ペプチドグリカン

ペプチドグリカン (Peptidoglycan)

ペプチドグリカンは、多くの真正細菌の細胞壁を構成する主要な高分子です。糖とペプチドからなる巨大なポリマーであり、ムレインとも呼ばれます。細菌の細胞膜の外側に丈夫な層を形成し、細胞の生存と機能に不可欠な役割を果たしています。

この物質の最も重要な機能は、細菌細胞に構造的な強度を与えることです。これにより、細胞は固有の形態を保つことができ、特に細胞内の高い浸透圧に耐える保護壁となります。細胞が成長し分裂する際にも、ペプチドグリカンの合成とリモデリングが重要な役割を担います。

構造

ペプチドグリカンの基本的な構造は、N-アセチルグルコサミン (GlcNAc) とN-アセチルムラミン酸 (MurNAc) という2種類のアミノ糖が交互に連結した直鎖状のグリカン骨格です。この糖鎖のMurNAc残基には短いペプチド鎖が結合しており、さらにこれらのペプチド鎖同士が架橋（クロスリンク）することで、強固な網目状の三次元構造が形成されます。

ペプチド鎖のアミノ酸組成や架橋の様式は、細菌の種類によって多様性が見られます。例えば、グラム陽性菌である黄色ブドウ球菌ではペンタグリシン鎖が架橋に関わりますが、グラム陰性菌である大腸菌ではmeso-ジアミノピメリン酸が用いられるといった違いがあります。

細菌の細胞壁におけるペプチドグリカン層の厚さは、グラム染色性によって大きく異なります。グラム陽性菌ではペプチドグリカン層が非常に厚く（20〜80ナノメートル）、細胞壁乾燥重量の約90%を占めます。一方、グラム陰性菌の層は薄く（7〜8ナノメートル）、乾燥重量の約10%程度です。この厚さの差が、グラム染色における重要な違いを生んでいます。

生合成プロセス

ペプチドグリカンの合成は、細胞質で前駆体が作られ、細胞膜を介して細胞外へ輸送された後、重合・架橋されるという段階を経て進行します。まず、細胞質内でUDPに結合したN-アセチルグルコサミンとN-アセチルムラミン酸に、短いペプチド鎖が付加された前駆体が合成されます。

これらの前駆体は、C55ポリイソプレノールと呼ばれる脂質キャリアーを利用して細胞膜を横断し、細胞外空間へ運ばれます。そこで、これらのユニットが次々と連結されて長いグリカン鎖が形成されるとともに、隣接するペプチド鎖の間で架橋反応が起こります。この架橋形成は、ペプチドシンターゼなどの酵素によって触媒され、完成したペプチドグリカン層に高い強度と剛性を与えます。

関連する物質

ペプチドグリカンは細菌の生存に不可欠であるため、これを標的とする物質は有効な抗菌作用を発揮します。

• - 抗生物質（β-ラクタム系など）

ペニシリンに代表されるβ-ラクタム系抗生物質は、ペプチドグリカン合成の最終段階であるペプチド架橋を触媒する酵素の働きを阻害します。これらの薬剤は、酵素が結合する基質の一部と構造が似ており、酵素の活性部位に強く結合することで架橋反応を妨げます。これにより、新しい細胞壁が正しく形成されず、細菌は脆弱化して死に至ります。ヒトには細胞壁がないため、これらの抗生物質は細菌に対して選択的に作用し、毒性が低いという利点があります。しかし、病原性大腸菌など特定の細菌による感染症では、溶菌によって毒素が放出される危険性があるため、β-ラクタム系抗生物質の使用が制限される場合があります。

• - リゾチーム (Lysozyme)

リゾチームは、涙や卵白などに含まれる酵素で、ペプチドグリカンのグリカン骨格を切断する作用を持ちます。具体的には、GlcNAcとMurNAcの間の結合を加水分解し、ペプチドグリカン層を分解します。これにより、細菌細胞の壁が破壊され、細胞が溶菌します。リゾチームは生体における自然な殺菌作用の一部として機能するほか、研究室で細菌から細胞壁を取り除く（プロトプラスト化）ためにも利用されます。

ペプチドグリカンは、細菌がその形態を維持し、厳しい環境下でも生存していくために不可欠な要素です。その独特な構造と生合成経路は、抗菌薬開発における重要な標的であり続けています。

もう一度検索