Wirkungsort / Wirkungsmechanismus

Gramicidin bildet Kanäle durch die Phospholipidmembran (Henschler 1998a), welche für monovalente Kationen (Wallace 1986a; Takada 2008a), wie z.B. H⁺ und NH⁺ (Burkhart 1999b), sowie alkalische Metalle permeabel sind (Pressman 1965a). Nur Kationen mit einer genügend kleinen Hydrathülle können durch diese Kanäle gelangen (Henderson 1969a). Dies führt zu einem unregulierten Ionenfluss (Lee 1996c) und schliesslich zum Zelltod.
 
Gramicidin K-C und K-A bilden ebenfalls Kationenkanäle in der Lipiddoppelmembran, welche eine spezifische Leitfähigkeit mit grosser Lebensdauer aufweisen (Koeppe 1985a).
 

Aufbau der Kanäle

Die Struktur des aktiven Gramicidin-Kanals ist umstritten. Aufgrund der alternierenden L- und D-Konformation können die Kanäle viele unterschiedliche Konformationen annehmen (Kelkar 2007a). Mittels der Kernmagnetresonanz-Spektroskopie wurde der erste physikalische Beweis erbracht, dass es sich bei der Konformation des Kanals in den Membranen um ein spiralförmiges Dimer handelt (Wallace 1986a). Es wurden 2 Hauptfaltmuster des Gramicidins in unterschiedlichen Medien identifiziert: eine ineinandergreifende doppelsträngige Doppelhelix (double-stranded double helix: DSDH) (Veatch 1974a) und eine einzelsträngige Kopf-an-Kopf Helix (head-to-head single-stranded helix: HHSH), welche von Gramicidin-Monomeren gebildet wird und für die Kanal-Form verantwortlich ist (Urry 1971b; Urry 1972a; Urry 1972b). Die Ketten der beiden Helixes verlaufen bei der DSDH-Konformation antiparallel und bilden Wasserstoffbrücken (Urry 1971a) zwischen den N-Enden der Dimere (Burkhart 1999b). Die Dimer-Form wird von 15 intramolekularen sowie 6 intermolekularen Wasserstoffbrücken (Kelkar 2007a; O'Connell 1990a), welche sich am Formylende des Moleküls befinden und tief in die Lipidmembran reichen, stabilisiert. Die Doppelhelix-Konformation herrscht in organischen Lösungsmitteln vor (Wallace 1990b). Wegen der alternierenden L- und D-Reste befinden sich alle Seitenketten auf der gleichen Seite des Peptidstranges, d.h. der Aussenseite der gewundenen Helix des ß-Stranges. Die Innenseite des Kanals wird durch das polare Peptidrückgrat gebildet. Die Seitenketten sind in Kontakt mit den benachbarten Acylketten der Fettsäuren und helfen beim Modulieren der Kanal-Leitfähigkeit. Die Formylierung des Gramicidins A ist entscheidend für die Bildung von Ionenkanälen (Bamberg 1977a).
 
Die Grösse der Kanalporen beträgt ca. 4 Å und ist damit gross genug für den Durchtritt der monovalenten Kationen (Urry 1971a). Eine Ionenselektivität in folgender Reihenfolge wird beobachtet: Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ (Myers 1972a). Die Länge eines Dimers (DSDH) beträgt ca. 26 Å und ist in der gleichen Grössenordnung wie die Dicke des hydrophoben Teiles einer Lipiddoppelschicht (Killian 1992a); das HHSH-Dimer ist etwa doppelt so lang (Burkhart 1998a).
 
Die Konformation des Kanals sieht folgendermassen aus: das Carboxyl-Ende des Peptides befindet sich an der Membran-Oberfläche und das Amino-Ende ist in der Lipiddoppelschicht integriert. Die initiale Konformation, welche Gramicidin beim Einfügen in die Membran annimmt, ist abhängig von der Beschaffenheit des Lösungsmittels, in dem es gelöst ist. Dabei ist die einzelsträngige ß-Dimer-Kanalkonformation die thermodynamisch stabilste Konformation (Killian 1988a). Die Lage des Tryptophans des Gramicidin-Moleküls ist für die Konformation des Wirkstoffes sowie die Membranfunktionen entscheidend (Koeppe 1996a). Das Carboxyl-Ende des Tryptophans spielt eine wichtige Rolle bei der Leitfähigkeit des Kanals sowie beim Gramicidin-Aufbau (Kelkar 2007a). Wenn mindestens 2 Wasserstoffbrücken gespalten werden, schliesst sich der Kanal (Miloshevsky 2004a). Der Aufbau der Gramicidin-Kanäle ist in Aufbau und Leitfähigkeit den natürlichen Ionenkanälen ähnlich (Chattopadhyay 2005a).
 
Die Kationen-selektiven Kanäle, welche vom Gramicidin A gebildet werden, haben eine Länge im Bereich von 40 bis 50 Å (Urry 1971b). Diese Ionenkanäle besitzen eine Leitfähigkeit von ca. 10⁷ Ionen pro Sekunde. Gramicidine sind ausgezeichnete Modelle für Transmembrankanäle, weil sie leicht verfügbar sowie relativ problemlos chemisch modifiziert werden können (Kelkar 2007a).
 

Beeinflussung der Kanalfunktionen

Die Öffnung und Schliessung des Kanals wird via Assoziation und Dissoziation der Monomere gesteuert (O'Connell 1990a). Das molekulare Verhalten der Gramicidin-Kanäle kann durch verschiedene Detergentien bedeutend verändert werden; diese ändern alle wichtigen Kanalfunktionen und führen zum häufigeren Auftreten der Kanäle sowie einem verlängerten Bestehen derselben. Daneben verringern Detergentien die Leitfähigkeit (Sawyer 1989a).
 
Aus Studien mit natürlichen sowie synthetischen Gramicidin-Isomeren ist bekannt, dass insbesondere eine Modifizierung der 11. Aminosäure das Öffnen, die Öffnungsdauer und die Transporteigenschaften beeinflusst (Becker 1991b). Divalente Kationen wie z.B. Ca²⁺ blockieren den Kanal (Myers 1972a).
 

Hemmung der Transkriptionsinitiation durch die RNA-Polymyerase

Gramicidin hemmt die Transkriptionsinitiation durch die RNA-Polymerase und dadurch die Transkription (Sarkar 1977a; Sarkar 1979a). Das Vorhandensein von Gramicidin verursacht eine Zunahme der Aufspaltungsrate der σ-Untereinheit der RNA-Polymyerase von E. coli durch Trypsin. Die Aufspaltungsrate der Hauptuntereinheiten wird nicht verändert (Fisher 1982a). Im Handel erhältliche Präparate hemmen die in-vitro-Aktivität der RNA-Polymerasen von einer Vielfalt von Organismen (Sarkar 1972a; Ristow 1975a; Paulus 1979a).
 

Sporulation von Bacillus brevis

Während der Sporulation kann die Gramicidin-Konzentration in der Bakterienzelle bis 1 M erreichen. Seine Funktion in B. brevis ist noch unbekannt, aber der Wirkstoff spielt möglicherweise eine Rolle bei der Genregulierung während des Übergangs vom vegetativen Wachstum zur Sporulation (Kelkar 2007a).
 

Wirkspektrum

Gramicidin ist wirksam gegenüber grampositiven Keimen (Dubos 1941a; Hotchkiss 1940b; Gross 1965a); es wirkt bakterizid (Hotchkiss 1941a). Zusätzlich wurde eine antivirale Wirkung beschrieben (Bourinbaiar 1996a).
 

Wirksamkeit

Meerschweinchen erhielten 24 Stunden nach Induktion einer Staphylokokken-Keratitis eine Augenlösung, welche 5'000 IU/ml Polymyxin B-Sulfat, 2,5 mg/ml Neomycin-Sulfat sowie 0,025 mg/ml Gramicidin enthielt, für 48 Stunden topisch verabreicht. Dies führte zu einer deutlichen Abnahme der Bakterien in der Kornea; die Behandlung war trotzdem nicht sehr effizient (Davis 1978a).
 
Ein grosser Prozentsatz von Mäusen, welche i.p. mit einer 10'000-fach letalen Dosis virulenter Pneumokokken Typ I infiziert wurden, konnten mit 1, 2 oder 5 µg i.p. verabreichtem Gramicidin geschützt werden. Gegen gramnegative Organismen wirkte Gramicidin hingegen weder in-vivo noch in-vitro (Hotchkiss 1940b).
 

Plasmodium falciparum

Mit Plasmodium falciparum infizierte Erythrozyten wurden mit Gramicidin, welches ein N-formyliertes Tryptophan besass, inkubiert. Das Wachstum des Parasiten wurde gehemmt und der Wirkstoff induzierte ein Ausströmen von K⁺ aus den infizierten Zellen. Gramicidin wurde selektiv nur von infizierten Zellen in Vesikel aufgenommen. Vermutlich erfolgt das Peptid-induzierte Ausströmen von K⁺ aus den infizierten Zellen durch die Bildung von transmembranösen Kanälen, welche denjenigen des Gramicidin A ähnlich sind, aber länger als diese bestehen bleiben (Moll 1991a). Daneben wird die Membranintegrität auch durch Peptid-induzierte Defekte beeinträchtigt (Killian 1992a).
 

Na⁺/K⁺-ATPase-Hemmung

Gramicidin A hemmt die ATP-Hydrolyse durch Na⁺/K⁺-ATPasen im cerebralen Cortex von Schweinen. Der Wirkstoff ist 5-mal wirksamer als Gramicidin S (Takada 2008a). Gramicidin stimuliert die Atmung in Mitochondrien und entkoppelt die oxidative Phosphorylierung (Neubert 1962a). Die Stimulierung unterscheidet sich jedoch von derjenigen anderer Entkoppler wie 2,4-Dinitrophenol, da sie mit einer aktiven Kalium-Akkumulierung in den Mitochondrien assoziiert ist (Moore 1964a; Chappell 1965a).
 

Spermienmotilität

Gramicidin hemmt die Spermienmotilität hochspezifisch, hat jedoch kaum ein Einfluss auf die Viabilität, wie z.B. die mitochondriale Atmung oder die LDH-Freisetzung nach Membranlyse. Vermutlich beeinflusst Gramicidin die Motilität der Spermien durch eine Reduktion des zytoplasmatischen Kaliums. Allerdings ist es noch unklar, wie die Störung der K⁺-Konzentrationen zu einer schnellen und irreversiblen Spermien-Immobilisierung führt. Zudem wird das Ca²⁺-Gleichgewicht gestört (Bourinbaiar 1996a). Gramicidin besitzt eine starke spermizide Wirkung gegenüber menschlichen Spermien und führt bereits in Konzentrationen von 5 µg/ml zu einer kompletten Immobilisierung der Spermien. Die Chelatbildung durch Gramicidin scheint der Hauptfaktor bei der Verhinderung des Eindringens der Spermien in den zervikalen Mukus zu sein (Lee 1996c).
 

Erythrozyten

Aus Untersuchungen mit Tauben-Erythrozyten ist bekannt, dass Gramicidin in-vitro eine Akkumulation von Glycin in Erythrozyten verhindert (Terry 1972a).