Peptidoglykan
Základní polymer bakteriální buněčné stěny - struktura, vlastnosti, biosyntéza a možnosti ovlivňování
Peptidoglykan (murein) je biopolymer, který společně s dalšími polymery vytváří buněčnou stěnu bakterii. Ta se nachází nad cytoplazmatickou membránou a její úlohou je udržovat tvar bakteriální buňky a má také ochrannou funkci.
Struktura
N-Acetylglukosamin (NAG)
Strukturní vzorec NAG
Identifikátory
Název IUPAC:2-(Acetylamino)-2-deoxy-D-glukóza
Zkratky:NAG, GlcNAc
CAS:7512-17-6
PubChem:24139
Vlastnosti
Molekulový vzorec:C8H15NO6
Molová hmotnost:221,21 g.mol-1
Teplota tání:211 °C
Vzhled:bílý prášek
Kyselina N-acetylmuramová (NAM)
Strukturní vzorec NAM
Identifikátory
Zkratky:NAM, MurNAc
CAS:10597-89-4
PubChem:12917651
Vlastnosti
Molekulový vzorec:C11H19NO8
Molová hmotnost:293,3 g.mol-1
Vzhled:bílý prášek
 
Strukturu peptidoglykanu tvoří dva aminosacharidy: N-acetylglukosamin (NAG) a kyselina N-acetylmuramová (NAM), které tvoří dlouhé lineární řetězce. NAG a NAM se v těchto řetězcích střídavě opakují. Kromě toho jsou součástí peptidoglykanu i aminokyseliny spojené do krátkých peptidů (4 až 5 AMK). Počet a struktura těchto aminokyselin se liší u G+ a G- bakterii, přičemž změněná sekvence tohoto peptidu je příčinou rezistence vůči glykopeptidům. Na trojrozměrné struktuře se pak podílejí ještě teichoové kyseliny, což jsou vysoce fosforylované polysacharidy, s množstvím dalších funkčních skupin, např. kyselina lipoteichoová se vyznačuje acyly vyšších mastných kyselin, které peptidoglykanovou vrstvu ukotvují v cytoplazmatické membráně.

N-acetylglukosamin je derivátem glukózy, který má hydroxylovou OH skupinu na uhlíku C2 nahrazenou acetylovanou aminoskupinou (CH3-CO-NH-).

Kyselina N-acetylmuramová je derivátem N-acetylglukosaminu, který má hydroxylovou skupinu na uhlíku C3 nahrazenou zbytkem kyseliny mléčné (laktát), který se váže přes svoji hydroxylovou skupinu. Tento jev je mimořádně důležitý, protože na karboxylovou skupinu kyseliny N-acetylmuramové se váže peptidovou vazbou krátký peptid (4 až 5 AMK), pomocí kterého se jednotlivé lineární vlákna peptidoglykanu spájejí a vytvářejí tak dvourozměrnou síť.

Krátké peptidy se mohou vázat jenom na laktátový zbytek kyseliny N-acetylmuramové a to prostřednictvím peptidové vazby. Vyskytují se zde jak levotočivé, tak i pravotočivé aminokyselin (L- a D-aminokyseliny). Někteří autoři vysvětlují tento jev tím, že proteázy a peptidázy přítomné v prostředí, kde bakterie žijí (třeba v těle živočichů) jsou stereoselektivní a štěpí jenom L-aminokyseliny, čili peptidy tvořené D-aminokyselinami by měli být odolné vůči štěpení těmito enzymy a tím by měli zabránit rozpadu buněčné stěny bakterii a umožnit jim přežívat i v prostředí, kde se proteázy a peptidázy nacházejí (třeba GIT živočichů).
Vlastnosti
Vzhledem k tomu, že vrstva peptidoglykanu (hlavně u grampositivních bakterií) je relativně rigidní strukturou, tak bakteriální buňce slouží jako jakýsi ochranný obal, který zároveň drží i tvar bakteriální buňky. Vyznačuje se také odolností vůči (osmotickému) tlaku a má i termoizolační vlastnosti. Z praktického hlediska je důležitá vlastnost hrubých vrstev peptidoglykanu zadržovat nerozpustné komplexy některých organických barviv, čeho se využívá při barvení bakterií. Nejznámějším postupem, využívajícím tuto vlastnost je bezesporu barvení dle Grama.
Biosyntéza
Biosyntéza peptidoglykanu se rozděluje do tří základních fází:

1. Cytoplasmatická fáze

Tato fáze probíhá v cytoplazmě bakteriální buňky a její konečný produkt je pentapeptid kyseliny uridin-difosfát-N-acetylmuramové. Prvním krokem této fáze je syntéza glukosamin-6-fosfátu z fruktosa-6-fosfátu a glutaminu, který slouží jako donor aminoskupiny a mění se na glutamát. Druhý krok pak spočívá v acetylaci vzniklého glukosamin-6-fosfátu na N-acetylglukosamin-6-fosfát působením acetylkoenzymu A (Ac-S-CoA), který se tím mění na koenzym A (H-S-CoA). Ve třetím kroku dochází k izomerizaci N-acetylglukosamin-6-fosfátu na N-acetylglukosamin-1-fosfát.
Syntéza peptidoglykanu
Čtvrtý krok je substituce fosfátové skupiny N-acetylglukosamin-1-fosfátu za uridin-difosfát (UDP). V tomto kroku N-acetylglukosamin-1-fosfát atakuje uridin-trifosfát (UTP), přičemž dochází k eliminaci jedné fosfátové skupiny z UTP a jedné z N-acetylglukosamin-1-fosfátu. Tyto dvě fosfátové skupiny se uvolní jako difosfát (PPi) a vzniká 1-uridin-difosfát-N-acetylglukosamin (UDP-NAG). V pátém kroku dochází k reakci mezi fosfoenolpyruvátem (PEP) a UDP-NAG, přičemž se z PEP odštěpí fosfátová skupina a zbylá enolforma pyruvátu se naváže na hydroxylovou skupinu uhlíku C3 UDP-NAG, čímž vzniká UDP-NAG-enolpyruvát. Tuto reakci katalyzuje enzym UDP-N-acetylglukosamin-3-enolpyruvyltransferasa, která je cílovým elementem účinku antibiotika fosfomycinu, který působí jako kompetitivní inhibitor tohoto enzymu a tím zastavuje syntézu prekursorů peptidoglykanu, což posléze vede k zániku bakteriální buňky. V šestém kroku se dvojná vazba UDP-NAG-enolpyruvátu za přítomnosti NADPH jako kofaktoru hydrogenuje na UDP-NAG-laktát, který se nazývá kyselina UDP-N-acetylmuramová (UDP-NAM). Sedmý krok je poslední krok cytoplasmatické fáze syntézy peptidoglykanu a vzniká v něm pentapeptid kyseliny UDP-N-acetylmuramové. Peptidová vazba vznikne na COOH skupině laktátového strukturního fragmentu UDP-NAM a takto vzniklý peptid se skládá z L- a D-aminokyselin. Při jeho syntéze se spotřebovává energie vzniklá hydrolýzou ATP. V této fázi syntézy peptidoglykanu (mureinu) působí antibiotika fosfomycin, cykloserin a bacitracin. (Poznámka k obrázku: Pentapeptid navázaný na UDP-NAM je typický pro druh Staphylococcus aureus; jiné druhy bakterií mohou mít jiné aminokyseliny v sekvenci – zejména gramnegativní)
Syntéza peptidoglykanu
2. Membránová fáze

Podstatou membránové fáze je transport prekursorů NAG a NAM přes cytoplasmatickou membránu. Jelikož je membrána uvnitř hydrofobní a lipofilní, musí být prekursory navázány na lipofilní sloučeninu. Tato lipofilní sloučenina, která slouží jako transportér NAG a NAM přes cytoplasmatickou membránu je tvořena vyšším nenasyceným rozvětveným alkoholem, který je esterifikován kyselinou fosforečnou. U laktobacilů se tento alkohol nazývá baktoprenol. U jiných bakterii nalezeme pak jako alkohol C55-isoprenol, neboli undekaprenol. Undekaprenol je vnořen do membrány a jeho hydroxylová skupina esterifikována kyselinou fosforečnou vyčnívá z povrchu membrány dovnitř buňky. Tato strukturní jednotka se nazývá undekaprenylfosfát:
Transport prekursorů přes membránu začíná tím, že fosfátová skupina undekaprenylfosfátu atakuje molekulu UDP-NAM-pentapeptidu, přičemž dochází k odštěpení UMP (uridin-monofosfátu) a vzniká pentapeptid kyseliny undekaprenyl-difosfát-N-acetylmuramové (undekaprenyl-P-P-NAM-pentapeptid). Ten následně atakuje UDP-NAG a dochází k připojení NAG na C4 uhlík undekaprenyl-P-P-NAM-pentapeptidu glykosidickou 1,4-vazbou, přičemž se odštěpí UDP. Takto vzniklý disacharidový komplex N-acetylglukosaminu (NAG) a pentapeptidu kyseliny N-acetylmuramové, navázané přes difosfátový můstek na undekaprenol je transportován přes membránu ven do místa, kde se odehrává extracelulární fáze syntézy peptidoglykanu.
Syntéza peptidoglykanu
3. Extracelulární fáze

Extracelulární fáze je poslední z fází syntézy peptidoglykanu. Její podstatou je začlenění nové NAG-NAM-pentapeptidové jednotky do již existující vrstvy peptidoglykanu. Aby nová jednotka mohla být začleněna, musí tomu předcházet rozštěpení již existujících 1,4-glykosidických vazeb v struktuře peptidoglykanu. Dochází k tomu ještě před extracelulární fází a do takto vzniklé mezery je transportován komplex undekaprenol-difosfát-NAG-NAM-pentapeptidu. Když je tento komplex dopraven na cílové místo, musí dojít k jeho spojení s okolními jednotkami peptidoglykanu. Tento proces se nazývá transglykosylace a je katalyzován transglykosylasami. Tyto enzymy umožní hydroxylové skupině N-acetylglukosaminu v stávajícím peptidoglykanu atakovat vazbu mezi fosfátovými jednotkami a kyselinou N-acetylmuramovou v transportovaném komplexu. Dochází tak k vytvoření 1,4-glykosidické vazby mezi NAG stávajícího peptidoglykanu a NAM transportovaného komplexu. Odštěpený undekaprenol-difosfát se rozpadá na fosfátový aniont a undekaprenylfosfát, který se vrací zpátky na vnitřní stranu cytoplazmatické membrány, aby zde transportoval další NAG-NAM-pentapeptidovou jednotku. Tyto procesy se cyklicky opakují, až dokud není vrstva peptidoglykanu kompletně vybudována.
Možnosti ovlivňování
Syntetický disacharid TS30663
Syntetický disacharidový derivát TS30663
Syntéza peptidoglykanu je velmi důležitým cílem zásahu různých antibiotik. Vzhledem k tomu, že eukaryotní buňky peptidoglykan nesyntetizují, je inhibice jeho syntézy vysoce specifická pro prokaryotní organismy, což je zároveň podstatou selektivní toxicity zde působících antibiotik. V intracelulární fázi působí jako inhibitory fosfomycin (viz výše) a cykloserin, který inhibuje alaninracemasu (transformuje L-alanin na D-alanin) a D-alaninligasu (spojuje D-alanin, čímž vytváří charakteristický D-alanyl-D-alanyldipeptid, který je důležitý pro transpeptidaci lineárních NAG-NAM řetězců peptidoglykanu). V membránové fázi působí polypeptidové antibiotikum bacitracin, které inhibuje transport NAG-NAM-pentapeptidu přes membránu tím, že zabraňuje defosforylaci undekaprenylfosfátu.
K ovlivnění extracelulární fáze syntézy peptidoglykanu máme k dispozici nejvíce látek. Nejvýznamnější zástupci této skupiny jsou bezesporu β-laktamy (peniciliny, cefalosporiny, karbapenemy, monobaktamy) a glykopeptidy (vankomycin, teikoplanin). Další zástupci jsou např. nisin, ramoplanin, mannopeptimyciny, moenomyciny atd. Více informací o jejich účinku je možno najít v samostatných článcích. Za zmínku stojí také syntetický disacharidový derivát TS30663, který spolu s dalšími připravil Sofia et al. metodou kombinatoriální chemie. Tento derivát je inhibitorem transglykosyláz, čímž zabraňuje začlenení nové NAG-NAM-pentapeptidové jednotky do již stávajícího peptidoglykanu.
Stránka ještě není dokončena a je neustále doplňována!
Literatura
  1. Sofia MJ, Allanson N, Hatzenbuhler NT, Jain R, Kakarla R, Kogan N, Liang R, Liu D, Silva DJ, Wang H et al.: Discovery of novel disaccharide antibacterial agents using a combinatorial library approach. J Med Chem 1999, 42:3193-3198.
Fosfomycin