Structure determination of peptides with antimicrobial action

Abstract

Peptidantibiotika aus drei verschiedenen Familien wurden durch röntgenkristallographische Methoden untersucht. Es konnten bis atomarer Auflösung streuende Kristalle aus den Peptaibol-Antibiotika Cephaibol A, B und C erhalten werden, und die Raumstrukturen wurden dementsprechend aufgeklärt. In allen drei Fallen nahmen die Peptidketten eine helikale, am zentralen Hydroxyprolin gebeugte Konformation an. Die Überlagerung der Moleküle zeigt, dass die N-terminale Helix starr, während die C-terminale wesentlich flexibler ist. Obwohl die räumlichen Strukturen sich nur geringfügig unterscheiden, ist die Anordnung von Wasserstoffbrücken deutlich verschieden; nur beim Cephaibol C konnte aus der Kristallpackung die Bildung eines Membrankanals interpretiert werden, die für die biologische Aktivität ein typisches Merkmal sein soll.Die Kristallisation von Feglymycin, einem einzigartigen Antibiotikum bezüglich seiner Aminosäuresequenz und seinem antibakteriellen Spektrum, führte zu zwei Kristallformen. In beiden Fallen bildet das Peptid identische asymmetrische Dimere mit einer antiparallelen, doppelsträngigen Doppel-β9.0-Helix, die dem Membrankanal-Peptid Gramicidin ähnelt. Der Feglymycin-Kanal ist jedoch von zwei Phenylalanin-Seitenketten gesperrt und möglicherweise zu kurz, eine biologische Membran zu überspannen. Die Dimerstruktur wird von zahlreichen Wasserstoffbrücken stabilisiert und ist wahrscheinlich starr. Mit Sicht auf die Struktur könnte Feglymycin eher als ein unspezifischer Enzyminhibitor wirken denn als Membrankanal.Friulimicin und Tsushimycin gehören zu Lipopeptid-Antibiotika. Obwohl zwei Kristallformen von Friulimicin erhalten wurden, konnte das Phasenproblem in keinem Fall gelöst werden. Im Gegensatz dazu ermöglichten die bis zu hoher Auflösung streuenden Tsushimycin-Kristalle die Strukturlösung durch ab initio direkte Methode. Die asymmetrische Einheit enthält 12 Moleküle, die jeweils ein Ca2+-Ion binden, das eine wichtige Rolle in der Stabilisierung der Raumstruktur zu spielen scheint. Die Moleküle bilden Dimere mittels zusätzlicher Ca2+-Ionen. Die Kristallpackung eifert der Struktur einer Micelle nach, indem die Moleküle polare und apolare Hohlräume trennen. Der antibakterielle Wirkungsmechanismus konnte aus der Struktur nicht eindeutig festgestellt werden, aber vieles deutet darauf hin, dass das Antibiotikum nicht in die bakterielle Zelle gelangen kann, sondern an der Oberfläche wirkt.