Eisentransportsystem in der äußeren Membran
von Escherichia coli

Alle Organismen brauchen Eisen als Spurenelement. Eisen ist auf der Erde weit verbreitet - aber in aeroben Lebensräumen fast ausschließlich in wasserunlöslicher Form. Am Anfang der Nahrungskette ist die Eisenversorgung daher ein grundsätzliches Problem. Von Mikroorganismen wird Eisen in Form von Chelaten aufgenommen, wobei die Chelatbildner (Siderophore) in Form organischer Moleküle in die Umgebung sezerniert werden. Der Aufnahme der Eisenkomplexe dienen aktive Transportsysteme, die aus Effizienzgründen bei Gram-negativen Bakterien in der äußeren Membran wirken. Hier gibt es das nächste Problem: aktiver Transport braucht Energie, die aber nur an der Cytoplasmamembran zur Verfügung steht.

Enterobactin

Als Eisenfänger scheidet Escherichia coli die Substanz Enterobactin (ein zyclischer Triester aus 2,3-Dihydroxybenzoylserin) aus. Es bindet Fe³⁺ mit einer Bindungskonstante von 10⁴⁹ (das ist ein Faktor von 10 mehr als für in Oxid gebundenes Eisen) mit sechs Sauerstoffatomen. Das eisenhaltige Enterobactin wird durch das Transportprotein FepA (ferric enterochelin/enterobactin permease) in das Periplasma befördert. Von dort geht es über ein ABC-Transportsystem weiter in das Cytoplasma. Die Energie für den Transport durch die äußere Membran muß aus der Cytoplasmamembran dorthingeleitet werden. In der Cytoplasmamembran sind die Proteine ExbB und ExbD verankert (excretion of inhibitor of colicin B), die elektrochemische Energie des Protonengradienten an TonB (bacteriophage T one resistance) weitergibt. TonB erfährt eine Konformationsänderung, die ihrerseits Konformationsänderungen in FepA auslöst. FepA ist ein großes beta-Faß, in dessen Hohlraum die Bindestruktur für das Siderophor angeordnet ist. Am Aminoterminus ragt eine Kette von 18 Aminosäuren mit der TonB-Bindesequenz aus FepA heraus.

Ferrichrom mit Fe3+

Ein weiteres Siderophor-Transportprotein in der äußeren Membran ist spezifisch für einen Chelatbildner, der von einem Pilz in die Umgebung abgegeben wird, das Ferrichrom. Ferrichrom ist aus Glycin und Ornithin aufgebaut. Das Transportprotein, FhuA (ferric hydroxamate uptake protein component A), ist sehr ähnlich zu FepA aufgebaut.

FhuA wird im Krieg der Mikroben auch für andere Zwecke mißbraucht: es ist die Eingangspforte für die DNA einiger Phagen (T1, T5, Phi80, UC-1) und Toxine (Colicin M, Microcin 25), worauf die genetischen Namen für die assoziierten Energieüberträger Ton und Exb schon hindeuten. Auch das zum Ferrichrom strukturverwandte Antibiotikum Albomycin wird durch FhuA transportiert.

FhuA konnte mit und ohne gebundenes Siderophor kristallisiert werden, die Strukturdaten wurden von zwei Arbeitsgruppen gleichzeitig publiziert.