El peptidoglicano o mureína es un polímero que consta de azúcares y aminoácidos que forma una capa en forma de malla fuera de la membrana plasmática de la mayoría de las bacterias , formando la pared celular . El componente de azúcar consiste en residuos alternos de N- acetilglucosamina (NAG) enlazada en β- (1,4 ) y ácido N- acetilmurámico (NAM). Unido al ácido N- acetilmurámico hay una cadena de péptidos de tres a cinco aminoácidos. La cadena de péptidos se puede reticular con la cadena de péptidos de otra hebra que forma la capa en forma de malla 3D. [1]El peptidoglicano tiene un papel estructural en la pared celular bacteriana, dando fuerza estructural y contrarrestando la presión osmótica del citoplasma . El peptidoglicano también participa en la fisión binaria durante la reproducción de las células bacterianas.
La capa de peptidoglicano es sustancialmente más gruesa en Gram-positivas bacterias (de 20 a 80 nanómetros) que en Gram-negativas bacterias (7 a 8 nanómetros). [2] En función de las condiciones de crecimiento pH, las formas de peptidoglicano alrededor de 40 a 90% de la pared celular 's de peso en seco de las bacterias Gram-positivos, pero sólo alrededor del 10% de las cepas Gram-negativas. Por tanto, la presencia de niveles elevados de peptidoglicano es el principal determinante de la caracterización de bacterias como grampositivas. [3] En las cepas Gram-positivas, es importante en los roles de apego y propósitos de serotipificación . [4] Tanto para las bacterias Gram positivas como para las Gram negativas, las partículas de aproximadamente 2 nm pueden atravesar el peptidoglicano. [5]
Estructura
La capa de peptidoglicano en la pared celular bacteriana es una red cristalina estructura formada a partir de cadenas lineales de dos alterna amino azúcares , a saber, N acetilglucosamina (GlcNAc o NAGA) y N ácido -acetylmuramic (MurNAc o NAMA). Los azúcares alternos están conectados por un enlace β- (1,4) - glicosídico . Cada MurNAc está unido a una cadena de aminoácidos corta (de 4 a 5 residuos) , que contiene L- alanina , D -ácido glutámico , ácido meso- diaminopimélico y D- alanina en el caso de Escherichia coli (una bacteria Gram-negativa ) o L- alanina , D -glutamina , L- lisina y D- alanina con un interpuente de 5- glicina entre tetrapéptidos en el caso de Staphylococcus aureus (una bacteria Gram-positiva). El peptidoglicano es una de las fuentes más importantes de D-aminoácidos en la naturaleza.
La reticulación entre aminoácidos en diferentes cadenas de aminoazúcares lineales ocurre con la ayuda de la enzima DD-transpeptidasa y da como resultado una estructura tridimensional que es fuerte y rígida. La secuencia de aminoácidos específica y la estructura molecular varían con la especie bacteriana . [6]
La estructura del peptidoglicano. NAG = N- acetilglucosamina (también llamado GlcNAc o NAGA), NAM = ácido N- acetilmurámico (también llamado MurNAc o NAMA).
Pared celular grampositiva
Proteína de unión a penicilina que forma enlaces cruzados en la pared celular bacteriana recién formada.
Biosíntesis
Los monómeros de peptidoglicano se sintetizan en el citosol y luego se unen a un bactoprenol portador de membrana . El bactoprenol transporta los monómeros de peptidoglicano a través de la membrana celular donde se insertan en el peptidoglicano existente. [7]
En el primer paso de la síntesis de peptidoglicanos, la glutamina , que es un aminoácido, dona un grupo amino a un azúcar, fructosa 6-fosfato . Esto convierte la fructosa 6-fosfato en glucosamina-6-fosfato . En el paso dos, se transfiere un grupo acetilo de acetil CoA al grupo amino en la glucosamina-6-fosfato creando N -acetil-glucosamina-6-fosfato . [8] En el paso tres del proceso de síntesis, se isomeriza el N -acetil-glucosamina-6-fosfato, que cambiará el N -acetil-glucosamina-6-fosfato a N -acetil-glucosamina-1-fosfato . [8]
En el paso 4, el N -acetil-glucosamina-1-fosfato, que ahora es un monofosfato, ataca a la UTP . El trifosfato de uridina, que es un nucleótido de pirimidina , tiene la capacidad de actuar como fuente de energía. En esta reacción en particular, después de que el monofosfato ha atacado la UTP, se desprende un pirofosfato inorgánico y es reemplazado por el monofosfato, creando UDP-N-acetilglucosamina (2,4). (Cuando se usa UDP como fuente de energía, emite un fosfato inorgánico). Esta etapa inicial se usa para crear el precursor de la NAG en el peptidoglicano.
En el paso 5, algo de la UDP-N-acetilglucosamina (UDP-GlcNAc) se convierte en UDP-MurNAc (ácido UDP-N-acetilmurámico) mediante la adición de un grupo lactilo a la glucosamina. También en esta reacción, el grupo hidroxilo C3 eliminará un fosfato del carbono alfa del fosfoenolpiruvato . Esto crea lo que se llama un derivado de enol que se reducirá a un "resto lactilo" por NADPH en el paso seis. [8]
En el paso 7, la UDP-MurNAc se convierte en pentapéptido de UDP-MurNAc mediante la adición de cinco aminoácidos, que generalmente incluyen el dipéptido D- alanil- D- alanina. [8] Cada una de estas reacciones requiere la fuente de energía ATP. [8] Todo esto se conoce como Etapa uno.
La segunda etapa ocurre en la membrana citoplasmática. Es en la membrana donde un transportador lipídico llamado bactoprenol transporta los precursores de peptidoglicanos a través de la membrana celular. El bactoprenol atacará la penta UDP-MurNAc, creando una penta PP-MurNac, que ahora es un lípido. Luego, la UDP-GlcNAc se transporta a MurNAc, creando lípido-PP-MurNAc penta-GlcNAc, un disacárido, también un precursor del peptidoglicano. [8] Aún no se comprende cómo se transporta esta molécula a través de la membrana. Sin embargo, una vez que está allí, se agrega a la cadena de glicanos en crecimiento. [8] La siguiente reacción se conoce como transglicosilación. En la reacción, el grupo hidroxilo de GlcNAc se unirá a MurNAc en el glicano, lo que desplazará el lípido-PP de la cadena de glicanos. La enzima responsable de esto es la transglicosilasa. [8]
Inhibición
Algunos fármacos antibacterianos como la penicilina interfieren con la producción de peptidoglicano al unirse a enzimas bacterianas conocidas como proteínas de unión a penicilina o transpeptidasas DD . [4] Las proteínas de unión a penicilina forman los enlaces entre los enlaces cruzados de oligopéptidos en el peptidoglicano. Para que una célula bacteriana se reproduzca a través de la fisión binaria , se deben unir más de un millón de subunidades de peptidoglicano (NAM-NAG + oligopéptido) a las subunidades existentes. [9] Las mutaciones en los genes que codifican las transpeptidasas que conducen a interacciones reducidas con un antibiótico son una fuente importante de resistencia a los antibióticos emergente . [10] Las muraimicinas son una subclase de antibióticos nucleósidos que actúan como inhibidores competitivos del sustrato natural UDP-MurNAc-pentapéptido (UM5A) de fosfo-N-acetilmuramoil-pentapéptido translocasa (MraY). [11]
La lisozima , que se encuentra en las lágrimas y constituye parte del sistema inmunológico innato del cuerpo, ejerce su efecto antibacteriano al romper los enlaces β- (1,4) -glicosídicos en el peptidoglicano (ver más arriba).
Similitud con el pseudopeptidoglicano
Algunas arqueas tienen una capa similar de seudopeptidoglucano (también conocido como pseudomureína), en la que los residuos de azúcar son β- (1,3) unido N acetilglucosamina y N ácido -acetyltalosaminuronic . Esto hace que las paredes celulares de tales arqueas sean insensibles a la lisozima . [12]
Referencias
- ^ Animación de la síntesis de la capa de peptidoglicano
- ^ Purcell A (18 de marzo de 2016). "Bacterias" . Biología básica.
- ^ C.Michael Hogan. 2010. Bacteria . Enciclopedia de la Tierra. eds. Sidney Draggan y CJCleveland, Consejo Nacional para la Ciencia y el Medio Ambiente, Washington DC
- ^ a b Salton MR, Kim KS (1996). "Estructura" . En Baron S, et al. (eds.). Estructura. En: Microbiología médica de Baron (4ª ed.). Rama médica de la Universidad de Texas. ISBN 978-0-9631172-1-2.
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- ^ Saeid Malek Zadeh (2 de septiembre de 2020). "Estudio teórico de las interacciones intermoleculares entre los residuos críticos de la proteína de membrana MraYAA y el antibiótico prometedor Muraymycin D2" . ACS Omega . 5 (36): 22739–22749. doi : 10.1021 / acsomega.0c01551 . PMID 32954121 . S2CID 221782183 .
- ^ Madigan, MT, JM Martinko, PV Dunlap y DP Clark. Biología Brock de microorganismos. 12a ed. San Francisco, CA: Pearson / Benjamin Cummings, 2009.
enlaces externos
- Representación esquemática de estructuras de peptidoglicano.
- Estructura de MurNAc 6-fosfato hidrolasa (MurQ) de Haemophilus influenzae con un inhibidor unido.