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펩티도글리칸

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목차

1. 개요

펩티도글리칸은 세균과 남조류 세포벽의 주요 구성 성분으로, 다당류 사슬에 짧은 펩타이드 사슬이 결합된 화합물이다. 이 구조는 세균이 삼투압을 견디고 형태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 펩티도글리칸은 N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 반복되는 다당류 사슬과 펩타이드 곁사슬로 구성되며, 세균의 종류에 따라 구조적 차이를 보인다. 그람 양성균과 그람 음성균은 펩티도글리칸 층의 두께에 따라 구분되며, 펩티도글리칸은 세포질에서 합성되어 박토프레놀을 통해 세포막을 통과하여 기존 펩티도글리칸에 삽입된다. 펩티도글리칸은 항균 작용과 면역 반응을 유발하며, 페니실린과 같은 항생제는 펩티도글리칸 합성을 억제하여 항균 효과를 나타낸다. 또한, 숙주의 선천 면역계를 유도하는 주요 인자 중 하나이며, 다양한 패턴 인식 수용체에 의해 인식되어 면역 반응을 활성화한다. 일부 고세균은 가짜 펩티도글리칸을 가지고 있어 리소자임에 의해 분해되지 않는다.

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펩티도글리칸

2. 구조

펩티도글리칸의 구조


펩티도글리칸은 다당사슬에 비교적 짧은 펩타이드사슬이 결합한 화합물이다. 특히 세균이나 남조(藍藻) 세포벽의 골격구조인 ''N''-아세틸글루코사민(GlcNAc)과 ''N''-아세틸뮤람산(MurNAc)이 반복된 다당사슬에 펩티드곁사슬이 붙은 사슬모양화합물이다. 세균세포표층이 하나의 펩티도글리칸층을 구성하며 세균이 강한 삼투압에 견디고 독특한 형태를 유지할 수 있는 것은 이 층이 세포를 둘러싸고 있기 때문이다.

이 구조체를 무레인이라고도 하며, 자루모양의 하나의 거대분자로 간주하며 세균의 종류에 따라 미세구조에 차이는 있지만 기본적으로는 상당히 유사한 구조를 갖는다. N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤라민산의 다당사슬은 그 펩티드사슬부분의 가교구조에 의해 망상 · 격자상으로 다수 배열하여 거대한 3차원구조를 형성한다. 이 펩티드가교는 세균 종류에 따라 차이를 보인다.[37]

세균 세포벽 내의 펩티도글리칸 층은 두 개의 번갈아 나타나는 아미노 당인 ''N''-아세틸글루코사민 (GlcNAc 또는 NAG)과 ''N''-아세틸뮤람산 (MurNAc 또는 NAM)의 선형 사슬로 형성된 결정 격자 구조이다. 번갈아 나타나는 당은 β-(1,4)-배당체 결합으로 연결되어 있다. 각 MurNAc에는 짧은(4~5개의 잔기) 아미노산 사슬이 부착되어 있으며, 이는 ''대장균''(음성 세균)의 경우 L-알라닌, D-글루탐산, ''메소''-다이아미노피멜산 및 D-알라닌을 포함하며, ''황색포도상구균''(양성 세균)의 경우 L-알라닌, D-글루타민, L-라이신 및 D-알라닌과 테트라펩타이드 사이의 5개의 글리신 연결 다리를 포함한다. 펩티도글리칸은 자연계에서 가장 중요한 D-아미노산의 원천 중 하나이다.

서로 다른 선형 아미노당 사슬의 가교 결합은 효소 DD-트랜스펩티다제의 도움으로 발생하며 강력하고 견고한 3차원 구조를 생성한다. 특정 아미노산 서열 및 분자 구조는 세균의 종에 따라 다르다.[10]

펩티도글리칸의 구조는 균종에 따라 다르지만, 대표적인 예로 그람 양성 황색포도상구균(*Staphylococcus aureus*)에서는 ''N''-아세틸글루코사민(GlcNAc)과 ''N''-아세틸무라민산(MurNAc)이라는 두 종류의 아미노당의 교호 반복을 단위로 하며, 펜타글리신을 가교로 하는 L-알라닌(Ala)-γ-D-글루탐산(Gln)-L-리신(Lys)-D-Ala의 테트라펩타이드가 Lys에 결합되어 있다. 대장균에서는 Lys 대신에 *meso*-디아미노피멜산이 붙어 있다. 펩타이드의 아미노산 배열과 전체 구조는 세균 종 사이에서 다양하지만, 대부분 각 MurNAc에는 짧은 펩타이드 사슬(4-5 잔기)이 결합되어 있다.

펩티도글리칸 층의 두께는 그람 양성균에서 20 - 80nm, 그람 음성균에서 7 - 8nm이다. 양성균 쪽이 훨씬 두껍고, 음성균에서는 건조 중량의 10%에 불과한 데 비해, 양성균에서는 90%에 달한다.

2. 1. 그람 양성균과 그람 음성균

세포벽에서 펩티도글리칸이 차지하는 두께는 세포의 종류에 따라 다르며, 이를 이용하여 세균을 두 종류로 분류할 수 있다. 그람 염색법으로 세균을 염색할 때, 펩티도글리칸 층이 두꺼운 세균은 보라색으로 염색되며, 펩티도글리칸 층이 상대적으로 얇은 세균은 붉은색으로 염색된다. 이때 보라색으로 염색되는 세균을 그람 양성균이라고 하며, 붉은색으로 염색되는 세균을 그람 음성균이라고 한다. 그람양성균은 펩티도글리칸 층의 두께가 약 20~80 nm이며, 그람음성균은 약 7~8 nm이다.[38]

3. 생합성

펩티도글리칸 단량체는 세포질에서 합성된 후 막 운반체 박토프레놀에 부착된다. 박토프레놀은 펩티도글리칸 단량체를 세포막을 가로질러 수송하여 기존 펩티도글리칸에 삽입한다.[19]

펩티도글리칸 합성의 첫 번째 단계에서 글루타민은 과당 6-인산에 아미노기를 기증하여 글루코사민-6-인산을 만든다.(EC 2.6.1.16)[20] 두 번째 단계에서는 아세틸 CoA에서 아세틸기가 이동하여 N-아세틸-글루코사민-6-인산을 생성한다.(EC 5.4.2.10)[20] 세 번째 단계에서는 ''N''-아세틸-글루코사민-6-인산이 N-아세틸-글루코사민-1-인산으로 이성질화된다.(EC 2.3.1.157)[20] 네 번째 단계에서 ''N''-아세틸-글루코사민-1-인산은 UTP를 공격하여 UDP-N-아세틸글루코사민 (UDP-GlcNAc)을 생성한다.(EC 2.7.7.23)[20] 이 초기 단계는 펩티도글리칸에서 NAG의 전구체를 생성하는 과정이다.[22]

다섯 번째 단계에서 UDP-GlcNAc의 일부는 포스포에놀피루브산으로부터 유도된 젖산기를 첨가하여 UDP-MurNAc (UDP-N-아세틸뮤람산)으로 전환된다.(EC 2.5.1.7)[20] 여섯 번째 단계에서 에놀은 NADPH에 의해 환원된다.(EC 1.3.1.98)[20] 일곱 번째 단계에서 UDP–MurNAc는 5개의 아미노산을 첨가하여 UDP-MurNAc 펜타펩타이드로 변환된다.[22] 이는 MurC (EC 6.3.2.8), MurD (EC 6.3.2.9), MurE (EC 6.3.2.13)의 세 가지 반응을 거치며, 각 반응에는 에너지원 ATP가 필요하다.[20][22]

2단계는 세포질 막에서 발생하며, 박토프레놀이라는 지질 운반체가 펩티도글리칸 전구체를 세포막을 통해 운반한다. 운데카프레닐 인산은 UDP-MurNAc 펜타를 공격하여 PP-MurNac 펜타(지질 I)를 생성한다.(EC 2.7.8.13)[20] 그 다음 UDP-GlcNAc가 MurNAc로 수송되어 펩티도글리칸의 전구체인 지질-PP-MurNAc 펜타-GlcNAc (지질 II)를 생성한다.(EC 2.4.1.227)[20] 지질 II는 플리파아제 (MurJ)에 의해 막을 가로질러 수송된 후,[21] 펩티도글리칸 글리코실전달효소 (GTase, EC 2.4.1.129)에 의해 글리칸 사슬에 추가된다. 이 반응에서 GlcNAc의 수산기는 글리칸의 MurNAc에 부착되어 지질-PP를 글리칸 사슬에서 치환한다.[22]

최종 단계에서 DD-트랜스펩티다아제 (TPase, EC 3.4.16.4)는 개별 글리칸 사슬을 가교한다. 이 단백질은 페니실린 결합 단백질이라고도 불린다.[20]

펩티도글리칸의 생합성에서는 당단백질의 생합성에서 당쇄의 캐리어로 작용하는 돌리콜 인산 대신 C55 폴리이소프레놀이 캐리어로 작용한다. 세포질 내에서 합성된 UDP-GlcNAc과 UDP-MurNAc는 세포막의 효소계에 의해 소수성 중간체 (''N''-아세틸글루코사미닐-''N''-아세틸무라밀-펜타펩타이드-이인산-C55 폴리이소프레놀)로 합성된다. 여기서 당쇄가 중합되고 글리실-tRNA로부터 글리신이 5개 결합하여 펩타이드 부분이 가교결합을 형성하며 D-알라닌 1분자가 유리된다. 이 펩타이드 신장 반응은 mRNA 비의존적인 펩타이드 신테이스에 의해 촉매된다. 가교 구조가 만들어짐으로써 견고한 3차원 구조의 층을 형성한다.

4. 항균 작용

페니실린을 비롯한 β-락탐계 항생물질은 펩티도글리칸 합성의 마지막 단계인 펩타이드 사슬 간 가교 결합 형성을 촉매하는 효소(DD-트랜스펩티데이스, 페니실린 결합 단백질)를 억제하여 항균 작용을 나타낸다.[37][6] 이 효소는 펩타이드 사슬 말단의 D-알라닌 잔기가 가교 결합을 형성하는 단계를 촉매한다.[37] 페니실린은 포유류에는 없는 세포벽 합성을 억제하므로 선택성이 높고, 알레르기를 제외하면 독성이 없는 항균제이다.[37] 그러나 세포벽을 약화시켜 용균을 유발하기 때문에 병원성 대장균 감염증 환자에게 사용하면 베로독소가 체내로 퍼져 사용이 불가능하며, 다른 항생물질이 사용된다. 항생제와의 상호 작용을 감소시키는 트랜스펩티데이스를 코딩하는 유전자의 돌연변이는 새로운 항생제 내성의 중요한 원인이 된다.[35]

라이소자임은 눈물, 침, 달걀 흰자 등에 존재하는 효소로,[37] 펩티도글리칸의 β-(1,4) 글리코시드 결합을 가수분해하여 세균의 세포벽을 파괴한다.[38][31] 리소자임은 펩티도글리칸 세포벽이 노출된 그람 양성 세균에 대해 작용하는 것이 LPS의 외부층을 가진 그람 음성 세균에 대해 작용하는 것보다 더 효과적이다.[31]

4. 1. 항생제 내성

5. 면역 반응

펩티도글리칸은 숙주의 선천 면역계를 유도하는 주요 인자 중 하나이다.[25] 펩티도글리칸 인식은 진화적으로 보존된 과정이며, 전체적인 구조는 세균 종들 간에 유사하지만 다양한 변형을 통해 다양성을 가진다.[25][26] 펩티도글리칸은 여러 효소에 의해 분해되어 면역 자극성 조각(무로펩타이드)을 생성하며, 이는 숙주-병원체 상호작용을 매개하는 데 중요하다.[26] 장내 세균에서 유래된 펩티도글리칸은 생리적 조건에서도 장벽을 통과한다.[27]

PGLYRP, NLR, CLR 등 다양한 패턴 인식 수용체(PRR)가 펩티도글리칸을 인식하여 면역 반응을 활성화한다.[25][27][28]


  • PGLYRP는 곤충부터 포유류까지 보존되어 있으며, 포유류는 4개의 펩티도글리칸 인식 단백질(PGLYRP-1, PGLYRP-2, PGLYRP-3, PGLYRP-4)을 생성한다.[25][27] PGLYRP는 항균 펩타이드 (AMP) 생성을 유발하며,[28] PGLYRP-2는 MurNAc과 펩티도글리칸의 줄기 펩타이드의 첫 번째 아미노산 사이의 락틸-아미드 결합을 가수분해하는 펩티도글리칸 아미다제 활성을 가진다.[25][27]
  • NOD 유사 수용체 (NLR) 중 NOD1과 NOD2가 펩티도글리칸의 가장 잘 알려진 수용체이다. NOD1 수용체는 iE-DAP(γ-d-글루타밀-메소-다이아미노피멜산) 결합 후에 활성화되는 반면, NOD2는 LRR 도메인을 통해 MDP(뮤라밀 다이펩타이드)를 인식한다.[28] NLRP3와 NLRP1 또한 펩티도글리칸에 의해 활성화된다.[27][28][26]
  • C형 렉틴은 Ca2+에 의존하며, 펩티도글리칸의 글리칸 골격을 포함한 다양한 탄수화물에 결합하는 단백질이다.[27] 펩티도글리칸에 결합하는 CLR 단백질에는 MBL, 피콜린, Reg3A 등이 포함된다.[28]


펩티도글리칸을 직접 인식하는 데 있어 TLR의 역할은 논란의 여지가 있다.[25]

펩티도글리칸은 면역학적으로 활성이 있어, 백신과 결합하거나 단독으로 보조제로 사용될 때 면역 세포를 자극하여 사이토카인 발현을 증가시키고 항체 의존적 특이 반응을 향상시킬 수 있다.[28] ''황색포도상구균'' 유래 펩티도글리칸은 백신으로 사용되어 효과를 보였다.[33]

6. 가짜 펩티도글리칸

일부 고세균, 특히 메탄생성균목 구성원과 ''메탄피루스'' 속에는 가짜 펩티도글리칸(가짜 뮈레인)이 발견된다.[14] 가짜 펩티도글리칸에서 당 잔기는 β-(1,3) 결합된 N-아세틸글루코사민과 N-아세틸탈로사미누론산이다. 이러한 구조적 차이로 인해 가짜 펩티도글리칸을 가진 고세균의 세포벽은 리소자임에 의해 분해되지 않는다.[23]

참조

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