Mureín je biopolymér na podporu bunkovej steny baktérií, známy tiež ako peptidoglukán. Murein je heteropolymér (N-acetylglukózamín a kyselina N-acetylmuramová zosieťované cez laktátové zvyšky s krátkymi peptidovými reťazcami). Ako určujúca látka pre jednu z troch domén živých bytostí má tento polymér samozrejme svoje vlastné štrukturálne a funkčné vlastnosti. Skúsme ich vyriešiť.
Štruktúra bakteriálnej bunky
Baktérie sú obrovským zhlukom prokaryotických organizmov. Ich genetický aparát nie je uzavretý v jadre oddelenom membránou. Napriek skorému vývoju sa tieto organizmy rozšírili do všetkých prostredí našej planéty. Môžu žiť aj na ropných poliach, vo vriacej vode gejzírov, v studených vodách severných oceánov, v žalúdočných kyselinách živočíchov. Odolnosť voči negatívnym faktorom prostredia je dosiahnutá najmä vďaka špeciálnej látke, ktorá tvorí základ bakteriálnej bunkovej steny. Látka je mureín.
Bateriálna bunka pozostáva z 80 – 85 % vody, zo zvyšných 20 % spravidla polovicu tvoria proteíny, pätinu RNA, 5 % DNA a niektoré lipidy. Bunková stena predstavuje 20% suchéholátok (u niektorých druhov mikroorganizmov až 50 %). Hrúbka tejto dosky je približne 0,01-0,045 mikrometra.
Mureín v bunkovej stene
Prítomnosť pevnej steny je charakteristická nielen pre baktérie, ale aj pre huby a rastliny. Avšak len u prokaryotov má podobné zloženie. Bunková stena baktérie je pevný obal vyrobený z komplexnej molekuly mureínového polysacharidu. Štruktúra polypeptidu pozostáva z paralelných polysacharidových reťazcov prepojených peptidovými zvyškami. Modulárnou jednotkou je disacharid muropeptid (v ňom je acetyl-D spojený s kyselinou acetylmuramovou).
Hlavným znakom, ktorý určuje vlastnosti vrecka tvoreného mureínom, je prítomnosť uzavretej siete polysacharidových reťazcov. To vytvára hustú sieť bez medzier. Hustota tejto steny je druhovo špecifická - u niektorých druhov je menej hustá (E. coli), u iných viac (Staphylococcus aureus).
V biológii nie je mureín len polypeptid, ale aj jeho sprievodné zložky bakteriálnej bunkovej steny. Gram-pozitívne baktérie napríklad zahŕňajú aj polysacharidy, kyseliny taichoové, proteíny alebo iné polypeptidy. Gramnegatívne baktérie majú takýchto inklúzií ešte viac. Vyznačujú sa komplexnými liposacharidmi, lipoproteínmi, polypeptidmi.
Úloha týchto látok pri ochrane pred bakteriofágovými vírusmi, ako aj pri ochrane pred agresívnymi antibiotikami a enzýmami. Grampozitívne baktérie majú krehké telo. U gramnegatívnych baktérií v dôsledkuprítomnosť veľkého počtu ďalších inklúzií, mureínová kostra je pokrytá mäkkou ochrannou membránou z lipidov.
Typy peptidoglykánu
Hoci mureín je zložka bunkovej steny, ktorá sa nachádza iba v baktériách, existujú aj štruktúry podobné jemu. Napríklad v stene niektorých archeí (nejadrových mikroorganizmov, ktoré nemajú organelové štruktúry) a glaukocystofytných rias vzniká pseudopeptidoglykán. Vykonáva rovnaké funkcie a svojím zložením sa podobá mureínu.
Zloženie mureínu, jeho štruktúra
Štruktúra je bunková sieť tvorená zložkami n-acetylglukozamínu a kyseliny n-acetylmuramovej. Väzby sú tvorené β1,4-glykozidovými väzbami. Zosieťovanie sa uskutočňuje pomocou peptidových zvyškov na základe pôsobenia enzýmu transpeptidázy. Takýto reťazec obsahuje kyselinu D-glutámovú, L-lyzín, D-alanín, L-alanín.
Zvláštnosťou zároveň je, že takéto D-štruktúry sa nachádzajú iba v prokaryotických bunkách. Vytvorený polypeptid má teda formu trojrozmernej štruktúry, ktorá tvorí základ bakteriálnej bunkovej steny. Poskytuje pevnosť, odolnosť a stabilitu membráne.
Vlastnosti a funkcie
Vlastnosti mureínu sú určené jeho štruktúrou. Okrem toho, že plní mechanickú a podpornú funkciu, má antigénne vlastnosti. To určuje jeho mnohostrannú ochrannú úlohu pre baktérie.
Jednou z hlavných funkcií mureínu je transport látok do a von z baktérií. Táto vlastnosť určuje účasťpeptidoglykán v eukaryotickej chemo- a fotosyntéze, fixácii dusíka a iných dôležitých procesoch. Všetky sú spojené s interakciou bunky a prostredia, ktoré poskytuje bunková stena.
Zároveň nielen veľké molekuly nedokážu obísť bunkovú sieť tejto látky. Mureín je selektívne permeabilný napríklad pre antibiotiká. Táto vlastnosť vzniká v procese evolúcie a umelého výberu zo strany človeka.
Účasť tejto štruktúry na pohybe buniek je spojená s prítomnosťou klkov a bičíkov, ktoré majú membránovú štruktúru a sú tesne spojené s mureínovým vakom.
Zloženie peptidových reťazcov, ktoré tvoria peptidoglykán, je systematická vlastnosť a pomáha rozlišovať medzi taxónmi týchto mikroorganizmov. Okrem toho, podľa tvaru, ktorý mureín dáva baktériám, rozlišujeme ich skupiny - koky (okrúhle), tyčinky, spirochéty atď.
Množstvo a kvalita ďalších inklúzií v štruktúre bunkovej steny určuje dva veľké zhluky mikroorganizmov: gram-pozitívne a gram-negatívne baktérie. Oddelenie sa vykonáva detektívnym farbením.
Murein stabilita
Keďže mureín je súčasťou bakteriálnej bunkovej steny, je to signálna látka pre imunitný systém ľudí aj iných organizmov. Napríklad enzým lyzozým štiepi beta 1,4-glykozidové väzby medzi zvyškami acetylglukózamínu a kyseliny acetylmuramovej, čím spôsobuje hydrolýzu peptidoglukánu a smrť bakteriálnejbunky.
Lysozým je jedným z enzýmov v slinách cicavcov, ktorý určuje ich antibakteriálne vlastnosti. Ničí tiež peptidové reťazce muroendopeptidázy, čím spôsobuje deštrukciu polyméru. Vytvorené antibiotiká (napríklad penicilín, cefalosporín) narúšajú produkciu peptidoglykánu. Cykloserín narúša syntézu alanínu.
V reakcii na túto expozíciu baktérie reagujú na ochranu pred antibiotikami. Mutácie v genetickej sekvencii zodpovednej za syntézu laktamáz, transpeptidázy, vedú k vzniku kmeňov, ktoré sú odolné voči antibiotikám. Evolučnou odpoveďou prokaryotov je tiež postupná zmena priepustnosti membrány pre cykloserín a iné látky.
Murein v biológii je neustále sa meniaci systém. To vysvetľuje neustálu rasu „antibiotiká-nové kmene baktérií“, kde je príjem nových aktívnych liekov nevyhnutne spojený s postupným znižovaním ich aktivity.
