Murein: Bausteine und Quervernetzung
Murein ist das netzartige Stützgerüst der Bakterienzellwand: Zuckerketten aus zwei Aminozuckern, die über kurze Peptide quervernetzt sind.
Das Wichtigste in Kürze
- Murein (Peptidoglykan) ist die netzartige Gerüstsubstanz der Zellwand grampositiver und gramnegativer Eubakterien. Pilzen, Pflanzen und tierischen Zellen fehlt es.
- Die Glykanketten bestehen alternierend aus N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure, verknüpft über β-1,4-glykosidische Bindungen.
- Nur N-Acetylmuraminsäure trägt am C3 einen etherartig gebundenen D-Lactylrest, an dessen Carboxygruppe das Peptid per Amidbindung hängt.
- Das Stammpeptid enthält L- und D-Aminosäuren sowie nicht-proteinogene Bausteine wie Diaminopimelinsäure, etwa L-Ala, D-Glu, DAP oder L-Lys und D-Ala.
- Die Transpeptidase vernetzt benachbarte Peptide unter Abspaltung des endständigen D-Alanins zum Mureinsacculus.
- Lysozym hydrolysiert die glykosidische Bindung zwischen MurNAc und GlcNAc und greift vor allem grampositive Zellwände an.
Worum es geht
Murein hält die Bakterienzelle in Form und schützt sie vor dem Platzen. Menschliche Zellen besitzen nichts Vergleichbares. Deshalb ist der Aufbau dieses Netzes der Schlüssel zum Verständnis von Penicillin und Lysozym.
Vorkommen von Murein
Fast alle Bakterien umgibt außerhalb der Cytoplasmamembran eine Zellwand. Ihr tragender Bestandteil ist Murein, auch Peptidoglykan genannt. Der Name verrät den Aufbau: Zuckerketten (Glykan) sind über kurze Peptide verknüpft. Murein ist eine Gerüstsubstanz. Es fängt den hohen osmotischen Innendruck der Zelle ab und gibt ihr die Form.
Heteropolymer aus Glykanketten, in denen sich N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure abwechseln. Kurze Peptide vernetzen die Ketten zu einem einzigen Riesenmolekül, das die ganze Bakterienzelle umhüllt.
Murein ist typisch für die Eubakterien. Es kommt bei grampositiven und bei gramnegativen Bakterien vor. Verschieden sind nur die Dicke der Schicht und die übrigen Wandbestandteile, wie die Einheit zur grampositiven und gramnegativen Zellwand zeigt. Ausnahmen ohne Zellwand sind die Mycoplasmen. Murein liegt außerhalb der Membran. Es gehört damit nicht zu den bakteriellen Biomembranen und bildet auch keine Hülle um das Chromosom.
Dass Murein in beiden Zellwandtypen vorkommt, bei Pilzen, Pflanzen und Tieren aber fehlt, wird im Examen gerne gefragt. Die Gerüstsubstanzen der anderen Organismengruppen im Überblick:
| Organismengruppe | Gerüst der Zellwand | Murein |
|---|---|---|
| Eubakterien | Murein (Peptidoglykan) | ja |
| Pilze (Hefen, Schimmelpilze) | Chitin aus N-Acetylglucosamin, Glucane | nein |
| Höhere Pflanzen | Cellulose | nein |
| Rotalgen | Galactane | nein |
| Tierische Zellen | keine Zellwand, nur Extrazellulärmatrix | nein |
Details stehen bei der Pilzzellwand und der Cellulose. Tierische und menschliche Zellen besitzen gar keine Zellwand. Penicilline finden dort also kein Ziel, was ihre selektive Wirkung erklärt.
Chitin und Murein enthalten beide N-Acetylglucosamin. Nur Murein enthält zusätzlich N-Acetylmuraminsäure, Pilze bilden weder Muraminsäure noch Peptidoglykan. Umgekehrt enthalten Bakterienzellwände kein Chitin.
Glykanketten
Das Rückgrat des Mureins bilden lange Glykanketten aus zwei Zuckern im Wechsel: N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und N-Acetylmuraminsäure (MurNAc). Beide sind Aminozucker der Glucose-Reihe mit einer Acetamidogruppe am C2. Sie sind β-1,4-glykosidisch verknüpft, also vom C1 des einen zum C4 des nächsten Zuckers. Murein ist damit ein Heteropolysaccharid und kein Homoglucan.
Diese beiden Zucker sind bei praktisch allen Bakterienarten dieselben. Was zwischen den Arten schwankt, ist der Peptidanteil.
N-Acetylmuraminsäure ist im Kern N-Acetylglucosamin mit einem Zusatz am C3. Dort ist die OH-Gruppe mit der 2-Hydroxygruppe der D-Milchsäure zu einem Ether verbunden. Dieser D-Lactylrest trägt eine freie Carboxygruppe, daher die Endung „-säure“. An ihr wird später das Peptid befestigt. Nur MurNAc besitzt diese Milchsäure-Seitenkette, GlcNAc hat am C3 eine freie OH-Gruppe.
An einer Strukturformel erkennst du die beiden Zucker so:
- Pyranosering mit \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe am C5 und Glucose-Konfiguration: In der Sesselform stehen beim β-Anomer alle großen Substituenten äquatorial.
- In der Haworth-Projektion zeigt der Substituent am C2 nach unten, der am C3 nach oben, wie bei D-Glucose.
- Am C2 sitzt die Acetamidogruppe \(\ce{-NH-CO-CH3}\).
- Am C3 eine freie OH-Gruppe: N-Acetylglucosamin.
- Am C3 der Ether \(\ce{-O-CH(CH3)-COOH}\): N-Acetylmuraminsäure.
Anders als GlcNAc trägt N-Acetylgalactosamin die OH-Gruppe am C4 axial. Es ist kein Mureinbaustein. Auch D-Galacturonsäure gehört nicht dazu, denn sie ist der Baustein des Pektins und trägt am C6 eine Carboxygruppe. L-Glucose kommt in bakteriellen Zellwandpolymeren ebenfalls nicht vor.
Examensklassiker: Murein enthält genau zwei Zucker, GlcNAc und MurNAc, alternierend und β-1,4-glykosidisch verknüpft. Achte auf das C3: Nur MurNAc trägt dort den etherartig gebundenen Milchsäurerest, an dem das Peptid hängt.
Die folgende Abbildung zeigt einen vollständigen Mureinbaustein. Das Disaccharid GlcNAc-β(1→4)-MurNAc trägt am Lactylrest über eine Amidbindung das Stammpeptid. Neben glykosidischen Bindungen und dem Ether enthält Murein also auch Peptidbindungen.
Peptidanteil
Das Stammpeptid ist ein kurzes Oligopeptid aus vier bis sechs Aminosäuren, in der Vorstufe meist fünf. Ungewöhnlich ist seine Zusammensetzung. L-Aminosäuren und D-Aminosäuren wechseln sich ab, und es kommen nicht-proteinogene Bausteine vor. Zur Konfiguration der Aminosäuren siehe dort.
| Position | Baustein | Besonderheit |
|---|---|---|
| 1 | L-Alanin | per Amidbindung am Lactylrest |
| 2 | D-Glutaminsäure | über die γ-Carboxygruppe verknüpft, bei S. aureus als Amid (D-Isoglutamin) |
| 3 | meso-Diaminopimelinsäure oder L-Lysin | DAP bei E. coli und den meisten gramnegativen, L-Lysin bei S. aureus |
| 4 | D-Alanin | wird mit dem Nachbarpeptid verknüpft |
| 5 | D-Alanin | wird bei der Vernetzung abgespalten |
Wird im Examen gerne gefragt: Das Peptid mischt L- und D-Formen. Es besteht also nicht nur aus D-Aminosäuren, denn L-Alanin und L-Lysin sind ebenfalls dabei. Die D-Aminosäuren schützen das Netz vor den meisten Proteasen, die nur L-Peptide spalten.
Diaminopimelinsäure (DAP) ähnelt dem Lysin, trägt aber eine zweite Carboxygruppe. Sie kommt in Proteinen nicht vor und ist typisch für Bakterienzellwände. Auch D-Alanin und D-Glutaminsäure sind nicht-proteinogen. Die Bausteine an Position 3 und die Art der Brücke unterscheiden sich zwischen Bakterienarten. Glycin fehlt im Stammpeptid selbst, es tritt nur in Brücken wie bei S. aureus auf.
Quervernetzung
Die Bausteine entstehen im Cytoplasma aus UDP-aktivierten Vorstufen, nämlich UDP-GlcNAc und UDP-MurNAc-Pentapeptid. Anders als Stärke wird Murein also nicht aus ADP-Glucose aufgebaut. Außerhalb der Membran werden die Disaccharid-Einheiten zu Glykanketten verlängert. Fest wird das Netz aber erst, wenn Peptide benachbarter Ketten verbunden sind.
Diese Verbindung knüpft die Transpeptidase. Sie überträgt einen Peptidrest von einem Peptid auf ein anderes. Sie braucht kein ATP, denn sie nutzt die Energie der gespaltenen D-Ala-D-Ala-Bindung.
- Erkennen: Das Enzym bindet das Donorpeptid an dessen Ende D-Ala-D-Ala.
- Abspalten: Es löst das endständige D-Alanin ab und bleibt selbst kovalent an D-Ala 4 gebunden.
- Übertragen: Eine freie Aminogruppe des Nachbarpeptids greift an. Bei E. coli ist das die DAP direkt, bei S. aureus das Ende einer Pentaglycin-Brücke am L-Lysin.
- Verknüpfen: Eine neue Peptidbindung verbindet D-Ala 4 mit dem Akzeptor.
So entsteht ein einziges Riesenmolekül um die ganze Zelle, der Mureinsacculus (lat. Säckchen). Man kann ihn sich wie ein Einkaufsnetz vorstellen: Zuckerketten als Längsfäden, Peptide als Querverbindungen. Die Brücken bestehen aus Amid- und Peptidbindungen. Anders als bei Keratin spielen Disulfidbrücken keine Rolle, und Ester an den OH-Gruppen der Zucker sind nicht beteiligt.
Die Transpeptidase ist keine Polymerase, denn sie verlängert keine Kette. Mit der Aktivierung von tRNA hat sie nichts zu tun. Penicillosäure entsteht durch β-Lactamasen, die den β-Lactamring öffnen. Genau diese Transpeptidase ist das Ziel der β-Lactam-Antibiotika.
Lysozym
Lysozym ist ein Enzym aus Tränenflüssigkeit, Speichel und Hühnereiweiß. Es ist eine Glykosidase. Es hydrolysiert die β-1,4-glykosidische Bindung zwischen dem C1 der MurNAc und dem C4 des folgenden GlcNAc.
Die Glykanketten zerfallen, das Netz verliert seinen Halt, und die Zelle platzt osmotisch. Besonders empfindlich sind grampositive Bakterien, weil ihre dicke Mureinschicht frei außen liegt. Bei gramnegativen schirmt die äußere Membran das dünne Murein weitgehend ab. Seine Rolle in der angeborenen Abwehr wird dort behandelt.
Lysozym zerschneidet die Zuckerketten, Penicillin verhindert die Peptidbrücken. Lysozym lässt Peptidbindungen unberührt und hemmt die Transpeptidase nicht.
Quiz
Aussage 1
Der Peptidanteil des Mureins ist ausschließlich aus D-Aminosäuren aufgebaut.
Das Stammpeptid mischt L- und D-Aminosäuren, etwa L-Alanin und L-Lysin neben D-Glutaminsäure und D-Alanin.
Aussage 2
Lysozym zerstört die Bakterienzellwand, indem es die Peptidbrücken zwischen den Glykanketten hydrolysiert.
Lysozym ist eine Glykosidase und spaltet die β-1,4-glykosidische Bindung zwischen MurNAc und GlcNAc. Peptidbindungen bleiben erhalten.
Aussage 3
Diaminopimelinsäure ist eine nicht-proteinogene Aminosäure, die bei \(E.\ coli\) an Position 3 des Stammpeptids steht.
meso-DAP steht bei E. coli und den meisten gramnegativen Bakterien an Position 3, bei S. aureus dagegen L-Lysin.
Aussage 4
Murein kommt sowohl in der Zellwand grampositiver als auch gramnegativer Bakterien vor.
Beide Zellwandtypen enthalten Murein. Sie unterscheiden sich in der Dicke der Schicht und den übrigen Bestandteilen.
Aussage 5
Bei der Quervernetzung des Mureins spaltet die Transpeptidase das endständige D-Alanin des Donorpeptids ab.
Die Energie der gespaltenen D-Ala-D-Ala-Bindung wird für die neue Peptidbindung zum Nachbarpeptid genutzt.
Aussage 6
Der Milchsäurerest der N-Acetylmuraminsäure ist über eine Esterbindung am C2 gebunden.
Der Milchsäurerest sitzt als Ether am C3. Am C2 steht die Acetamidogruppe.
Aussage 7
Weil Chitin aus Aminozuckern aufgebaut ist, enthalten Pilzzellwände auch N-Acetylmuraminsäure.
Chitin besteht aus N-Acetylglucosamin. N-Acetylmuraminsäure kommt nur im bakteriellen Murein vor, Pilze bilden kein Peptidoglykan.
Aussage 8
In den Glykanketten des Mureins wechseln sich N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure ab und sind β-1,4-glykosidisch verknüpft.
Das ist das Grundgerüst des Mureins und bei praktisch allen Bakterienarten gleich.
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