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