Biochemie

Murein ist ein wichtiger Bestandteil in der Zellwand von Bakterien. In diesem Beitrag zeigen wir dir, wie sein Aufbau aussieht und wie die Mureinsynthese abläuft.

Wenn du das Wichtigste zu Murein noch schneller erfahren willst, schau dir gerne unser Video dazu an.

Inhaltsübersicht

Murein einfach erklärt

Du kannst Murein auch als Peptidoglycan/Peptidoglykan oder als Polysaccharid-Peptid bezeichnen. Es ist ein vernetztes, großes Molekül (Makromolekül), welches aus Zuckern und Aminosäuren aufgebaut ist.

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Murein

Es macht einen großen Bestandteil in den Zellwänden der meisten Bakterien aus, in Archaeen ist Murein nicht vorhanden. Je nachdem, wie dick die Mureinschicht ist, kannst du zwischen grampositiven Bakterien (dicke Mureinschicht) und gramnegativen Bakterien (dünne Mureinschicht) unterscheiden.

Durch das Murein erhält die Zellwand der Bakterien eine gewisse Stabilität, die das Platzen verhindern kann.

Definition

Murein, auch Peptidoglycan/Peptidoglykan genannt, ist ein aus Polysacchariden und Aminosäuren zusammengesetztes Makromolekül in Zellwänden von Bakterien. Sein Name leitet sich vom lateinischen Wort murus („Mauer, Schutz“) ab.

Murein Aufbau

Murein ist ein verhältnismäßig großes Molekül (Makromolekül) und besteht aus mehreren sich wiederholenden Struktureinheiten. Es setzt sich aus Aminosäuren und Zuckern (Polysaccharide ) zusammen.

Seinen inneren Aufbau kannst du dir als ein dreidimensionales, netzartiges System aus Polysaccharid-Ketten vorstellen. Diese Polysaccharidketten sind abwechselnd aus den Monosacchariden (= kleinste Zuckereinheiten) N-Acetylmuraminsäure (NAM/MurNAc) und N-Acetylglucosamin (NAG/GlcNAc) aufgebaut.

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N-Acetylmuraminsäure und N-Acetylglucosamin

Damit die beiden Moleküle aneinanderhaften, sind sie über eine sogenannte glykosidische Bindung miteinander verknüpft. Genauer gesagt handelt es sich hier um eine β(1→4)-glykosidische Bindung. Das „β“ kommt davon, dass die Moleküle ihre Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom nach oben zeigt. Das „1→4“ gibt dir an, dass die Bindung zwischen dem ersten und dem vierten C-Atom der jeweiligen Moleküle besteht. Durch die Bindung der Zuckermoleküle entsteht eine Art Rückgrat, das immer gleich aufgebaut ist.

Wenn du genauer wissen willst, was diese Bezeichnungen bedeuten, schau dir gerne unseren Beitrag zur glykosidischen Bindung an.

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Verbindung von N-Acetylmuraminsäure (NAM) und N-Acetylglucosamin (NAG) über die glykosidische Bindung zum Peptidoglycan Murein

 

Von jedem N-Acetylmuraminsäure-Molekül geht eine Peptid kette mit weniger als 10 Aminosäuren (= Oligopeptid) zum N-Acetylmuraminsäure-Molekül eines benachbarten Strangs. Das Oligopeptid kann Aminosäuren wie L-Alanin, D-Glutamin oder D-Alanin enthalten. Das Enzym Penicillin-bindendes Protein (PBP) ist in der Lage, die Peptidketten miteinander zu verknüpfen. Je nachdem, welche Aminosäuren miteinander verbunden sind, können mehrere unterschiedliche Peptidoglycan-Varianten entstehen. Aus der Verbindung dieser Bestandteile entsteht das maschendrahtartige Gitter, die Mureinschicht.

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Entstehung der Mureinschicht

 

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Verknüpfung der Peptidketten durch PBP

Murein in der Bakterienzellwand

Murein ist ein wichtiger Bestandteil in der Zellwand von Bakterien. Oft wird es in diesem Zusammenhang auch als Mureinsacculus bezeichnet. Er verleiht der Zellwand eine gewisse Festigkeit.

Je nachdem, wie dick die Mureinschicht ist, kannst du außerdem zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien differenzieren.
Sie lassen sich anhand der Gramfärbung unterscheiden. Dabei färbst du die zu analysierenden Bakterien mit einem basischen Farbstoff (meist Kristallviolett). Danach behandelst du sie mit Ethanol. Da sich der Farbstoff in Ethanol auflösen kann, bilden sich zwei Gruppen.

Grampositive Bakterien

Bei grampositiven Bakterien bleibt die Färbung nach der Behandlung erhalten.
Sie haben mit ca. 20-80 nm eine dickere Mureinschicht. Sie kann bis zu 50% der Trockenmasse der Bakterien ausmachen.
Durch diese dickere Schicht kann sich der Farbstoff nicht ins Zelläußere bewegen und sich so auch nicht in Ethanol auflösen.

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Grampositives Bakterium

Bei den grampositiven Bakterien sind die Peptidketten beispielsweise durch fünf Glycinmoleküle miteinander verbunden.

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Bindung der Peptidketten bei grampositiven Bakterien am Beispiel von Staphylococcus aureus

Gramnegative Bakterien

Bei gramnegativen Bakterien bleibt die Färbung nach der Behandlung nicht erhalten.
Sie haben eine etwas dünnere Mureinschicht von unter 10 nm. Hier macht sie in etwa nur 5-10% der Bakterien-Trockenmasse aus.
Der Farbstoff kann sich durch diese dünnere Schicht ins Zelläußere bewegen und wird vom Ethanol ausgewaschen.

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Gramnegatives Bakterium

Die Verbindung der Peptidketten bei gramnegativen Bakterien erfolgt direkt. Hier ist zum Beispiel die Aminosäure Diaminopimelinsäure (DAP) mit D-Alanin verbunden.

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Bindung der Peptidketten bei gramnegativen Bakterien am Beispiel von Escherichia coli

Mureinsynthese

Die Synthese (Zusammenführung) der Murein-Bausteine findet im Cytoplasma der Bakterien statt. Sie werden durch die Cytoplasmamembran an die Oberfläche transportiert und dann in die Zellwand eingebaut. Diesen Transport übernimmt meist der Lipidcarrier Bactoprenol.

Wenn das Bakterium wächst, muss die Mureinschicht deshalb so erweitert werden, dass im Netz keine größere Lücke entsteht. Dafür die Mureinbausteine sofort durch spezifische Enzyme eingefügt.
Um den Aufbau der Mureinschicht zu hemmen, kannst du Antibiotika wie Penicillin oder Vancomycin verwenden.

Murein Funktion

Die Mureinschicht hält durch ihre Dicke die gesamte Bakterienzelle stabil. Sie wirkt als Schutz gegen den osmotischen Druck innerhalb der Zelle. Falls die Mureinschicht aufgelöst oder verletzt wird, kann das Bakterium platzen.

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Mureinschicht als Schutz gegen den osmotischen Druck

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