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Vibrio cholerae produziert ein Toxin vom AB-Typ, das im Darm zu massiven Flüssigkeitsausscheidungen führt. Das Holotoxin (Choleragen) ist ein Heterohexamer mit der Zusammensetzung AB₅ (M_r 85620). Das B-Pentamer (Choleragenoid) bindet spezifisch an einen Glycolipid-Rezeptor (Gangliosid) auf intestinalen Epithelzellen. Die A-Untereinheit wird gespalten und der katalytisch wirksame aminoterminale Teil in einem noch nicht aufgeklärten Mechanismus in die Zelle geschleust. Dort wird NAD gebunden und damit ein mit der Adenylatcyclase assoziiertes GTP-Bindeprotein ADP-ribosyliert.

Das Bild links zeigt ein Drahtmodell des Holotoxins (alle chemischen Bindungen zwischen nicht-Wasserstoff-Atomen sind durch Striche symbolisiert). Zur Verdeutlichung von Strukturelementen werden die Proteinketten individuell gefärbt

Untereinheit A
Untereinheit B1
Untereinheit B2
Untereinheit B3
Untereinheit B4
Untereinheit B5

Zur Vereinfachung wird die Darstellung der Seitenketten der Aminosäuren weggelassen und stattdessen eine Verbindungslinie der C_alpha-Atome gezeichnet

A-Untereinheit
B-Untereinheiten

Die A-Untereinheit wird als Protein von 240 Aminosäuren synthetisiert und von einer bakteriellen Protease zwischen Arg₁₉₂ und Ser₁₉₄ gespalten. In dem hier untersuchten Kristall sind die Ketten A1 (1-192) und A2 (196-240) sichtbar. Eine Disulfidbrücke zwischen Cys₁₈₇ und Cys₁₉₉ hält A1 und A2 kovalent zusammen. Die Reduktion dieses Cystines ist Voraussetzung für eine Freisetzung des katalytisch aktiven Teils A1. Im Komplex liegt das Fragment A2 in einer flachen Furche von A1 . In dieser Furche (die Oberfläche des Proteins ist für diesen Teil markiert) gibt es zahlreiche hydrophobe Kontakte zu A2, was den Zusammenhalt stabilisiert.

Im Protein A1 können mehrere Bereiche unterschieden werden. Die ersten 132 Aminosäuren bilden eine globuläre Domäne , die zwei dreisträngige antiparallele Faltblätter und einige kurze helicale Bereiche enthält . In diesem Bereich liegt das aktive Zentrum der ADP-Ribosyltransferase . In der hier markierten Furche liegen die an der Katalyse beteiligten Ser₆₁ und Glu₁₁₂ .

Ein weiterer globulärer Teil enthält die 31 carboxyterminalen Aminosäuren von A1 . Dieser Teil des Moleküls ist stark hydrophob und enthält sechs Prolinreste .

Die beiden globulären Bereiche werden durch eine Brücke aus den Aminosäuren 133 bis 161 verbunden . Zwischen dem Stickstoff des aminoterminalen Asn₁ und dem Carbonylsauerstoff von Leu₁₅₃ gibt es eine Wasserstoffbrücke , die die an sich flexible Struktur stabilisiert.

Die Proteinkette A2 bildet eine durchgehende Helix, die lediglich an einer Stelle um 52° geknickt ist . Diese in sich starre Kette verankert die katalytische Untereinheit in dem B-Pentamer , der abgeknickte Teil der Helix liegt in der zentralen Pore zwischen den B-Untereinheiten und wird dort durch die umgebenden Helices fixiert. Die letzten vier Aminosäuren (Lys Asp Glu Leu) am Carboxylende von A2 entsprechen der Erkennungssequenz zur Retention von Proteinen im Endoplasmatischen Retikulum (KDEL-Motiv).

Es gibt einige Wasserstoffbrücken zwischen Argininen in A1 (R143, R148) und Threonin/Glutamat in B (T78, E79) . Wegen der rotationssymmetrischen Anordnung der B-Untereinheiten ist eine Rotation der A-Untereinheit gegenüber B möglich.

Die zentral gelegenen Helices im B-Pentamer bilden einen Kanal von 11 Å Durchmesser auf der A zugewandten Seite und 16 Å Durchmesser and der Membran-Bindeseite . In die Pore ragen die Seitenketten von Aminosäuren mit alternierend positiver und negativer Ladung . Dadurch sind interhelicale Salzbrücken möglich, ohne den Kanal netto zu laden.

Außer der langen Helix zur Pore hin (und einer kurzen aminoterminalen Helix) enthalten die B-Untereinheiten zwei dreisträngige Faltblätter . Die beta-Stränge sind so orientiert, daß mit benachbarten Untereinheiten durchgehende Faltblätter gebildet werden:

Das B-Pentamer erkennt zur Bindung auf der luminalen Seite von Darm-Epithelzellen das Glycosid-Motiv Gal-Nga-Gal-Glc-Sia:

An der Bindung sind die Aminosäuren Glu₁₁, Tyr₁₂, His₁₃, Asn₁₄, Glu₅₁, Gln₅₆, His₅₇, Gln₆₁, Trp₈₈, Asn₉₀ und Lys₉₁ beteiligt .

Literatur:
R-G Zhang et al, The 2.4Å crystal structure of cholera toxin B subunit pentamer: choleragenoid, J. Mol. Biol. 251 (1995) 550-562
R-G Zhang et al, The three-dimensional crystal structure of cholera toxin, J. Mol. Biol. 251 (1995) 563-573