Πεπτιδογλυκάνη

Η πεπτιδογλυκάνη ή μουρεΐνη (από το murus = «τείχος») είναι δομικό στοιχείο στο κυτταρικό τοίχωμα των περισσότερων βακτηρίων, που συντίθεται από δύο παράγωγα σακχάρων και μια μικρή ομάδα αμινοξέων. Σχηματίζει μια άκαμπτη στιβάδα στο κυτταρικό τοίχωμα των βακτηρίων με κύρια προστατευτικό ρόλο Madigan MT, Martinko JM, Parker J, eds. (2007) Brock τόμος Ι Βιολογία των μικροοργανισμών. Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης. .

Η πεπτιδογλυκάνη αλλά και το γενετικό υπόβαθρο για τη βιοσύνθεσή της δεν βρίσκεται σε όλα τα βακτήρια. Συγκεκριμένα απουσιάζει από τα γένη Mycoplasma και Planctomyces, καθώς και τον αιτιακό παράγοντα του τύφου Orientia (Rickettsia) tsutsugamushi Tamura A, Ohashi N, Urakami H & Miyamura S (1995) Classification of Rickettsia tsutsugamushi in a new genus, Orientia gen. nov., as Orientia tsutsugamushi comb. nov. Int J Syst Bacteriol 45: 589 - 591.. Δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ στο γένος Chlamidiae αν και υπάρχουν τα περισσότερα βιοσυνθετικά γονίδια Ghuysen JM & Goffin C (1999) Lack of cell wall peptidoglycan versus penicillin sensitivity: new insights into the chlamydial anomaly. Antimicrob Agents Chemother 43: 2339 - 2344.. Πεπτιδογλυκάνη επίσης έχει βρεθεί σε φωτοσυνθετικά οργανίδια («κυανέλλες») των γλαυκοκυστοφυτών Aitken A & Stanier RY (1979) Characterization of peptidoglycan from cyanelles of Cyanophora paradoxa. J Gen Microbiol 112: 219 - 223.. Γενικότερα, στην ετερογενή ομάδα των φυκών, πεπτιδογλυκάνη απαντάται κατά κύριο λόγο στο κυτταρικό τοίχωμα των Κυανοβακτήρια, καθώς επίσης και στα πλαστίδια των ευκαρυωτικών φυκών που προέκυψαν άμεσα από πρωτογενή ενδοσυμβίωση χωρίς να υποστούν δευτερογενή απώλεια του κυτταρικού τοιχώματος Graham LE, Graham JM, Wilcox LW eds (2011) Φύκη. Εκδόσεις Κωσταράκη.. Ακόμη, ορισμένα βιοσυνθετικά γονίδια πεπτιδογλυκάνης έχουν εντοπιστεί στο φυτό Arabidopsis thaliana (πέντε γονίδια) και στο βρύο Physcomitrella patens (εννέα γονίδια), η παρουσία των οποίων θα μπορούσε να συσχετίζεται με τη διαίρεση χλωροπλαστών Machida M, Takechi K, Sato H et al. (2006) Genes for the peptidoglycan synthesis pathway are essential for chloroplast division in moss. Proc Natl Acad Sci USA 103: 6753 - 6758..

 Λειτουργία 
Η κύρια λειτουργία της πεπτιδογλυκάνης είναι η διατήρηση της ακεραιότητας των κυττάρων. Το περιβάλλον του κυτταροπλάσματος των βακτηρίων είναι συνήθως υπερτονικό, γι’ αυτό αν δεν υπήρχε ένα ισχυρό κυτταρικό τοίχωμα θα ερχόταν λύση λόγω ωσμωτικής πίεσης. Η σημασία της πεπτιδογλυκάνης στην προστασία από την ωσμωτική λύση επιβεβαιώνεται από το ότι αναστολή της βιοσύνθεσής της είτε από μετάλλαξη είτε λόγω χρήσης αντιβιοτικού, ή η ειδική αποικοδόμησή της (π.χ. από λυσοζύμη) κατά τη διάρκεια της κυτταρικής ανάπτυξης έχει ως αποτέλεσμα την κυτταρική λύση Kaiser G, (2017) 2.3: The Peptidoglycan Cell Wall. Biology LibreTexts. Επίσης, έχει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του κυτταρικού σχήματος, ενώ διαδραματίζει και ρόλο ικριώματος για την αγκυροβόληση διάφορων συστατικών του κυτταρικού περιβλήματος όπως πρωτεΐνες Dramsi S, Davison S, Magnet S & Arthur M (2008) Surface proteins covalently attached to peptidoglycan: examples from both gram-positive and gram-negative bacteria. FEMS Microbiol Rev 32: 307 - 20 και τειχικά οξέα Neuhaus FC & Baddiley J (2003) A continuum of anionic charge: structures and functions of D-alanyl-teichoic acids in gram positive bacteria. Microbiol Mol Biol Rev 67: 686 - 723.. Συμμετέχει στενά στις διαδικασίες της κυτταρικής ανάπτυξης και της κυτταρικής διαίρεσης.

 Χημική δομή 
Η πεπτιδογλυκάνη είναι ένα τεράστιο πολυμερές το οποίο αποτελείται από πλευρικά διασυνδεόμενες αλυσίδες σακχάρων. Κάθε αλυσίδα γλυκάνης συνιστά ένα πολυμερές του επαναλαμβανόμενου εν σειρά δισακχαρίτη, Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη και Ν-ακετυλομουραμικό οξύ, που συνδέονται μέσω β-1,4-γλυκοσιδικού δεσμού (Εικ. 1). Ένα τέτρα- ή πενταπεπτίδιο γλυκάνης προσαρτάται σε κάθε κατάλοιπο Ν-ακετυλομουραμικού οξέος. Η πεπτιδική αλυσίδα στα περισσότερα αρνητικά κατά Gram βακτήρια αποτελείται από τα αμινοξέα: L-αλανίνη, D-αλανίνη, D-γλουταμινικό οξύ και διαμινοπιμελικό οξύ. Στα περισσότερα θετικά κατά Gram βακτήρια, το διαμινοπιμελικό οξύ αντικαθίσταται από μια λυσίνη Hsu YP, Meng X, VanNieuwenhze MS (2016) Methods for visualization of peptidoglycan biosynthesis Chapter 1. Methods in Mircobiology. 43: 3-48..
μικρογραφία|Εικόνα 1: μόριο πεπτιδογλυκάνης. NAG: Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη, NAM: Ν-ακετυλομουραμικό οξύ

Η βασική δομή της πεπτιδογλυκάνης είναι μια πτυχωτή επιφάνεια, όπου οι αλυσίδες γλυκάνης που σχηματίζονται από τα σάκχαρα, συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικές διασυνδέσεις που σχηματίζονται από τα αμινοξέα (Εικ. 2). Οι γλυκοζιτικοί δεσμοί στις αλυσίδες γλυκάνης είναι ισχυροί, αλλά δεν αρκούν για να παράσχουν την επιθυμητή ακαμψία. Η ακαμψία αυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των πεπτιδικών διασυνδέσεων, οι οποίες όμως διαφέρουν ανάλογα με την ομάδα Βακτηρίων .
μικρογραφία|Εικόνα 2: δομή πλέγματος πεπτιδογλυκάνης.

Το στρώμα της πεπτιδογλυκάνης στα αρνητικά κατά Gram βακτήρια είναι μια μονή στιβάδα περίπου 5 nm που βρίσκεται ανάμεσα από εσωτερικές και εξωτερικές μεμβράνες . Αποτελεί περίπου το 10% του κυτταρικού τοιχώματος . Αντίθετα, στα θετικά κατά Gram βακτήρια, καθώς δεν υπάρχει εξωτερική μεμβράνη, η πεπτιδογλυκάνη συνιστά το εξωτερικό του κυττάρου και αντιπροσωπεύοντας έως και το 90% του κυτταρικού τοιχώματος . Είναι πολύ παχύτερη, 20-50 nm, και επειδή εκτίθεται στο περιβάλλον καθιστά τους θετικούς κατά Gram οργανισμούς πιο ευαίσθητους στα αντιβιοτικά που στοχεύουν τη βιοσύνθεση της πεπτιδογλυκάνης Vollmer, W., Blanot, D., & de Pedro, M. A. (2008). Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiol Rev, 32, 149 -167..

H χημική δομή της πεπτιδογλυκάνης μπορεί να παρουσιάζει διαφοροποίησεις όσον αφορά το πεπτιδικό στέλεχος, είτε στη θέση σύνδεσης με τους κλώνους γλυκάνης είτε σύσταση της διαπεπτιδιακής γέφυρας. Αυτές οι διαφοροποιήσεις που είναι χαρακτηριστικές ανάλογα με το είδος του οργανισμού έχουν ταξινομηθεί στην εργασία των Schleifer & Kandler (1972) Schleifer KH & Kandler O (1972) Peptidoglycan types of bacterial cell walls and their taxonomic implications. Bacteriol Rev 36: 407 - 477., οι οποίοι ίδρυσαν το τρι-ψηφιακό σύστημα ταξινόμησης πεπτιδογλυκάνης που χρησιμοποιείται παγκοσμίως. Ωστόσο, παρόμοιες δομικές διαφορές μπορούν να υπάρχουν και ανάμεσα στο ίδιο είδος ανάλογα με τις συνθηκες ανάπτυξης.

 Σύνθεση της πεπτιδογλυκάνης και κυτταρική διαίρεση 
Όταν γίνεται διχοτόμηση των βακτηρίων, προκειμένου να αυξηθεί το μέγεθός τους, είναι απαραίτητο οι δεσμοί στην πεπτιδογλυκάνη να σπάσουν, να εισαχθούν νέα μονομερή πεπτιδογλυκάνης και οι πεπτιδικές διασυνδέσεις  να δημιουργηθούν εκ νέου. Η σύνθεση γίνεται με βάση συγκεκριμένη ακολουθία γεγονότων .

 Στάδιο 1: περιλαμβάνει βακτηριακά ένζυμα που ονομάζονται αυτολυσίνες. Αρχικά, γίνεται λύση των γλυκοσιδικών δεσμών μεταξύ των μονομερών πεπτιδογλυκάνης και στη συνέχεια σπάσιμο των γεφυρών που συνδέουν τις σακχαριτικές αλυσίδες.
 Στάδιο 2: η σύνθεση των μονομερών πεπτιδογλυκάνης γίνεται στο κυτοσόλιο παρουσία βακτοπρενόλης . Η βακτοπρενόλη είναι ένα λιπίδιο που αποτελεί μόριο-φορέα στην διαδικασία της βιοσύνθεσης της πεπτιδογλυκάνης. Ο ρόλος της αφορά τη μεταφορά των μονομερών πεπτιδογλυκάνης διαμέσου της κυτταροπλασματικής μεμβράνης και την αλληλεπίδραση με τις τρανσγλυκοσιδάσες ώστε να εισαχθούν τα μονομερή στην υπό σύνθεση πεπτιδογλυκάνη .
 Στάδιο 3: Το ένζυμο τρανσγλυκοσιδάση  εισάγει και συνδέει τα νέα μονομερή πεπτιδογλυκάνης .
 Στάδιο 4: τελικά, τα ένζυμα τρανσπεπτιδάσης σχηματίζουν τις πεπτιδικές διασυνδέσεις μεταξύ καταλοίπων μουραμικού οξεος και παρακείμενων αλυσίδων γλυκάνης για να κάνουν το τοίχωμα ισχυρό . Η διαδικασία αυτή ονομάζεται τρανσπεπτιδίωση.

Τα αμινοξέα που ενώνονται με τις πεπτιδικές διασυνδέσεις διαφέρουν ανάλογα με το είδος του κυτταρικού τοιχώματος. Στα  αρνητικά κατά Gram βακτήρια, συνήθως οι διασυνδέσεις δημιουργούνται μεταξύ του διαμινοπιμελικού οξέος ενός πεπτιδίου, με τη D-αλανίνη του παρακείμενου. Όταν δημιουργηθεί το πρόδρομο μόριο πεπτιδογλυκάνης υπάρχουν δύο κατάλοιπα D-αλανίνης, αλλά κατά την αντίδραση τρανσπεπτιδίωσης γίνεται απομάκρυνση της μίας ομάδας ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ενέργεια για την επόμενη αντίδραση. Στα θετικά κατά Gram βακτήρια υπάρχει συνήθως γεφύρωση γλυκίνης και οι διασυνδέσεις αναπτύσσονται εγκάρσια προς αυτήν, από τη L-λυσίνη του ενός πεπτιδίου με τη D-αλανίνη του επόμενου .

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Βιοφυσική
Κατηγορία:Βιοχημεία
Κατηγορία:Φυσικά προϊόντα