Zellwände von Bakterien

Zellwände von Bakterien
• Zellwände von Prokaryonten bestehen aus einem
Netzwerk von Polysacchariden mit den sich
wiederholenden Grundeineheiten NAM-NAG
CH2 OH O
O
O
H3 C CH
C= O
NH
O= C
CH2 OH O
O
HO
O
N
O= C
CH3
CH3
N-Acetyl-D-Glucosamin
O(NAG)
N-Acetylmuraminsäure
(NAM)
Zellwände von Bakterien
• Die Polysaccharide sind durch Tetrapeptide
quervernetzt = Peptidoglykane
• Diese Tetrapeptide sind ungewöhnlich, da sie 2 DAminosäuren, nämlich D-Alanin and D-Glutamin
enthalten.
• Jedes Tetrapeptid wird durch eine Brücke von 5
Glycinen miteinander verknüpft.
• Peptidoglykane von Bakterien sind Zielstrukturen von
Antibiotika bei der Bekämpfung von Infektionen.
• Das Antibiotikum Penicillin hemmt die Quervernetzung
der Polysaccharidketten, was zu einer Instabilität der
bakteriellen Zellwand führt.
CH2 OH O
O
O
H3 C CH
C= O
NH
NH
O= C
CH2 OH O
O
HO
O
N
O= C
CH3
CH3
L A la
D Gln
L Ly s
O
( CH2 ) 4 NH- C- ( Gly ) 5 - NH
D A la
C= O
O
NH- ( Gly ) 5 C
Zu den Tetrapeptid
Seitenketten
Peptidoglykan
•
N-Acetylglucosamin and Nacetylmuramnisäure sind ß-1->4
verknüpft.
•
Das Heteroglycan ist mit einem
Tetrapeptid verknüpft (Ala-IsogluLys-Ala)
•
Gram (+) Bakterien besitzen
Pentaglycinbrücken zum nächsten
Strang
•
Gram (-) Bakterien sind über das
Tetrapeptid direkt mit dem nächsten
Strang verknüpft
Klinische Relevanz: Gram positiv (+) und negativ (-) bezieht sich auf die
Färbung/Entfärbung der Mureinschicht (Peptidoglykanschicht) von
Bakterien mit Karbolgentianaviolett. In der Mikrobiologie ist dies ein
wichtiges Kriterium für die Klassifikation von bakteriellen Erregern.
Peptidoglycan – 3D Struktur
Peptidoglykane sind Zielstrukturen
von antibakteriellen Substanzen
•Lysozym = ein Enzym, das die
Polysaccharidketten von Peptidoglykanen
spaltet.
•Penicillin = Antibiotikum, das die
Quervernetzung von Peptidoglykanketten
hemmt.
•Pencillin hemmt die Verknüpfung des
terminalen Alanins mit dem Pentaglycin Linker
Pen
Ala-Ala
Penicillin ähnelt strukturell einem
Ala-Ala Dipeptid. Die
Transpeptidase des Bakteriums
verknüpft den endständigen
Glycinrest des Pentaglycinlinkers
mit einem endständigen D-Alanin
Dipeptid unter Abspaltung eines
Alanins. Diese Transpeptidase
wird durch Penicillin gehemmt
Lipopolysaccharide
•
1.
2.
3.
•
•
•
Lipopolysaccharide bestehen, wie aus dem Namen
abzuleiten ist, aus aus einer Lipidkomponente, die mit
einer Polysaccharidkette verknüpft ist:
Lipid A: Fettsäure-Zuckerkomponente
Core Struktur: konstante Zuckerkomponenten
Besonderheit: Heptosen (C7 Zucker)
O-Kette: Variable Zuckerkomponenten.
Lipopolysaccharide sind Bestandteil der Zellwände von
Gram (-) Bakterien und vermitteln toxische Effekte bei
bakteriellen Infekten durch die Lipid A Komponente.
Beispiel: Durchfall nach Salmonelleninfektion.
Die variablen Zuckerkomponenten bestimmen die
Subtypen der Bakterienstämme.
Lipopolysaccharide
Zuckerbausteine der Lipopolysaccharide
Inner Core:
Glucosamin
Heptosen (Zucker mit 7 C-Atomen)
Outer Core:
D-Glucose, D-Galaktose, N-Acetylglucosamin
Specific Chain D-Mannose, D-Galaktose, D-Rhamnose,
Lipid A Komponente von
Lipopolysacchariden
1. 7 Fettsäuremoleküle sind an ein
Glucosamin Disaccharid gekoppelt
2. Das Glucosamin Disaccharid enthält
zusätzliche Substituenten
3. Lipid A vermittelt die Toxizität
von gramnegativen Bakterien
Zellwände von Pflanzen
• Bestehen zum großen Teil
aus Cellulose
• Enthalten auch Pektin als
Bindemittel
• Pektin ist ein Polymer aus
D-Galakturonsäure
verknüpft durch α-1,4glykosidische Bindungen
Ballaststoffe in
der Ernährung !
O
HO
CO2 H
O
OH
O
CO2 H O
HO
OH
O
Struktur von
Knorpel
Proteoglykan
Glucuronsäure
Aminozucker
N-Acetyl-Galaktosamin
Schwefelsäureester
des Aminozuckers
Glykosaminoglykane
in Knorpel und
Bindegewebe
Repetitive Disaccharideinheiten
Diese enthalten
Aminozucker
Uronsäuren
Schwefelsäureester
Die Polysaccharidketten sind
kovalent mit Proteinen verknüpft
Heparin
1.
2.
3.
4.
Polysaccharid aus der Grundeinheit D-Iduronat-2-sulfat in einer 1-4
glykosidischen Verknüpfung mit N-Sulfo-D-Glucosamin-6-sulfat.
Durch die Sulfatgruppen ist das Polymer stark negativ geladen.
Heparin wird in den Mastzellen gebildet und verhindert die Aktivierung
des Blutgerinnungssystems.
Heparin wird klinisch zur Antikoagulation eingesetzt (iv. oder sc.).
Glykoproteine
•
Glykoproteine enthalten Kohlenhydratgruppen, die
kovalent an die Seitenketten des Polypeptids gebunden
sind
(O-glykosidisch – Serin, N-glykosidisch Asparagin)
• Antikörper, Membranproteine und Proteine der extrazellulären
Matrix sind Glykoproteine.
• Die Kohlenhydratgruppen spielen auch eine wichtige Rolle als
antigene Determinanten, dem Molekülteil eines Antigens, das
spezifisch durch Antikörper erkannt wird.
• Durch die baumartige Verknüpfung der Heteroglykane wird eine
hohe Variabilität der räumlichen Struktur von Glykoproteinen
gewährleistet, die für die Erkennung von Zellen (immunologische
Abwehr) eine entscheidende Rolle spielt.
Glykoproteine
N-glykosidisch – Asparagin
O-glykosidisch – Serin
N- und O-glykosidisch verknüpfte
Glykoproteine
O-glykosidisch
•
•
•
Die Oligosaccharidkette wird
im Golgi Apparat direkt am
Zielprotein quasi „Stück für
Stück“ synthetisiert
Die Zucker sind hierbei durch
Nukleotide „aktiviert“:UDP-,
GDP-, CMPSpezifische
Glykosyltransferasen
übertragen die aktivierten
Zucker auf die Serin- bzw.
Threonin OH-Gruppen der
Zielproteine
N-glykosidisch
•
•
Die Oligosaccharidkette wird
im endoplasmatischen
Retikulum an einem
Lipidintermediat (Dolichol, ein
Isoprenderivat) synthetisiert
und somit quasi „vorgefertigt“.
Die fertige Oligosaccharidkette
wird danach modifiziert
(Anhängen bzw. Abspalten von
Zuckerresten) und durch
Oligosaccharidtransferasen auf
die Asparaginseitengruppe des
Zielproteins übertragen
N-verknüpfte Glykoproteine
•
Oligosaccharide können die chemischen und biophysikalischen
Eigenschaften von Proteinen beeinflussen.
•
Oligosaccharide stabilisieren Proteinkonformationen und/oder
schützen Proteine vor einem proteolytischen Abbau.
•
Die Abspaltung von Monosaccharideinheiten von N-verknüpften
Glykoproteinen im Blut beschleunigt den Abbau in der Leber
(Beispiel: Caeruplasmin als kupferbindendes Plasmaprotein).
•
Die N-Glykosylierung von Proteinen spielt eine Rolle für die
“Adressierung” der subzellulären Lokalisation z.B. Mannose-6-P
Signal für den Import von Enzymen in Lysosomen.
Funktionen von Glykoproteinen
Funktion
Glykoprotein
Strukturmoleküle
Kollagen
Lubrikantien
Mucine (Speichel, Bronchialsekret)
Transportmoleküle
Transferrin (Fe), Caeruplasmin (Cu)
Immunsystem
Immunglobuline, HistokompatibilitätsAntigene
Hormone
Choriogonadotropin, TSH
Enzyme
z.B. Alkalische Phosphatase
Zellerkennung
Proteine in der Zell-Zell, Virus-Zell,
Bakterium-Zell und Hormon-Zell Interaktion
Kohlenhydratinteraktion
Lektine
Zucker in Glykoproteinen
•Aminohexose N-Acetylglucosamin
•Aktivierte Form: UDP-GlcNAc
•häufig in N-verknüpften Glykoproteinen
•N-Acetylneuraminsäure
•Sialinsäure (C9 Zucker)
•Aktivierte Form: CMP-GlcNAc
•Häufig terminaler Zucker in Glykoproteinen
Zucker in Glykoproteinen
•Aminohexose N-Acetylgalactosamin
•Aktivierte Form: UDP-GalNAc
•in N- und O-verknüpften Glykoproteinen
•Fucose
•Aktivierte Form: GDP-Fuc
•L-Zucker der aus Glucose synthetisiert wird
•-OH Gruppe an C6 wird durch CH3 Gruppe
ersetzt
Zucker, die glykosidisch an Glykoproteine synthetisiert werden,
müssen durch Bindung an Nukleotide „aktiviert“ werden !
Beispiel: Aktivierte Sialinsäure
Sialinsäure = N-Acetyl-Neuraminsäure
N-glykosidisch verknüpfte
Glykoproteine
Komplex
Hybrid
3 Klassen
Mannose-reich
1.
2.
N-glykosidische Verknüpfung von NAcetylglucosamin (GlcNAc) an Asparagin
Core Pentasaccharid: 3 Mannose, 2 GlcNAc
Mucine
N-terminal
•Bestandteil des Mucus (Schleim)
•Schutzfunktion für Schleimhäute des
Gastrointestinaltrakts, Urogenitaltrakts,
Brochialtrakts
N-glykosidisch verknüpfte
O-glykosidisch
Polysaccharidketten
verknüpfte
Polysaccharidketten
C-terminal
Der Kohlenhydratanteil von
Mucinen beträgt mehr als 50 %.
Tandem Repeats = sich wiederholende
Aminosäuresequenzen, die reich an Serin Mucus (Schleim) besteht zu 95 %
aus Wasser
und Threonin sind. Hieran werden
Oligosaccharide O-glykosidisch verknüpft. (Wasserbindungskapazität von
Kohlenhydraten!)
Blutgruppen Antigene
•
Plasmamembranen von Säugetierzellen enthalten einen
relativ großen Anteil verschiedener komplex verknüpfter
Kohlenhydratgruppen
• Diese membrangebundenen Kohlenhydratgruppen bilden
antigene Determinanten.
• Die Kohlenhydratgruppen sind mit Proteinseitengruppen
(Glykoproteine) und Lipidkomponenten (Glykosphingolipide)
verknüpft.
• Die Blutgruppenmoleküle waren die ersten antigenen
Determinanten, die charakterisiert wurden.
• In dem ABO System sind 4 Blutgruppen zu unterscheiden: A, B,
AB, and O.
• Auf der zellulären Ebene, bildet eine Gruppe von nur sehr wenigen
Kohlenhydraten die biochemische Grundlage für diese
Differenzierung.
ABO Blutgruppen
• in Blutgruppe A ist das terminale Ende der Kohlenhydratkette
NAGal, in Blutgruppe B Gal; in Blutgruppe AB sind beide
Kohlenhydrate vorhanden; in Type 0, bildet keine der beiden
Zucker das terminale Ende.
D-Galactose in
Blutgruppe B
NAGal
(α-1,4-)
(β-1,3-)
(β-1-)
Erythrozytenmembran
Ga l
NAGlu
(α-1,2-)
Fuc
Fehlt bei
NAGal = N-Acetyl-D-Galactosamin
Blutgruppe 0
Gal = D-Galactose
NAGlu = N-Acetyl-D-Glucosamin
Fuc = L-Fucose
Blutgruppenantigene
ABO-System
Blutgruppe 0
Blutgruppe A
N-Acetyl-D-Galactosamin
Blutgruppe B
D-Galactose
Ein einziges endständiges Zuckermolekül macht den Unterschied!
Was ist der genetische Hintergrund
für die ABO Blutgruppenantigene?
•
•
•
•
•
Gene, die für die Expression von spezifischen
Glykosyltransferasen kodieren!
Blutgruppe 0 (H-Locus): Fucosyltransferase
Blutgruppe A: Fucosyltransferase +
N-Acetyl-D-Galactosamintransferase
Blutgruppe B: Fucosyltransferase +
Galactosyltransferase
Es wird daher die Fähigkeit vererbt, spezifische
Zuckerkomponenten miteinander zu verknüpfen!
Glykolipide
• Bestandteil der Nervenzellmembranen in der
•
•
•
•
grauen Substans des Gehirns.
Anreicherung in den synaptischen Regionen
Grundbaustein Ceramid
Glykosidische Verknüpfung an der C1 OHGruppe des Ceramids:
- Hexose = Cerebrosid
- Oligosaccharid = Gangliosid
Sialinsäure ist Bestandteil des Oligosaccharids
Glykolipide unterliegen einem ständigen
Turnover und werden in den Lysosomen durch
spezifische Hydrolasen abgebaut.
Synthese von
Sphingolipiden
Synthese von Sphingolipiden
Glykosidische Verknüpfung
aktivierter Zucker am Ceramid
Sphingolipidosen
Lysosomale Speicherkrankheiten = Abbaustörungen von Glykolipiden
GM1-Gangliosidose
• Defekt der ß-N-Acetylgalactosoaminidase
• Akkumulation von GM1-Gangliosid
• Lipide akkumulieren in Lysosomen
• Betroffene Organe:
- Nervensystem – geistige Retardierung
- Leber – Hepatomegalie (Lebervergrösserung)
- Knochen - Skeletdeformationen
GM2-Gangliosidose
• Tay-Sachssche Krankheit
• Defekt der ß-Galactosidase
• Akkumulation von GM1-Gangliosid
• Lipide akkumulieren in Lysosomen
• Betroffene Organe:
- Nervensystem – geistige Retardierung
- Retinadegeneration - Erblindung
- Muskulatur – Muskelschwäche
Sphingolipidosen
Lysosomale Speicherkrankheiten