Aufbau von Peptidoglykan
Peptidoglykan stellt eine robuste Schutzschicht über der zytoplasmatischen Membran dar. Bei gramnegativen Bakterien ist es zusätzlich von einer äußeren Membran aus Lipopolysacchariden bedeckt, die als Barriere für viele Antibiotika wirkt.
Das Molekülgerüst («Rückgrat») besteht aus langen Ketten, in denen sich zwei Aminozucker abwechseln:
- N-Acetylglucosamin (NAG);
- N-Acetylmuraminsäure (NAM).
An jedes NAM-Molekül ist ein kurzes Oligopeptid gebunden. Diese Peptidseitenketten benachbarter Polymerketten sind durch Quervernetzungen miteinander verbunden und bilden ein stabiles dreidimensionales Netzwerk.
Schritt 1: Monomersynthese
Der Prozess beginnt im Zytoplasma und an der Innenseite der zellulären Membran. Glukose wird in NAG und NAM umgewandelt. Anschließend erfolgt die Assemblierung der Peptidkette am NAM-Molekül unter Beteiligung der Enzyme MurC, MurD, MurE.
Zunächst werden nacheinander L-Alanin und D-Glutamat angehängt. Die dritte Aminosäure hängt vom Bakterientyp ab: Bei den meisten grampositiven Bakterien ist dies L-Lysin, während es bei gramnegativen (und einigen grampositiven) Bakterien die Diaminopimelinsäure (DAP) ist. Da DAP im menschlichen Organismus nicht vorkommt, stellt sie einen attraktiven Angriffspunkt für neuartige Antibiotika dar.
Abschließend wird das Dipeptid D-Ala-D-Ala an die Kette angefügt, welches aus L-Alanin mithilfe des Enzyms D-Ala-D-Ala-Synthetase synthetisiert wird.
Danach wird NAG an den Komplex angelagert, und bei grampositiven Bakterien wird an die dritte Aminosäure (Lysin oder DAP) ein verbindendes Polypeptid – in der Regel eine Pentaglycinbrücke – angefügt.
Schritt 2: Transport und Polymerisation
Das synthetisierte, hydrophile Mureinmonomer kann die lipophile zytoplasmatische Membran nicht aus eigener Kraft passieren. Hierfür wird ein Carrier-Molekül eingesetzt – das Bactoprenol.
Bactoprenol bindet das Monomer, transportiert es zur äußeren Oberfläche der Membran und baut es in die wachsende Polymerkette ein. Nachdem Transglykosidasen das Bactoprenol abgespalten haben, kehrt es in das Zytoplasma zurück, um einen neuen Baustein aufzunehmen.
Der Prozess der linearen Kettenverlängerung (Verknüpfung des NAM des angelieferten Monomers mit dem NAG des bestehenden Polymers) wird durch das Enzym Peptidoglykan-Glykosyltransferase katalysiert.
Schritt 3: Transpeptidierung (Vernetzung)
Die finale Phase verleiht der Zellwand ihre mechanische Stabilität. Parallele Peptidoglypanketten werden miteinander vernetzt.
Dieser Prozess wird durch Transpeptidasen katalysiert. Sie binden an das terminale Dipeptid D-Ala-D-Ala, spalten einen (terminalen) D-Alanin-Rest ab und bilden einen temporären Komplex mit dem Peptidoglykan. Anschliessend greift die freie Aminogruppe einer benachbarten Kette diesen Komplex an und bildet eine kovalente Quervernetzung.
Transpeptidasen sind die Hauptzielstrukturen für $\beta$-Laktam-Antibiotika (z. B. Benzylpenicillin), weshalb diese Enzyme als penizillinbindende Proteine (PBP) bezeichnet werden.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Welche Antibiotika inhibieren die zytoplasmatische Phase der Peptidoglykan-Monomersynthese?
In den frühen Phasen der Zellwandsynthese wirken Inhibitoren der Mureinmonomersynthese, welche die Bildung der Bausteine im Zytoplasma unterbrechen.
- Fosfomycin (Fosfomycin) – blockiert irreversibel die enzymatische Kondensation von Uridindiphosphat-N-acetylglucosamin und verhindert dadurch die Bildung von Mureinmonomeren.
- Fosmidomycin (Fosmidomycin) – gehört zu den Wirkstoffen, die frühe Stadien der Zellwandsynthese stören.
Welches Antibiotika blockiert den Transport von Monomeren und stört dabei den Bactoprenol-Zyklus?
Der Transport von Mureinmonomeren durch die Membran wird durch das Peptidantibiotikum Bacitracin gestört, welches auf den Lipidträger einwirkt.
- Bacitracin (Bacitracin) – blockiert die Dephosphorylierung (Wiederherstellung der Aktivität) des Lipidträgers Bactoprenolpyrophosphat, wodurch dieser seine Transportfunktion verliert und die Zellwandsynthese zum Stillstand kommt.
Welche Antibiotikaklassen inhibieren den Schritt der Transpeptidierung während der Zellwandsynthese?
Die Phase der polymeren Quervernetzung (Transpeptidierung) wird durch Substanzen gehemmt, die an penizillinbindende Proteine binden und die Transpeptidase hemmen.
- Carbapeneme (Carbapenems) – binden an spezifische penizillinbindende Proteine und hemmen die Transpeptidase, wodurch die Bildung von Peptidoglykan-Quervernetzungen gestört wird.
Worin unterscheidet sich der Aufbau der Zellwand gramnegativer Bakterien von dem grampositiver Bakterien?
Die Zellwände grampositiver und gramnegativer Bakterien unterscheiden sich erheblich hinsichtlich der Dicke der Peptidoglykanschicht und dem Vorhandensein zusätzlicher Schutzstrukturen.
| Merkmal | Grampositiv | Gramnegativ |
|---|---|---|
| Wandstärke | 20–60 nm | 10–20 nm |
| Peptidoglykan am Trockengewicht der Wand | 40-90% | 5-10% |
| Teichonsäuren | + | - |
| Periplasmatischer Raum | - | + |
| Äußere Membran | - | + |
| Gram-Färbung | blau-violett | rosa |
Merke dir die Zusammensetzung des Grundgerüsts: «NAM und NAG bilden das Rückgrat».
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Welche Enzyme werden als penizillinbindende Proteine (PBP) bezeichnet und warum?
Es handelt sich um Transpeptidasen – Enzyme, die die Quervernetzung der Peptidoglypanketten katalysieren. Beta-Laktam-Antibiotika (Penicilline) blockieren deren Funktion, weshalb sie als PBP bezeichnet werden.
Wozu wird Baktoprenol benötigt?
Es fungiert als lipophiler Carrier. Die Monomerkomponenten sind hydrophil und können die zelluläre Membran nicht aus eigener Kraft nach außen passieren.
Worin unterscheidet sich die dritte Aminosäure der Peptidkette bei verschiedenen Bakterien?
Die meisten grampositiven Bakterien verwenden L-Lysin, während gramnegative Bakterien Diaminopimelinsäure (DAP) nutzen.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Wirksmechanismus von Beta-Laktam-Antibiotika
- Aufbau der äußeren Membran gramnegativer Bakterien
- Enzyme der Monomersynthese (MurA-MurF)
- Der Bactoprenol-Zyklus und darauf einwirkende Substanzen
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