Infektiöse Makromoleküle: Prionen und Viroide
Prionen und Viroide sind Krankheitserreger ohne Virion: ein fehlgefaltetes Protein ohne Nucleinsäure und eine nackte, ringförmige RNA.
Das Wichtigste in Kürze
- Prionen und Viroide sind infektiöse Makromoleküle ohne vollständiges Virion: Prionen bestehen nur aus Protein, Viroide nur aus RNA.
- Prionen enthalten keine Nucleinsäure, ihre Information steckt in der Konformation des Prionproteins.
- Fehlgefaltetes, β-faltblattreiches \(\mathrm{PrP^{Sc}}\) faltet normales, α-helikales \(\mathrm{PrP^{C}}\) um, es entstehen Aggregate.
- Prionen lösen degenerative Hirnerkrankungen aus und sind vom Tier auf den Menschen übertragbar, etwa BSE zu vCJK.
- Pathogene Prionen werden durch Erhitzen auf 100 °C nicht inaktiviert.
- Viroide sind ringförmige RNA ohne Capsid, kleiner als die meisten Viren und befallen Pflanzen.
Worum es geht
Neben Viren gibt es Erreger, die noch einfacher gebaut sind und trotzdem Krankheiten übertragen. Prionen verursachen tödliche Hirnerkrankungen wie die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit, Viroide befallen Kulturpflanzen. Für die Pharmazie zählt vor allem, dass Prionen übliche Sterilisationsverfahren überstehen.
Infektiös ohne Virion
Ein infektiöses Makromolekül ist ein einzelnes Molekül, das sich in einem Wirt vermehren und auf andere Wirte übertragen lässt. Es braucht dafür keine Zelle und kein vollständiges Viruspartikel. Zwei solche Erreger kennt man: Prionen aus Protein und Viroide aus RNA.
Ein Virus besteht dagegen aus Nucleinsäure und einer schützenden Proteinhülle, dem Capsid. Dieses Partikel heißt Virion. Prionen und Viroide haben jeweils nur einen dieser beiden Bausteine. Dem Prion fehlt die Nucleinsäure, dem Viroid fehlt das Capsid.
Prionen
Prionen sind infektiöse Proteine. Sie enthalten keine Nucleinsäure, also weder DNA noch RNA. Das widerspricht der Erwartung, dass jede Vermehrung eine Erbinformation braucht. Die Information steckt hier nicht in einer Sequenz, sondern in der räumlichen Form des Proteins.
Das Prionprotein (PrP) ist ein körpereigenes Membranprotein, das vor allem in Nervenzellen vorkommt. Als Prion bezeichnet man seine pathogene, fehlgefaltete und übertragbare Form.
Konformationsänderung als Krankheitsprinzip
Die normale zelluläre Form heißt \(\mathrm{PrP^{C}}\). Sie ist überwiegend α-helikal gefaltet und harmlos. Die pathogene Form heißt \(\mathrm{PrP^{Sc}}\), nach der Schafkrankheit Scrapie. Sie hat dieselbe Aminosäuresequenz, aber eine andere Konformation: Sie ist reich an β-Faltblatt. Wie Faltung und Strukturebenen zustande kommen, steht bei der Proteinstruktur.
Diese Konformationsänderung ist an der Entstehung der Krankheitssymptome beteiligt. \(\mathrm{PrP^{Sc}}\) wirkt wie eine Schablone. Lagert sich normales \(\mathrm{PrP^{C}}\) an, faltet es ebenfalls in die pathogene Form um. Man kann sich das wie einen falsch geknickten Papierflieger vorstellen, nach dem jeder neue Flieger gleich falsch gefaltet wird.
- Kontakt: \(\mathrm{PrP^{Sc}}\) bindet an normales \(\mathrm{PrP^{C}}\).
- Umfaltung: \(\mathrm{PrP^{C}}\) geht in die faltblattreiche Form über.
- Aggregation: Die fehlgefalteten Moleküle lagern sich zu unlöslichen Fibrillen zusammen.
- Fragmentierung: Die Fibrillen zerbrechen in Bruchstücke, die als neue Keime weitere Umfaltungen anstoßen.
So vermehrt sich der Erreger, ohne dass ein Gen abgelesen wird. Das Wirtsprotein liefert ständig neues Material. Die Aggregate werden von Proteasen kaum abgebaut und reichern sich im Gehirn an.
Hirnerkrankungen und Übertragung
Pathogene Prionproteine lösen degenerative Hirnerkrankungen aus. Nervenzellen gehen zugrunde, das Hirngewebe wird schwammartig durchlöchert. Man spricht deshalb von spongiformen Enzephalopathien. Beispiele sind Scrapie beim Schaf, BSE beim Rind und die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beim Menschen.
Pathogene Prionen von Tieren sind auf den Menschen übertragbar. Über BSE-belastetes Rindfleisch entstand die neue Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK). Die Erkrankungen verlaufen langsam fortschreitend und enden tödlich.
Erhitzen auf 100 °C inaktiviert pathogene Prionproteine nicht. Selbst übliche Sterilisationsverfahren reichen oft nicht, nötig sind verschärfte Bedingungen wie verlängertes Autoklavieren bei 134 °C oder Behandlung mit Natronlauge.
Der Grund liegt in der stabilen Faltblattstruktur der Aggregate. Anders als bei Viren gibt es keine Nucleinsäure, die durch Hitze oder UV-Licht zerstört werden könnte.
Viroide
Viroide sind das Gegenstück zu den Prionen. Ein Viroid besteht nur aus einem kurzen, ringförmigen RNA-Einzelstrang. Es besitzt kein Capsid und auch keine Hülle. Die RNA liegt also nackt vor.
Der Ring ist kovalent geschlossen. Viele Basen innerhalb desselben Moleküls paaren sich miteinander. Dadurch legt sich der Ring zu einem langen Stäbchen mit kurzen ungepaarten Schleifen zusammen. Diese kompakte Form schützt die RNA vor dem Abbau.
Viroide sind mit wenigen hundert Nucleotiden kleiner als die meisten Viren. Ihre RNA codiert kein einziges Protein. Für die Vermehrung nutzen sie vollständig die Enzyme der Wirtszelle. Manche Viroide schneiden ihre RNA-Kopien mit katalytisch aktiver RNA selbst zurecht, das Prinzip erklärt die Seite zu Ribozymen.
Viroide kommen in Pflanzen vor und sind reine Pflanzenpathogene. Ein bekanntes Beispiel ist das Kartoffelspindelknollen-Viroid. Es verformt die Knollen und mindert den Ertrag.
| Merkmal | Virus | Prion | Viroid |
|---|---|---|---|
| Nucleinsäure | DNA oder RNA | keine | ringförmige ssRNA |
| Capsid | vorhanden | keines | keines |
| Infektiöses Prinzip | Genom wird vermehrt | Umfaltung von Wirtsprotein | RNA wird vom Wirt kopiert |
| Wirte | alle Organismengruppen | Säugetiere einschließlich Mensch | Pflanzen |
Quiz
Aussage 1
Auskochen bei 100 °C reicht aus, um pathogene Prionproteine sicher zu inaktivieren.
Pathogene Prionen überstehen 100 °C. Nötig sind verschärfte Verfahren wie verlängertes Autoklavieren bei 134 °C oder Natronlauge.
Aussage 2
Prionen enthalten eine kurze RNA, die ihre Vermehrung in der Wirtszelle steuert.
Prionen enthalten keine Nucleinsäure. Sie vermehren sich, indem sie normales Prionprotein in die pathogene Konformation umfalten.
Aussage 3
Viroide sind ringförmige RNA-Moleküle, die als Krankheitserreger Pflanzen befallen.
Viroide bestehen aus kovalent geschlossener ssRNA und sind Pflanzenpathogene, etwa das Kartoffelspindelknollen-Viroid.
Aussage 4
Viroide sind von einem Proteincapsid umgeben, das ihre RNA vor dem Abbau schützt.
Viroide besitzen kein Capsid. Ihre RNA liegt nackt vor und ist durch die stäbchenförmige Basenpaarung stabilisiert.
Aussage 5
Pathogene Prionen von Rindern können auf den Menschen übergehen und dort eine degenerative Hirnerkrankung auslösen.
BSE-Prionen verursachten beim Menschen die neue Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit.
Aussage 6
Die pathogene Form \(\mathrm{PrP^{Sc}}\) ist reich an β-Faltblatt und bringt normales \(\mathrm{PrP^{C}}\) dazu, ebenfalls umzufalten.
\(\mathrm{PrP^{Sc}}\) wirkt als Schablone für die Konformationsänderung des überwiegend α-helikalen \(\mathrm{PrP^{C}}\).
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