Periplasm

Das Periplasma ist eine konzentrierte, gelartige Matrix im Raum zwischen der inneren Zytoplasmamembran und der äußeren Bakterienmembran, dem sogenannten periplasmatischen Raum bei gramnegativen (genauer: „didermischen“) Bakterien . Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnte gezeigt werden, dass auch bei grampositiven (genauer: „monodermischen“) Bakterien ein deutlich kleinerer periplasmatischer Raum zwischen Zellwand und Plasmamembran existiert. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Das Periplasma kann bis zu 40 % des gesamten Zellvolumens gramnegativer Bakterien ausmachen, ist aber bei grampositiven Bakterien deutlich geringer. ^{[ 3 ]}

Obwohl Bakterien üblicherweise anhand ihrer Gram- Färbung in zwei Hauptgruppen – Gram-positiv und Gram-negativ – unterteilt werden, ist dieses Klassifizierungssystem mehrdeutig, da es sich auf drei unterschiedliche Aspekte beziehen kann (Färbeergebnis, Zellmembranstruktur, taxonomische Gruppe), die nicht für alle Bakterienarten übereinstimmen. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} In den meisten Fällen, wie auch in diesem Artikel, spiegelt die Gram-Färbung die deutlichen Unterschiede in der Ultrastruktur und der chemischen Zusammensetzung der beiden Haupttypen von Bakterien wider. Der übliche Gram-positive Typ besitzt keine äußere Lipidmembran, während das typische Gram-negative Bakterium eine solche aufweist. Die Begriffe „Diderm“ und „Monoderm“, die speziell für diese Unterscheidung geprägt wurden , stellen ein zuverlässigeres und grundlegenderes Merkmal der Bakterienzellen dar. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

Alle grampositiven Bakterien sind von einer einfachen Lipidmembran (Monoderm) umgeben; sie enthalten in der Regel eine dicke Peptidoglykanschicht (20–80 nm), die für die Gramfärbung verantwortlich ist. Zahlreiche andere Bakterien, die ebenfalls von einer einfachen Membran umgeben sind, aber aufgrund des Fehlens der Peptidoglykanschicht (z. B. Mykoplasmen) oder ihrer Unfähigkeit, die Gramfärbung aufgrund ihrer Zellwandzusammensetzung zu halten, gramnegativ gefärbt sind, weisen ebenfalls eine enge Verwandtschaft zu den grampositiven Bakterien auf. Für die von einer einfachen Zellmembran umgebenen Bakterienzellen (Prokaryoten) wurde die Bezeichnung „Monoderm-Bakterien“ bzw. „Monoderm- Prokaryoten “ vorgeschlagen. ^{[ 4 ] [ 8 ]} Im Gegensatz zu grampositiven Bakterien sind alle archetypischen gramnegativen Bakterien sowohl von einer Zytoplasmamembran als auch von einer äußeren Zellmembran umgeben; zwischen diesen Membranen befindet sich lediglich eine dünne Peptidoglykanschicht (2–3 nm). Das Vorhandensein sowohl einer inneren als auch einer äußeren Zellmembran bildet und definiert den periplasmatischen Raum bzw. das periplasmatische Kompartiment. Diese Bakterienzellen mit zwei Membranen werden als diderme Bakterien bezeichnet. ^{[ 4 ] [ 8 ]} Die Unterscheidung zwischen monodermen und didermen Prokaryoten wird durch konservierte charakteristische Insertionen/Deletionen (Indels) in einer Reihe wichtiger Proteine ​​(z. B. DnaK und GroEL ) gestützt. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Wie in der Abbildung rechts dargestellt, befindet sich der periplasmatische Raum bei gramnegativen oder didermen Bakterien zwischen der inneren und äußeren Zellmembran. Das Periplasma enthält Peptidoglykan, und die es umschließenden Membranen enthalten zahlreiche integrale Membranproteine, die an der Zellsignalisierung beteiligt sein können . Darüber hinaus beherbergt das Periplasma Bewegungsorganellen wie das Flagellum , das beide Membranen durchspannt. Aufgrund des hohen Gehalts an Proteinen und Peptidoglykan wird das Periplasma als gelartig beschrieben. Es nimmt 7 % bis 40 % des Gesamtvolumens didermer Bakterien ein und enthält bis zu 30 % der zellulären Proteine. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Die Struktur des Periplasmas von Monoderm-Bakterien unterscheidet sich von derjenigen von Diderm-Bakterien, da der sogenannte periplasmatische Raum bei Monoderm-Bakterien nicht von zwei Membranen, sondern von der Zytoplasmamembran und der darunterliegenden Peptidoglykanschicht umschlossen wird. ^{[ 12 ]} Aus diesem Grund wird der periplasmatische Raum von Monoderm-Bakterien auch als innere Wandzone (IWZ) bezeichnet. Die IWZ dient als erstes Ziel für die Translokation von Proteinen, die durch die Zellwand von Monoderm-Bakterien transportiert werden. ^{[ 12 ]}

Bei zweihäusigen Bakterien enthält das Periplasma eine dünne Zellwand aus Peptidoglykan . Zusätzlich enthält es gelöste Stoffe wie Ionen und Proteine, die an einer Vielzahl von Funktionen beteiligt sind, von der Nährstoffbindung, dem Transport, der Faltung, dem Abbau und der Substrathydrolyse bis hin zur Peptidoglykansynthese, dem Elektronentransport und der Umwandlung zelltoxischer Substanzen ( Xenobiotika-Metabolismus ). ^{[ 13 ]} Wichtig ist, dass das Periplasma kein ATP enthält . Im Periplasma sind verschiedene Enzyme vorhanden, darunter alkalische Phosphatasen , cyclische Nukleotid-Phosphodiesterasen , saure Phosphatasen und 5'-Nukleotidasen . ^{[ 14 ]} Bemerkenswert ist, dass das Periplasma auch Enzyme enthält, die für die Proteinfaltung wichtig sind . Beispielsweise wurden im Periplasma von E. coli die Disulfidbrückenproteine ​​A (DsbA) und C (DsbC) identifiziert, die für die Katalyse der Peptidbindungsknüpfung bzw. -isomerisierung verantwortlich sind. [ ^{15 ] Da} die Disulfidbrückenbildung häufig ein geschwindigkeitsbestimmender Schritt bei der Proteinfaltung ist, spielen diese oxidierenden Enzyme eine wichtige Rolle im bakteriellen Periplasma. Darüber hinaus vermittelt das Periplasma die Aufnahme von DNA in verschiedenen Stämmen transformierbarer Bakterien. ^{[ 16 ]}

Die durch den periplasmatischen Raum ermöglichte Kompartimentierung führt zu mehreren wichtigen Funktionen. Neben den bereits erwähnten Funktionen dient das Periplasma, analog zum endoplasmatischen Retikulum in Eukaryoten, auch dem Proteintransport und der Qualitätskontrolle. ^{[ 17 ]} Darüber hinaus ermöglicht die Trennung des Periplasmas vom Zytoplasma die Kompartimentierung von Enzymen, die im Zytoplasma toxisch wirken könnten. ^{[ 17 ]} Einige im Periplasma lokalisierte Peptidoglykane und Lipoproteine ​​bilden ein strukturelles Stützsystem für die Zelle und tragen dazu bei, dass diese dem Turgordruck standhält. Organellen wie das Flagellum benötigen insbesondere die Assemblierung von Polymeren im Periplasma für ihre korrekte Funktion. Da der Antriebsschaft des Flagellums den periplasmatischen Raum überspannt, wird seine Länge durch die Positionierung der äußeren Membran bestimmt, die durch deren Kontraktion induziert wird. Diese Kontraktion wird durch periplasmatische Polymere vermittelt. ^{[ 17 ]} Das Periplasma spielt auch eine Rolle bei der Zellsignalisierung , beispielsweise beim Lipoprotein RcsF, dessen globuläre Domäne im Periplasma lokalisiert ist und als Stresssensor fungiert. Wenn RcsF nicht mit BamA interagiert, etwa bei einem vergrößerten Periplasma, wird es nicht zur Zelloberfläche exportiert und kann somit die Rcs-Signalkaskade nicht auslösen. Die Größe des Periplasmas ist daher für die Stresssignalisierung von Bedeutung. ^{[ 18 ] [ 17 ]}

Da Bakterien für viele Infektionen und Erkrankungen verantwortlich sind, sind die biochemischen und strukturellen Komponenten, die krankheitsverursachende Bakterienzellen von nativen eukaryotischen Zellen unterscheiden, aus klinischer Sicht von großem Interesse. ^{[ 19 ]} Gramnegative Bakterien weisen tendenziell eine höhere Antibiotikaresistenz auf als grampositive Bakterien und besitzen zudem einen deutlich größeren periplasmatischen Raum zwischen ihren beiden Membran-Doppelschichten. Da Eukaryoten keinen periplasmatischen Raum besitzen, stellen Strukturen und Enzyme im Periplasma gramnegativer Bakterien attraktive Angriffspunkte für antimikrobielle Therapien dar. ^{[ 20 ]} Darüber hinaus erfüllen Periplasma-Komponenten lebenswichtige Funktionen wie die Unterstützung der Proteinfaltung, den Proteintransport, die Zellsignalisierung, die strukturelle Integrität und die Nährstoffaufnahme ^{[ 17 ]} , wodurch es reich an potenziellen Angriffspunkten für Medikamente ist. Neben Enzymen und Strukturkomponenten, die für die Zellfunktion und das Überleben essenziell sind, enthält das Periplasma auch Virulenz-assoziierte Proteine ​​wie DsbA, die Zielstrukturen für antimikrobielle Therapien darstellen können. ^{[ 21 ]} Aufgrund ihrer Rolle bei der Katalyse der Disulfidbrückenbildung für eine Vielzahl von Virulenzfaktoren ist das DsbA/DsbB-System von besonderem Interesse als Zielstruktur für Anti-Virulenz-Medikamente. ^{[ 22 ]}

Der periplasmatische Raum ist eng mit der Pathogenese von Erkrankungen im Rahmen mikrobieller Infektionen verknüpft. Viele der mit der bakteriellen Pathogenität assoziierten Virulenzfaktoren sind Sekretionsproteine, die häufig posttranslationalen Modifikationen, einschließlich der Bildung von Disulfidbrücken, unterliegen. ^{[ 23 ]} Das oxidative Milieu des Periplasmas enthält Dsb-Proteine ​​(Disulfidbrücken-Proteine), die solche posttranslationalen Modifikationen katalysieren und daher eine wichtige Rolle bei der Etablierung der für die korrekte Proteinfunktion essenziellen Tertiär- und Quartärstruktur von Virulenzfaktoren spielen. ^{[ 23 ]} Neben den im Periplasma vorkommenden Dsb-Proteinen sind auch Motilitätsorganellen wie das Flagellum für die Infektion des Wirts essenziell. Das Flagellum ist im Periplasma verankert und wird durch die Interaktion mit periplasmatischen Strukturkomponenten stabilisiert ^{[ 17 , 23 ]} und stellt somit ein weiteres pathogenesebezogenes Ziel für antimikrobielle Wirkstoffe dar ^. Während der Infektion eines Wirts ist die Bakterienzelle zahlreichen turbulenten Umweltbedingungen ausgesetzt, was die Bedeutung der durch das Periplasma gewährleisteten strukturellen Integrität unterstreicht. Insbesondere die Peptidoglykansynthese ist für die Zellwandbildung essenziell, und Inhibitoren der Peptidoglykansynthese sind seit Jahrzehnten von klinischem Interesse für die Bekämpfung von Bakterien. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Darüber hinaus ist das Periplasma aufgrund seiner Rolle bei der Aufnahme transformierender DNA auch für klinische Entwicklungen relevant . ^{[ 16 ]}