Lipopolysaccharid

Lipopolysaccharider, LPS, lipoglycaner eller endotoksiner er glycolipider, der udgør hovedbestanddelen af den ydre membran af gram-negative bakterier. LPS er store molekyler bestående af Lipid A, et lipid forankret i den ydre membran og et polysaccharid sammensat af tre dele: O-antigen, ydre kerne og indre kerne, jf. billederne.

LPS er meget aktive biologiske molekyler og kaldes også endotoxin på grund af Lipid A-delens stærke toksiske virkning. LPS er et exogent pyrogen (feberfremkalder). LPS inducerer desuden et stærkt respons fra immunsystemet. Det kræver ikke nødvendigvis ødelæggelsen af den bakterielle cellevæg, idet LPS udskilles fra bakterien som en del af den normale fysiologiske aktivitet som såkaldte ydre membran-vesikler (en. OMV).

Generelt

Strukturen af den Gram-negative cellevæg med lipopolysaccharider

LPS er hovedkomponenten i den ydre membran af gram-negative bakterier (se billedet), hvilket bidrager betragteligt til bakteriens strukturelle integritet og beskytter membranen mod visse typer kemiske angreb. LPS øger også den negative ladning af cellemembranen og hjælper med at stabilisere den samlede membranstruktur. LPS tilstedeværelse og integritet på den ydre membran er af afgørende betydning for mange gram-negative bakterier, som dør, hvis LPS er muteret eller fjernet.

De gram-negative bakterier danner deres LPS på den indre membran, transporterer det igennem periplasmaet og translokerer det igennem den ydre membran (se billederne).

O-serotyper

O-kæden er eksponeret på den yderste overflade af bakteriecellen og er som en følge heraf et mål for immunsystemet. Den kemiske opbygning af O-kæden varierer fra bakterie til bakterie og giver sero-specificiteten. O-kæden er opbygget af 50-100 enheder bestående af en eller flere monosaccharider, og der er stor variation mellem bakteriestammerne i kombinationen, positionen, stereokemien, bindingerne og tilstedeværelsen eller fraværet af andre enheder end saccharider. For eksempel er der over 196 forskellige O-antigenstrukturer produceret af forskellige E. coli-stammer. Bakterier uden eller med kortkædet LPS har sædvanligvis en ydre membran, der er mere gennemtrængelig for hydrofobe antibiotika.

O-serotyperne af bakterier blev etableret af Fritz Kauffmann og udarbejdet af Ida Ørskov og Frits Ørskov på Statens Seruminstitut.

Kernen

Kernen kaldes også “core-domænet” og er altid en oligosaccharidkomponent af 9-12 saccharider, der er knyttet direkte til Lipid A. Den kan almindeligvis deles op i den ydre og indre kerne på basis af hhv. sukkerarterne heptose og KDO, 3-deoxy-D-manno-oct-2-ulosonsyre (også kendt som keto-deoxyoctulosonat). LPS-kernen af mange bakterier indeholder også ikke-kulhydratbestanddele, såsom phosphat, aminosyrer og ethanolamin-forbindelser.

Lipid A

Lipid A er den komponent af et endotoxin, der er ansvarlig for gram-negative bakteriers toksicitet. Detekteringen af både lipid A og O-antigen af det humane immunsystem kan være kritisk for starten af immunresponset på en gram-negativ infektion og for den efterfølgende vellykkede bekæmpelse af infektionen.

Lipid A består af to glucosamin-enheder, i en β (1 → 6) binding, med seks tilknyttede acylkæder, fedtsyrer, og indeholder desuden en phosphatgruppe på hvert kulhydrat. Det er acylkæderne der er forankret i membranen. Lipid A fra E. coli har som et eksempel typisk fire C14 hydroxyacyl-kæder bundet direkte til glucosaminerne og en C14 og en C12 bundet til beta-hydroxygrupperne jf. billedet.

Immunresponset

Mange af LPS’ immunaktiverende egenskaber kan tilskrives lipid A-enheden. Det er meget stærkt stimulerende for immunsystemet ved at aktivere immunceller selv ved ganske små koncentrationer omkring picogram pr. milliliter. De berørte immunceller er især monocytter, dendritceller, makrofager og B-celler, og responset består i sekretion af pro-inflammatoriske cytokiner, nitrogenmonooxid og eicosanoider. Immuncellerne har to specielle receptorer, der erkender LPS, CD14 og Toll-lignende receptorer, TLR (bemærk den specielle historie bag navnet).

Primært er receptorerne TLR4 og CD14 plus MD-2 på celleoverfladen påkrævet for aktivering af det medfødte immunsystem ved erkendelse af LPS fra gramnegative bakterier. TLR4/MD-2 systemets evne til at reagere specielt på Lipid A er klinisk vigtig.

Lipopolysaccharid

Skitse af den molekylære struktur af lipopolysaccharide Skitse af den molekylære struktur af lipopolysaccharide   LPS med detaljerne i kernen fra Escherichia coli LPS med detaljerne i kernen fra Escherichia coli   Glycolipidstrukturen af KDO2-Lipid A. KDO2 (del af kernen), di-glucosamin, acyl-kæder og phosphat-grupper. Glycolipidstrukturen af KDO2-Lipid A. KDO2 (del af kernen), di-glucosamin, acyl-kæder og phosphat-grupper.   Samlingen af LPS-molekyler: O-enheder translokeres over den indre membran af protein Wzx, polymeriseres af Wzy med kædelængden bestemt af Wzz og ligeres af WaaL til kernen, som blev translokeret af MsbA Samlingen af LPS-molekyler: O-enheder translokeres over den indre membran af protein Wzx, polymeriseres af Wzy med kædelængden bestemt af Wzz og ligeres af WaaL til kernen, som blev translokeret af MsbA   Komplette LPS-molekyler transporteres over periplasmaet og den ydre membran af proteinerne LptA til LptG Komplette LPS-molekyler transporteres over periplasmaet og den ydre membran af proteinerne LptA til LptG   Mekanismen bag aktiveringen af Toll-like receptor-4 og signaltransduktionen der starter det innate immunrespons Mekanismen bag aktiveringen af Toll-like receptor-4 og signaltransduktionen der starter det innate immunrespons