Cellemembraner

Der er mange forskelle mellem den bakterielle og humane celle og celleoverflade. Disse forskelle har betydning for, hvordan antimikrobielle peptider (AMP’er) tiltrækkes cellen, og deres evne til dernæst at lave huller i cellemembranen. Bakterieceller tilhører gruppen af prokaryote celler, dvs. celler uden en cellekerne, hvorimod humane celler er eukaryote celler, der har en cellekerne. For at få en forståelse for hvorfor de fleste AMP’er i højere grad tiltrækkes bakterielle celler end menneskets celler, ser denne artikel nærmere på den biologiske cellemembran og forskellen på prokaryoters og eukaryoters overflade.

Biologiske cellemembraner består af lipider (fedtstoffer). Lipider i membraner indeholder både en hydrofob og en hydrofil del. Man siger, at lipiderne består af et hydrofilt ”hoved” og en hydrofob ”hale” (Figur 8). Når lipiderne går sammen og danner en membran, vil deres hydrofobe ”haler” interagere med hinanden, hvorved membranen får et hydrofobt indre, mens de hydrofile ”hoveder” vender ud mod det vandige miljø, som findes udenfor og indeni cellen. På grund af tilstedeværelsen af både hydrofobe og hydrofile regioner er membranlipiderne amfifile molekyler.

Figur 8. Den biologiske cellemembran består hovedsageligt af fosfolipider, der befinder sig i en dobbeltlagsstruktur.

 

I forhold til AMP’er er det den hydrofile del af cellemembranen, der er interessant at se nærmere på. Dette skyldes, at det er den hydrofile del af lipiderne, der vender ud mod omgivelserne, og det er derved denne del af cellemembranen, som AMP’er skal vekselvirke med. Den hydrofile del er afgørende for, om AMP’er virker på bakterier eller mennesker.

Den mest grundlæggende egenskab af lipiderne, der findes i cellemembranen, er, at de er amfifile. Den hydrofobe del kan have varierende længde og bestå af et varierende antal dobbeltbindinger. Den hydrofile del indeholder ladede grupper, f.eks. fosfat (PO4–), som er negativt ladet, eller ammoniak (NH3+), som er positivt ladet. Cellemembraner vil have forskellige overordnede ladninger alt afhængigt af antallet af positivt og negativt ladede grupper. Hvis der eksempelvis kun er en negativ fosfatgruppe i de lipider, der opbygger en given membran, vil membranen være negativ. Hvis der derimod både er en fosfatgruppe (-1 i ladning) og en ammoniakgruppe (+1 i ladning) i lipiderne, vil membranen være neutralt ladet. Lipider, der både indeholder en positivt ladet gruppe og en negativt ladet gruppe, men har en samlet ladning på 0 (neutrale lipider), kaldes zwitterioniske lipider.

Den mest udbredte gruppe af membranlipider indeholder en fosfation i det hydrofile hoved, enten alene eller sammen med en anden ion. Denne gruppe af lipider kaldes fosfolipider. Fosfolipiderne ses i en dobbeltlagsstruktur i figur 8 og deres generelle struktur, samt eksempler på forskellige slags fosfolipider, er vist i figur 9.

Diversiteten i lipidernes opbygning er afgørende for, om AMP’er virker på en given organisme. De lipider, der findes i den prokaryote membran, er primært negativt ladede, mens de der findes i den eukaryote membran ofte er neutralt ladet (Figur 9). Det skal understreges, at der hos begge celletyper findes et væld af andre lipider, men de i figur 9 nævnte udgør størstedelen af membranernes lipidindhold og er derfor bestemmende for membranens ladning.

Udover cellemembranen har bakterieceller en cellevæg, der ikke ses hos humane celler. Bakteriers cellevæg består af molekylet peptidoglykan (figur 10). Cellevæggen hos Gram-positive mikroorganismer består af et relativt tykt lag peptidoglykan, hvori der sidder teichoidsyrer, som er negativt ladede. Hos Gram-negative bakterier er cellevæggen noget tyndere, men uden på denne sidder en ekstra membran; den ydre cellemembran. I den ydre cellemembran findes lipopolysaccharid (LPS), der også har en negativ ladning. Heraf ses, at cellevæggen hos både Gram-positive og Gram-negative bakterier repræsenterer en negativ overflade.

Da AMP’er er kationiske, vil de tiltrækkes celleoverflader, der er negativt ladede. AMP’er vil derfor foretrække at binde til en negativt ladet bakterieoverflade frem for en human celleoverflade.

Når kationiske AMP’er nærmer sig cellens overflade og kommer i kontakt med den cytoplasmiske cellemembran, vil de interagere med de negativt ladede “hoveder” på fosfolipiderne. For at AMP’erne kan bore sig ned i cellemembranen og sætte sig dér, skal AMP’erne have en amfifil struktur, hvorved den hydrofile del kan interagere med fosfolipidernes ”hoveder” og de andre AMP’ers hydrofile del, mens den hydrofobe del interagerer med fosfolipidernes ”haler” i den indre del af cellemembranen (se figur 11). På grund af AMP’ers struktur og indhold af hydrofobe aminosyrer kan de indsætte sig i både eukaryote og prokaryote cellemembraner, men idet eukaryote membraner primært består af zwitterioniske lipider med en nettoladning på 0, og prokaryote membraner består af negativt ladede lipider, vil AMP’er tiltrækkes bakterielle cellemembraner i højere grad end humane cellemembraner.

 Figur 9. Strukturen af forskellige fosfolipider

 

Figur 10. Her vises strukturen af peptidoglykan. Peptidoglykanenheder er bundet sammen på kryds og tværs og danner en ensartet struktur omkring bakteriens plasmamembran.

 

 Figur 12. Her ses den generelle struktur af en aminosyre. Sidekæden ’R’ varierer fra aminosyre til aminosyre, og det er derfor denne gruppe, der giver aminosyren sine specifikke karakteristika.

 

Figur 11. Figuren illustrerer den negativt ladede bakterielle membranoverflade, som AMP’er, på det første billede, binder sig til. AMP’erne tiltrækkes den bakterielle cellemembran på grund af deres positive ladning og kan efterfølgende bore sig ned i membranen og sætte sig dér, hvilket ses på det tredje billede.

 

Den hydrofobe del af AMP’er er vigtig for at kunne ødelægge bakterielle cellemembraner, og forsøg har vist, at en betydelig andel af aminosyrerne i peptidkæden (over 30 %) skal være hydrofobiske for at have en effekt. På den anden side kan det være et problem, hvis AMP’er består af for mange hydrofobe aminosyrer, da specificiteten over for bakterielle cellemembraner mindskes. Dette skyldes, at de hydrofobe regioner på peptidet tiltrækkes af hydrofobe regioner på eukaryote cellemembraner. Herved kan man risikere, at cellemembranerne hos de eukaryote celler vil blive ødelagt sammen med eller i stedet for de prokaryote cellemembraner hos bakterierne. Hvis AMP’er har denne effekt på humane celler, siges de at være toksiske over for mennesker. Procentdelen af hydrofobiske aminosyrer i naturligt forekomne AMP’er varierer, men ligger på omkring 40-60 %. De fleste AMP’er i naturen er derved ikke hydrofobe nok til at udvise toksicitet over for mennesker og udviser kun eller næsten kun toksicitet over for bakterier. Toksiciteten af AMP’er over for mennesker måles i form af deres hæmolytiske effekt, dvs. i hvor høj grad de ødelægger røde blodlegemer.

Figur 13. Toksiciteten af AMP’er over for mennesker måles i form af den hæmolytiske effekt, dvs. i hvor høj grad AMP’erne ødelægger røde blodlegemer. Den hæmolytiske proces ses på figuren.

 

Når vi vil benytte AMP’er som lægemidler, er det essentielt, at de udviser selektivitet over for bakterieceller. Med andre ord er det vigtigt, at de hellere vil angribe og dræbe bakterieceller end kroppens egne celler. Denne selektivitet afhænger af flere faktorer. Det er vigtigt, at der er den rette balance mellem hydrofobe og ladede aminosyrer i peptidkæden. Hvis peptiderne er for polære, er der en mindre tiltrækningskraft mellem peptiderne og den bakterielle cellemembran. Hvis peptiderne er for hydrofobe, er de ikke i stand til at skelne ordentligt mellem bakterieceller og humane celler. Når AMP’er består af mange hydrofobe aminosyrer, vil de højst sandsynligt også have en mindre positiv ladning, hvorved chancen for, at de tiltrækkes bakteriemembraner frem for humane cellemembraner, mindskes. De fleste AMP’er udøver deres antibakterielle effekt ved at lave huller i cellemembranen. For at dette er muligt, skal de kunne gennemkrydse hele cellemembranen, hvorved længden af det antimikrobielle peptid skal være omtrent den samme som cellemembranens tykkelse. AMP’ers længde er derved også en vigtig faktor at tage i betragtning. For at gøre membranen gennemtrængelig skal AMP’er strække sig over hele membranen, og de skal have en vis længde for, at dette kan lade sig gøre. Det er derfor et problem, hvis AMP’er er for korte. Forsøg har vist, at AMP’er, der består af færre end 12 aminosyrer, er næsten helt inaktive. Udover AMP’ernes længde, er den antibakterielle effekt oftest større for AMP’er, der har en amfipatisk struktur, når de kommer i kontakt med cellemembranen. Den amfipatiske struktur gør det muligt for peptiderne at bore sig ned i membranen og lave huller i den.

Den bakteriedræbende effekt af AMP’er er hovedsageligt bestemt af deres ladning, længde, hydrofobicitet, amfipacitet og sekundære struktur. Optimering af disse variable kan øge interaktionen mellem AMP’er og den bakterielle plasmamembran. Det er denne optimering, der lægges fokus på, når der skal designes lægemidler på baggrund af naturligt forekomne AMP’er.