3.5. Биосинтез пептидогликана

Пептидогликан муреин, образующий муреиновый мешок, – ригидный слой бактериальных клеточных стенок, который придает клеткам физическую прочность. У грамположительных бактерий муреиновый мешок многослойный, у грамотрицательных бактерий – однослойный. Пептидогликан состоит из углеводных цепей с присоединенными к ним пептидными цепочками. Углеводные цепи (гликан) образованы чередующимися остатками N-ацетилглюкозамина (N-АцГлю) и N-ацетил-мурамовой кислоты (N-АцМур), соединенными β-1,4-гликозидными связями. Остатки N-ацетилмурамовой кислоты через карбоксильную группу лактата соединены амидной связью с пептидными цепочками, которые перекрестно связывают между собой углеводные цепи. К типичным аминокислотам, входящим в состав пептидных цепочек пептидогликана, относятся L-аланин (L-Ала), Д-глутаминовая кислота (Д-Глу), мезо-диаминопимелиновая кислота (m-ДАП) или L-лизин (L-Лиз) и Д-аланин (Д-Ала) (рис. 53).

→ N-АцГлю → N-АцМур → N-АцГлю → N-АцМур →

L-Ала L-Ала

Д-Глу Д-Глу

m-ДАП ––Д-Ала m-ДАП ––

Д-Ала m-ДАП Д-Ала

Д-Глу

L-Ала

→ N-АцМур → N-АцГлю → N-АцМур → N-АцГлю →

L-Ала

Д-Глу

m-ДАП ––

Д-Ала

Рис. 53. Структура муреина

Синтез пептидогликана клеточной стенки бактерий включает биосинтез в цитоплазме активированных предшественников, их полимеризацию и перенос через цитоплазматическую мембрану. Поскольку для сборки пептидогликана снаружи цитоплазматической мембраны не могут быть использованы такие источники энергии, как АТФ, предшественники пептидогликана должны синтезироваться в активированной форме. В синтезе пептидогликана участвует в качестве кофактора специфическое соединение – ундекапренолфосфат.

Синтез мономерных компонентов пептидогликана муреина N-ацетил-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты начинается с аминирования фруктозо-6-фосфата у С2-атома с помощью глутамина с образованием глюкозамин-6-фосфата, который претерпевает N-ацети-лирование и затем мутазную реакцию, превращаясь в N-ацетил-глюкозамин-1-фосфат. Последний активируется при участии уридинтрифосфата (УТФ) с образованием УДФ-N-ацетилглюкозамина – строительного блока для синтеза муреина и псевдомуреина, а также липида А липополисахаридов. Вторым предшественником муреина является эфир ацетиленглюкозамина и молочной кислоты – N-ацетилмурамовая кислота. При синтезе N-ацетилмурамовой кислоты образуется простая эфирная связь между образованным УДФ-N-ацетилглюкозамином и фосфоенолпируватом с последующим восстановлением остатка фосфоенолпирувата до остатка молочной кислоты. Далее к карбоксильной группе остатка молочной кислоты УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с помощью амидной связи происходит последовательное присоединение аминокислотных остатков: L-аланина, Д-глутаминовой кислоты, мезо-диамино-пимелиновой кислоты или L-лизина и, наконец, двух остатков Д-аланина. Последние два остатка Д-аланина присоединяются вместе в виде Д-аланил-Д-аланина, образуемого из L-аланина, в реакциях, катализируемых аланинрацемазой и АТФ-зависимой Д-аланин-Д-аланинлигазой. Образование каждой амидной связи сопряжено с гидролизом АТФ для активации растущей цепи. В итоге синтезируется второй строительный блок для синтеза пептидогликана – УДФ-N-ацетилмурамовая кислота с присоединенным пентапептидом.

Связывание образованного комплекса УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с пентапептидом и УДФ-N-ацетилглюкозамина происходит на втором этапе синтеза пептидогликана на цитоплазматической мембране. Для осуществления этого гидрофильная молекула УДФ-N-ацетилмурамовой кислоты с пентапептидом сначала должна быть превращена в липофильную, что достигается путем замены уридиндифосфата (УДФ) кофактором ундекапренолфосфатом (ундек-Ф) в Мg²⁺-зависимой обратимой реакции:

УДФ-N-АцМур + ундек-Ф ↔ ундек-Ф-Ф-N-АцМур + УМФ

L-Ала L-Ала

Д-Глу Д-Глу

m-ДАП m-ДАП

Д-Ала Д-Ала

Д-Ала Д-Ала

Ундекапренолдифосфат

N-ацетилмурамовая

кислота

В результате этой реакции обмена становится возможным перенос готового компонента пептидогликана через цитоплазматическую мембрану на ее периплазматическую сторону с помощью липидного переносчика ундекапренолфосфата. На третьем этапе происходит встраивание образованных комплексов дисахарид-пентапептид, связанных с ундекапренолдифосфатом, в пептидогликановый скелет и образование пептидных связей. Эта поперечная сшивка осуществляется путем транспептидирования с участием фермента трансамидазы. При этом расщепляется связь между двумя остатками Д-аланина и осовободившаяся карбоксильная группа связывается с аминогруппой мезо-диаминопимелиновой кислоты или L-лизина второго олигопептида, а концевой Д-аланин освобождается. При встраивании освобождается также ундекапренолдифосфат; он подвергается гидролизу и получающийся ундекапренолмонофосфат используется в следующем цикле.

Архебактерии отличаются по строению клеточной стенки от эубактерий, кроме того, ее состав различен у разных групп архебактерий. Для некоторых метаногенных бактерий характерно наличие в клеточной стенке не пептидогликана муреина, а псевдомуреина. Различия между псевдомуреином и муреином состоят в следующем:

• в состав псевдомуреина входят только L-аминокислоты;

• вместо N-ацетилмурамовой кислоты псевдомуреин содержит N-ацетил-L-талозоминуровую кислоту;

• в процессе синтеза псевдомуреина происходит образование УДФ-ди-сахарида, в котором УДФ-N-ацетилглюкозамин соединен с N-ацетил-талозоминуровой кислотой β-3,1-, а не β-1,4-связью;

• далее к УДФ-дисахариду присоединяются L-аминокислоты, образующие пентапептид (L-глу, L-ала, L-лиз, L-глу, L-ала). Для образования амидной связи между первой аминокислотой олигопептида (L-глута-матом) и уроновой кислотой глутамат активируется УДФ. Далее происходит последовательное присоединение молекул УДФ-L-глутамата с образованием УДФ-пентапептида. Добавление каждого нового аминокислотного остатка к растущему УДФ-олигопептиду требует АТФ-зависимой активации карбоксильной группы последнего аминокислотного остатка в цепочке.