Peptidoglykan - Peptidoglycan
Peptidoglykanu nebo murein je polymer, skládající se z cukrů a aminokyselin , které tvoří síťovitou vrstvou mimo plazmatickou membránu většiny bakterií , tvořící buněčnou stěnu . Cukerná složka se skládá ze střídajících se zbytků β- (1,4) navázaného N -acetylglukosaminu (NAG) a kyseliny N -acetylmuramové (NAM). K kyselině N -acetylmuramové je připojen peptidový řetězec se třemi až pěti aminokyselinami. Peptidový řetězec může být zesíťován na peptidový řetězec jiného vlákna tvořícího vrstvu podobnou 3D síti. Peptidoglykanu slouží strukturní roli v bakteriální buněčné stěně, přičemž konstrukční pevnost, a také působí proti osmotický tlak z cytoplazmy . Peptidoglykan se také podílí na binárním štěpení během reprodukce bakteriálních buněk.
Vrstva peptidoglykanu je podstatně silnější u grampozitivních bakterií (20 až 80 nanometrů) než u gramnegativních bakterií (7 až 8 nanometrů). V závislosti na podmínkách růstu pH, peptidoglykanu tvoří kolem 40 až 90% z buněčné stěny ‚s suché hmotnosti z gram-pozitivní bakterie, ale jen asi 10% z gram-negativních kmenů. Přítomnost vysokých hladin peptidoglykanu je tedy primárním determinantem charakterizace bakterií jako grampozitivních. U grampozitivních kmenů je důležitý při připojovacích rolích a při sérotypizaci . U grampozitivních i gramnegativních bakterií mohou peptidoglykany procházet částice o velikosti přibližně 2 nm.
Struktura
Peptidoglykanové vrstvy v bakteriální buněčné stěně je krystalová mřížka struktura vytvořená z lineárních řetězců dvou střídajících se amino cukrů , a to N -acetylglucosamine (GlcNAc nebo NAGA) a N kyseliny -acetylmuramic (MurNAc nebo NAMA). Střídavé cukry jsou spojeny vazbou β- (1,4)- glykosidickou . Každý MurNAc je připojen ke krátkému (4- až 5 -zbytkovému) aminokyselinovému řetězci, který obsahuje L -alanin , D -glutamovou kyselinu , meso -diaminopimelovou kyselinu a D -alanin v případě Escherichia coli (gramnegativní bakterie ), nebo L -alanin , D -glutamin , L -lysin , a D -alanin s 5- glycin interbridge mezi tetrapeptidů v případě Staphylococcus aureus (gram-pozitivní bakterie). Peptidoglykan je jedním z nejdůležitějších zdrojů D-aminokyselin v přírodě.
K zesítění mezi aminokyselinami v různých lineárních řetězcích aminosacharidů dochází pomocí enzymu DD-transpeptidázy a výsledkem je silná a tuhá trojrozměrná struktura. Specifická sekvence aminokyselin a molekulární struktura se liší podle druhů bakterií .
Struktura peptidoglykanu. NAG = N -acetylglukosamin (také nazývaný GlcNAc nebo NAGA), NAM = kyselina N -acetylmuramová (také nazývaná MurNAc nebo NAMA).
Penicilin vážící protein tvořící příčné vazby v nově vytvořené bakteriální buněčné stěně.
Biosyntéza
Peptidoglykanové monomery jsou syntetizovány v cytosolu a poté jsou připojeny k membránovému nosiči bactoprenolu . Bactoprenol transportuje peptidoglykanové monomery přes buněčnou membránu, kde jsou vloženy do stávajícího peptidoglykanu.
V prvním kroku syntézy peptidoglykanu daruje glutamin , což je aminokyselina, aminoskupinu cukru, fruktózo-6-fosfátu . To mění fruktózo-6-fosfát na glukosamin-6-fosfát . V kroku dva je acetylová skupina přenesena z acetyl CoA na aminoskupinu na glukosamin-6-fosfátu za vzniku N -acetyl-glukosamin-6-fosfátu . Ve třetím kroku procesu syntézy je N -acetyl-glukosamin-6-fosfát izomerizován, což změní N -acetyl-glukosamin-6-fosfát na N -acetyl-glukosamin-1-fosfát .
V kroku 4 N -acetyl-glukosamin-1-fosfát, který je nyní monofosfátem, napadá UTP . Uridin trifosfát, což je pyrimidinový nukleotid , má schopnost působit jako zdroj energie. V této konkrétní reakci, poté, co monofosfát napadl UTP, se uvolňuje anorganický pyrofosfát, který je nahrazen monofosfátem, čímž vzniká UDP-N-acetylglukosamin (2,4). (Když je UDP použit jako zdroj energie, uvolňuje anorganický fosfát.) Tato počáteční fáze slouží k vytvoření prekurzoru NAG v peptidoglykanu.
V kroku 5 se část UDP-N-acetylglukosaminu (UDP-GlcNAc) převede na UDP-MurNAc (kyselina UDP-N-acetylmuramová) přidáním laktylové skupiny ke glukosaminu. Také v této reakci odstraní C3 hydroxylová skupina fosfát z alfa uhlíku fosfoenolpyruvátu . Tím se vytvoří takzvaný derivát enolu, který bude v kroku šest redukován NADPH na „laktylovou skupinu“.
V kroku 7 je UDP – MurNAc převeden na pentapeptid UDP -MurNAc přidáním pěti aminokyselin, obvykle včetně dipeptidu D -alanyl -D -alaninu. Každá z těchto reakcí vyžaduje zdroj energie ATP. To vše se označuje jako první fáze.
Druhá fáze se vyskytuje v cytoplazmatické membráně. Je to v membráně, kde lipidový nosič zvaný bactoprenol nese prekurzory peptidoglykanu přes buněčnou membránu. Bactoprenol zaútočí na penta UDP-MurNAc a vytvoří penta PP-MurNac, která je nyní lipidem. UDP-GlcNAc je poté transportován do MurNAc, čímž se vytvoří lipid-PP-MurNAc penta-GlcNAc, disacharid, také prekurzor peptidoglykanu. Stále není jasné, jak je tato molekula transportována přes membránu. Jakmile je tam, přidá se do rostoucího řetězce glykanů. Další reakce je známá jako tranglykosylace. V reakci se hydroxylová skupina GlcNAc připojí k MurNAc v glykanu, což vytlačí lipid-PP z glykanového řetězce. Enzym zodpovědný za to je transglykosyláza.
Inhibice
Některá antibakteriální léčiva, jako je penicilin, interferují s produkcí peptidoglykanu vazbou na bakteriální enzymy známé jako proteiny vázající penicilin nebo DD-transpeptidázy . Proteiny vázající penicilin tvoří vazby mezi oligopeptidovými příčnými vazbami v peptidoglykanu. Aby se bakteriální buňka reprodukovala binárním štěpením , musí být ke stávajícím podjednotkám připojeno více než milion podjednotek peptidoglykanu (NAM-NAG+oligopeptid). Mutace v genech kódujících transpeptidázy, které vedou ke snížení interakcí s antibiotikem, jsou významným zdrojem nově vznikající rezistence vůči antibiotikům . Muraymyciny jsou jednou podtřídou nukleosidových antibiotik, které působí jako kompetitivní inhibitory pro přirozený substrát UDP-MurNAc-pentapeptid (UM5A) translokázy Phospho-N-acetylmuramoyl-pentapeptid (MraY).
Lysozym , který se nachází v slzách a tvoří součást přirozeného imunitního systému těla, uplatňuje svůj antibakteriální účinek rozbitím β- (1,4) -glykosidických vazeb v peptidoglykanu (viz výše).
Podobnost s pseudopeptidoglykanem
Některé archea mají podobnou vrstvu pseudopeptidoglykanu (také známého jako pseudomurein), ve kterém jsou zbytky cukru p -(1,3) spojený N -acetylglukosamin a kyselina N -acetyltalosaminuronová . To činí buněčné stěny takové archea necitlivé na lysozym .