肽聚糖的结构、生物合成和功能

肽聚糖的结构

肽聚糖（PGN）的基本结构含有N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）与N-乙酰胞壁酸交替单元的碳水化合物主链，其中N-乙酰胞壁酸残基与肽交联。肽聚糖为细胞壁提供刚性；革兰氏阳性细菌的细胞壁可能含有多达40层的肽聚糖，具有相当大的机械强度。¹

在结构上，细菌类似于原始植物，因为除了内部质膜外，细胞内容物被内部肽聚糖细胞壁包围，而在革兰氏阴性细菌中，细胞内容物被外部脂质双层包围（图1）。在革兰氏阴性细菌中，肽聚糖约占细胞壁干重的10％；而在革兰氏阳性细菌中，较厚的肽聚糖层约占20％的细胞壁干重。尽管肽聚糖负责细菌细胞的机械强度和形状，但它具有足够的可塑性和动态更新换代能力以允许细胞生长和分裂。

图 1. 细菌肽聚糖的基本结构以及革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的细胞壁结构。

肽聚糖生物合成和降解

肽聚糖生物合成途径在细胞质中开始，合成含有末端D-Ala-D-Ala的胞壁酰五肽前体。消旋酶将L-丙氨酸转化为D-丙氨酸，随后由D-Ala-D-Ala连接酶组装D-丙氨酰-D-丙氨酸。在细胞质中，胞壁酰五肽前体通过水溶性UDP-葡糖胺基团锚定。在肽聚糖构建的第二阶段中，胞壁酰五肽N-乙酰葡糖胺被转移至C₅₅十一碳烯基磷酸酯中，同时释放UMP以形成脂质I中间体。另外的糖基化步骤完成肽聚糖单元，然后通过其C₅₅脂质尾部，肽聚糖单元被转运至膜的外部周质表面，在那里肽聚糖单元被整合到细胞壁基质中。几种转肽基酶和转糖基酶将新形成的肽聚糖结构连接到细胞壁肽聚糖基质上。

肽聚糖生物合成的抑制剂充当抗生素，因为它们依次导致肽聚糖的丧失，细胞壁完整性的丧失和溶解。肽糖酶降解由糖苷酶、肽酶和酰胺酶催化，包括裂解酶（如溶菌酶），其通常用于降解细胞壁。

含有β-内酰胺结构的特定抗菌化合物，例如青霉素，会干扰细胞壁的合成，削弱细菌壁内的肽聚糖支架，因此结构完整性最终会丧失。由于哺乳动物细胞具有质膜但缺乏肽聚糖壁结构，因此这类抗菌剂选择性地靶向细菌，对哺乳动物宿主的细胞没有显著的负面影响。β-内酰胺类抗菌药物的特异性归因于它们与D-丙氨酰-D-丙氨酸基团的结构相似性，使它们能够竞争转肽基酶的结合位点，并阻止革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的肽聚糖层的组装。

肽聚糖的功能

初级免疫识别基于入侵病原体中的常见结构。已知表面分子，如脂多糖（LPS）、肽聚糖和肽聚糖识别蛋白（PGRP），引发从细胞因子的释放到发热等一系列的免疫反应。2-4 肽聚糖激活Toll样受体2（TLR2），其存在于哺乳动物细胞中，它们可用于刺激淋巴细胞。肽聚糖还可以作为Poly(I:C)的拮抗剂。⁵ 肽聚糖可用于估计裂解酶（如破壁酶）的活性。⁶

参考文献

1. Stewart-Tull DES. 1980. The Immunological Activities of Bacterial Peptidoglycans. Annu. Rev. Microbiol.. 34(1):311-340. https://doi.org/10.1146/annurev.mi.34.100180.001523

2. Schleifer K, Kandler O. 1972. Peptidoglycan types of bacterial cell walls and their taxonomic implications. Bacteriological reviews.

3. Wheat LJ, Wilkinson BJ, Kohler RB, White AC. 1983. Antibody Response to Peptidoglycan During Staphylococcal Infections. Journal of Infectious Diseases. 147(1):16-22. https://doi.org/10.1093/infdis/147.1.16

4. Doyle , Susmsman M. 2001. in Molecular Medical Microbiology. 137‑153. Academic Press.

5. Alexopoulou L, Holt AC, Medzhitov R, Flavell RA. 2001. Recognition of double-stranded RNA and activation of NF-?B by Toll-like receptor 3. Nature. 413(6857):732-738. https://doi.org/10.1038/35099560

6. Zhou R, Chen S, Recsei P. 1988. A dye release assay for determination of lysostaphin activity. Analytical Biochemistry. 171(1):141-144. https://doi.org/10.1016/0003-2697(88)90134-0