Struktura i funkcja komórek bakteryjnych

Struktura i funkcja komórek bakteryjnych (strona 5)
(Ten rozdział ma 10 stron)
© Kenneth Todar, PhD
Ściana komórkowa
Ściany komórkowe bakterii zasługują na szczególną uwagę z kilku powodów:
1. Są strukturą niezbędną do przeżycia, jak opisano powyżej.
2. Składają się z unikalnych składników, których nie można znaleźć nigdzie indziej w przyrodzie.
3. Są jednym z najważniejszych miejsc ataku antybiotyków.
4. Dostarczają ligandów dla przylegania i miejsc receptorowych dla leków lub wirusów.
5. Wywołują objawy chorobowe u zwierząt.
6. Zapewniają rozróżnienie immunologiczne i zróżnicowanie immunologiczne wśród szczepów bakterii.

Większość prokariotów ma sztywną ścianę komórkową.Ściana komórkowa jest istotną strukturą, która chroni komórkę-otoplast przed uszkodzeniami mechanicznymi i przed osmotycznym rozerwaniem lub lizą.Prokariota zazwyczaj żyje we względnie rozcieńczonym środowisku, tak że akumulacja rozpuszczalników wewnątrz cytoplazmy komórki prokariotycznej znacznie przekracza całkowite stężenie w środowisku zewnętrznym. Tak więc, ciśnienie osmotyczne wobec wnętrza błony plazmatycznej może być równoważne 10-25atm. Ponieważ błona jest delikatną, plastyczną strukturą, musi być ograniczona zewnętrzną ścianą wykonaną z porowatego, sztywnego materiału o dużej wytrzymałości na rozciąganie. Takim materiałem jest mureina, wszechobecny składnik ścian komórkowych bakterii.

Mureina jest unikalnym rodzajem peptydoglikanu, polimeru disacharydów (glikan) usieciowanych krótkimi łańcuchami aminokwasów (peptyd). Istnieje wiele rodzajów peptydoglikanów. Wszystkie peptydoglikany bakterii zawierają kwas N-acetylomuraminowy, który jest podstawowym składnikiem mureiny. Ściany komórkowe Archaea mogą być zbudowane z białek, polisacharydów lub cząsteczek podobnych do peptydoglikanów, ale nigdy nie zawierają mureiny. Ta cecha odróżnia bakterie od Archaea.

Wśród bakterii Gram-dodatnich (tych, które zachowują fioletowy barwnik krystaliczny, gdy są poddawane procedurze barwienia metodą Grama), ściana komórkowa składa się z kilku warstw peptydoglikanu. Prostopadle do warstw peptydoglikanu biegnie grupa cząsteczek zwanych kwasami teichoinowymi, które są unikalne dla ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich (Rysunek 14).

Rysunek 14. Struktura ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich. Ściana jest stosunkowo gruba i składa się z wielu warstw peptydoglikanu przeplatanych kwasami teichoinowymi, które biegną prostopadle do blaszek peptydoglikanu.
W bakteriach Gram-ujemnych (które nie zatrzymują fioletu krystalicznego), ściana komórkowa składa się z pojedynczej warstwy peptydoglikanów otoczonych strukturą błoniastą zwaną błoną zewnętrzną.Błona zewnętrzna bakterii Gram-ujemnych niezmiennie zawiera jednolity składnik, lipopolisacharyd (LPS lub endotoksynę), który jest toksyczny dla zwierząt. U bakterii Gram-ujemnych błona zewnętrzna jest zwykle uważana za część ściany komórkowej (Rysunek 15).

Rysunek 15. Struktura ściany komórkowej bakterii Gram-ujemnych. Ściana ta jest stosunkowo cienka i zawiera znacznie mniej peptydoglikanu niż ściana Gram-dodatnia.Nieobecne są również kwasy teichoinowe. Jednakże, ściana komórkowa Gram ujemna składa się z błony zewnętrznej, która znajduje się poza warstwą peptydoglikanu. Błona zewnętrzna jest przymocowana do warstwy peptydoglikanu przez unikalną grupę cząsteczek lipoproteinowych.
Wśród bakterii Gram-dodatnich ściana komórkowa jest gruba (15-80nanometrów), składająca się z kilku warstw peptydoglikanu. U bakterii Gram-ujemnych ściana komórkowa jest stosunkowo cienka (10 nanometrów) i składa się z pojedynczej warstwy peptydoglikanów otoczonych błoną zewnętrzną.
Struktura i układ peptydoglikanów u E.coli jest reprezentatywna dla wszystkich Enterobacteriaceae, jak również dla wielu innych bakterii Gram-ujemnych. Szkielet glikanu składa się z przeciwstawnych cząsteczek N-acetyloglukozaminy (G) i kwasu N-acetylomuraminowego (M) połączonych wiązaniem beta 1,4-glikozydowym. Węgiel 3 kwasu N-acetylomuraminowego (M) jest zastąpiony grupą eteru laktylowego pochodzącego z pirogronianu. Eter laktylowy łączy szkielet glikanu z bocznym łańcuchem peptydowym, który zawiera L-alaninę (L-ala), D-glutaminian (D-glu), kwas diaminopimelinowy (DAP) i D-alaninę (D-ala). MurNAc jest unikalny dla bakteryjnych ścian komórkowych, podobnie jak D-glu, DAP i D-ala. Podjednostka kwasu muraminowego E. coli jest przedstawiona na rysunku 16 poniżej.

Rysunek 16. Struktura podjednostki kwasu muraminowego peptydoglikanu Escherichia coli.Jest to typ mureiny występujący u większości bakterii Gram-ujemnych. Rdzeń glikanu jest powtarzającym się polimerem dwóch aminocukrów, N-acetyloglukozaminy (G) i kwasu N-acetylomuraminowego (M). Do kwasu N-acetylomuraminowego dołączony jest atetrapeptyd składający się z L-ala-D-glu-DAP-D-ala. b. Skrócona struktura podjednostki kwasu muraminowego. c. Bliskie łańcuchy boczne tetrapeptydu mogą być połączone ze sobą wiązaniem międzypeptydowym pomiędzy DAP na jednym łańcuchu i D-ala na drugim. d. Postać polimeryczna cząsteczki.

Strands of mureinare assembled in theperiplasm from about 10 muramic acid subunits. Następnie nitki są łączone w celu utworzenia ciągłej cząsteczki glikanu, która obejmuje komórkę. Tam, gdzie pozwala na to ich bliskość, łańcuchy tetrapeptydowe, które wystają z szkieletu glikanu, mogą być usieciowane wiązaniem międzypeptydowym pomiędzy wolną grupą aminową na DAP i wolną grupą karboksylową na pobliskiej D-ala.W składaniu peptydoglikanu na zewnątrz błony plazmatycznej pośredniczy grupa enzymów peryplazmatycznych, którymi są transglikozylazy, transpeptydazy i karboksypeptydazy. Mechanizm działania penicyliny i pokrewnych antybiotyków beta-laktamowych polega na blokowaniu enzymów transpeptydazy i karboksypeptydazy podczas składania przez nie ściany komórkowej mureiny. Stąd, antybiotyki beta-laktamowe są uważane za „blokujące syntezę ściany komórkowej” w bakteriach.

Rdzeń glikanu cząsteczki peptydoglikanu może być rozszczepiony przez enzym zwany lizozymem, który jest obecny w surowicy zwierząt, tkankach i wydzielinach oraz w lizosomie fagocytarnym. Funkcją lizozymu jest lizowanie komórek bakteryjnych jako konstytutywna obrona przed patogenami bakteryjnymi. Niektóre bakterie Gram-dodatnie są bardzo wrażliwe na działanie lizozymu, a enzym jest dość aktywny w niskich stężeniach. Wydzieliny rzęskowe (łzy) mogą być rozcieńczone w stosunku 1:40 000 i zachowują zdolność do lizozymu niektórych komórek bakteryjnych. Bakterie Gram-ujemne są mniej podatne na atak lizozymu, ponieważ ich peptydoglikan jest osłonięty przez błonę zewnętrzną. Dokładnym miejscem rozszczepienia lizozymu jest wiązanie beta 1,4 między kwasem N-acetylomuraminowym (M) i N-acetyloglukozaminą (G), tak że podjednostka kwasu imuraminowego pokazana na rysunku 16(a) jest wynikiem działania lizozymu na peptydoglikan bakteryjny.

W bakteriach Gram-dodatnich istnieje wiele różnych układów peptydowych wśród peptydoglikanów. Najlepiej zbadana jest struktura Staphylococcus aureus pokazana na rysunku 17 poniżej. W miejsce DAP (u E. coli) jest kwas diaminowy, L-lizyna (L-lys), a w miejsce wiązania międzypeptydowego (u bakterii Gram-ujemnych) jest mostek międzypeptydowy aminokwasów, który łączy wolną grupę aminową na lizynie z wolną grupą karboksygrupową na D-ala pobliskiego łańcucha bocznego tetrapeptydu. Taki układ najwyraźniej pozwala na częstsze tworzenie wiązań krzyżowych pomiędzy pobliskimi łańcuchami bocznymi tetrapeptydów. U S. aureus mostek międzypeptydowy jest peptydem składającym się z 5 cząsteczek glicyny (tzw. mostek pentaglicynowy). Montaż mostka międzypeptydowego w mureinie Gram-dodatniej jest hamowany przez antybiotyki beta-laktamowe w taki sam sposób jak wiązanie międzypeptydowe w mureinie Gram-ujemnej. Bakterie Gram-dodatnie są bardziej wrażliwe na topenicylinę niż bakterie Gram-ujemne, ponieważ peptydoglikan nie jest chroniony przez zewnętrzną błonę i jest bardziej obfitą cząsteczką. U bakterii Gram-dodatnich peptydoglikany mogą różnić się aminokwasem w miejscu DAP lub L-lys w pozycji 3 tetrapeptydu, oraz dokładnym składem mostka międzypeptydowego. Co najmniej osiem różnych typów peptydoglikanów występuje u bakterii Gram-dodatnich.

Rysunek 17. Schematyczna budowa peptydoglikanu u Staphylococcus aureus. G =N-acetylo-glukozamina;M = kwas N-acetylo-muraminowy; L-ala = L-alanina; D-ala = D-alanina; D-glu= kwas D-glutaminowy; L-lys = L-lizyna. Jest to jeden z typów murein występujących u bakterii Gram-dodatnich. W porównaniu z peptydoglikanem E. coli (rysunek 7), w miejscu DAP (kwasu diaminopimelinowego) w tetrapeptydzie znajduje się L-lizyna. Wolna grupa aminowa L-lizyny jest zastąpiona glicynopentapeptydem (gli-gli-gli-gli-gli-), który następnie staje się mostkiem międzypeptydowym tworzącym połączenie z grupą karboksylową z D-ala w sąsiednim łańcuchu bocznym tetrapeptydu. Peptydoglikany bakterii Gram-dodatnich różnią się między gatunkami, głównie pod względem aminokwasów w trzeciej pozycji łańcucha tetrapeptydowego oraz składu aminokwasowego mostka międzypeptydowego.

Bakterie Gram-ujemne mogą zawierać w swoich ścianach komórkowych jednocząsteczkową warstwę mureiny, podczas gdy uważa się, że bakterie Gram-dodatnie mają kilka warstw lub „okładów” peptydoglikanu. Z warstwami peptydoglikanu u bakterii Gram-dodatnich ściśle związana jest grupa cząsteczek zwanych kwasami teichoinowymi. Kwasy teichoinowe są liniowymi polimerami poliglicerolu lub polirybitolu z podstawnikami fosforanowymi oraz kilkoma aminokwasami i cukrami. Polimery kwasu teichoinowego są niekiedy zakotwiczone w błonie plazmatycznej (tzw. kwas lipoteichoinowy, LTA), pozornie skierowane na zewnątrz pod kątem prostym do warstw peptydoglikanu. Funkcje kwasu teichojowego nie są znane. Są one niezbędne do przeżycia bakterii Gram-dodatnich w warunkach naturalnych. Jednym z pomysłów jest to, że zapewniają one kanał nieregularnie zorientowanych ładunków ujemnych do przewlekania dodatnio naładowanych substancji przez skomplikowaną sieć peptydoglikanu. Inna teoria głosi, że kwasy teichoinowe są w jakiś sposób zaangażowane w regulację i montaż podjednostek kwasów muraminowych na zewnątrz błony plazmatycznej. Istnieją przypadki, szczególnie w paciorkowcach, gdzie kwasy teichoinowe zostały włączone w przyleganie bakterii do powierzchni tkanek.

rozdział kontynuowany
poprzednia strona
.