Siderophore

Stäbchenmodell von Carboxymycobactin T mit Eisenion, nach PDB 1X8U.

Strukturformel der Myxocheline.

Komplexausschnitt mit Catecholin und Eisen(III)

Strukturformel von Enterobactin.

Die Siderophore (gr. Eisenträger) sind eine Stoffgruppe von rund 200 eisenbindenden small molecules und Oligopeptiden, die von aeroben Bakterien, Pilzen und Pflanzenwurzeln gebildet und in das umgebende Medium ausgeschieden werden. Nach der Komplexierung der Eisen-Ionen werden die beladenen Siderophore von den Zellen der Produzenten über spezifische Transportsysteme wieder aufgenommen. Eine Besonderheit der Siderophore ist ihre geringe molare Masse von 300 bis 2.000 Dalton.^[1] Manche Pflanzen bilden ebenfalls Eisen komplexierende Substanzen. Diese werden Phytosiderophore genannt.^[2]

Vorkommen in der Natur

Bekannte Siderophore sind die Enterobactine, die von Enterobakterien hergestellt werden, die Ferrioxamine der Actinobakterien, die Pyoverdine in Pseudomonas, die Mycobactine und Exocheline der Mycobakterien, die Ferrichrome der Pilze und die citrathaltigen Siderophore bei Pilzen und Bakterien. Siderophore werden nur von aeroben Bakterien, Pilzen und Pflanzenwurzeln gebildet und konnten in teils hohen Konzentrationen im Boden und Meerwasser nachgewiesen werden.^[1]

Eigenschaften und biologische Bedeutung

Siderophore sind kleine Moleküle, die zu den Catecholaten, Hydroxamaten oder zu den α-Hydroxy/α-Ketocarbonsäuren gehören. Daneben gibt es gemischt-funktionelle Siderophore, die auch Stickstoff-Liganden besitzen, sowie kurze Peptide mit ungewöhnlichen Modifikationen (wie die Pyoverdine). Allen diesen ist gemeinsam, dass sie einen mehrzähnigen Liganden bilden, der ein Metallion mit sechs, selten vier Zentren bindet. Die geringe Größe der Moleküle erlaubt es ihnen, die Zellwand von Bakterien, Pilzen oder Pflanzen zweimal durch relativ enge Kanäle zu durchqueren. Die Eisentransportproteine höherer Lebewesen (beispielsweise Transferrin) besitzen eine molare Masse von etwa 80.000 Dalton (Siderophore 300 bis 2.000).

Eisentransport und -speicherung

Siderophore binden sehr selektiv Eisen(III)-Ionen, die dann in die Zellen transportiert werden können. Trotz der großen Menge an in der Natur vorkommendem Eisen besitzt dies eine sehr geringe Bioverfügbarkeit, da es meist als unlöslicher Hydroxokomplex vorliegt. Die hohe Affinität der Siderophore zu Fe(III)-Ionen erlaubt es ihnen, die geringe Bioverfügbarkeit dieses Ions auszugleichen. Da die Komplexbindungskonstante der Siderophore für Fe(II)-Ionen sehr viel geringer ist als für dreiwertiges Eisen, wird das Metallion in der Zelle nach Reduktion zu Eisen(II) aus dem Komplex gelöst. Weitere Bedeutung kommt diesen Molekülen als Lagersystem für Eisen zu; d.h. die mit Eisen beladenen Siderophore können innerhalb der Zellen gelagert werden.^[1]

Pathologie

Komplex	Stabilitätskonstante bei pH 7
Fe(III)-Enterobactin	1056
Fe(III)-Ferrioxamin E	1032
Fe(III)-Ferrichrom A	1029
Fe(III)-Transferrin A	1024
Fe(III)-EDTA	1025

Enterobactin und andere bakterielle Siderophore bilden wesentlich stabilere Komplexe mit Eisen(III) als die Siderophore des Menschen. Sie sind daher in der Lage, im menschlichen Körper Eisen von Hämoglobin (nach Hämolyse) und Transferrin "zu stehlen".^[3]

Biosynthese

Die Produktion der Siderophore wird über einen speziellen Regelkreis an die Eisenkonzentration innerhalb der Zelle gekoppelt. Das Protein FUR (ferric uptake regulator) bindet Zink(II)- und Eisen(II)-Ionen. Ist in der Zelle nicht mehr genügend zweiwertiges Eisen vorhanden, so wird die Siderophor-Produktion angeregt und die Zell-Transportkanäle für Eisen werden geöffnet.^[1]

Für die Synthese an sich werden meist Aminosäuren als Basis verwendet, welche mittels Carrier-Enzymen ähnlich der Fettsäuresynthese fließbandartig zusammengebaut werden (Nichtribosomale_Peptidsynthese (NRPS)).

Anwendung als Chelatoren

Es ist bekannt, dass Pyoverdine, die sehr variabel aufgebaut sein können, auch als Chelatoren für Schwermetalle wie Uran und Thorium fungieren können.^[4]

Literatur

• Miethke M, Marahiel MA: Siderophore-based iron acquisition and pathogen control. In: Microbiol. Mol. Biol. Rev.. 71, Nr. 3, September 2007, S. 413–51. doi:10.1128/MMBR.00012-07. PMID 17804665. Volltext bei PMC: 2168645.
• Crosa JH, Walsh CT: Genetics and assembly line enzymology of siderophore biosynthesis in bacteria. In: Microbiol. Mol. Biol. Rev.. 66, Nr. 2, Juni 2002, S. 223–49. PMID 12040125. Volltext bei PMC: 120789.
• Gobin J, Horwitz MA: Exochelins of Mycobacterium tuberculosis remove iron from human iron-binding proteins and donate iron to mycobactins in the M. tuberculosis cell wall. In: J. Exp. Med.. 183, Nr. 4, April 1996, S. 1527–32. PMID 8666910. Volltext bei PMC: 2192514.
• Gobin J, Moore CH, Reeve JR, Wong DK, Gibson BW, Horwitz MA: Iron acquisition by Mycobacterium tuberculosis: isolation and characterization of a family of iron-binding exochelins. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 92, Nr. 11, Mai 1995, S. 5189–93. PMID 7761471. Volltext bei PMC: 41874.
• Snow GA: Mycobactins: iron-chelating growth factors from mycobacteria. In: Bacteriol Rev. 34, Nr. 2, Juni 1970, S. 99–125. PMID 4918634. Volltext bei PMC: 408312.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} K. Müller-Graff, Krämer: Siderophore, Praktikumsreferat an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, 06.05.2005
2. ↑ S.M. Kraemer, D.E. Crowley, R. Kretzschmar: Geochemical Aspects of Phytosiderophore-Promoted Iron Acquisition by Plants, 2006, Advances in Agronomy
3. ↑ Joseph W. Lengeler, G. Drews, Hans Günter Schlegel: Biology of the prokaryotes. Thieme, Stuttgart 1999, ISBN 3-13-108411-1, S. 183ff.
4. ↑ Brainard JR, Strietelmeier BA, Smith PH, and Langston-Unkefer PJ: Actinide binding and solubilization by microbial siderophores. In: Radiochim. Acta. 58-59, 1992, S. 357-363.

Weblinks

• Siderophores Information