miniatura|Estrutura dun lipopolisacárido. Consta de: antíxeno O, núcleo externo, núcleo interno e lípido A.
Os lipopolisacáridos (LPS), tamén chamados endotoxinas polos seus efectos tóxicos, son grandes moléculas que constan dun lípido e un polisacárido composto por tres porcións: o antíxeno O, o núcleo interno e o núcleo externo, unidos por enlace covalente. Encóntranse na membrana externa de bacterias gramnegativas.
O termo lipooligosacárido (LOS) utilízase para referirse a unha forma de baixo peso molecular de lipopolisacáridos bacterianos.
Descubrimento
A actividade tóxica do LPS descubriuna Richard Friedrich Johannes Pfeiffer e denominouna "endotoxina" para distinguila das exotoxinas, que el clasificou como toxinas liberadas pola bacteria no ambiente que a rodea, mentres que el cosideraba que as endotoxinas se mantiñan "dentro" da célula bacteriana e só se liberaban despois da destrución da parede celular bacteriana. Traballos posteriores demostraron que a liberación de LPS dos microbios gramnegativos non require necesariamente a destrución da parece bacteriana, senón que o LPS se segrega como parte da actividade fisiolóxica normal do tráfico de vesículas de membrana en forma de vesículas da membrana externa bacteriana, que poden conter tamén outros facores de virulencia e proteínas.
Hoxe, o termo "endotoxina" utilízase principalmente como sinónimo de LPS, aínda que hai unhas poucas endotoxinas que non están relacionadas co LPS, como as denominadas proteínas delta endotoxinas segregadas polo Bacillus thuringiensis (que é grampositivo). Outras bacterias grampositivas, como Listeria monocytogenes teñen na membrana ácidos lipoteicoicos con funcións e estrutura similares ás das endotoxinas lipopolisacáridas.
Funcións nas bacterias
O LPS é o principal compoñente da membrana externa das bacterias gramnegativas, contribuíndo grandemente á integridade estrutural das bacterias e protexendo a membrana de certos tipos de ataques químicos. O LPS tamén incrementa a carga negativa da membrana celular e axuda a estabilizar toda a estrutura da membrana. É de vital importancia para moitas bacterias gramnegativas, que morren se este muta ou é eliminado; malia todo, parece que o LPS non é esencial en polo menos algunhas bacterias gramnegativas, como Neisseria meningitidis, Moraxella catarrhalis e Acinetobacter baumannii. O LPS induce unha forte resposta dos sistemas inmunitarios animais en estado normal. Tamén foi implicado en aspectos non patoxénicos da ecoloxía bacteriana, como a adhesión a superficies, sensibilidade a bacteriófagos e interaccións con predadores como as amebas.
O LPS é necesario para a correcta conformación da actividade omptina; porén, o LPS liso interfire estericamene coas omptinas.
Composición miniatura|O sacarolípido Kdo2-Lípido A. Residuos de Kdo en vermello (núcleo da molécula), residuos de glicosamina en azul, cadedas acilo en negro grupos fosfato en verde.
Comprende tres partes: Antíxeno O (ou polisacárido O). Situado no extremo da molécula. Oligosacárido do núcleo (core) da molécula. Situado na base da molécula e dividido en núcleo interno e externo. Lípido A. Ancorado na membrana externa bacteriana.
Antíxeno O
Un polímero repetitivo de glicano contido no LPS da bacteria denomínase antíxeno O, polisacárido O ou cadea lateral O. O antíxeno O está unido ao oligosacárido que forma o núcleo da molécula e comprende o dominio máis externo da molécula de LPS. A composición da cadea O varía de cepa a cepa. Por exemplo, hai unhas 160 estruturas diferentes de antíxeno O producidas por distintas cepas de E. coli. A presenza ou ausencia de cadeas O determina se o LPS se considera rugoso ou liso. As cadeas O de lonxitude completa orixinan LPS lisos, mentres que a ausencia ou redución das cadeas O dan lugar ao LPS rugoso. As bacterias con LPS rugoso xeralmente teñen membranas celulares máis penetrables por antibióticos hidrófobos, xa que un LPS rugoso é máis hidrófobo. O antíxeno O está exposto na superficie externa da célula bacteriana e, en consecuencia, é unha diana para o recoñecemento polos anticorpos do hóspede.
Núcleo O dominio do núcleo (core) sempre contén un compoñente oligosacárido (oligosacárido do núcleo) que se une directamente ao lípido A e normalmente contén azucres como a heptosa e a ácido 3-desoxi-D-mano-oct-2-ulosónico (tamén chamado KDO, ceto-desoxioctulosonato). Os núcleos do LPS de moitas bacterias tamén conteñen compoñentes non carbohidratos, como substituíntes fosfato, aminoácidos e etanolamina.
Lípido A O lípido A é, en circunstancias normais, un disacárido de glicosamina fosforilado decorado con múltiples ácidos graxos. Estas cadeas de ácidos graxos hidrófobos ancoran o LPS na membrana bacteriana e o resto do LPS proxéctase desde a superficie da célula. O dominio do lípido A é responsable de gran parte da toxicidade das bacterias gramnegativas. Cando as células bacterianas son lisadas polo sistema inmunitario, fragmentos da membrana que conteñen o lípido A son liberados á circulación, causando febre, diarrea e un posible choque endotóxico letal (chamado choque séptico). O residuo de lípido A é un compoñente moi conservado do LPS. Porén, a estrutura do lípido A varía entre especies bacterianas e dita estrutura define a activación global do sistema inmnitario do hóspede.
Lipooligosacáridos Os lipoologosacáridos (LOS) son glicolípidos que se encontran na membrana externa dalgúns tipos de bacterias gramnegativas, como Neisseria spp. e Haemophilus spp. O termo é sinónimo de forma de baixo peso molecular do LPS bacteriano. Os LOS teñen un papel central no mantemento da integridade e funcionalidade da membrana externa da envoltura gramnegativa. Os lipooligosacáridos xogan un importante papel na patoxénese de certas infeccións bacterianas porque poden actuar como inmunoestimuladores e inmunomoduladores. Ademais, as moléculas de LOS son responsables da capacidade que teñen algunhas cepas de bacterias de presentar mimetismo molecular e diversidade antixénica, que axuda á evasión das defensas inmunitarias do hóspede e así contribúe á virulencia destas cepas de bacterias.
Quimicamente, os lipooligosacáridos carecen de antíxenos O e só posúen un residuo para a ancoraxe na membrana externa baseado no lípido A e un núcleo oligosacárido. No caso de Neisseria meningitidis, a porción de lípido A da molécula ten unha estrutura simétrica e o núcleo interno está composto por ácido 3-desoxi-D-mano-2-octulosónico (KDO) e restos de heptosa (Hep). A cadea oligosacárida do núcleo externo varía dependendo da cepa bacteriana. O lipopolisacárido bacteriano pode clasificarse en dúas formas: a forma de alto peso molecular (Mr, ou lisa) posúe unha cadea repetitiva de polisacárido O (antíxeno O) de alto peso molecular, e a forma de baixo peso molecular (baixo Mr ou rugosa ou oligosacárido, LOS), carece de cadea O, pero posúe un curto oligosacárido no seu lugar.
Modificacións do LPS
A produción do LPS na bacteria pode ser modificada para que este teña unha estrutura de azucres específica. Estas estruturas poden ser recoñecidas por outros LPS (o cal permite inhibir toxinas LPSs) ou por glicosiltransferases que utilizan esas estruturas de azucres para engadir máis azucres específicos. Un encima lipase do hóspede moi conservado pode detoxificar o LPS cando este entra ou é producido nos tecidos animais. Pode tamén converter o LPS no intestino nun inhibidor de LPS. Os neutrófilos, macrófagos e células dendríticas producen esta lipase, a aciloxiacil hidrolase (AOAH), que inactiva o LPS ao eliminar as dúas cadeas acilo secundarias do lípido A para producir tetraacil LPS. Nos ratos se se administra LPS por vía parenteral, aqueles ratos que carecen de AOAH desenvolven altos títulos de anticorpos non específicos, desenvolvendo unha prolongada hepatomegalia, e experimentando unha prolongada tolerancia á endotoxina. Para que os animais recuperen a homeostase despois dunha exposición parenteral ao LPS pode ser necesaria a inactivación do LPS. Aínda que os ratos teñen moitos outros mecanismos para inhibir a sinalización por LPS, ningún pode impedir estes cambios en animais que carecen de AOAH.
Biosíntese e transporte
miniatura|380px|Ensamblaxe final da LPS: subunidades do antíxeno O son translocadas a través da membrana interna (por Wzx), onde son polimerizadas (por Wzy, a lonxitude da cadea está determinada por Wzz) e ligadas (por WaaL) a moléculas completas de núcleo-lípido A (que foron translocadas por MsbA).|centro miniatura|380px|Transporte de LPS: As moléculas de LPS completas son transportadas a través do periplasma e membrana externa polas proteínas LptA, B, C, D, E, F e G|centro Efectos biolóxicos sobre hóspedes infectados por bacterias gramnegativas
Resposta inmune
O LPS actúa como a endotoxina prototípica porque se une ao complexo receptor CD14/TLR4/MD2 en moitos tipos celulares, pero especialmente en monocitos, células dendríticas, macrófagos e células B, o cal promove a secreción de citocinas proinflamatorias, óxido nítrico e eicosanoides.
Como parte da resposta ao estrés celular, o superóxido é unha das principais especies reactivas do oxíxeno inducida polo LPS en varios tipos celulares que expresan o TLR (receptor de tipo Toll).
O LPS é tamén un piróxeno exóxeno (substancia que induce a febre).
Como esta molécula é de crucial importancia para as bacterias gramnegativas, estas moléculas son dianas candidatas para novos axentes antimicrobianos.
Algúns investigadores dubidan dos informes de efectos tóxicos xeneralizados atribuídos a todos os lipopolisacáridos, en especial para o caso das cianobacterias.
A función do LPS estivo en investigación experimental durante varios anos debido ao seu papel na activación de moitos factores de transcrición. O LPS tamén produce smoitos tipos de mediadores implicados no choque séptico. Os humanos son máis sensibles ao LPS que outros animais (por exemplo, os ratos). Unha dose de 1 µg/kg induce un shock en humanos, pero os ratos toleran unha dose ata mil veces máis alta. Isto pode estar relacionado con diferenzas no nivel de anticorpos naturais circulantes entre as dúas especies. Said et al. demostraron que o LPS causa unha inhibición dependente da IL-10 da expansión e función de células T CD4 ao regular á alza os niveis de PD-1 en monocitos, o que orixina a produción de IL-10 polos monocitos despois de unirse o PD-1 ao PD-L1.
As endotoxinas son en gran parte responsables das intensas manifestacións clínicas das infeccións por bacterias patóxenas gramnegativas, como Neisseria meningitidis, o patóxeno que causa a enfermidade meningocócica, incluíndo a meningococcemia, a síndrome de Waterhouse–Friderichsen e a meninxite. A fosfatase alcalina impide a inflamación intestinal (e a elevada permeabilidade intestinal) causada polas bacterias ao desfosforilaren a porción do lípido A do LPS.
Bruce Beutler compartiu o Premio Nobel de Medicina ou Fisioloxía de 2011 polo seu traballo que demostraba que o TLR4 é o receptor do LPS.