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Zellwände von BakterienZellwände von Bakterien• Zellwände von Prokaryonten bestehen aus einem
Netzwerk von Polysacchariden mit den sich wiederholenden Grundeineheiten NAM-NAG
O
NHO
OCH2 OH
OO
NHO
CH2 OH
O
O= C O= CCH3 CH3
CHH3 C
C= O
O- N-Acetyl-D-Glucosamin(NAG)N-Acetylmuraminsäure
(NAM)
Zellwände von BakterienZellwände 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.
O
NHO
OCH2 OH
OO
NHO
CH2 OH
O
O= C O= CCH3 CH3
CHH3 CC= O
NH
Ala
Gln
Lys
Ala
L
D
L
D
C= O
NH- ( Gly) 5 C
( CH2 ) 4 NH- C- ( Gly) 5 - NHO
OZu den Tetrapeptid
Seitenketten
PeptidoglykanPeptidoglykan• 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.
Peptidoglycan Peptidoglycan –– 3D 3D StrukturStruktur
PeptidoglykanePeptidoglykane sind Zielstrukturen sind Zielstrukturen von von antibakteriellen Substanzenantibakteriellen Substanzen
•Lysozym = ein Enzym, das die Polysaccharidketten von Peptidoglykanen spaltet.
•Penicillin = Antibiotikum, das die Quervernetzung von Peptidoglykankettenhemmt.
•Pencillin hemmt die Verknüpfung des terminalen Alanins mit dem Pentaglycin Linker
Penicillin ähnelt strukturell einemAla-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
Ala-Ala
Pen
LipopolysaccharideLipopolysaccharide• Lipopolysaccharide bestehen, wie aus dem Namen
abzuleiten ist, aus aus einer Lipidkomponente, die mit einer Polysaccharidkette verknüpft ist:
1. Lipid A: Fettsäure-Zuckerkomponente2. 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.
LipopolysaccharideLipopolysaccharideZuckerbausteine der LipopolysaccharideInner Core: Glucosamin
Heptosen (Zucker mit 7 C-Atomen)Outer Core: D-Glucose, D-Galaktose, N-AcetylglucosaminSpecific Chain D-Mannose, D-Galaktose, D-Rhamnose,
Lipid Lipid A Komponente von A Komponente von LipopolysaccharidenLipopolysacchariden
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
Zellwände von PflanzenZellwände von Pflanzen• Bestehen zum großen Teil
aus Cellulose• Enthalten auch Pektin als
Bindemittel• Pektin ist ein Polymer aus
D-Galakturonsäure verknüpft durch α-1,4-glykosidische Bindungen
O
OHHO
OCO2 H
OO
OHHO
CO2 H
OBallaststoffe in der Ernährung !
Struktur von Struktur von KnorpelKnorpelProteoglykanProteoglykan
Glykosaminoglykane Glykosaminoglykane in Knorpel und in Knorpel und BindegewebeBindegewebe
Repetitive DisaccharideinheitenDiese enthalten
AminozuckerUronsäuren
Schwefelsäureester
Die Polysaccharidketten sind kovalent mit Proteinen verknüpft
Glucuronsäure
AminozuckerN-Acetyl-Galaktosamin Schwefelsäureester
des Aminozuckers
HeparinHeparin
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.).
GlykoproteineGlykoproteine• 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.
GlykoproteineGlykoproteine
O-glykosidisch – SerinN-glykosidisch – Asparagin
NN-- und Ound O--glykosidisch glykosidisch verknüpfte verknüpfte GlykoproteineGlykoproteine
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 Glykosyltransferasenübertragen 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
NN--verknüpfte Glykoproteineverknüpfte 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.
Funktionen von Funktionen von GlykoproteinenGlykoproteinen
LektineKohlenhydratinteraktion
Proteine in der Zell-Zell, Virus-Zell, Bakterium-Zell und Hormon-Zell Interaktion
Zellerkennung
z.B. Alkalische PhosphataseEnzyme
Choriogonadotropin, TSHHormone
Immunglobuline, Histokompatibilitäts-Antigene
Immunsystem
Transferrin (Fe), Caeruplasmin (Cu)Transportmoleküle
Mucine (Speichel, Bronchialsekret)Lubrikantien
KollagenStrukturmoleküle
GlykoproteinFunktion
Zucker in Zucker in GlykoproteinenGlykoproteinen
•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
Zucker in Zucker in GlykoproteinenGlykoproteinen
•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
Zucker, die glykosidisch an Glykoproteine synthetisiert werden, müssen durch Bindung an Nukleotide „aktiviert“ werden !
Beispiel: Aktivierte Sialinsäure
Sialinsäure = N-Acetyl-Neuraminsäure
NN--glykosidisch glykosidisch verknüpfte verknüpfte GlykoproteineGlykoproteine
Komplex
Hybrid
Mannose-reich
3 Klassen
1. N-glykosidische Verknüpfung von N-Acetylglucosamin (GlcNAc) an Asparagin
2. Core Pentasaccharid: 3 Mannose, 2 GlcNAc
MucineMucine
N-terminal C-terminal
Tandem Repeats = sich wiederholende Aminosäuresequenzen, die reich an Serin und Threonin sind. Hieran werden Oligosaccharide O-glykosidisch verknüpft.
O-glykosidisch verknüpfte Polysaccharidketten
N-glykosidisch verknüpfte Polysaccharidketten
Der Kohlenhydratanteil von Mucinen beträgt mehr als 50 %. Mucus (Schleim) besteht zu 95 % aus Wasser (Wasserbindungskapazität von Kohlenhydraten!)
•Bestandteil des Mucus (Schleim)•Schutzfunktion für Schleimhäute des Gastrointestinaltrakts, Urogenitaltrakts, Brochialtrakts
Blutgruppen AntigeneBlutgruppen 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.
ABO BlutgruppenABO 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.
NAGal Gal NAGluErythrozyten-
membran(α-1,4-) (β-1,3-) (β-1-)
Fuc(α-1,2-)
NAGal = N-Acetyl-D-GalactosaminGal = D-GalactoseNAGlu = N-Acetyl-D-GlucosaminFuc = L-Fucose
Fehlt beiBlutgruppe 0
D-Galactose inBlutgruppe B
Blutgruppenantigene Blutgruppenantigene ABOABO--SystemSystem
Blutgruppe 0
Blutgruppe AN-Acetyl-D-Galactosamin
Blutgruppe BD-Galactose
Ein einziges endständiges Zuckermolekül macht den Unterschied!
Was ist der genetische Hintergrund Was ist der genetische Hintergrund für die ABO Blutgruppenantigene?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!
GlykolipideGlykolipide• 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 = GangliosidSialinsäure ist Bestandteil des Oligosaccharids
• Glykolipide unterliegen einem ständigen Turnover und werden in den Lysosomen durch spezifische Hydrolasen abgebaut.
Synthese von Synthese von SphingolipidenSphingolipiden
Synthese von Synthese von SphingolipidenSphingolipiden
Glykosidische Verknüpfung aktivierter Zucker am Ceramid
SphingolipidosenSphingolipidosen
Lysosomale Speicherkrankheiten = Abbaustörungen von Glykolipiden
GGM1M1--GangliosidoseGangliosidose• Defekt der ß-N-Acetylgalactosoaminidase• Akkumulation von GM1-Gangliosid• Lipide akkumulieren in Lysosomen• Betroffene Organe:
- Nervensystem – geistige Retardierung- Leber – Hepatomegalie (Lebervergrösserung)- Knochen - Skeletdeformationen
GGM2M2--GangliosidoseGangliosidose• Tay-Sachssche Krankheit• Defekt der ß-Galactosidase• Akkumulation von GM1-Gangliosid• Lipide akkumulieren in Lysosomen• Betroffene Organe:
- Nervensystem – geistige Retardierung- Retinadegeneration - Erblindung- Muskulatur – Muskelschwäche
SphingolipidosenSphingolipidosen
Lysosomale Speicherkrankheiten
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