Wie die Proteinfabriken der Zelle funktionieren

Auf der Baustelle des Lebens

Die Aminosäurenkette (gelb) verlässt das Ribosom (blau) und wird durch einen Faltungshelfer, das Chaperon (rot), von einer zweidimensionalen Kette in eine dreidimensionale Struktur gefaltet. Bild vergrößern
Die Aminosäurenkette (gelb) verlässt das Ribosom (blau) und wird durch einen Faltungshelfer, das Chaperon (rot), von einer zweidimensionalen Kette in eine dreidimensionale Struktur gefaltet.

Die Entdeckung des Tuberkulose-Bazillus durch Robert Koch 1882 (siehe auch BIOMAX 19) war ein Meilenstein im Kampf gegen die Seuche. Aber bei der Suche nach einem wirksamen Heilmittel blieb ihm der Erfolg verwehrt. Tatsächlich musste mehr als ein weiteres halbes Jahrhundert vergehen. Anfang der 1940er-Jahre wurde Selman Waksman, Direktor des Instituts für Mikrobiologie an der Rutgers University in New Jersey, USA, von einem Farmer aufgesucht, dessen Hühner an einer Infektion litten, ausgelöst offenbar durch kontaminierte Erde. Waksman untersuchte die mitgebrachten Bodenproben und stellte fest, dass sich in diesen eine Substanz mit keimtötenden Eigenschaften befand. Im Oktober 1943 gelang es ihm und seinen Mitarbeitern Albert Schatz und Elizabeth Bugie, aus dem Bodenbakterium Streptomyces griseus den Wirkstoff Streptomycin zu isolieren - das erste Antibiotikum gegen Tuberkulose!

Antibiotika sind eigentlich natürliche von Pilzen oder Bakterien stammende Stoffwechselprodukte, die schon in geringer Konzentration das Wachstum anderer Mikroorganismen hemmen oder diese abtöten. Sie werden von ihren Produzenten bei ungünstigen Umweltbedingungen ausgeschieden, um Nahrungskonkurrenten auszuschalten und damit die eigenen Überlebenschancen zu verbessern. Der Produzent ist in vielen Fällen spezifisch resistent gegen das von ihm selbst erzeugte Antibiotikum oder fährt seine Stoffwechselaktivitäten zurück, sodass er durch das Antibiotikum nur wenig geschädigt werden kann. Die Entdeckung und Anwendung von Antibiotika sind ein Meilenstein in der Medizingeschichte. Sie zählen heute zu den weltweit am häufigsten verschriebenen Medikamenten. Im Labor von Selman Waksman wurden neben Streptomycin eine ganze Reihe weiterer Antibiotika entdeckt, u.a. Actinomycin, Clavacin, Streptothricin, Grisein, Neomycin, Fradicin, Candicidin und Candidin. Für diese Arbeiten auf dem Gebiet der Antibiotika-Forschung wurde der Amerikaner 1952 mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet.

Um Wirkung zu erzielen, muss das Antibiotikum ein zentrales Element im Stoffwechsel des zu attackierenden Organismus angreifen können. Je universeller der Aufbau dieser Zielstruktur ist, desto breitbandiger wirkt das Antibiotikum. So hemmen einige Substanzen die Zellwandsynthese von Bakterien, andere die DNA-Replikation oder aber die Proteinbiosynthese. Penicillin beispielsweise unterbindet den Aufbau der Zellwand, indem es jene Enzyme (Transpeptidasen) blockiert, die die Polysaccharid-Ketten miteinander verknüpfen, aus denen die bakterielle Zellwand aufgebaut wird. Dadurch zerfällt die Zellwand und die angegriffenen Bakterien werden zerstört. Penicillin wirkt also bakterizid (Bakterien abtötend). Rifampicin dagegen heftet sich an RNA-Polymerasen und deaktiviert diese. Da die Enzyme u.a. verantwortlich sind für den Aufbau der Boten-RNA (mRNA), die die Bauanleitung für Proteine tragen, kommt auf diese Weise der Stoffwechsel der angegriffenen Zelle zum Stillstand. Das Antibiotikum wirkt also in erster Linie bakteriostatisch - die Bakterien werden an der Vermehrung gehindert, aber nicht abgetötet. Streptomycin wiederum heftet sich an die Ribosomen, die Proteinfabriken in der Zelle. Die Proteinbiosynthese findet zwar nach wie vor statt, es entstehen aber Proteine mit zahlreichen Fehlern, die das Bakterium nur eingeschränkt nutzen kann. Weil darüber hinaus Seiteneffekte zu einer Zerstörung der DNA führen, wirkt das Antibiotikum ebenfalls bakterizid. Trotzdem erwies sich Streptomycin nicht als ideale Waffe gegen Tuberkulose, denn neue Generationen des Tuberkelbazillus entwickelten rasch eine Resistenz.

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