HÄMOLYSIN: EIGENSCHAFTEN, TYPEN, WIRKMECHANISMEN - BIOLOGIE - 2025

Das Hämolysin ist ein kleines Protein, das Poren in der Zelle von Erythrozyten und einigen anderen eigenen Blutzellen der Säugetiermembran verursacht. Es wird im Allgemeinen von pathogenen Bakterien synthetisiert und ausgeschieden.

Dieses Protein ist eines der häufigsten mikrobiellen Toxine und das am besten untersuchte. Manchmal kann es zu einer hämolytischen Anämie kommen, da die Anzahl der Kanäle, durch die das Zellinnere austritt, sogar eine Zelllyse verursachen kann.

Molekülstruktur eines Hämolysins (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Im Allgemeinen ist Hämolysin ein typisches Toxin von Streptococcus-Arten des Darmtrakts. Seine Funktion ermöglicht es Bakterien, die Epithelbarriere des Darmtrakts zu durchbrechen und sich so durch den Blutkreislauf zu bewegen, um andere Gewebe zu besiedeln.

Die häufigste Form, in der Hämolysin in der Natur vorkommt, ist die α-Hämolysinform. Dieses Protein ist einer der wichtigsten Virulenzfaktoren der meisten Escherichia coli-Stämme und einiger Clostridien.

Die meisten Harnwegsinfektionen werden durch Escherichia coli-Stämme verursacht, die α-Hämolysin mit hämolytischen Eigenschaften produzieren.

Die Produktion von Hämolysin und Bakteriocin in Bakterienstämmen wurde mit einem Konkurrenzmechanismus gegen die anderen Spezies in Verbindung gebracht, und die Produktion beider Toxine scheint von denselben genetischen Determinanten im Genom von Bakterien abzuhängen.

Eigenschaften

Hämolysin besteht aus sieben Untereinheiten und das Gen, das es codiert, hat sieben Promotoren. Diese sieben Untereinheiten setzen sich in die Plasmamembran der Zielzellen ein und bilden beim Zusammenkommen einen Ionenkanal, durch den Metaboliten aus dem Inneren der Zelle entweichen.

Hämolysin ist ein extrazelluläres Calcium (Ca + 2) -abhängiges Zytotoxin, das auf die Plasmamembran von Zellen im Blutkreislauf wirkt. Die Poren, die es in der Membran erzeugt, sind ebenfalls hydrophil und führen dazu, dass Wasser in das Zellinnere eindringt, was zur Lyse führen kann.

Hämolysine sind typische Proteinprodukte von gramnegativen Bakterien und haben alle zwei Eigenschaften gemeinsam:

1- Das Vorhandensein eines sehr kleinen Peptids (Nonapeptids), das aus Wiederholungen der Aminosäuren Glycin und Asparaginsäure besteht. Die Nichtapeptide von Hämolysin befinden sich in der Nähe des C-terminalen Teils der Primärstruktur des Proteins.

2- Alle Hämolysine werden von den Bakterien über einen ABC-Transporter (ATP-Bindungskassette) in die extrazelluläre Umgebung sekretiert.

Die Hämolysinproduktion wird normalerweise in Bakterienstämmen durch Wachstum in Blutagarmedium nachgewiesen. Im Test wird ein hämolytischer Lichthof beobachtet, ein Produkt des Abbaus roter Blutkörperchen in der Nähe der Bakterienkolonien.

Typen

Es gibt verschiedene Arten von Hämolysinen, die am Anfang ihres Namens mit einem griechischen Buchstaben versehen sind. Am häufigsten untersucht und verbreitet sind α-, β- und γ-Hämolysine, die alle vom Stamm Staphylococcus aureus produziert werden.

Die Arten von Hämolysin werden nach dem Bereich der Zellen, die sie angreifen, und nach ihrer Primärstruktur des Proteins klassifiziert.

α-Hämolysin

Dieses Protein ist typisch für Staphylococcus aureus- und Escherichia coli-Stämme; Es befällt Neutrophile, rote Blutkörperchen, Lymphozyten, Makrophagen, adulte und embryonale Fibroblasten. Es interagiert mit den Polköpfen der Plasmamembranlipide dieser Zellen, um einen hydrophoben Schwanz von etwa 5 Ӑ innerhalb der Membran zu internalisieren.

β-Hämolysin

Von Staphylococcus aureus in geringerem Maße als α-Hämolysin produziert, greift β-Hämolysin hauptsächlich rote Blutkörperchen an und gelangt ausschließlich über die sphingomyelinreichen Domänen der Zellmembran in die Membran.

γ-Hämolysin

Es wurde auch bei Staphylococcus aureus gesehen. Es wurde gleichzeitig als hämolytisches Protein und Leukotoxin klassifiziert, da es polymorphkernige Zellen von Menschen, Monozyten, Makrophagen und selten sogar rote Blutkörperchen betrifft.

Diese Art von γ-Hämolysin ist eine der am wenigsten charakterisierten, daher ist ein Großteil ihres Wirkungsmechanismus unbekannt und wurde in vivo nicht untersucht.

Aktionsmechanismen

Der Wirkungsmechanismus, der relativ klar aufgeklärt wurde, ist der von α-Hämolysin. Da es sich jedoch alle um hämolytische Proteine ​​handelt, wird angenommen, dass die meisten Prozesse allen Hämolysinen gemeinsam sind.

Wissenschaftler schlagen vor, dass Bakterien, um Hämolysin in die Umwelt abzuscheiden, sich in einer nährstoffarmen Mikroumgebung befinden müssen. Dies wäre daher ein Mechanismus, der die Zelle dazu veranlasst, die Zielzellen zu zerstören und ihre Nährstoffe zu erhalten.

Der Mechanismus wurde in drei Schritten beschrieben: Zellmembranbindung, Insertion und Oligomerisierung.

Membranbindung

Es wurde gefunden, dass Hämolysine in der Lage sind, an neutrophile Integrine zu binden, und in Erythrozyten wurde gezeigt, dass diese Proteine ​​an glykosylierte Komponenten wie Glykoproteine, Ganglioside und Glykophorine der Zellmembran binden.

Einige Autoren schlagen vor, dass das Vorhandensein von Rezeptoren in der Membran nicht wesentlich für die Bindung von Hämolysinen ist. In jedem Fall ist der Mechanismus der zellulären Wiederaufnahme des Proteins noch nicht genau bekannt.

Durch das Staphylococcus-Hämolysin-Protein gebildete Transmembranporen (Quelle: Ablagerungsautoren: Song, L., Hobaugh, M., Shustak, C., Cheley, S., Bayley, H., Gouaux, JE; Visualisierungsautor: Benutzer: Astrojan über Wikimedia Commons)

Die Wechselwirkung mit der Membran erfolgt in zwei Schritten:

- Anfängliche Bindung (reversibel): Wenn Hämolysin an die Calcium-Bindungsdomänen der Membran bindet. Dieser Schritt tritt an der Oberfläche auf und ist sehr anfällig für elektrostatische Entladung.

- Irreversibler Übergang: Verbindet die Aminosäuredomänen mit den Lipidkomponenten der äußeren Schicht der Plasmamembran der Zielzellen, um physikalische Bindungen zwischen den hydrophoben Verbindungen der Membran zu bilden.

Einbringen von Toxin in die Membran

Α-Hämolysin fügt die Reste 177 und 411 in die erste Lipidmonoschicht ein. In der extrazellulären Umgebung ist Hämolysin mit Calciumionen assoziiert, die eine strukturelle Anordnung in ihm induzieren und zu seiner Aktivierung beitragen.

Diese Insertion konsolidiert die irreversible Anhaftung an die Zellmembran. Sobald die Anordnung erfolgt ist, wird Hämolysin in ein integrales Protein umgewandelt, da experimentell gezeigt wurde, dass der einzige Weg, es aus der Membran zu extrahieren, die Verwendung von Detergenzien wie Triton X-100 ist.

Oligomerisierung

Wenn das gesamte Hämolysin in die Plasmamembran der Zielzellen eingefügt wurde, findet eine Oligomerisierung der 7 Untereinheiten statt, aus denen es besteht, was zur Bildung einer Proteinpore führt, die hochdynamisch ist, jedoch von der Lipidzusammensetzung der Membran abhängt.

Es wurde beobachtet, dass der Oligomerisierungsprozess durch die Mikrodomänen oder Lipidflöße der Zellmembran begünstigt wird. Diese Regionen begünstigen möglicherweise nicht die Bindung des Proteins, aber sie begünstigen die Oligomerisierung desselben, sobald sie inseriert sind.

Je mehr Hämolysine an die Membran binden, desto mehr Poren bilden sich. Darüber hinaus können sich Hämolysine gegenseitig (benachbarte) oligomerisieren und viel größere Kanäle bilden.

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