Peptidoglykan ist ein einzigartiges, netzartiges Heteropolymer, das das wesentliche strukturelle Gerüst der bakteriellen Zellwand bildet und Festigkeit gegen Turgordruck verleiht, während es Wachstum und Teilung ermöglicht. Dieses Makromolekül spielt eine zentrale Rolle in der bakteriellen Physiologie und im Überleben. Seine Untersuchung verbindet klassische Polysaccharide (wie Laminarin, Agarose und Inulin) mit einem peptidvernetzten Glykan-Gerüst, das spezifisch für prokaryotische Organismen ist und in eukaryotischen Zellen fehlt.

Molekulare Struktur

Peptidoglycan (auch Murein genannt) besteht aus linearen Glykanketten, die aus alternierenden β-(1→4)-verknüpften N-Acetylglucosamin (GlcNAc) und N-Acetylmuraminsäure (MurNAc) zusammengesetzt sind. Jeder MurNAc-Rest trägt eine D-Lactyl-Gruppe an der C3-Position, an die ein kurzer Peptidstamm kovalent gebunden ist. Bei Gram-negativen Bakterien folgt dieser Stamm typischerweise der Sequenz L-Ala¹–D-iGlu²–meso-Diaminopimelinsäure³–D-Ala⁴–D-Ala⁵, während Gram-positive Organismen meso-Diaminopimelinsäure häufig durch L-Lysin an der dritten Position ersetzen.

Benachbarte Peptidstämme sind quervernetzt, üblicherweise zwischen der dritten Aminosäure eines Stamms und dem vierten D-Alanin eines anderen, wodurch ein kontinuierliches dreidimensionales Gitter entsteht. Diese Struktur bildet ein einziges, riesiges Makromolekül mit einer Molekülmasse von annähernd 10⁹ Da, das die Zytoplasmamembran als schützendes Netz umgibt. Die Schicht erreicht bei Gram-positiven Bakterien eine Dicke von etwa 30–100 nm, während sie bei Gram-negativen Arten deutlich dünner bleibt (2–7 nm) und zwischen innerer und äußerer Membran liegt.

Eigenschaften und Variationen

Das kovalent quervernetzte Gitter des Peptidoglycans ermöglicht es bakteriellen Zellen, inneren Turgordrücken von etwa 2 bis 15 bar standzuhalten, während ausreichende Elastizität für Wachstum und Teilung erhalten bleibt. Während jeder Generation kann bis zu 25 % der Peptidoglycan-Masse remodelliert werden, was einen kontinuierlichen Umsatz und kontrollierten enzymatischen Abbau sowie Resynthese widerspiegelt.

Peptidoglycan dient auch als pathogen-assoziiertes molekulares Muster (PAMP), das von angeborenen Immunrezeptoren wie NOD1 und NOD2 erkannt wird, und ist Substrat für lysozymvermittelte Hydrolyse. Strukturelle Variationen sind weit verbreitet und biologisch bedeutsam, einschließlich Peptidstamm-Amidierung bei Arten wie Bacillus subtilis, O-Acetylierung, die Resistenz gegen Lysozym verleiht, und gattungsspezifischer Peptidzusammensetzungen, wie bei Bifidobacterium beobachtet. Gram-positive Bakterien betten häufig Teichonsäuren in die Peptidoglycan-Matrix ein, während Gram-negative Organismen die Schicht über Brauns Lipoprotein an der äußeren Membran verankern.