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Murein – Aufbau
Murein besteht aus Aminosäuren und Kohlenhydraten (Zucker). Die Zucker sind dabei zu Polysacchariden (Mehrfachzuckern) verknüpft, sodass sich letztlich ein großes Netz an Verkettungen bildet. Dieses Netz an Aminosäuren und Kohlenhydraten stellt die Bakterienzellwand dar. Man kann Murein als Makromolekül bezeichnen.
Als Makromolekül werden in der Biochemie zusammengesetzte Komplexe bezeichnet, welche aus sehr vielen Bausteinen (beispielsweise Aminosäuren, Zucker und Lipiden) bestehen. Sie besitzen zusätzlich eine große Molekülmasse.
Das aus Zucker und Aminosäure bestehendes Makromolekül Murein wird auch als Peptidoglykan bezeichnet.
Mureinschicht – Aufbau des Polysaccharids
Das Gerüst des Polysaccharids ist im Grunde aus nur zwei Monosacchariden (Einfachzuckern) aufgebaut. Damit bildet es die Mureinschicht. Dabei ist das erste Monosaccharid die N-Acetylmuraminsäure (MurNAc), das zweite trägt den Namen N-Acetylglucosamin (GlcNAc). Diese sind durch eine sogenannte -glykosidische Bindung miteinander verknüpft.
Bei einer -glykosidischen Bindung lagern sich zwei ringförmige Zucker unter Wasserabspaltung zu einem Disaccharid (Zweifachzucker) zusammen. Die Zahlen bedeuten, dass das erste Kohlenstoffatom (C-Atom) mit dem vierten C-Atom des zweiten Zuckers eine glykosidische Bindung eingeht.
An der N-Acetylmuraminsäure (MurNAc) befinden sich außerdem vier Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind. Dabei handelt es sich meistens um L-Alanin, D-Glutaminsäure, Diaminopimelinsäure und D-Alanin. Diese hängen kettenförmig aneinander, wie in Abbildung 1 beschrieben. Sie sorgen für eine Quervernetzung des Mureins. Durch diese Vernetzung erhält die Mureinschicht und dementsprechend auch die Zellwand ihre Stabilität.
Abbildung 1: Der schematische Aufbau eines PeptidoglykansQuelle: de.wikipedia.org
Murein – Synthese
Diese sehr komplexe und spezifische Struktur des Peptidoglykans Murein entsteht durch Aufbau-Helfer. Dabei sind die bedeutendsten die PBPs, auch als Penicillin-bindende Proteine bekannt. Das sind verschiedene Enzyme, welche an der Synthese des Mureins beteiligt sind. Damit wirken sie am Aufbau der Mureinschicht der Zellwand mit. Eine Aufgabe der PBPs ist die Quervernetzung der Peptidketten untereinander. Auf diese Weise sichern sie die Stabilität des Makromoleküls.
Die Enzyme, die für die Verknüpfung der Murein-Bausteine miteinander zuständig sind, heißen Transpeptidasen. Sie verknüpfen dabei die Murein-Ketten untereinander durch Quervernetzung der Peptid-Seitenstränge. Sogenannte ß-Lactam-Antibiotika wie das Penicillin sind in der Lage, an die Transpeptidase zu binden. Dadurch wird die bakterielle Zellwandsynthese gehemmt und das Bakterium stirbt.
Der Ablauf des Murein-Transports
Die Quervernetzung der Murein-Ketten läuft durch die Penicillin-bindenden Proteine (PBP) ab. Diese Kombination der einzelnen Bausteine zur Bildung der Mureinschicht findet im Zellplasma der jeweiligen Bakterienzelle statt.
Nachdem diese Verknüpfung geschehen ist, wird das vernetzte Molekül an die Bakterienzellwand gebracht. Dieser Transportvorgang erfolgt oftmals durch das Diphosphat Bactoprenol. Der Transporter Bactoprenol ist ein Fetttransporter, der aber auch das Peptidoglykan aus dem Zellplasma in die Zellwand der Bakterien einbauen kann. Das Murein wird dadurch außen an die Membran angebaut.
Bactoprenol schafft es, dass das Peptidoglykan durch die hydrophobe Membran transportiert werden kann. Dabei verleiht es dem Murein eine ebenfalls hydrophobe Eigenschaft, durch welches dieses durch die Membran nach außen gelangen und da angebaut werden kann. Auch dieser Schritt der Zellwandsynthese kann durch verschiedene Antibiotika gehemmt werden.
Murein – Funktion
Nun wurde oben im Artikel schon einmal angesprochen, dass das Peptidoglykan Murein ein wichtiger Bestandteil der Zellwand von Bakterien ist. Durch Murein erhält die Zellwand zum einen Stabilität und zum anderen Festigkeit. Diese beiden Eigenschaften sind für das Überleben des Bakteriums von großer Bedeutung.
Durch das Murein und die damit erlangte Festigkeit der Zellwand von Bakterien, ist das Bakterium beispielsweise vor dem Platzen geschützt. Sonst könnte es passieren, dass ein Bakterium durch osmotischen Druck platzt. So kann es den Verhältnissen im Körper standhalten und sich vermehren.
Archeen, auch Urbakterien genannt, haben in ihrer Zellwand kein Murein eingebaut. Stattdessen besitzen sie ein Molekül, welches als Pseudomurein bezeichnet wird.
Murein – Einteilung der Bakterien
Dadurch, dass Murein ein größeres und dichteres oder ein dünneres Geflecht ausbilden kann, können Bakterien anhand ihrer Zellwand eingeteilt werden. Denn die Zellwanddicke der Bakterien ist abhängig von der Menge an eingelagertem Murein. Je nach Dicke ihrer Zellwand verhalten sich Bakterien bei der Gram-Färbung unterschiedlich. Somit können Bakterien in grampositiv und gramnegativ eingeteilt werden.
Die Gram-Färbung
Bevor die Bakterien vorgestellt werden, folgt hier ein kurzer Exkurs zur Gram-Färbung. Der hierbei verwendete Farbstoff ist meist Kristallviolett. Dieser färbt die Bakterien blau/violett an. Auf diese Weise können einige Bakterien unter dem Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden. Für welche Bakterien genau dies gilt, lernst Du nun in den folgenden Abschnitten.
Grampositive Bakterien
Ein grampositives Bakterium ist ein solches, das im Vergleich zu einem gramnegativen Bakterium eine dickere Zellwand besitzt. Dies liegt an der dickeren Mureinschicht. Die Dicke der Zellwand grampositiver Bakterien liegt bei rund 20 bis 80 nm.
Bei der Gram-Färbung wird der Farbstoff in das Bakterium aufgenommen und danach mit Ethanol behandelt. Ethanol wäscht normalerweise den Farbstoff aus. Weil die Zellwand des Bakteriums durch Murein so dick ist, bleibt die Farbe im Bakterieninneren erhalten. Unter dem Mikroskop wird dieser Inhalt sichtbar. Die grampositiven Bakterien lassen sich also mithilfe des Farbstoffs blau anfärben.
Ein Beispiel für grampositive Bakterien sind die Staphylokokken, welche beim Menschen auf der Haut vorkommen. Einige Vertreter dieser Bakteriengattung können aber auch Krankheiten verursachen.
Gramnegative Bakterien
Die gramnegativen Bakterien besitzen eine dünnere Zellwand als die grampositiven Bakterien. Die Dicke der Zellwand beträgt bei diesen Bakterien nur ungefähr 10 nm. Durch die dünne Zellwand des Bakteriums kann der Farbstoff im Rahmen der Gram-Färbung durch Ethanol entfernt werden. Gramnegative Bakterien werden also wieder entfärbt.
Um gramnegative Bakterien trotzdem unter dem Mikroskop sichtbar machen zu können, werden andere Farbstoffe, wie das Fuchsin, verwendet. Unter dem Mikroskop stellen sich diese rot dar. Mithilfe dieser Methode können auch gramnegative Bakterien unter dem Mikroskop betrachtet und von anderen unterschieden werden.
Ein bekanntes Beispiel für ein gramnegatives Bakterium ist Escherichia coli, kurz E. Coli.
Murein – Körperliche Reaktion auf Bakterien
Der menschliche Körper ist selbst auf viele Bakterien angewiesen, unter anderem auf spezielle Darmbakterien. Ohne diese könnte er nicht funktionieren. Andere Bakterien hingegen sind für unseren Körper schädlich, weil sie beispielsweise Giftstoffe bilden. Diese müssen daher bekämpft werden. Wenn ein solches Bakterium in den Organismus eindringt, wird es beispielsweise durch sein Murein als Eindringling erkannt. Dies ist der Fall, da dessen Zucker und Aminosäuren körperfremd sind. Dadurch kann eine Immunreaktion vom Körper ausgelöst werden.
Die Immunreaktion gegen Bakterien
Dadurch, dass Teile des Mureins eine Immunreaktion im Körper auslösen, werden Makrophagen und neutrophile Granulozyten, aktiv. Sie sezernieren unter anderem Lysozym, um das Bakterium zu bekämpfen. Dabei handelt es sich um ein Enzym, welches zu den Hydrolasen zählt.
Murein-Hydrolase
Hydrolasen wie das Lysozym sind eine der sieben Hauptklassen der Enzyme. Diese Enzyme spalten unter Wasserverbrauch Bindungen, wie auch hier bei den Bakterien.
Die Hydrolase Lysozym schädigt das Peptidoglykan Murein insofern, als dass es die Zucker untereinander spaltet. Durch die Wirkung des Enzyms besitzt die Zellwand des Bakteriums keine Stabilität mehr. Das betroffene Bakterium stirbt dann durch Lyse unter Einwirkung des Lysozyms ab.
Diese Art der Lyse durch Hydrolasen wie Lysozym kann beispielsweise bei manchen Staphylokokken geschehen.
Das Lysozym kann nur grampositive Bakterien bekämpfen, da gramnegative Bakterien eine spezielle äußere Membran besitzen, die sie vor der Lyse schützt.
Murein - Das Wichtigste
- Murein ist ein Baustein von Bakterienzellwänden und wird als Peptidoglykan bezeichnet.
- Durch Murein erhält die Zellwand des Bakteriums seine Stabilität.
- Als Makromolekül ist Murein aus einer Kette von Zuckern und Aminosäuren aufgebaut und bildet so die Mureinschicht in Bakterienzellwänden.
- Anhand der Mureindicke kann man grampositive und gramnegative Bakterien unterscheiden.
- Das Enzym Lysozym sorgt in einer körpereigenen Abwehrreaktion für die Bekämpfung der Bakterien, indem es die Zellwand angreift.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Murein
Was ist Murein?
Murein ist ein Peptidoglykan, welches in den Zellwänden von Bakterien vorkommt und diesen Stabilität verleiht.
Aus was besteht Murein?
Murein besteht aus Aminosäuren und Kohlenhydraten (Zucker). Diese sind so zu Polysacchariden (Mehrfachzuckern) verknüpft, dass sich letztendlich ein großes Netz an Verkettungen bildet.
Wie zerstören Antibiotika Murein?
Das Antibiotikum Penicillin hemmt den Aufbau des Mureins. Dadurch wird die Zellwand des Bakteriums brüchig und es geht zugrunde.
Wo kommt Murein vor?
Murein kommt in der Zellwand von Bakterien vor und verleiht dieser Stabilität.
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