deinococcus radiodurans.

Warum die Bindungen unterschiedlich sind, ist eine offene Frage. Die wahrscheinlichste Antwort liegt in den sehr unterschiedlichen Bedingungen unter denen die beiden verschiedenen Bakterien leben. Haloarcula marismortui benötigt sehr hohe Salz-Kozentrationen, so dass die Antibiotika ebenfalls in extrem hohem Konzentrationen vorliegen müssen um eine Bindung zu erzielen. Deinococcus radiodurans hingegen ist schon mit minimalen Kozentrationen glücklich.

Anfang des Jahres 2003 wurden dann (endlich) unsere Komplexe mit dem Ketolid(einer Weiterentwicklung der Makrolide) ABT-773 und Azithromycin (Azalide, ebenso eine Weiterentw. der M.) veröffentlicht. Azithromycin ist das erste 50S Antibiotikum von dem zwei Bindungsstellen gezeigt werden konnten (bei D.r., H.m. hat nur eine). Sparsomycin-Komplexe erschienen fast nebenbei von beiden Gruppen.

Eine Übersicht der Bindungsstellen findet sich im folgenden Bild. Danach gehen wir im Detail auf die einzelnen Antibiotika ein.


aus: Harms et al. JCS 4/2003 or Poster

Die Struktur der 50S Untereinheit von Deinococcus radiodurans zusammen mit den Positionen für die gebundenen Anitbiotika Sparsomycin (grün),Chloramphenicol (lila), Clindamycin (orange) und Erythromycin (rot, stellvertretend für Makrolides). Die Lage des Tunnels der 50S Untereinheit ist durch ein gelbes Band gekennzeichnet.


Nachtrag 2009: Auch in der Übersicht hat sich was getan, neben etlichen weiteren Antibiotika die allesamt am oder beim Peptidl-Transferase-Centrum binden, konnten wir mit Thiostrepton, Nosiheptide und Micrococcin drei Antibiotika Bindungsstellen am L11 Arm in der sogenannten "GTP-ase associated region" zeigen.

Tunnelblick: Links der L1-Arm inder Mitte z.b. Macrolide und rechts am angelegten L11-Arm finden sich Thiostrepton, Nosiheptide und Micrococcin.

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Chloramphenicol (2001)

Chloramphenicol ist ein kleines Molekül, mit einem Phenyl-Ring. Aufgrund der Ähnlichkeit mit einer Aminosäure, besetzt Chloramphenicol die Stelle der ersten Aminosäure in der Peptidyl-Transferase Region der 50S Untereinheit, und verhindert so die enzymatische Reaktion, also die Bildung der Peptidbindung zwischen zwei aufeinander folgenden Peptiden.

Wegen der geringen Komplexizität des Moleküls weisst es vermutlich eine Vielzahl von Wechselwirkungen mit anderen Enzymen oder Wirkstoffen der Zelle, auch der menschlichen Zelle, auf. Als Folge hat Chloramphenicol eine Reihe unerwünschter Nebenwirkungen, so dass dies Antibiotikum heutzutage nur noch in sehr speziellen Bereichen Verwendung findet.

Unglücklicherweise ist es vergleichsweise billig herzustellen, so dass die Verwendung von Chlormaphenicol als Zusatz in der Nahrungsmittel-Produktion (Gambas/Krabben) das Medikament in den vergangenen Jahren immer wieder in die Schlagzeilen gebracht hat ....

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Clindamycin (2001)

Clindamycin gehört wie Lincomycin zur Klasse der Lincosamide, vornehmlich bekannt durch die Makrolide-Lincosamide-StreptograminB (MLSB) Resistenz , verursacht durch die Modifikation einer einzelnen rRNA Base in der 23S rRNA (A2058 in E.coli, für die die es genau wissen wollen). Clindamycin bindet wie Chloramphenicol direkt im aktiven Zentrum der 50S Untereinheit. Die beiden Bindundgsstellen von Chloramphenicol und Clindamycin überlappen, so dass die beiden Antibiotka sich in ihrer Wirkung ausschliessen. Ein guter Grund keine Kombi-Präparate dieser beiden zu verwenden ! Die Ähnlichkeit der Bindungsstellen korreliert naturgemäss mit einem sehr ähnlichem Wirkungsmechanismus ....

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Sparsomycin (2002/3)

ist wie Edeine oder Pactamycin ein universelles Antibiotikum, wirkt also auf praktisch jede Art von Zelle. Das ist natürlich ungünstig, so dass Sparsomycin nicht zur Therapie von Infektions-Krankheiten eingesetzt werden kann. Die Wirkungsweise von Sparsomycin ist, trotz oder gerade wegen, der strukturellen Untersuchungen weiterhin unklar.

Die Gruppen von Yonath/Fucini haben ein anderes Ergebnis erzielt, als die Gruppe um T.Steitz. In beiden Fällen wurde Sparsomycin in der Nähe der tRNA Bindungsstellen gefunden, es hat sogar in beiden Fällen Bindung mit derselben rRNA Base, aber eben von unterschiedlichen Richtungen.

Beide Ergebnisse lassen darauf schliessen, dass Sparsomycin primär die Bindung der tRNA Moleküle an das Ribosom beeinflusst. Wie es scheint., erhöht Sparsomycin die Affinität zwischen 50S Untereinheit und der tRNA, so dass die Translokation, also die Verschiebung der tRNA durch das Ribosom, unterdrückt wird ...

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Makrolide (2001)

Makrolide bestehen in der Regel aus einem Lactone Ring, dem Desosamine Zucker und verschiedenen funktionellen Gruppen.

Ursprüngliche oder natürliche Makrolide wie Erythromycin besitzen einen Cladinose Zucker, neuere Derivate hingegen kommen ohne die Cladinose aus, haben dafür aber zum Beispiel Keto- oder Azo-Gruppen in den Ring eingefügt.

Die Wirkungsweise der Makrolide ist - ganz objektiv gesehen :-) - wunderbar in dem Bild rechts eingefangen:

Makrolide blockieren den Tunnel der 50S Untereinheit. Das Ribosom kann also einige Peptide miteinander verknüpfen, bevor es zum Stau vor dem Tunnel kommt - wer in der Gegend um Hamburg wohnt, weiss was das bedeutet! Jedenfalls kommt die Protein-Biosynthese zum Stillstand.

Im Gegensatz zu Antibiotika wie Penicillin, wirken die Makrolide nur hemmend, bakteriostatisch also.

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Makrolide (2002)

(Carbomycin A, Tylosin .... ) In der Zwischenzeit hat auch die Gruppe um T.Steitz einige Strukturen von verschiedenen Makroliden in Komplex mit einer 50S Untereinheit, nämlich der von Haloarcula marismortui, publiziert. Die Bindungsstelle selbst ist sehr ähnlich, die Orientierung und die Konformation unterscheidet sich aber deutlich. Carbomycin A weist eine Besonderheit aus: es scheint so, als ob Carbomycin A eine sogenannte kovalente Bindung mit dem Ribosom eingeht, zumindest ist das die Interpretation, die vorgeschlagen wurde. Demnach würde Carbomycin A sehr viel stärker und sehr viel weniger reversibel ans Ribosom binden ...

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Ketolide (2003):

ABT-773 ... mittlerweile auch bekannt unter Cethromycin, ist das erste Ketolid-Antibiotikum welches wir, an der 50S Untereinheit gebunden, zeigen können.

Oben: Übersicht der Tunnelblockade durch ABT-773. Links: Detail eines ca 35A tiefen Tunnelausschnittes um die Bindungsstelle herum. weiter Infos über Art und Weise der Bindung siehe vorerst die Literaturliste.

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Auch bei dem seit Juli 2001 in Europa zugelassenen Telithromycin (Ketek®), handelt es sich um eine Weiterentwicklung aus der Klasse der Makrolid-Antibiotika.

Im April 2003 veröffentlichter der Hersteller ein zusätzliche "wichtige Information zur Arzneimittelsicherheit" : Es gibt Hinweise auf eine Verschlimmerung der Muskelschwäche (Myasthenia gravis) bei Einnahme von Ketek®. Es zeigt sich also wieder Mal 'es ist nicht alles Gold was glänzt'.

Nichtsdestotrotz, vermindern solche speziellen Nebenwirkungen den Kreis derer denen das Antibiotikum hilft nur gering.

Links: Telithromycin bindet, anders als vielleicht erwartet, in etwas unterschiedlicher Orientierung als ABT-773. Rechts: Durch hinzufügen des aryl/akyl-Armes an die, für die ABT-773 so wichtige, Carbamate-Gruppe, wird eine der wichtigsten Bindungsstellen von ABT-773 stark modifiziert. Telithromycin findet mit dem 'Doppelring' des extra-Armes jedoch einen Ersatz für diese wichtige Bindungsstelle.
So kommt es dann zu einer sichtbar unterschiedlichen Orientierung bei der Bindung am Ribosom. Berisio et al. , J. Bact. 7/2003

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Azalide (2003):

Azithromycin,das erste Makrolid Antibiotikum, für das 2 Bindunsstellen an der 50S Untereinheit strukturell nachgewiesen werden konnten.
Interessanterweise bindet es in der Struktur der 50S Untereinheit von Haloarcula marismortui (Yale) nur einfach, dazu ist der Lacton-Ring noch um einige Grad anders orientiert . Nichtsdestotrotz sitzt es an der gleichen Stelle im Tunnel.

Links: Ein geschnittenes Model der 50S Untereinheit. der Tunnel (aufgeschnitten) ist grau hervorgehoben. Die beiden hintereinander liegenden Azitromycin Moleküle sind rot. Erstmals waren auch Proteine direkt an der Bindung eines Marolides beteiligt, L4 (grün) und L22 (blau). Rechts: Detail eines Tunnelabschnittes (aufgeschnitten) mit beiden Azithromycin Molekülen.

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Makrolide (2003): Troleandomycin

bindet in ungewohnter Weise, was die ungewöhnlich Struktur dieses Antibiotikums reflektiert. Troleandomycin ist eine dreifach acetylierte Variante des Oleandomycins, daher auch der Name.
Es bindet nur unwesentlich tiefer als die Makrolide der Erythromycin-Gruppe, aber durch die Bindung von Troleandomycin wird gleichzeitig das Umklappen (oder Flippen) des vorderen Endes des Loops von Protein L22 induziert. Dies ist damit der erste strukturelle, wenn auch indirekte, Nachweis für funktionelle Flexibilitäten im Tunnel.
L22(nativ), Troleandomycin Unmittelbar mit der ungewöhnlichen Wirkung von Troleandomycin korreliert eine andere, neuere Beobachtung.

Die Produktion von SecM, einem sogenannten Secretory Monitoring Protein, wird durch den ribosomalen Tunnel reguliert. Scheinbar verursachen ganz spezifische Protein-Sequenzen eine Pause in der Protein-Biosynthese, das Ribosom legt also quasi ein kurzes Schläfchen ein.

L22(flip), TroleandomycinVerschiedene Modifikationen in L22, nämlich genau in dem Bereich der wichtig für das Umklappen des Loops von L22 ist, unterdrücken die Regulierung ... also liegt es nahe zu vermuten, dass genau derselbe Mechanismus, der durch Troleandomycin ausgelöst wird, auch verantworlich für die Regulierung der SecM Produktion ist ... aber einen unmittelbaren Beweis dafür gibt es - noch - nicht.
Berisio et al. NSB, 5/2003

Die theoretische Bewegung des L22 Loops bei Annäherung des Troleandomycin Moleküls haben wir auch als Animation dargestellt (170kb). Eng Verbunden mit den Antibiotika ist natürlich das Problem der zunehmenden Resistenzen und damit zunehmenden Wirkungslosigkeit der gängigen Antibiotika. Mehr über Antibiotika-Resistenz auf einer Extra-Seite.

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