[세포생물학] 탄수화물 : 펩티도글리칸 (+ 그람양성균과 그람음성균 구조와 특성)

펩티도글리칸

펩티도글리칸은 진정세균의 세포벽을 구성하는 분자입니다. 펩티도글리칸 역시 탄수화물의 당에 해당하며 두 가지 종류의 단당류(N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산)로 구성되어 있는 이종다당체에 해당합니다. N-아세틸글루코사민과 N-아세틸뮤람산이 각각 번갈아가며 한 개씩 연결되어 있으며 각 당 사이의 연결은 beta-1,4 결합으로 이루어져 있습니다. 이 결합은 눈물이나 침에 들어있는 리소자임이라는 효소에 의해 분해가 될 수 있습니다.

 

뮤람산에는 글리칸(=당 사슬)이라는 아미노산 4개짜리 사슬이 붙어있습니다. 뮤람산과 가장 가까운 쪽에는 L form의 알라닌이 붙어있고, 뮤람산과 가장 먼 쪽에는 D form의 알라닌이 붙어있습니다. 이전 포스트에서도 언급했듯이 생체 내의 대부분의 아미노산은 L form이라고 했는데(비슷한 예시로 당은 D form), 생체 내에 D form의 아미노산이 존재한다는 것은 유의미한 특징이라고 볼 수 있습니다.

 

그리고 뮤람산쪽으로부터 2번째 아미노산은 글루탐산인데, 글루탐산에는 음전하 부분이 있기 때문에 Na+을 끌어올 수 있고, Na+을 끌어옴에 따라 H2O가 수반됩니다. 즉 이러한 원리로 펩티도글리칸은 풍부한 H2O에 의한 부푼 구조를 형성하고 있습니다. 이러한 특성에 따라 더 이상 H2O가 펩티도글리칸 내부로 들어오지 않습니다.

 

진정세균의 구분 - 그람양성균과 그람음성균

 

위에서 변형당의 한 종류인 펩티도글리칸에 대해 배웠기 때문에 이와 연계되는 개념인 그람양성균과 그람음성균의 차이에 대해 알아봅시다. 그람양성균과 그람음성균의 개념은 원핵세포의 특징을 다루는 파트와 진정세균을 분류하는 파트에서도 나오는 개념이지만 여기에서 짚고 넘어가도록 하겠습니다.

 

첫 번째로, transpeptidase라는 글리칸 사이의 세 번째 아미노산과 (다른 글리칸의) 네 번째 아미노산을 연결하는 효소가 있는데, 그람양성균에서는 transpeptidase의 작용이 잘 일어나고, 그람음성균에서는 transpeptidase의 작용이 잘 일어나지 않습니다. 따라서 그람양성균에서는 글루코사민과 뮤람산 사이의 교차연결이 많이 일어나기 때문에 두꺼운 세포벽이 형성되고, 그람음성균에서는 교차연결이 많이 일어나지 않으므로 세포벽이 얇다는 차이가 발생합니다.

 

두 번째로, 그람양성균에서는 페니실린의 작용이 좋지만, 그람음성균에서는 페니실린 분자가 LPS(lipopolysaccharide, 지질다당류)층을 통과하지 못하기 때문에 페니실린의 작용이 잘 일어나지 않습니다.

 

세 번째로, 그람양성균은 내생포자를 가지고 있기 때문에 고온/고압에서 견딜 수 있다는 특징을 가질 수 있습니다. 반면 그람음성균은 내생포자를 가지고 있지 않으므로 고온/고압에서 견딜 수 없겠죠.

 

네 번째로, 그람양성균은 여러 층으로 구성된, 층상 구조에 타익코익산(Teichoic acid)이라고 부르는 수직으로 구성된 층이 존재합니다. 산의 일종이므로 수소결합 후 음전하를 띄게 됩니다. 반면 그람 음성균은 얇은 구조에 수직으로 구성된 LPS(지질다당류)층이 존재합니다. LPS 층은 전하를 띠지 않습니다.

 

LPS층을 내독소(세균의 독소)라고 부르는데, 이 내독소는 열로부터 강하고 설정점(기준 온도)을 높인다는 특징이 있습니다. 왜냐하면 LPS층은 이름 그대로 지질다당층으로, 열에 약한 단백질로 이루어지지 않았기 때문입니다. 이에 따라 LPS층을 가진 세균이 인간의 체내에 침투하게 되면 설정점을 높여서 발열시키는 기작이 일어나게 되며, 혈소판을 응축시켜서 혈액 응고를 촉진한다는 특징이 있습니다.

 

반면 외독소는 그람양성균과 그람음성균 둘 모두 가지고 있습니다. 외독소는 세균이 직접 외부로 방출한 단백질 성분의 독이고 (단백질 성분이기 때문에) 열에 약하다는 특징이 있습니다.

 

ex ) 그람양성균의 예시로는 탄저균(외독소를 강하게 분비하므로 테러용으로 사용됨) / 그람음성균의 예시로는 대장균이나 인간의 위에 있는 헬리코박터파일로리균이 있습니다.

 

그람 염색 과정

1. 그람 염색을 할 때는 가열 후 세균을 고정시키고 크리스탈 바이올렛이라는 +전하를 띠고있는 푸른색의 염기성 염색약과 반응시킵니다.

2. 이후 요오드 용액(I2)를 처리하면 크리스탈 바이올렛을 고정시키는 역할을 합니다.

3. 염기성의 +전하를 띠는 크리스탈 바이올렛은 그람양성균에 있는 -전하의 타익코익산과 이온결합력에 의해 부착이 강하게 되고, 그람음성균의 경우 LPS층이 전하를 띠고있지 않기 때문에 쉽게 탈색이 될 것입니다. 따라서 에탄올 탈색을 수행하면 그람음성균만 크리스탈 바이올렛 용액이 탈색됩니다.

4. 붉은색의 염기성 염색약인 사프라닌을 처리하면 그람양성균은 이미 크리스탈 바이올렛으로 염색되어있기 때문에 붉은색이 나타나지 않고 그람음성균만 붉은색으로 염색이 됩니다.

5. 따라서 결과는 그람양성균은 푸른색으로 나타나고, 그람음성균은 붉은색으로 나타나 구별할 수 있게 됩니다.