Eisen

Funktionen:

Eisen spielt als Makronährelement,  Hauptbestandteil von Cytochromen und Eisen-Schwefelproteinen, welche an Zellatmung und Elektronentransport beteiligt sind, eine wichtige Rolle bei allen Lebewesen. Wichtige Enzyme mit Eisenkernen sind Katalasen, Peroxidasen welche schädliche Radikale Abbauen, Oxygenasen und alle Nitrogenasen. Da Eisen von den meisten Mikroorganismen benötigt wird, bieten für pathogene Mikroorganismen unerreichbare organische Eisenkomplexe Schutz vor Infektionen. In größeren Mengen vorhanden, kann es auch für chemolithotrophe Eisenbakterien wie z.B. Gallionella bei biologischem oder Thiobacillus ferroxidans bei tiefem Ph, an Erzlagerstätten und an Quellen, wo Fe(II)-haltiges Grundwasser in aerobe Bereiche gelangt, als Energiequelle oder in anaerober Umgebung als Elektronenakzeptor dienen.

Verfügbarkeit:

Obwohl es das vierthäufigste Element auf der Erdkruste ist, ist es nicht immer leicht zugänglich. Unter den durch die Photosynthese entstandenen aeroben Bedingungen oxidiert es zu Fe(III) in kaum löslichen Präzipitate wie Hydroxide und Carbonate. Die Löslichkeit von dreiwertigem Eisen nimmt bei niederem Ph zu. Eisen-(III) fungiert für chemoorgano- und lithotrophe Bakterien als Elektronenakzeptor, als Alternative zum Sauerstoff der Aerobier, und wird daher zu Fe(II) reduziert. Aber auch mikrobiologische Endprodukte wie H2S und Huminsäuren führen zu chemischer Reduktion von dreiwertigem Eisen.

Nach Beginn der Oxygenierung der Atmosphäre war Diffusion als Aufnahmeweg nicht mehr ausreichend. Pro- und Eukaryonten synthetisieren organische Komplexe wie Siderophore, verfolgen aber auch andere Strategien um ihren Eisenbedarf zu decken. Heute liegt ein großer Anteil des für Lebewesen verfügbaren Eisens in Form von organisch gebundenen Liganden vor, z.B. 99% des gelösten Fe im Ozean.

Aufnahme:

Siderophore (Eisenträger):

Kleine (bis 1500 Da) wasserlösliche Chelatbildner mit hoher Affinität für Fe3.

Die Komplexbildungskonstante Kf ist ein Maß für die "Stärke" der Bindung zwischen Siderophor und dreiwertigem Eisen:

Bei den hocheffektiven Siderophoren unterscheidet man zwei Klassen:

Hydroxamat: z.B. Aerobactin (Kf=10²³),

Ferrichrome, Ferrioxamine und        Rhodotorulsäure.

Dieser Sid.-Typ kommt häufig bei "höheren Mikroorganismen" vor.

Catecholat: Phenolische Komplexe.

z.B. Enterobactin (Kf=10⁴⁹), Para-. u. Agrobactin.

Oft können Mikroorganismen neben selbst produzierten auch Siderophore anderer Lebewesen aufnehmen: z.B besitzt Ps. aeruginosa Membranrezeptoren für acht Siderophore, synthetisiert selbst aber nur zwei. E. coli. besitzt u.a. auch einen Rezeptor für Ferrichrom, ein von Pilzen, wie z.B. Ustilago, stammendes Siderophor.

Steuerung der Siderophor-Synthese und Eisenaufnahme mit Enterobactin am Beispiel von E. coli:

Die Produktion von Siderophorkomplexen für die Eisenaufnahme wird

bei E. coli (u.v.a.) vom fur-Protein (ferric uptake regulation) gesteuert. fur ist ein Repressorprotein das Fe(II) als Corepressor verwendet.

Das mit Eisen beladene Enterobactin wird durch das Transportprotein FepA in das Periplasma befördert. Von dort geht es über ein ABC-Transportsystem weiter ins Cytoplasma. Das ABC-System benötigt Energie. In der Cytoplasmamembran sind Proteine (ExbP und ExbD) verankert, die Energie aus dem Protonengradienten an TonB weiter gibt, welches eine Konformationsänderung erfährt welche wieder Konformationsänderungen in FepA (einem fassförmigem Protein) verursacht welches das Eisenatom (in diesem Fall mit Siderophorkomplex) ins Zellinnere weiterleitet.

Andere Aufnahmewege:

Saccharomyces cerevisie produziert keine Siderophore besitzt aber Aufnahmemechanismen für Xenosideriophore. Ausserdem hat S. cer. membrangebundene Ferrireduktasen an ihrer äußeren Zellmembran, d.h. sie reduziert Fe(III) zu Fe(II) bevor sie es in löslicher Form aufnimmt.

Viele Lactobacilli können ohne Eisen leben. Sie verwenden Enzyme mit anderen metallischen Elementen als Zentren, z.B. Cobalt und Mangan.

Nachweis von Siderophoren

Bioassays: z.B. CAS-assay (chrome azurol S): Ein farbiger Eisen-Indikator-Komplex wird je nach Stärke des Siderophores mehr oder weniger entfärbt.

Bedeutung von Eisen bei Infektionen:

Infektionen von Bakterien:

Aufnahmemechanismen von Siderophoren können auch zweckentfremdet werden:

Das Ferrichromaufnahmesystem (Ferrichrom ist ein pilzliches Siderophor) von E.Coli wird von den Bakteriophagen T1, T5 und Phi80 für den Einbau ihrer DNA ins Bakteriengenom verwendet.

Aber auch die Toxine Colicin M und Microcin 25 und das Antibiotikum Albomycin gelangen über dieses Transportprotein FhuA (=Ferric hydroxamate uptake protein, es entspricht dem FepA für Enterobactin bei E. coli) in die Bakterienzelle.

Eukaryontische Eisenspeicherung, pathogene Mikroorganismen und medizinische

Aspekte:

Fe(II) ist zwar wasserlöslich wäre aber in größeren Mengen im Organismus gefährlich, weil es in Gegenwart von Sauerstoff zur Bildung von Radikalen kommt, die u.a. Lipide, Proteine und Nukleinsäuren schädigen. Der Mensch kann nur ein bis 2 mg aufgenommenes Eisen pro Tag über Urin ausscheiden. Akute Belastungen entstehen z.B. bei Bluttransfusionen. Desshalb wird den Patienten zusätzlich zum Blut ein Siderophor der Streptomyceten, das Desferrioxamin, injiziert welches mit starker Affinität an Fe bindet und dann langsam über den Harn ausgeschieden werden kann. Leider ist dieser Komplex auch für andere Mikroorganismen (Mucor) zugänglich und erhöht die Gefahr einer Mykose.

Ausserdem wäre Fe(II) für pathogene Mikroorganismen leicht zugänglich.

Kinder die Eisenpräparate erhielten hatten ein erhöhtes Infektionsrisiko.

Daher wird Eisen hier in Form von im Vergleich zu Siderophoren (bis 1,5kDa) sehr großen, für Prokaryonten schwer zugänglichen, Molekülkomplexen (z.B.:Ovotransferrin: 80kDa) gespeichert. Durch sie ist freies Eisen im menschl. Körper nur mehr in Konzentrationen von 10^-12 µMol/L (Mo. brauchen 0,4 - 1µMol/L) vorhanden. Es handelt sich damit um ein nicht spezifisches Immunsystem.

Transferrine (z.B.:Ovo-, Serum- und Lactotransferrine) transportieren neben Eisen (log Kf=20) auch andere Spurenelemente wie u.a.  Cr, Al, Cu, Co.

Ferretin dient bei Tieren und Pflanzen als Eisenspeicher.

Pathogene Mikroorganismen können Eisen von Wirtsproteinen beziehen:

Neisseria Meningitidis, N. gonorrhoae und Haemophilus influenzae sind mit Aufnahmerezeptoren für Wirtseisentransportproteine ausgestattet.

Pathogene E. coli Stämme produzieren häufig Aerobactin.

Bestimmte Listerien und Legionellen  reduzieren ähnlich wie Sac. cer. Fe(III) zu Fe(II).

Serratia marcescens synthetisiert  Haemophoren, Chelatoren für Häm und Hämoglobin. Eine Möglichkeit besteht auch im gezielten Auslösen des Zelltotes von Wirtszellen durch Toxine. Durch die Autolyse der Wirtszellen wird das gebundene Eisen freigegeben. Oft wird die Toxinproduktion vom fur Repressorprotein gesteuert.