Peptidoglycan

Hintergrund

Die Peptidoglykanschicht ist bei grampositiven Bakterien (20 bis 80 Nanometer) wesentlich dicker als bei gramnegativen Bakterien (7 bis 8 Nanometer), und ihre hohen Konzentrationen sind das Hauptmerkmal für die Charakterisierung als grampositiv. Peptidoglykan ist an der binären Spaltung während der bakteriellen Zellvermehrung beteiligt, und seine Hydrolyse und Synthese müssen stattfinden, damit Zellen wachsen und sich vermehren können, durchgeführt in drei Stufen: Abtrennen von vorhandenem Material, Einfügen von neuem Material und erneute Vernetzung. Die Biosynthese von Peptidoglykan-Monomeren findet im Zytosol statt, dann werden sie an einen Membranträger, Bactoprenol, gebunden, der sie für den Einbau in vorhandenes Peptidoglykan durch die Zellmembran transportiert.

Wussten Sie schon?

• Partikel von etwa 2 nm können die Peptidoglykanschicht bei grampositiven Bakterien passieren, aber gramnegative Bakterien haben kleinere Poren, die typischerweise nur den Durchtritt bis zu etwa 1 nm ermöglichen.
• L-Form-Bakterien können sich durch eine Vielzahl von Mechanismen vermehren, darunter Knospung, Bläschenbildung und Tubulation; Mykoplasmen vermehren sich typischerweise durch Knospung, nicht durch binäre Spaltung.
• Das Enzym DD-Transpeptidase, das Glykanketten vernetzt, ist auch als Penicillin-bindendes Protein bekannt.

Molekulare Architektur und Kristallgitter

Peptidoglykan ist als Kristallgitter aus linearen Polysaccharidketten organisiert, in denen zwei Aminozucker – N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure – in einem sich wiederholenden Muster abwechseln, das durch β-(1,4)-glykosidische Bindungen zusammengehalten wird. Jeder Muraminsäurerest trägt einen kurzen Oligopeptidschwanz aus drei bis fünf Aminosäuren, und die genaue Zusammensetzung dieses Schwanzes unterscheidet sich je nach Art. Bei dem gramnegativen Bakterium Escherichia coli umfasst die Kette L-Alanin, D-Glutaminsäure, meso-Diaminopimelinsäure und D-Alanin, während der grampositive Staphylococcus aureus eine Fünf-Glycin-Zwischenbrücke zwischen seine Tetrapeptideinheiten einfügt.

Das Enzym DD-Transpeptidase schafft kovalente Brücken zwischen Peptidschwänzen benachbarter Zuckerstränge und verwandelt die flachen linearen Ketten in ein starres dreidimensionales Netz. Diese vernetzte Architektur verleiht der Schicht ihre bemerkenswerte Zugfestigkeit. Peptidoglykan zeichnet sich auch als eines der wichtigsten natürlichen Reservoire für D-Aminosäuren aus, ein stereochemisches Merkmal, das außerhalb der Bakterienwelt ungewöhnlich ist.

Strukturelle Funktion und evolutionäres Erbe

Der Peptidoglykan-Sacculus umschließt die Zytoplasmamembran und wirkt als druckbeständige Hülle, die verhindert, dass die Zelle unter dem von ihrem eigenen Zytoplasma erzeugten Turgordruck platzt. Da die Schicht kontinuierlich umgebaut wird – altes Material wird abgetrennt, neue Monomere werden eingefügt und bestehende Stränge werden mit den neuen wiedervernetzt – bleibt ein stäbchenförmiges Bakterium ein Stäbchen und ein Kokkus ein Kokkus während seiner gesamten Lebensdauer.

Während der binären Spaltung formt sich neu synthetisiertes Septummaterial zu einer halbkugelförmigen Wand, die die Grenze jeder Tochterzelle bildet. Organismen, denen Peptidoglykan vollständig fehlt, wie Mykoplasmen und L-Form-Bakterien, können sich nicht auf diese Weise teilen und vermehren sich stattdessen durch Knospung. Rückblickend in die evolutionäre Vergangenheit wird die Entstehung starrer Mureinwände im Domain Bacteria allgemein als die entscheidende Innovation angesehen, die es Bakterien ermöglichte, zu überleben, sich auszubreiten und praktisch jeden Lebensraum auf der Erde zu besiedeln, von der Geosphäre bis zur Hydrosphäre.

In den frühesten Stadien des Lebens war die Entwicklung schützender Grenzen – Membranen und Wände – für den Übergang von molekularen Ansammlungen zu echten Zellen unerlässlich.

Gram-Klassifizierung und diagnostische Bedeutung

Die Dicke und Häufigkeit der Peptidoglykanschicht sind die bestimmenden Merkmale, die grampositive von gramnegativen Bakterien unterscheiden. Bei grampositiven Stämmen misst die Schicht zwanzig bis achtzig Nanometer und kann je nach Wachstums-pH vierzig bis neunzig Prozent des Trockengewichts der Zellwand ausmachen. Gramnegative Organismen besitzen dagegen eine viel dünnere Hülle von nur sieben bis acht Nanometern, die etwa zehn Prozent ihrer Wandmasse ausmacht.

Dieser deutliche Unterschied im Peptidoglykangehalt ist die primäre Grundlage, auf der Bakterien als grampositiv klassifiziert werden. Bei diesen Organismen spielt die Schicht auch eine wichtige Rolle bei der Oberflächenanheftung und Serotypisierung. Trotz dieser Unterschiede können Partikel von nur zwei Nanometern die Peptidoglykanschicht in beiden Gruppen durchqueren. Das Verfahren verwendet Kristallviolett gefolgt von Safranin; grampositive Zellen behalten den violetten Farbstoff, während gramnegative Zellen rosa erscheinen.

Biosynthese und kontinuierlicher Umsatz

Peptidoglykan-Monomere werden im Zytosol zusammengebaut und dann an einen Lipidträger namens Bactoprenol übergeben, der sie durch die Zytoplasmamembran transportiert, damit sie in die bestehende Wand eingebaut werden können. Der erste Syntheseschritt beinhaltet das Enzym GlmS, das eine Aminogruppe von Glutamin auf Fructose-6-phosphat überträgt, wodurch Glucosamin-6-phosphat entsteht. Als nächstes acetyliert GlmM diese Aminogruppe unter Verwendung von Acetyl-CoA zu N-Acetylglucosamin-6-phosphat.

Das bifunktionelle Enzym GlmU isomerisiert dann das Phosphat zur 1-Position und aktiviert in einer zweiten katalytischen Rolle den Zucker durch Kopplung an Uridintriphosphat, wobei anorganisches Pyrophosphat freigesetzt und UDP-N-Acetylglucosamin erzeugt wird. Eine anschließende Reaktion, katalysiert durch ein Mur-Enzym, fügt eine Lactylgruppe hinzu, die von Phosphoenolpyruvat stammt, um das UDP-NAG in UDP-N-Acetylmuraminsäure umzuwandeln. Da bakterielles Wachstum eine ständige Windexpansion erfordert, laufen Hydrolyse von altem Peptidoglykan und Synthese von neuem Material in einem eng gekoppelten Kreislauf aus Abtrennen, Einfügen und erneuter Vernetzung ab.