El peptidoglicano o mureína es una macromolécula grande y única, un polisacárido , que consta de azúcares y aminoácidos que forma una capa de peptidoglicano similar a una malla (sáculo) que rodea la membrana citoplasmática bacteriana . [1] El componente de azúcar consta de residuos alternos de N -acetilglucosamina (NAG) unida a β-(1,4) y ácido N -acetilmurámico (NAM). Unida al ácido N -acetilmurámico hay una cadena oligopeptídica formada por tres a cinco aminoácidos. La cadena peptídica se puede entrecruzar con la cadena peptídica de otra hebra que forma la capa similar a una malla 3D. [1] [2] El peptidoglicano cumple una función estructural en la pared celular bacteriana, proporcionando resistencia estructural y contrarrestando la presión osmótica del citoplasma . Esta unión repetitiva da como resultado una capa densa de peptidoglicano que es fundamental para mantener la forma celular y resistir altas presiones osmóticas, y es reemplazada regularmente por la producción de peptidoglicano. La hidrólisis y síntesis de peptidoglicanos son dos procesos que deben ocurrir para que las células crezcan y se multipliquen, una técnica que se lleva a cabo en tres etapas: recorte del material actual, inserción de material nuevo y reticulación del material existente con material nuevo. [3]
La capa de peptidoglicano es sustancialmente más gruesa en las bacterias Gram positivas (de 20 a 80 nanómetros) que en las bacterias Gram negativas (de 7 a 8 nanómetros). [4] Dependiendo de las condiciones de crecimiento del pH, el peptidoglicano forma alrededor del 40 al 90% del peso seco de la pared celular de las bacterias Gram positivas, pero sólo alrededor del 10% de las cepas Gram negativas. Por tanto, la presencia de niveles elevados de peptidoglicano es el principal determinante de la caracterización de una bacteria como Gram-positiva . [5] En las cepas Gram positivas, es importante en las funciones de apego y con fines de serotipificación . [6] Tanto para las bacterias Gram positivas como para las Gram negativas, partículas de aproximadamente 2 nm pueden pasar a través del peptidoglicano. [7]
Es difícil saber si un organismo es grampositivo o gramnegativo usando un microscopio; Es necesaria la tinción de Gram , creada por Hans Christian Gram en 1884. Las bacterias se tiñen con varios colorantes como cristal violeta, alcohol yodo y safranina . Las células Gram positivas se tiñen de color púrpura después de la tinción, mientras que las células Gram negativas se tiñen de rosa. [8]
La capa de peptidoglicano dentro de la pared celular bacteriana es una estructura de red cristalina formada a partir de cadenas lineales de dos aminoazúcares alternos , a saber, N -acetilglucosamina (GlcNAc o NAG) y ácido N -acetilmurámico (MurNAc o NAM). Los azúcares alternos están conectados por un enlace β-(1,4)-glucosídico . Cada MurNAc está unida a una cadena corta de aminoácidos (de 4 a 5 residuos) que contiene L -alanina , ácido D -glutámico , ácido meso -diaminopimélico y D -alanina en el caso de Escherichia coli (una bacteria Gram-negativa). ) o L -alanina , D -glutamina , L -lisina y D -alanina con un puente de 5- glicina entre tetrapéptidos en el caso de Staphylococcus aureus (una bacteria Gram-positiva). El peptidoglicano es una de las fuentes más importantes de D-aminoácidos en la naturaleza. [ cita necesaria ]
Al encerrar la membrana interna, la capa de peptidoglicano protege a la célula de la lisis causada por la presión de turgencia de la célula. Cuando la pared celular crece, conserva su forma durante toda su vida, por lo que una forma de varilla seguirá siendo una forma de varilla y una forma esférica seguirá siendo una forma esférica de por vida. Esto sucede porque el material de síntesis recién agregado se transforma en una pared hemisférica para las células descendientes. [9]
El entrecruzamiento entre aminoácidos en diferentes cadenas lineales de aminoazúcar se produce con la ayuda de la enzima DD-transpeptidasa y da como resultado una estructura tridimensional que es fuerte y rígida. La secuencia de aminoácidos específica y la estructura molecular varían según la especie bacteriana . [10]
Se han descrito los diferentes tipos de peptidoglicanos de las paredes celulares bacterianas y sus implicaciones taxonómicas. [11] Archaea ( dominio Archaea [12] ) no contiene peptidoglicano (mureína). [13] Algunas arqueas contienen pseudopeptidoglicano (pseudomureína, ver más abajo). [14]
El peptidoglicano participa en la fisión binaria durante la reproducción de células bacterianas. Las bacterias en forma L y los micoplasmas , ambos carentes de pared celular de peptidoglicano, no proliferan por fisión binaria, sino por un mecanismo de gemación . [15] [16]
En el curso de la evolución temprana, el desarrollo sucesivo de fronteras (membranas, paredes) que protegían las primeras estructuras de la vida contra su entorno debió ser esencial para la formación de las primeras células ( celularización ).
La invención de las paredes celulares rígidas de peptidoglicano (mureína) en las bacterias (dominio Bacteria [12] ) fue probablemente el requisito previo para su supervivencia, la radiación extensiva y la colonización de prácticamente todos los hábitats de la geosfera y la hidrosfera. [17] [18]
Los monómeros de peptidoglicano se sintetizan en el citosol y luego se unen a un bactoprenol portador de membrana . El bactoprenol transporta monómeros de peptidoglicano a través de la membrana celular donde se insertan en el peptidoglicano existente. [19]
Cada una de estas reacciones requiere la fuente de energía ATP. [20] Todo esto se conoce como Etapa uno.
La segunda etapa ocurre en la membrana citoplasmática. Es en la membrana donde un transportador lipídico llamado bactoprenol transporta precursores de peptidoglicanos a través de la membrana celular.
En algunas arqueas , es decir, miembros de las Methanobacteriales y en el género Methanopyrus , se ha encontrado pseudopeptidoglicano (pseudomureína). [14] En el pseudopeptidoglicano, los residuos de azúcar son N -acetilglucosamina y ácido N -acetiltalosaminurónico con enlaces β-(1,3) . Esto hace que las paredes celulares de dichas arqueas sean insensibles a la lisozima . [23] Se ha descrito la biosíntesis de pseudopeptidoglicano. [24]
El reconocimiento de peptidoglicanos es un proceso evolutivamente conservado. [25] La estructura general es similar entre especies bacterianas, pero varias modificaciones pueden aumentar la diversidad. Estos incluyen modificaciones de la longitud de los polímeros de azúcar, modificaciones en las estructuras de los azúcares, variaciones en la reticulación o sustituciones de aminoácidos (principalmente en la tercera posición). [25] [26] El objetivo de estas modificaciones es alterar las propiedades de la pared celular, que juega un papel vital en la patogénesis . [25]
Los peptidoglicanos pueden ser degradados por varias enzimas ( lisozima , glucosaminidasa, endopeptidasa ... [25] ), produciendo fragmentos inmunoestimulantes (a veces llamados muropéptidos [27] ) que son críticos para mediar en las interacciones huésped-patógeno . [26] Estos incluyen MDP ( muramil dipéptido ), NAG ( N-acetilglucosamina ) o iE-DAP (ácido γ-d-glutamil-meso-diaminopimélico). [25] [27]
El peptidoglicano procedente de bacterias intestinales (tanto patógenas como comensales) atraviesa la barrera intestinal incluso en condiciones fisiológicas. [27] Los mecanismos a través de los cuales el peptidoglicano o sus fragmentos ingresan a las células huésped pueden ser directos (independientes del portador) o indirectos (dependientes del portador), y están mediados por bacterias (sistemas de secreción, vesículas de membrana ) o por células huésped ( transportadores de péptidos mediados por receptores). [27] Los sistemas de secreción bacteriana son complejos proteicos utilizados para la entrega de factores de virulencia a través de la envoltura de la célula bacteriana al ambiente exterior. [28] Los patógenos bacterianos intracelulares invaden las células eucariotas (lo que puede conducir a la formación de fagolisosomas y/o la activación de la autofagia ), o las bacterias pueden ser fagocitadas por los fagocitos ( macrófagos , monocitos , neutrófilos ...). El fagosoma que contiene bacterias puede fusionarse con endosomas y lisosomas , lo que lleva a la degradación de las bacterias y a la generación de fragmentos de peptidoglicanos poliméricos y muropéptidos. [27]
El sistema inmunológico innato detecta peptidoglicano intacto y fragmentos de peptidoglicano utilizando numerosos PRR ( receptores de reconocimiento de patrones ) que se secretan, se expresan intracelularmente o se expresan en la superficie celular. [25]
Los PGLYRP se conservan desde insectos hasta mamíferos . [27] Los mamíferos producen cuatro proteínas de reconocimiento de peptidoglicanos solubles secretadas ( PGLYRP-1 , PGLYRP-2 , PGLYRP-3 y PGLYRP-4 ) que reconocen el pentapéptido o tetrapéptido muramil. [25] También pueden unirse a LPS y otras moléculas utilizando sitios de unión fuera del surco de unión de peptidoglicano. [28] Después del reconocimiento del peptidoglicano, los PGLYRP activan las vías de señalización de las moléculas de polifenol oxidasa (PPO), Toll o inmunodeficiencia (IMD). Eso conduce a la producción de péptidos antimicrobianos (AMP). [28]
Cada uno de los PGLYRP de mamíferos muestra patrones de expresión tisular únicos. PGLYRP-1 se expresa principalmente en los gránulos de neutrófilos y eosinófilos . [25] PGLYRP-3 y 4 se expresan en varios tejidos, como la piel, las glándulas sudoríparas, los ojos o el tracto intestinal. [27] PGLYRP-1, 3 y 4 forman homodímeros y heterodímeros unidos por enlaces disulfuro esenciales para su actividad bactericida. [27] Su unión a los peptidoglicanos de la pared celular bacteriana puede inducir la muerte celular bacteriana mediante la interacción con varias proteínas reguladoras de la transcripción bacteriana. [25] Es probable que los PGLYRP ayuden en la destrucción de bacterias al cooperar con otros PRR para mejorar el reconocimiento de las bacterias por parte de los fagocitos. [25]
PGLYRP-2 se expresa principalmente en el hígado y se secreta a la circulación. [25] Además, su expresión puede inducirse en queratinocitos de la piel, células epiteliales orales e intestinales . [27] A diferencia de otros PGLYRP, PGLYRP-2 no tiene actividad bactericida directa. Posee actividad peptidoglicano amidasa, hidroliza el enlace lactilamida entre MurNAc y el primer aminoácido del péptido madre del peptidoglicano. [25] [27] Se propone que la función de PGLYRP-2 es prevenir la sobreactivación del sistema inmunológico y el daño tisular inducido por inflamación en respuesta a los ligandos NOD2 (ver más abajo), ya que estos muropéptidos ya no pueden ser reconocido por NOD2 tras la separación del componente peptídico de MurNAc. [27] La creciente evidencia sugiere que los miembros de la familia de proteínas de reconocimiento de peptidoglicanos desempeñan un papel dominante en la tolerancia de las células epiteliales intestinales hacia la microbiota comensal. [28] [29] Se ha demostrado que la expresión de PGLYRP-2 y 4 puede influir en la composición de la microbiota intestinal . [28]
Recientemente, se ha descubierto que los PGLYRP (y también los receptores tipo NOD y los transportadores de peptidoglicanos) se expresan altamente en el cerebro del ratón en desarrollo . [30] PGLYRP-2 y se expresa altamente en neuronas de varias regiones del cerebro, incluida la corteza prefrontal , el hipocampo y el cerebelo , lo que indica posibles efectos directos del peptidoglicano en las neuronas. PGLYRP-2 también se expresa altamente en la corteza cerebral de niños pequeños, pero no en la mayoría de los tejidos corticales de adultos. PGLYRP-1 también se expresa en el cerebro y continúa expresándose hasta la edad adulta. [30]
Probablemente los receptores de peptidoglicano más conocidos son los receptores tipo NOD (NLR), principalmente NOD1 y NOD2 . El receptor NOD1 se activa después de la unión de iE-DAP (ácido γ-d-glutamil-meso-diaminopimélico), mientras que NOD2 reconoce MDP (dipéptido muramil), por sus dominios LRR . [28] La activación conduce a la autooligomerización, lo que resulta en la activación de dos cascadas de señalización. Uno desencadena la activación de NF-κB (a través de RIP2, TAK1 e IKK [31] ), el segundo conduce a la cascada de señalización MAPK . La activación de estas vías induce la producción de citocinas y quimiocinas inflamatorias . [25]
NOD1 se expresa en diversos tipos de células, incluidos fagocitos mieloides, células epiteliales [25] y neuronas. [30] NOD2 se expresa en monocitos y macrófagos, células epiteliales intestinales, células de Paneth , células dendríticas , osteoblastos , queratinocitos y otros tipos de células epiteliales. [27] Como sensores citosólicos , NOD1 y NOD2 deben detectar bacterias que ingresan al citosol o el peptidoglicano debe degradarse para generar fragmentos que deben transportarse al citosol para que estos sensores funcionen. [25]
Recientemente, se demostró que NLRP3 es activado por peptidoglicano, mediante un mecanismo independiente de NOD1 y NOD2. [27] En los macrófagos, se descubrió que la N-acetilglucosamina generada por la degradación del peptidoglicano inhibe la actividad de la hexoquinasa e induce su liberación de la membrana mitocondrial . Promueve la activación del inflamasoma NLRP3 a través de un mecanismo desencadenado por una mayor permeabilidad de la membrana mitocondrial. [27]
NLRP1 también se considera un sensor citoplasmático de peptidoglicano. Puede detectar MDP y promover la secreción de IL-1 mediante la unión de NOD2. [28] [26]
Las lectinas de tipo C son una superfamilia diversa de proteínas principalmente dependientes de Ca 2+ que se unen a una variedad de carbohidratos (incluido el esqueleto de glicano del peptidoglicano) y funcionan como receptores inmunes innatos. [27] Las proteínas CLR que se unen al peptidoglicano incluyen MBL ( lectina de unión a manosa ), ficolinas , Reg3A (proteína 3A de la familia de genes de regeneración) y PTCLec1. [28] En los mamíferos, inician la vía de las lectinas de la cascada del complemento . [27]
El papel de los TLR en el reconocimiento directo del peptidoglicano es controvertido. [25] En algunos estudios, se ha informado que el TLR2 detecta el peptidoglicano . [32] Pero esta actividad inductora de TLR2 podría deberse a las lipoproteínas de la pared celular y los ácidos lipoteicoicos que comúnmente se copurifican con peptidoglicano. Además, la variación en la estructura de los peptidoglicanos en las bacterias de una especie a otra puede contribuir a los diferentes resultados sobre este tema. [25] [27]
El peptidoglicano es inmunológicamente activo y puede estimular las células inmunitarias para aumentar la expresión de citocinas y mejorar la respuesta específica dependiente de anticuerpos cuando se combina con una vacuna o como adyuvante solo. [28] El MDP, que es la unidad básica del peptidoglicano, se utilizó inicialmente como componente activo del adyuvante de Freund . [28] Se utilizó peptidoglicano de Staphylococcus aureus como vacuna para proteger a los ratones, lo que demostró que después de la inyección de la vacuna durante 40 semanas, los ratones sobrevivieron al desafío de S. aureus con una dosis letal aumentada . [33]
Algunos fármacos antibacterianos, como la penicilina, interfieren con la producción de peptidoglicano al unirse a enzimas bacterianas conocidas como proteínas transportadoras de penicilina o DD-transpeptidasas . [6] Las proteínas de unión a penicilina forman los enlaces entre los enlaces cruzados de oligopéptidos en el peptidoglicano. Para que una célula bacteriana se reproduzca mediante fisión binaria , se deben unir más de un millón de subunidades de peptidoglicano (NAM-NAG+oligopéptido) a las subunidades existentes. [34] Las mutaciones en los genes que codifican las transpeptidasas que conducen a interacciones reducidas con un antibiótico son una fuente importante de resistencia emergente a los antibióticos . [35] Dado que el peptidoglicano también falta en las bacterias de forma L y en los micoplasmas, ambos son resistentes a la penicilina.
También se pueden abordar otros pasos de la síntesis de peptidoglicanos. El antibiótico tópico bacitracina apunta a la utilización del pirofosfato de isoprenilo C55 . Los lantibióticos , que incluyen el conservante alimentario nisina , atacan los lípidos II. [36]
La lisozima , que se encuentra en las lágrimas y constituye parte del sistema inmunológico innato del cuerpo , ejerce su efecto antibacteriano al romper los enlaces β-(1,4)-glucosídicos del peptidoglicano (ver arriba). La lisozima es más eficaz para actuar contra las bacterias Gram positivas , en las que la pared celular de peptidoglicano está expuesta, que contra las bacterias Gram negativas , que tienen una capa externa de LPS que cubre la capa de peptidoglicano. [31] Varias modificaciones de peptidoglicanos bacterianos pueden resultar en resistencia a la degradación por la lisozima. La susceptibilidad de las bacterias a la degradación también se ve considerablemente afectada por la exposición a los antibióticos . Las bacterias expuestas sintetizan peptidoglicano que contiene cadenas de azúcar más cortas que están mal entrecruzadas y este peptidoglicano luego se degrada más fácilmente por la lisozima. [28]