Untersuchungen zum Argininstoffwechsel bei Mycobacterium bovis ...

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18 So können sie noch Jahre nach der Infektion zu einer klinischen Erkrankung führen. Daher stellt sich die Frage, wie der Erreger es schafft, ohne Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor die Energieversorgung der Zelle aufrechtzuerhalten. Es gibt andere Bakterienspezies, die ebenfalls als obligate Aerobier beschrieben werden, aber in vivo unter anaeroben Bedingungen vorliegen. Pseudomonas aeruginosa wird häufig aus dem Respirationstrakt von Patienten, die an Cystischer Fibrose leiden, isoliert (VOGT et al. 2001). Bei dieser Erkrankung führen Schleimansammlungen in der Lunge zu einem anaeroben oder zumindest mikroaeroben Milieu. Es konnte gezeigt werden, das P. aeruginosa unter anaeroben Bedingungen durch den so genannten Arginindeiminaseweg (ADI-Weg) in der Lage ist, aus Arginin ATP zu generieren und dieses für sein Wachstum zu verwenden (VANDER WAUVEN et al. 1984). Dabei entstehen aus einem Molekül Arginin ein Molekül Ornithin, zwei Moleküle Ammoniak, ein Molekül CO2 und ein Molekül ATP. Die dafür notwendigen Enzyme sind Arginin-Deiminase (ADI), Ornithin- Transcarbamoylase (OTC) und Carbamat-Kinase (CK). Sie werden durch das Operon arcDABC kodiert. Dabei steht das arcA-Gen für die Arginin-Deiminase, arcB für die Ornithin-Transcarbamoylase und arcC für die Carbamatkinase. Mit diesen Genen assoziiert ist arcD, das für einen membranständigen Arginin-Ornithin- Antiporter kodiert (BOURDINEAUD et al. 1993). Unter mikroaerophilen und anaeroben Bedingungen werden diese Gene verstärkt exprimiert, ebenso bei Depletion von Stickstoff- oder Kohlenstoffquellen (MERCENIER et al. 1980). Abbildung 1: Arginindeiminaseweg bei Pseudomonas aeruginosa (abgewandelt nach Zuniga et al. 2002)
Der Arginindeiminaseweg ist bei vielen Bakterien, zumindest teilweise, vorhanden. Das erste Enzym, die Arginindeiminase, die die Umsetzung von Arginin zu Citrullin katalysiert, wurde auch beim anaeroben Protozoen Giardia intestinalis gefunden (KNODLER et al. 1998). Bei höheren Eukaryoten wurden jedoch noch keine Arginin- Deiminase-Gene oder eine Arginin-Deiminase-Aktivität festgestellt. Sie fehlt ebenfalls bei Haemophilus influenzae, Lactobacillus lactis und Staphylococcus aureus. Anderen Bakterien wiederum besitzen das arcA-Gen, aber kein arcC, wie zum Beispiel Borrelia burgdorferi (ZUNIGA et al. 2002). Die Ornithin-Carbamoyl- Transferase ist bei vielen eukaryoten und prokaryoten Organismen bekannt. Sie kann als kataboles Enzym Teil des Arginindeiminasewegs sein, aber auch in einer anabolen Funktion für die Argininsynthese zuständig sein. Manche Bakterien, wie zum Beispiel P. aeruginosa, bilden spezielle Ornithin-Carbamoyltransferasen für jeden dieser Zwecke aus (ZUNIGA et al. 2002). Carbamat-Kinasen wurden ebenfalls in Bakterien und eukaryoten Organismen gefunden, aber sie scheinen nicht immer eine Aufgabe im Arginindeiminaseweg zu erfüllen (ZUNIGA et al. 2002). Bei der Sequenzierung des Genoms von M. tuberculosis (COLE et al. 1998) wurde ein Gen gefunden, das zu 39% homolog zu arcA von P. aeruginosa ist. Es wurde ebenfalls als arcA (Rv1001) bezeichnet. Homologien zu anderen Genen des ADI- Wegs wurden nicht gefunden. 2.4.2. Andere Formen des Argininkatabolismus Neben dem Arginindeiminaseweg gibt es noch andere Möglichkeiten für Bakterien, Arginin abzubauen, von denen die wichtigsten hier erwähnt werden sollen. Im Arginase-Weg wird Arginin zu Glutamat umgesetzt. Dieser Weg ist bei vielen prokaryoten und eukaryoten Organismen untersucht, wie zum Beispiel bei Bacillus subtilis und Bacillus licheniformis (CUNIN et al. 1986). Hier wird die Expression der Enzyme des Arginase-Wegs durch Arginin, Citrullin und Ornithin induziert. Der Arginin-Succinyl-Transferase-Weg wurde zuerst in Aeromonas formicans und in Pseudomonas-Spezies untersucht. Durch ihn wird Arginin zu Glutamat und Succinat abgebaut. Der Arginin-Decarboxylaseweg ist ein weiterer wichtiger Abbauweg für Arginin. Durch ihn wird Putreszin bereitgestellt, das von Bakterien als Stickstoff- und Kohlenstoffquelle verwendet werden kann. Arginin-Decarboxylase-Aktivität wurde 19
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