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http://www.biologie.uni-hamburg.de/
lehre/bza/kanal/toxin/1cii/1ciim.htm

Colicin Ia ist aus 626 Aminosäuren aufgebaut und enthält drei Domänen (in der Röntgenstruktur sind die ersten 22 Aminosäuren nicht sichtbar). Das gesamte Molekül ist 210 Å lang und durch sehr lange (160 Å) Helices chrakterisiert. Aufgrund dieser Form kann es gleichzeitig mit der inneren und der äußeren Bakterienmembran wechselwirken.

Die Bindung an den Rezeptor Cir in der äußeren Membran erfolgt mit der R-Domäne aus 104 Aminosäuren (282-385) . Die um die zentrale Helix gwundene Haarnadel (295-329) mit dem beta-Blatt ist amphipatisch (hydrophobe Aminosäuren blau, geladene grün). Die Spitze der rezeptorbindenden Region ist insgesamt stark geladen (Sauerstoffatome rot, Stickstoffatome blau).

Die aminoterminale Domäne enthält zwei ca. 80 Å lange helices (67-121 und 126-168) sowie die ersten 50 Aminosäuren der zur R-Domäne führenden Helix (176-225). Diese Domäne ist für die Translokation des Proteins durch die äußere Membran wichtig. Die ersten beiden Helices enthalten geladene Aminosäuren, die 15 inter- und intrahelicale Salzbrücken bilden (grün). Das aminoterminale Ende des Moleküls liegt gegenüber diesen Helices . Es enthält eine in allen Colicinen dieses Typs konservierte Aminosäuresequenz, die TonB-Box (23-27, Glu-Ile-Met-Ala-Val) . Ein hierzu homologes Peptid kommt auch in dem Rezeptor Cir vor, was eine kompetitive Wechselwirkung mit einer komplementären Struktur auf TonB nahelegt.

Die dritte Domäne umfaßt die carboxyterminalen Aminosäuren (450-626) . Sie ist in 10 Helices gegliedert, deren Topologie anderen kanalbildenden Proteinen entspricht. Die zentralen Helices 8 und 9 sind nur aus hydrophoben Aminosäuren aufgebaut (blau) , während die peripher angeordneten Helices amphipatisch sind: die hydrophoben Aminosäuren weisen zu den zentralen Helices , die Außenseite des Bündels ist polar. Das Bild unten zeigt die genau zur Hälfte hydrophobe Helix C6.

Die carboxyterminale oder kanalbildende Domäne ist der eigentlich aktive Teil des Colicins. Ein einziges Colicinmolekül reicht aus, um die geschädigte Zelle zu einer tödlichen ATP-verbrauchenden Pumpaktion zum Ausgleich herausdiffundierender Ionen zu veranlassen.

Die hier gezeigte Gesamtstruktur des Proteins entspricht der Form, wie sie von den Produzentenzellen exportiert wird und den ersten Kontakt mit dem Rezeptor Cir hat. In dieser Form kann das Protein nicht ohne Umfaltung das Porin passieren. Für die Integration der C-Domäne in die Cytoplasmamembran muß diese Domäne eine andere Tertiärstruktur annehmen. Aus einer Reihe anderer Experimente kann dieser Vorgang rekonstruiert werden: Die C-terminale Region bindet zunächst elektrostatisch an die Membran. Negativ geladene Membranen werden bevorzugt, da in dieser Domäne an der Oberfläche basische (= positiv geladene) Aminosäuren überwiegen (rot = positiv, blau = negativ geladen). Während die Helices C2-C7 an die Membran binden, werden die hydrophoben Helices C8 und C9 in die Membran inseriert. Es gibt Hinweise darauf, daß anschließend die Helices C2-C5 auf der cytoplasmatischen Seite der Membran liegen und C6 und C7 in die Membran eingelagert werden, die genaue Orientierung ist jedoch noch nicht bekannt.

Literatur:
M Wiener et al, Crystal structure of colicin Ia, Nature 385 (1997) 461-464
RM Stroud et al, Ion-channel-forming colicins, Curr. Opin. Struct. Biol. 8 (1998) 525-533
CJ Lazdunski et al, Colicin import into Escherichia coli cells, J. Bacteriol. 180 (1998) 4993-5002