Lipopolysaccharid (LPS), auch bekannt als Endotoxin, bildet das äußere Blatt der äußeren Membran gramnegativer Bakterien, wo es sowohl als Permeabilitätsbarriere als auch als potenter Aktivator des Wirts-Immunsystems fungiert. Es spielt eine zentrale Rolle in der bakteriellen Physiologie und Pathogenität und stellt neben anderen Bestandteilen der bakteriellen Zellwand wie Peptidoglycan eine der wichtigsten strukturellen und funktionellen Komponenten der Zellhülle dar. LPS ist daher von großem Interesse in der Mikrobiologie, Immunologie und biomedizinischen Forschung.

Molekulare Struktur

LPS besteht aus drei kovalent verknüpften Domänen: Lipid A, dem Kernoligosaccharid und dem O-Antigen-Polysaccharid. Lipid A bildet den hydrophoben Membrananker und ist für den Großteil der endotoxischen Aktivität verantwortlich. Es besteht aus einem β-1,6-verknüpften D-Glucosamin-Disaccharid, das an den Positionen 1 und 4′ phosphoryliert und mit sechs bis sieben Fettsäureketten acyliert ist, typischerweise C12–C16 hydroxylierten Ketten wie β-Hydroxymyristat, die amphipathische Eigenschaften verleihen.

Das Kernoligosaccharid ist über ein bis vier Reste von 3-Deoxy-D-manno-oct-2-ulosonsäure (Kdo) an Lipid A gebunden und enthält eine konservierte innere Region, die reich an Heptosen und Phosphaten ist, gefolgt von einer variableren äußeren Region, die hauptsächlich aus Hexosen und zusätzlichen Substituenten wie Ethanolamin besteht. Das distale O-Antigen besteht aus 20 bis 100 wiederholten Oligosaccharid-Einheiten, deren Sequenzen zwischen bakteriellen Stämmen variieren und dadurch die Serotyp-Spezifität bestimmen.

Physikochemische und biologische Eigenschaften

LPS zeigt starkes amphipathisches Verhalten und bildet in wässrigen Lösungen leicht Mizellen mit einer kritischen Mizellkonzentration im Bereich von etwa 1–10 ng/mL. Es ist thermisch stabil und hochresistent gegen proteolytischen und lipolytischen Abbau. Strukturelle Heterogenität ist häufig und entsteht durch phasenvariable chemische Modifikationen, wie die Addition von Phosphoethanolamin-Gruppen, die die Oberflächenladung verändern und die Resistenz gegen Wirtsverteidigungsmechanismen modulieren.

Basierend auf Vorhandensein und Länge des O-Antigens werden LPS-Moleküle in glatte (S-Form, volllanges O-Antigen), raue (R-Form, verkürztes oder fehlendes O-Antigen mit exponiertem Kern) und semi-raue (Sr-Form) Varianten klassifiziert. Diese strukturellen Unterschiede beeinflussen stark die bakterielle Virulenz, Serumresistenz und Interaktionen mit dem Wirts-Immunsystem.