Sintesi del peptidoglicano

Il peptidoglicano (o mucopeptide batterico o mureina), è il componente fondamentale della parete cellulare dei batteri.

È un enorme polimero le cui unità strutturali sono rappresentate da due carboidrati azotati, l’N-acetilglucosamina (NAG) e l’acido muramico, legati tra loro mediante un legame ß,1-6. Al gruppo carbossilico dell’acido muramico è legato un tetrapeptide i cui aminoacidi di solito rappresentati, nell’ordine, da L-alanina, acido D-glutamico, L-lisina o acido mesodiaminopimelico (quest’ultimo di solito presente nei Gram-negativi, con l’eccezione delle spirochete) e D-alanina.
L’acido muramico di un’unità strutturale è legato all’N-acetilglucosamina dell’unità adiacente mediante un legame ß,1-4 che può essere scisso dal lisozima.
I diversi polimeri sono poi collegati trasversalmente tra di loro in corrispondenza delle catene aminoacidiche mediante legami peptidici che si stabiliscono generalmente tra la D-alanina terminale di un tetrapeptide e l’aminogruppo della lisina mediante un ponte pentaglicinico se si tratta di batteri Gram-positivi o tra la tra la D-alanina e l’acido mesodiaminopimelico se si tratta di batteri Gram-negativi.
Questa struttura generale può subire variazioni a seconda della specie batterica che si va a considerare.

Peptidoglicano

Legami tra peptidoglicani

Biosintesi
La sintesi del peptidoglicano implica tre tappe:

  1. La prima, citoplasmatica, determina l’inizio della sintesi dei suoi precursori N-acetilglucosamina (NAG)e acido muramico.
  2. La seconda porta al completamento della sintesi di queste due molecole durante il loro trasporto attraverso la membrana citoplasmatica.
  3. La terza consiste nel loro inserimento nella parete cellulare.

Le fasi terminali del processo, consistenti nell’estensione delle singole unità strutturali in corti polimeri, nella formazione di legami crociati di transpeptidazione tra i vari polimeri lineari e nel loro inserimento nella parete cellulare in modo da consentire l’allungamento della parete o l’eventuale formazione di setti, sono catalizzate da una serie di enzimi che presentano la caratteristica di legare covalentemente la penicillina ed altri antibiotici ß-lattamici e sono pertanto noti come proteine leganti la penicillina (PBP).

  1. Nel citoplasma, una molecola di N-acetilglucosamina-fosfato (NAG-P) si lega ad una molecola di uridina-trifosfato (UTP) dando origine ad una molecola di uridina difosfato-acetilmuramil-pentapeptide (UDP-NAG o nucleotide di Park) più liberazione di un radicale fosforico.
    Alla UDP-NAG si lega successivamente una molecola di fosfo-enolpiruvato (PEP) portando alla formazione di una molecola di UDP-NAG-piruvato; questa reazione è catalizzata dalla fosfo-enolpiruvato-transferasi. Questo enzima è inibito dall’antibiotico fosfomicina.
    A questo punto il piruvato viene ridotto ad acido lattico con formazione di una molecola di acido N-acetilmuramico (NAM) che, ancora legato all’UDP (UDP-NAM), funziona da accettore per alcuni aminoacidi che in ordine di frequenza sono: L-alanina, acido D-glutamico, L-lisina (o acido mesodiaminopimelico per i batteri Gram-negativi) e, infine, un dimero della D-alanina che si produce in una reazione a parte a cui partecipano una D-alanin-racemasi che trasforma un’L-alanina in D-alanina ed una D-alanil-D-alanil-sintetasi che catalizza la produzione del dipeptide. Questi ultimi due enzimi sono inibiti dall’antibiotico cicloserina.
  2. A questo punto il NAM-pentapeptide, liberato dall’UDP che cede un altro radicale fosforico, lascia il citoplasma legandosi ad un vettore lipidico della membrana citoplasmatica, rappresentato da una molecola di undecaprenil-fosfato (o bactoprenolo). Il legame del NAM-pentapeptide al vettore lipidico avviene contemporaneamente al trasferimento di un legame fosforico all’UDP (con formazione di undecaprenil-difosfato) e la liberazione di UMP.
    Al NAM-pentapeptide legato al vettore lipidico nella membrana citoplasmatica viene aggiunta una molecola di N-acetilglucosamina (a partire da una molecola di UDP-NAG, con liberazione di UDP) con la formazione di una completa unità basale del peptidoglicano.
    A questo punto una serie di unità basali complete sono polimerizzate e legate trasversalmente tramite l’intervento delle proteine leganti le penicilline 1A e 1B, che agiscono contemporaneamente sia ad enzimi transglicosilanti (ossia in grado di legare le varie unità basali attraverso il legame ß,1-4 tra la N-acetilglicosamina di un’unità ed il residuo N-acetilglicosaminico dell’acido muramico dell’unità adiacente), sia ad enzimi transpeptidandi in grado di stabilire i legami di transpeptidazione tra i polimeri lineari di peptidoglicano adiacenti. Il legame transpeptidico avviene tra la D-alanina terminale di un tetrapeptide e l’aminogruppo della lisina mediante un ponte pentaglicinico ad opera della peptidoglicano-sintasi. Questo enzima è inibito dagli antibiotici ß-lattamici.
  3. A questo punto, i corti polimeri di peptidoglicano sono liberati dall’undecaprenil-difosfato (reazione inibita dagli antibiotici vancomicina e teicoplanina) e trasferiti all’esterno della membrana cellulare dove viene staccata una molecola di D-alanina e l’energia liberata viene utilizzata per l’inserimento, ad opera di proteine leganti le penicilline 2 e 3, di vari frammenti polimerici di peptidoglicano nei siti di allungamento della parete (in corrispondenza di “tagli” precedentemente effettuati da una proteina legante le penicilline di tipo 4). Anche le proteine di tipo 2 e 3 sono inibite dagli antibiotici ß-lattamici.
    L’undecaprenil-difosfato viene defosforilato da una fosfatasi ed è riciclato per il trasporto di un’altra molecola di precursore di peptidoglicano. Questa fosfatasi è inibita dall’antibiotico bacitracina.

Immagini

Sintesi del peptidoglicano

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Articolo creato il 18 aprile 2010.
Ultimo aggiornamento: vedi sotto il titolo.

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