Appunti microbiologia

Processo di sintesi dell'UDP-NAG e dell'UDP-NAM-pentapeptide

UDP-NAG e UDP-NAM sono due importanti molecole coinvolte nella sintesi del peptidoglicano, una componente essenziale della parete cellulare batterica. La sintesi di queste molecole avviene in diverse tappe.

Nella prima fase, l'UDP-NAG viene sintetizzato nel citoplasma a partire dal fruttosio-6-P e UTP. Questa reazione è catalizzata da enzimi specifici.

Successivamente, l'UDP-NAM viene sintetizzato a partire dall'UDP-NAG. Questa reazione avviene in due tappe, catalizzate da enzimi chiamati MurA e MurB. Inizialmente, MurA trasferisce un gruppo fosfoenolpiruvato dal fosfoenolpiruvato al gruppo OH dell'UDP-NAG in posizione 3. Successivamente, MurB trasforma questo intermedio in UDP-NAM.

Una volta sintetizzato l'UDP-NAM, viene polimerizzato il pentapeptide. Gli amminoacidi L del pentapeptide derivano dalle normali vie metaboliche cellulari, compreso l'acido meso-diaminopimelico. Le ultime due alanine vengono aggiunte come dimero.

L'assemblaggio finale avviene con il legame del pentapeptide all'UDP-NAM, formando l'UDP-NAM-pentapeptide.

Un importante inibitore di MurA è la fosfomicina. Gli enzimi responsabili della sintesi del pentapeptide legato all'UDP-NAM sono noti come ligasi Mur e catalizzano il legame dell'alanina al residuo carbossilico dell'UDP-NAM.

e all'aggiunta dell'acido D-glutamico e acido meso-diaminopimelico mentre gli altri due amminoacidi vengono aggiunti come dipeptidi.

2. Fase di membrana: una volta sintetizzati, i precursori del peptidoglicano devono essere trasportati all'esterno della membrana plasmatica, nello spazio periplasmatico. Il trasporto dei precursori avviene grazie a un trasportatore lipidico, il bactoprenolo (undecaprenil-fosfato). Il NAM-pentapeptide si lega al bactoprenolo formando il lipide I. Successivamente, al lipide I viene legata una molecola di NAG formando il lipide II. Il monomero del glicano viene poi trasportato sulla faccia esterna. Il bactoprenolo, dopo aver donato il monomero di glicano pentapeptide al filamento di glicano nascente, sarà defosforilato e ribaltato sulla faccia interna della membrana.

3. Fase esterna: nel compartimento esterno alla membrana avviene in primo luogo la polimerizzazione dei monomeri di glicano pentapeptide per opera delle transglicosilasi, che

catalizzano la formazione dei legami glicosidici tra il nuovo monomero e il filamento nascente. Quindi si forma il legame peptidico tra la catena pentapeptidica del nuovo monomero e il tetrapeptide di una catena diglicano adiacente. In questa reazione, catalizzata da enzimi detti transpeptidasi, il legame peptidico tra le due D-alanine terminale del pentapeptide viene trasferito al gruppo amminico libero della lisina di un peptide adiacente, creando un legame crociato tra due filamenti glicanici. Le transpeptidasi vengono anche chiamate proteine che legano la penicillina o PBP. I batteri contengono un numero variabile di PBP che vengono generalmente classificate in funzione del loro peso molecolare e dell'attività catalitica dei domini C-terminale e N-terminale. La rottura dei legami nella parete avviene grazie a un elevato numero di enzimi idrolitici, definiti autolisine, che tagliano il peptidoglicano in diversi punti. Si conoscono diverse classi di

autolisine distinte sulla base dellegame che idrolizzano. Le muramidasi, insieme alle transglicosilasilitiche, tagliano il legame β-1,4 glicosidico tra NAM e NAG. Le amidasi idrolizzano il legame amidico tra il NAM e l’L-alanina. Le endopeptidasi tagliano i legami peptidici tra due amminoacidi all’interno del peptide e le carbossipeptidasi rimuovono l’ultimo amminoacido D-alanina. Questi enzimi intervengono anche nella separazione delle cellule figlie dopo la divisione cellulare e nel creare spazi per l’inserimento di strutture esterne quali flagelli e sistemi di secrezione. I modelli di accrescimento della parete mureinica concordano nel postulare che l’inserzione del peptidoglicano di nuova sintesi avvenga a livello di siti specifici e che il processo di idrolisi dei legami tra i filamenti di glicano vecchi sia coordinato con quello di biosintesi dei nuovi filamenti e formazione di nuovi legami crociati grazie a un complesso proteico in cui sono accorpate le

Funzioni biosintetiche e morfologiche dei batteri

I batteri possono assumere diverse forme, tra cui quella sferica e quella bastoncellare. La sintesi della parete cellulare nei batteri sferici avviene solo durante la divisione cellulare, quando il setto divide la cellula e si rimodella per formare un nuovo emisfero. La maggior parte dei batteri a forma bastoncellare possiede almeno un omologo di MreB, una proteina citoplasmatica simile all'actina che controlla la sintesi del peptidoglicano insieme a MreC e MreD. MreB forma filamenti elicoidali all'interno della membrana plasmatica che presumibilmente determinano la localizzazione del complesso enzimatico chiamato Elongasi, coinvolto nella biosintesi della parete. Elongasi è costituito da numerose proteine che interagiscono tra loro e inseriscono i precursori del peptidoglicano nello strato preesistente durante la fase di allungamento della cellula. I batteri bastoncellari attraversano due fasi di allungamento: la prima è caratterizzata dall'inserimento sporadico di nuova parete lungo il cilindro cellulare.

tra i due poli che rimangono inerti; in secondo luogo, avviene un allungamento durante il quale la sintesi della parete si localizza vicino all'anello FtsZ, seguito dalla divisione cellulare. La parete dei batteri Gram Positivi è costituita da uno spesso strato di mureina in cui sono inserite altre molecole polimeriche, quali acidi teicoici e acidi teicuronici, cui si aggiungono proteine di superficie. La parete si estende per uno spessore di circa 50nm intorno alla membrana. Gli acidi teicoici si possono distinguere in acidi teicoici di parete e acidi lipoteicoici. I primi sono polimeri anionici costituiti da unità ripetute di 1,3-glicerol-fosfato o 1,5 D-ribitol-fosfato unite da legami fosfodiesterici. Questi polimeri polianionici ricchi in fosfato sono responsabili della carica negativa della superficie cellulare. Gli acidi teicoici di parete sono ancorati all'involucro mureinico tramite legami covalenti con residui NAM del peptidoglicano. Gli acidi lipoteicoici sono

costituiti da catene di poli-glicerol-fosfato legate a un residuo glicolipidico tramite il quale sono ancorati alla membrana plasmatica. Gli acidi teicoici costituiscono dal 30 al 60% della parete cellulare e sono ritenuti essenziali per il funzionamento della cellula. Questa complessa matrice polianionica definisce le caratteristiche chimico-fisiche dell'involucro, controlla il movimento degli ioni e di altre molecole, regola il movimento e l'attività delle proteine di parete, il riconoscimento da parte di batteriofagi e le molteplici interazioni con l'ambiente esterno, inclusa la risposta immunitaria.

Gli antibiotici che inibiscono la sintesi del peptidoglicano agiscono a livello dei diversi stadi del processo di biogenesi della parete cellulare:

INIBITORI DEL 1° STADIO:

• Fosfomicina: si lega covalentemente all'enzima piruviltransferasi che catalizza la reazione di condensazione del fosfoenolpiruvato con l'UDP-N-acetil-glucosamina.
• Cicloserina:

inibisce l'attività di due enzimi: il primo, l'alanil racemasi, converte L-alanina in D-alanina; il secondo, la D-alanil-D-alanina sintetasi, catalizza la formazione del legame peptidico tra due molecole di D-alanina.

Mureidomicina: impedisce in modo competitivo la traslocasi MraY, che trasferisce l'UDP-NAM-pentapeptide fosfato all'undecaprenil fosfato.

INIBITORI DEL 2° STADIO:

- Bacitracina: si lega all'undecaprenil pirofosfato e ne inibisce la defosforilazione a undecaprenil fosfato e di conseguenza la formazione del lipide I e la biosintesi del glicano pentapeptide.

INIBITORI DEL 3° STADIO:

- Antibiotici β-lattamici: sono caratterizzati dalla presenza di un β-lattame. Agiscono come inibitori competitivi delle PBP. Il legame dell'antibiotico agli enzimi comporta l'inibizione della funzione di questi ultimi. Le PBP sono localizzate sulla superficie esterna della membrana plasmatica batterica e sono state

Classificate in due gruppi principali: le PBP essenziali, tra cui le PBP1, PBP2 e PBP3, con funzione traspeptidasica e tranglicosilasica, la PBP4 con funzione carbossipeptidasica ed endopeptidasica e la PBP5 e PBP6 che sono D-carbossipeptidasi.

Il secondo gruppo comprende PBP addizionali le cui funzioni nella polimerizzazione della parete cellulare sono poco note.

Tra i composti β-lattamici si ritrovano anche molecole capaci di legarsi alle β-lattamasi e di inattivarle. L’acido clavulanico, il sulbactam e il tazobactam sono i rappresentanti principali di questi inibitori delle β-lattamasi utilizzati in associazione con alcuni antibiotici β-lattamici per impedirne l’idrolisi da parte delle β-lattamasi prodotte dai batteri resistenti.

I batteri Gram Negativi possiedono particolari strutture all’esterno della membrana cellulare che rendono la loro parete molto più complessa di quella dei Gram Positivi. Sono circondati da una peculiare membrana esterna.

L'ospazio compreso tra membrana esterna e membrana interna prende il nome di periplasma. Lo spazio periplasmatico è un compartimento acquoso che costituisce dal 20 al 40% del volume totale della cellula. Le proteine periplasmatiche sono coinvolte in numerose funzioni, quali l'acquisizione di nutrienti, la generazione di energia, la sintesi del peptidoglicano, la biogenesi della membrana esterna e degli altri rivestimenti cellulari, il catabolismo iniziale di nutrienti complessi e la degradazione o inattivazione di antibiotici e altre sostanze tossiche. Il corretto ripiegamento delle proteine che si trovano nel periplasma e delle strutture proteiche che devono essere trasportate alla membrana esterna viene garantito dalla presenza in questo compartimento di numerose proteine chaperon periplasmatiche che aiutano il ripiegamento delle proteine senza la necessità di ATP per la loro attività. La cellula dei batteri dermici è circondata dalla membrana esterna. Essa

è asimmetrica ed è costituita da fosfolipidi nel foglietto interno e lipopolisaccaride (LPS) nel foglietto esterno, in cui sono immerse proteine transmembrana OMP. Il LPS è una grande e complessa molecola anfipatica in cui è possibile distinguere tre diverse porzioni:

1. Lipide A;
2. Nocciolo o Core;
3. Antigene O.

Il lipide A, costituito da un dimero di N-acetil-glucosamina esterificato con due residui fosfato e un numero variabile di acidi grassi, è la parte lipidica che ancora il LPS alla membrana esterna. Al lipide A è legato il polisaccaridico, che può essere suddiviso in core interno ed esterno: la composizione del core interno è abbastanza conservata nei diversi tipi di LPS e contiene da una a tre molecole di 2-cheto-3-deossiottonato (Kdo) e uno zucchero a 7 atomi di C. Il core esterno è più variabile e contiene zuccheri a 6 o 7.