Zellwände von Bakterien

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1 Zellwände von Bakterien Zellwände von Prokaryonten bestehen aus einem Netzwerk von Polysacchariden mit den sich wiederholenden Grundeineheiten NAM-NAG CH 2 OH O CH 2 OH O O O O HO O NH H 3 C CH N O= C O= C C= O CH 3 CH3 O - N-Acetyl-D-Glucosamin N-Acetylmuraminsäure (NAG) (NAM)

2 Zellwände von Bakterien Die Polysaccharide sind durch Tetrapeptide quervernetzt = Peptidoglykane Diese Tetrapeptide sind ungewöhnlich, da sie 2 D- Aminosäuren, 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.

3 O O H 3 C CH C= O NH CH 2 OH O CH 2 OH O O HO NH N O= C O= C CH 3 CH3 O L D L D Ala Gln Lys Ala C= O O NH- ( Gly) 5 C O ( CH 2 ) 4 NH- C- ( Gly) 5 - NH Zu den Tetrapeptid Seitenketten

4 Peptidoglykan N-Acetylglucosamin and N- acetylmuramnisäure sind ß-1->4 verknüpft. Das Heteroglycan ist mit einem Tetrapeptid verknüpft (Ala-Isoglu- Lys-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.

5 Peptidoglycan 3D Struktur

6 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

7 Lipopolysaccharide Lipopolysaccharide bestehen, wie aus dem Namen abzuleiten ist, aus aus einer Lipidkomponente, die mit einer Polysaccharidkette verknüpft ist: 1. Lipid A: Fettsäure-Zuckerkomponente 2. Core Struktur: konstante Zuckerkomponenten Besonderheit: Heptosen (C7 Zucker) 3. 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.

8 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,

9 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

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11 Zellwände von Pflanzen Bestehen zum großen Teil aus Cellulose Enthalten auch Pektin als Bindemittel Pektin ist ein Polymer aus D-Galakturonsäure verknüpft durch a-1,4- glykosidische Bindungen HO O CO2 H O OH O CO 2 H O Ballaststoffe in der Ernährung! HO OH O

12 Struktur von Knorpel Proteoglykan

13 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

14 Heparin 1. Polysaccharid aus der Grundeinheit D-Iduronat-2-sulfat in einer 1-4 glykosidischen Verknüpfung mit N-Sulfo-D-Glucosamin-6-sulfat. 2. Durch die Sulfatgruppen ist das Polymer stark negativ geladen. 3. Heparin wird in den Mastzellen gebildet und verhindert die Aktivierung des Blutgerinnungssystems. 4. Heparin wird klinisch zur Antikoagulation eingesetzt (iv. oder sc.).

15 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.

16 Glykoproteine N-glykosidisch Asparagin O-glykosidisch Serin

17 N- und O-glykosidisch O 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-, CMP- Spezifische 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

18 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.

19 Funktionen von Glykoproteinen Funktion Strukturmoleküle Lubrikantien Transportmoleküle Immunsystem Hormone Enzyme Zellerkennung Kohlenhydratinteraktion Glykoprotein Kollagen Mucine (Speichel, Bronchialsekret) Transferrin (Fe), Caeruplasmin (Cu) Immunglobuline, Histokompatibilitäts- Antigene Choriogonadotropin, TSH z.b. Alkalische Phosphatase Proteine in der Zell-Zell, Virus-Zell, Bakterium-Zell und Hormon-Zell Interaktion Lektine

20 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

21 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

22 Zucker, die glykosidisch an Glykoproteine synthetisiert werden, müssen durch Bindung an Nukleotide aktiviert werden! Beispiel: Aktivierte Sialinsäure Sialinsäure = N-Acetyl-Neuraminsäure

23 N-glykosidisch verknüpfte Glykoproteine Komplex Hybrid 3 Klassen Mannose-reich 1. N-glykosidische Verknüpfung von N- Acetylglucosamin (GlcNAc) an Asparagin 2. Core Pentasaccharid: 3 Mannose, 2 GlcNAc

24 Mucine Bestandteil des Mucus (Schleim) Schutzfunktion für Schleimhäute des Gastrointestinaltrakts, Urogenitaltrakts, Brochialtrakts O-glykosidisch verknüpfte Polysaccharidketten N-glykosidisch verknüpfte Polysaccharidketten N-terminal C-terminal Tandem Repeats = sich wiederholende Aminosäuresequenzen, die reich an Serin und Threonin sind. Hieran werden Oligosaccharide O-glykosidisch verknüpft. Der Kohlenhydratanteil von Mucinen beträgt mehr als 50 %. Mucus (Schleim) besteht zu 95 % aus Wasser (Wasserbindungskapazität von Kohlenhydraten!)

25 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.

26 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 (a-1,4-) (b-1,3-) (b-1-) NAGal Ga l NAGlu Fehlt bei Blutgruppe 0 Erythrozytenmembran (a-1,2-) Fuc NAGal = N-Acetyl-D-Galactosamin Gal = D-Galactose NAGlu = N-Acetyl-D-Glucosamin Fuc = L-Fucose

27 Blutgruppenantigene ABO-System Blutgruppe 0 Blutgruppe A N-Acetyl-D-Galactosamin Blutgruppe B D-Galactose Ein einziges endständiges Zuckermolekül macht den Unterschied!

28 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!

29 Glykolipide Bestandteil der Nervenzellmembranen in der grauen Substans des Gehirns. Anreicherung in den synaptischen Regionen Grundbaustein Ceramid Glykosidische Verknüpfung an der C1 OH- Gruppe 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.

30 Synthese von Sphingolipiden

31 Synthese von Sphingolipiden Glykosidische Verknüpfung aktivierter Zucker am Ceramid

32 Sphingolipidosen Lysosomale Speicherkrankheiten = Abbaustörungen von Glykolipiden

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34 G M1 M1 - Gangliosidose Defekt der ß-N-Acetylgalactosoaminidase Akkumulation von G M1 -Gangliosid Lipide akkumulieren in Lysosomen Betroffene Organe: - Nervensystem geistige Retardierung - Leber Hepatomegalie (Lebervergrösserung) - Knochen - Skeletdeformationen

35 G M2 M2 - Gangliosidose Tay-Sachssche Krankheit Defekt der ß-Galactosidase Akkumulation von G M1 -Gangliosid Lipide akkumulieren in Lysosomen Betroffene Organe: - Nervensystem geistige Retardierung - Retinadegeneration - Erblindung - Muskulatur Muskelschwäche

36 Sphingolipidosen Lysosomale Speicherkrankheiten