Beta-Lactamase
Zusatzinformationen
Antibiotikaresistenzen werden u.a. auch in molekularbiologischen Klonierungsexperimenten genutzt. Wenn zum Beispiel ein Vector in einen Organismus eingeschleust wird (Transformation), so hilft ein auf dem Vector kodiertes Antibiotikaresistenzgen, solche Zellen zu erkennen, die diesen Vector aufgenommen haben. Es können nur die Zellen im Experiment überleben, die eine Antibiotikaresistenz besitzen.
Im Versuch über die Integrase und das Integron lernen Sie, dass verschiedene Resistenzen in einem Bakterium gesammelt werden können. In einem solchen Fall entstehen "Multiresistenzen". Im klinischen Bereich muss also vor einer entscheidenen Antibiotika-Therapie die Empfindlichkeit eines Bakterienstammes gegenüber verschiedenen Antibiotika getestet werden. Dazu werden so genannte Antibiogramme erstellt.
Penicilline und Cephalosporine machen den größen Teil der eingesetzten Antibiotika aus. Daher sind beta-Lactamasen sehr wichtige Enzyme bei der Betrachtung der Resistenzmechanismen. Die Wirksamkeit oder die Resistenz gegen verschiedene Antibiotika wird bei einem Testbakterium mit einem Antibiogramm ermittelt.
Um die Wirksamkeit der Penicilline trotz der beta-Lactamasen wieder herzustellen, werden gleichzeitig mit den Penicillinen Hemmstoffe der beta-Lactamasen verabreicht. Ein solcher Hemmstoff ist Clavulansäure.
Abbildung 1: Strukturformel von Penicillinen (links) und vom Kaliumsalz der Clavulansäure (rechts).
Beta-Lactamase Hemmstoffe wie Clavulansäure sind strukturanaloge Substanzen, die jedoch fester an das Enzym binden als Penicillin. Dadurch wird die beta-Lactamase-Aktivität gehemmt. Ein weiterer beta-Lactamase-Hemmstoff ist Sulbactam. Der Einsatz der beta-Lactamasehemmstoff kann gesundheitlich bedenklich sein (pdf-Datei 190 KB, deutschsprachig).
Reaktion
In der beta-Lactamase-Reaktion (EC 3.5.2.6) entsteht Penicillinsäure.
Abbildung 2: Reaktion der beta-Lactamase mit Penicillin G.
Diese Säurebildung kann mit pH-Indikatoren nachgewiesen werden. Ein geeigneter pH-Indikator ist Phenolrot.
Abbildung 3: Phenolrotreaktion. Links die basische (rote) Form, rechts die saure (gelbe) Form.
Eine Nachweisreaktion nur auf den Farbumschlag eines pH-Indiaktors zu gründen, ist unspezifisch. Daher wurden für den beta-Lactamase-Nachweis spezifischere Reaktionen entwickelt. In einer dieser chromogenen Reaktionen wird Nitrocefin als Cephalosporin-ähnliche Verbindung eingesetzt. Der Nachweis kann als Teststreifen von der Firma BD (Katalog-Nr 231749) bezogen werden.
Abbildung 4: Strukturformel von Nitrocefin. Nach der Hydrolyse des beta-Lactamrings durch die beta-Lactamase entsteht eine gelbliche Verbindung.
Vorkommen
Beta-Lactamasen kommen in Gram-positiven (z.B. Bacillus cereus, Bacillus subtilis) und Gram-negativen Bakterien vor. Unter anderen wegen ihrer Antibiotikaresistenzen sind einige dieser Bakterien als so genannte S2-Organismen klassifiziert und damit für den Schulunterricht ungeeignet.
Das Enzym, manchmal auch als Penicillin-bindendes Protein (PBP) bezeichnet, wird unterschiedlich stark ausgebildet. Biochemische Eigenschaften zum Enzym können unter der EC 3.5.2.6 zum Beispiel in der Brenda-Datenbank oder bei ExPASy gefunden werden.
Abbildung 5: Darstellung der 3D-Struktur der beta-Lactamase aus E. coli. Das Enzym liegt als Dimer vor, an das jeweils Penicillin gebunden ist.
Der E. coli Stamm DH5-alpha hat keine beta-Lactamase. Er kann also nicht auf ampicillin-haltigen Agarplatten wachsen. Wird jedoch ein Plasmid wie pUC18 in diesen Stamm eingeschleust, dann kann das transformierte Bakterium auf solchen Agarplatten wachsen. Folglich kodiert ein Gen (apr) auf dem Plasmid für die beta-Lactamase. Davon können Sie sich überzeugen, indem Sie pUC18 isolieren und in den plasmidfreien, ampicillin-sensitiven E. coli Stamm transformieren.