Peptidoglycan (Peptidoglycan)

Cấu trúc

Peptidoglycan là một mạng lưới ba chiều được tạo thành từ các chuỗi glycan liên kết chéo với nhau bằng các peptide.

• Glycan: Các chuỗi glycan được cấu tạo từ các đơn vị disaccharide lặp lại của N-acetylglucosamine (NAG) và axit N-acetylmuramic (NAM) liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4)-glycosidic. Công thức hóa học của NAG là $C8H{15}NO6$ và NAM là $C{11}H_{19}NO_8$.
• Peptide: Các chuỗi peptide ngắn, thường là tetrapeptide (4 axit amin), được gắn vào NAM. Thành phần của chuỗi peptide này có thể thay đổi tùy theo loài vi khuẩn, nhưng thường bao gồm cả L- và D-amino acid. Một ví dụ điển hình là L-alanine, D-glutamate, meso-diaminopimelic acid (hoặc L-lysine) và D-alanine. Sự hiện diện của D-amino acid là một đặc điểm khác biệt so với peptide trong protein, thường chỉ chứa L-amino acid.
• Liên kết chéo: Các chuỗi peptide của các chuỗi glycan lân cận được liên kết chéo với nhau, tạo thành một cấu trúc mạng lưới chắc chắn. Loại liên kết chéo có thể khác nhau tùy theo loài vi khuẩn. Một loại liên kết chéo phổ biến là liên kết trực tiếp giữa D-alanine ở vị trí thứ tư của một chuỗi peptide với meso-diaminopimelic acid (hoặc L-lysine) ở vị trí thứ ba của chuỗi peptide khác. Một số vi khuẩn có thể sử dụng cầu nối peptide gồm 5 glycine để liên kết chéo. Chính sự liên kết chéo này tạo nên sức mạnh và độ cứng cho peptidoglycan.

Chức năng

Peptidoglycan đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống của tế bào vi khuẩn. Các chức năng chính bao gồm:

• Độ cứng vững cấu trúc: Peptidoglycan tạo thành một lớp vỏ cứng chắc, duy trì hình dạng tế bào vi khuẩn và bảo vệ nó khỏi tác động cơ học. Nếu không có peptidoglycan, tế bào vi khuẩn sẽ dễ bị vỡ do áp suất thẩm thấu.
• Bảo vệ khỏi áp suất thẩm thấu: Tế bào vi khuẩn thường tồn tại trong môi trường có nồng độ chất tan thấp hơn bên trong tế bào. Peptidoglycan ngăn chặn sự vỡ của tế bào vi khuẩn do áp suất thẩm thấu cao bên trong tế bào, giúp duy trì sự cân bằng nước.
• Mục tiêu của kháng sinh: Nhiều loại kháng sinh, chẳng hạn như penicillin và vancomycin, nhắm mục tiêu vào quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan, ức chế sự phát triển và sinh sản của vi khuẩn. Penicillin ngăn cản sự hình thành liên kết chéo giữa các chuỗi peptide, trong khi vancomycin ức chế sự kết hợp các đơn vị NAM-NAG vào chuỗi glycan đang phát triển.

Sự khác biệt giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm

Thành tế bào của vi khuẩn Gram dương và Gram âm khác nhau về thành phần peptidoglycan, điều này ảnh hưởng đến khả năng nhuộm Gram và tính nhạy cảm với các loại kháng sinh khác nhau:

• Gram dương: Vi khuẩn Gram dương có lớp peptidoglycan dày (20-80 nm) nằm bên ngoài màng tế bào chất. Lớp peptidoglycan dày này giữ lại thuốc nhuộm tím tinh thể trong quá trình nhuộm Gram, khiến vi khuẩn có màu tím.
• Gram âm: Vi khuẩn Gram âm có lớp peptidoglycan mỏng (5-10 nm) nằm giữa màng tế bào chất và màng ngoài. Lớp peptidoglycan mỏng này không giữ được thuốc nhuộm tím tinh thể sau khi rửa bằng cồn, và vi khuẩn sẽ được nhuộm màu hồng bởi thuốc nhuộm đối lập (safranin).

Sự khác biệt này ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của vi khuẩn với kháng sinh. Ví dụ, penicillin hiệu quả hơn đối với vi khuẩn Gram dương do lớp peptidoglycan dày dễ tiếp cận hơn.

Peptidoglycan là một thành phần thiết yếu của thành tế bào vi khuẩn, cung cấp độ cứng vững cấu trúc và bảo vệ khỏi áp suất thẩm thấu. Cấu trúc độc đáo của nó làm cho nó trở thành mục tiêu lý tưởng cho các loại thuốc kháng sinh. Việc hiểu rõ về peptidoglycan là rất quan trọng để phát triển các phương pháp điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn hiệu quả.

Sinh tổng hợp Peptidoglycan

Quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan là một quá trình phức tạp diễn ra trong tế bào chất và màng tế bào. Nó bao gồm ba giai đoạn chính:

1. Tổng hợp tiền chất trong tế bào chất: Các tiền chất của peptidoglycan, UDP-NAG và UDP-NAM-pentapeptide, được tổng hợp trong tế bào chất. UDP-NAM-pentapeptide bao gồm NAM gắn với một chuỗi pentapeptide (thường bao gồm L-Ala, D-Glu, meso-DAP/L-Lys, D-Ala, D-Ala).
2. Vận chuyển tiền chất qua màng tế bào: Bactoprenol, một lipid mang, vận chuyển các tiền chất qua màng tế bào. UDP-NAM-pentapeptide được gắn vào bactoprenol, sau đó NAG được thêm vào để tạo thành Lipid II, là đơn vị disaccharide pentapeptide gắn với bactoprenol.
3. Polymer hóa và liên kết chéo: Lipid II được lật qua màng tế bào và các đơn vị disaccharide được thêm vào chuỗi glycan đang phát triển thông qua hoạt động của transglycosylase. Cuối cùng, các chuỗi peptide của các chuỗi glycan lân cận được liên kết chéo với nhau bởi transpeptidase, tạo thành cấu trúc peptidoglycan hoàn chỉnh. Transpeptidase là mục tiêu của nhiều loại thuốc kháng sinh β-lactam, như penicillin.

Phân giải Peptidoglycan

Vi khuẩn cũng có các enzyme có thể phân giải peptidoglycan, được gọi là autolysin. Các enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phân chia tế bào, cho phép tái cấu trúc thành tế bào. Một số enzyme quan trọng bao gồm:

• Lysozyme: Một enzyme được tìm thấy trong nước mắt, nước bọt và các chất dịch cơ thể khác, có khả năng thủy phân liên kết β-(1,4)-glycosidic giữa NAG và NAM. Lysozyme là một phần quan trọng của hệ thống miễn dịch bẩm sinh, giúp bảo vệ chống lại nhiễm trùng vi khuẩn.
• Autolysin của vi khuẩn: Các enzyme do vi khuẩn sản xuất để phân giải peptidoglycan của chính chúng. Autolysin cần thiết cho việc chèn các peptidoglycan mới trong quá trình tăng trưởng và phân chia tế bào, cũng như trong quá trình hình thành vách ngăn khi phân chia tế bào.

Ý nghĩa lâm sàng

Do peptidoglycan chỉ có ở vi khuẩn, nó là mục tiêu lý tưởng cho các loại thuốc kháng sinh. Nhiều loại kháng sinh nhắm vào các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan, chẳng hạn như transpeptidase và transglycosylase. Ví dụ, penicillin ức chế transpeptidase, ngăn chặn sự hình thành liên kết chéo và làm suy yếu thành tế bào vi khuẩn, dẫn đến ly giải tế bào. Sự hiểu biết về sinh tổng hợp và phân giải peptidoglycan là rất quan trọng để phát triển các loại kháng sinh mới và chiến lược chống lại tình trạng kháng kháng sinh.

• Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2018). Brock Biology of Microorganisms (15th ed.). Pearson.
• Willey, J. M., Sherwood, L. M., & Woolverton, C. J. (2017). Prescott’s Microbiology (11th ed.). McGraw-Hill Education.
• Vollmer, W., Blanot, D., & de Pedro, M. A. (2008). Peptidoglycan structure and architecture. FEMS Microbiology Reviews, 32(2), 149-167.

Câu hỏi và Giải đáp

Quá trình liên kết chéo peptide trong peptidoglycan diễn ra như thế nào và tại sao nó lại quan trọng đối với tính toàn vẹn của thành tế bào?

Trả lời: Liên kết chéo peptide xảy ra chủ yếu thông qua phản ứng transpeptidation, được xúc tác bởi các enzyme transpeptidase. Phản ứng này liên kết nhóm carboxyl của D-alanine cuối cùng trong một chuỗi pentapeptide với nhóm amin của axit diaminopimelic (DAP) hoặc lysine trong một chuỗi pentapeptide khác trên một sợi glycan lân cận. Liên kết chéo này tạo ra một mạng lưới ba chiều vững chắc, cung cấp sức mạnh và độ cứng cho thành tế bào, giúp vi khuẩn chống lại áp suất thẩm thấu cao và duy trì hình dạng của nó.

Sự khác biệt về cấu trúc peptidoglycan giữa vi khuẩn Gram dương và Gram âm ảnh hưởng như thế nào đến tính nhạy cảm của chúng với kháng sinh?

Trả lời: Vi khuẩn Gram dương có lớp peptidoglycan dày và lộ ra ngoài, làm cho chúng dễ bị tấn công bởi các kháng sinh như penicillin và vancomycin, nhắm mục tiêu vào quá trình tổng hợp peptidoglycan. Vi khuẩn Gram âm có lớp peptidoglycan mỏng hơn được bảo vệ bởi màng ngoài, làm giảm khả năng tiếp cận của một số kháng sinh. Màng ngoài này cũng có lipopolysaccharide (LPS), có thể đóng vai trò như một rào cản đối với một số kháng sinh và góp phần vào độc lực của vi khuẩn.

Ngoài penicillin và vancomycin, còn những loại kháng sinh nào khác nhắm mục tiêu vào peptidoglycan? Cơ chế hoạt động của chúng là gì?

Trả lời: Một số kháng sinh khác nhắm mục tiêu vào peptidoglycan bao gồm cephalosporin, carbapenem, và fosfomycin. Cephalosporin và carbapenem, giống như penicillin, ức chế transpeptidase. Fosfomycin ức chế MurA, một enzyme tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan. Bacitracin ngăn cản sự tái chế của bactoprenol, một lipid mang cần thiết cho việc vận chuyển các tiền chất peptidoglycan qua màng tế bào.

Vai trò của autolysin trong sinh lý vi khuẩn là gì?

Trả lời: Autolysin là các enzyme do vi khuẩn sản sinh có khả năng thủy phân peptidoglycan. Chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình, bao gồm sinh trưởng và phân chia tế bào, hình thành vách ngăn, tái cấu trúc thành tế bào, và quá trình tự phân hủy. Autolysin hoạt động bằng cách cắt các liên kết glycosidic hoặc peptide trong peptidoglycan, cho phép chèn các peptidoglycan mới trong quá trình sinh trưởng.

Làm thế nào mà sự hiểu biết về sinh tổng hợp peptidoglycan có thể được sử dụng để phát triển các loại thuốc kháng khuẩn mới?

Trả lời: Nghiên cứu sâu về con đường sinh tổng hợp peptidoglycan có thể xác định các enzyme thiết yếu hoặc các bước trung gian mới làm mục tiêu cho thuốc. Ví dụ, việc phát triển các chất ức chế các enzyme liên quan đến tổng hợp tiền chất peptidoglycan, vận chuyển qua màng, hoặc các bước sửa đổi đặc hiệu có thể dẫn đến các loại kháng sinh mới. Hơn nữa, việc tìm hiểu các cơ chế kháng kháng sinh liên quan đến peptidoglycan, chẳng hạn như đột biến trong transpeptidase hoặc sản xuất các enzyme phân hủy kháng sinh, có thể giúp phát triển các chiến lược để vượt qua tình trạng kháng thuốc.