Грамотрицательные бактерии

Фотография сделанная трансмиссионым электронным микроскопом. Клеточные покровы цианобактерии Phormidium uncinatum. Клеточные покровы (CW) состоит из, цитоплазматической мембраны (CM), пептидогликанового слоя (P), периплазматического пространства (PS) и внешней мембраны (OM). В добавок, у цианобактерий есть два дополнительных внешних слоя, типичных для подвижных клеток, внешний зубчатый слой (EL) и слой осцилирующих волоско-подобных фибрилл (F). (CJ) Место секреции слизи; (JP) поры во внешней мембране. ^[1]

Грамотрицательные бактерии Pseudomonas aeruginosa

Грамотрицательные бактерии это бактерии, которые не окрашиваются кристаллическим фиолетовым при окрашивании по Граму .^[2] В отличие от грамотрицательных, которые полностью обесцвечиваются, грамположительные бактерии сохранят фиолетовую окраску даже после промывания обесцвечивающим растворителем (спирт). После промывания растворителем при окрашивании по Граму добавляется контрастный краситель (обычно сафранин) , который окрашивает всех грамотрицательных бактерий в красный или розовый цвет. Это происходит из-за наличия внешней мембраны, препятствующей проникновению красителя внутрь клетки. Сам по себе тест полезен при классификации бактерий и разделении их на две группы относительно строения их клеточной стенки. Из-за своей более мощной и непроницаемой клеточной стенки грамотрицательные бактерии более устойчивы к антителам чем грамположительные.

Обычно патогенность грамотрицательных бактерий связывают с определёнными компонентами их клеточных стенок, а именно, с липополисахаридным слоем (ЛПС или эндотоксический слой).^[2] В человеческом организме ЛПС вызывает иммунный ответ, который характеризуется синтезем цитокинов и активацией иммунной системы. Обычной реакцией на синтез цитокинов является воспаление, что также может привести к увеличению количества токсичных веществ в организме хозяина.

Характеристика

Строение оболочки клетки грамотрицательных бактерий

Отличие между клеточной стенкой грамположительных и грамотрицательных бактерий

Общие признаки, свойственные большинству грамотрицательных бактерий:

1. Наличие двух мембран, между которыми находится клеточная стенка и периплазматическое пространство
2. Более тонкий, по сравнению с грамположительными бактериями, пептидогликановый слой
3. Наружная мембрана содержит липополисахариды (состоит из липида А, полисахаридного ядра и антигена О снаружи и из фосфолипидов изнутри)
4. В наружной мембране присутствуют порины,функционирующие подобно порам для определённых молекул
5. S-слой прикреплен к наружной мембране, а не к пептидогликановому слою
6. Если есть жгутик, он имеет четыре поддерживающих кольца, а не два
7. Отсутствуют тейхоевая и липотейхоевая кислоты
8. Обычно не образуют спор (примечательным исключением является Coxiella burnetii, образующая спороподобные структуры)
9. Липопртеины прикреплены непосредственно к полисахаридной основе.
10. Большинство содержат липопротеин Брауна, который связывает наружную мембрану и цепочки пептидоглюканов ковалентной связью

Химический состав и структура клеточных покровов

Далее рассмотрены слои клеточных покровов грамотрицательных прокариотов, начиная с самого внутреннего:

Клеточная стенка

У грамотрицательных эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грамположительных. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. Для разных видов грамотрицательных эубактерий содержание этого гетерополимера колеблется в широких пределах. У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру, характеризующуюся весьма редкими поперечными связями между гетерополимерными цепями.

Некоторые скользящие бактерии (миксобактерии, флексибактерии) способны в процессе перемещения по твердому субстрату периодически менять форму клеток, например путем изгибания, что говорит об эластичности их клеточной стенки, и в первую очередь ее пептидогликанового слоя. Электронно-микроскопическое изучение, однако, обнаружило у них клеточную стенку, типичную для грамотрицательных эубактерий. Наиболее вероятное объяснение гибкости клеточной стенки этих бактерий — чрезвычайно низкая сшитость ее пептидогликанового компонента.^[3]

Периплазматическое пространство

Появление у грамотрицательных эубактерий дополнительной мембраны в составе клеточной стенки фактически привело к созданию обособленной полости (периплазматического пространства), отграниченной от цитоплазмы и внешней среды специфическими мембранами и несущей важную функциональную нагрузку.^[3] Периплазматическое пространство, куда погружен пептидогликановый слой. заполнено раствором, в состав которого входят специфические белки, олигосахариды и неорганические молекулы. Периплазматические белки представлены двумя типами: транспортными белками и гидролитическими ферментами.

Было обнаружено также, что многие бактерии способны в больших количествах вырабатывать ферменты (гликозидазы, протеазы, липазы и проч.), гидролизующие все типы полимерных молекул. Последними могут быть как молекулы, синтезируемые самой клеткой, так и чужеродные, попавшие в клетку извне. Отрицательные последствия гидролиза собственных молекул (самопереваривание) очевидны. В то же время прокариоты нуждаются в гидролитических ферментах, так как это расширяет круг используемых ими веществ, включая в него полимеры разного типа. Становится понятна необходимость изолирования этих ферментов от цитоплазматического содержимого. Грамположительные эубактерий выделяют гидролитические ферменты во внешнюю среду, у грамотрицательных — они локализованы в периплазматическом пространстве.

Внешняя мембрана

Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30—40% ее поверхности и локализованный во внешнем слое.

Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки представлены небольшим числом различных видов, но составляют почти 80% всех белков наружной мембраны. Одна из функций этих белков — формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1-15 нм и длинной 50-70 нм, наклонённых к поверхности клеточной стенки по углом 30–40°. Через них осуществляется неспецифическая диффузия молекул с массой до 600—900 Да. Это означает, что через такие поры могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Белки, пронизывающие наружную мембрану насквозь и образующие гидрофильные поры, называют поринами. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов. Их основная функция — транспортная и рецепторная. Примером минорных белков могут служить белки, ответственные за специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений.

Разнообразные функции выполняют макромолекулы, локализованные частично или полностью на внешней стороне клеточной стенки, контактирующей с окружающей средой; это специфические рецепторы для фагов и колицинов; антигены; макромолекулы, обеспечивающие межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и тканями высших организмов.

S-слой и осцилиновые фибриллы

S-слой или зубчатый слой — слой из волоскоподобных фибрил, находится за пределами наружной мембраны в клеточной стенке цианобактерий способных к скольжению. Похожие на волски фибриллы верхнего слоя состоят из стержнеподобного гликопротеина, называемого осцилин.

Скольжение происходит посредством секреции слизи через поры на внешнюю сторону клеточных покровов.^[4] Слизь проходит вдоль поверхности из осцилиновых фибрил наружного слоя клетки и по расположенному рядом субстрату, продвигая фибриллы вперёд. Совокупность организованных волоскоподобных фибрилл таким образом, действует как пассивный винт, в то время как слизь проходит по их поверхности в процессе скольжения.^[5]

Классификация

Наряду с формой клетки, окрашивание по Граму это быстрый диагностический метод, который ранее использовался для группирования видов бактерий в подотделы.

Медицинская иерархия видов.

Основываясь на окраске по Граму, ныне ликвидированное царство Monera было разделено на четыре дивизиона: Firmacutes (+), Gracillicutes (-), Mollicutes (0) и Mendocutes (var.).^[6] Но начиная уже с 1987 года, монофилия грамотрицательных бактерий была поставлена под сомнение, а позже и полностью опровергнута бимолекулярными исследованиями.^[7] Однако, некоторые авторы, такие как Кавалир-Смит, всё ещё считают их монофелитической кладой и относят к подцарству "Negibacteria".^[8]

Строение внешней клеточной мембраны и классификация бактерий

Важно указать на то, что хотя бактерии традиционно делятся на две основные группы, Грамположительные и Грамотрицательные, такая классификация является двусмысленной и условной, поскольку может относится к трём совершенно разным аспектам (результат окрашивания, организация клеточных покровов, таксономическая группа), которые необязательно совпадают для всех видов бактерий.^{[9][10][11][12]} Реакция на окрашивание грамположительных и грамотрицательных бактерий не является надёжной характеристикой также и потому, что эти два вида бактерий не формирует филогенетически единую группу.^[9] Как бы то ни было, хотя окрашивание по Граму и является эмпирическим критерием, в его основе лежат отчётливые различия в ультраструктуре и химическом составе двух главных видов прокариотических клеточных стенок, встречающихся в природе. Оба этих вида клеточных стенок отличаются друг от друга по наличию или отсутствию внешней липидной мембраны, которая является более надёжной и фундаментальной характеристикой бактериальных клеток.^[9][13] Все грамположительные бактерии окружены единственным слоем фосфолипидной мембраны и обычно имеют толстый слой (20-80 нм) из пептидогликанов (муреин и проч.), сохраняющий на себе краситель Грама. Ряд других бактерий, окружённых единственной мембраной, но окрашивающихся грамотрицательно из-за отсутствия пептидогликанового слоя (см. микоплазмы) или же своей неспособности удерживать краситель Грама вследствие специфического состава клеточной стенки, также находится в близком родстве с грамположительными бактериями. Для бактериальных клеток, окружённых одной клеточной мембраной был предложен термин Монодермные Бактерии или Монодермные Прокариоты.^[9][9][13] В противоположность грамположительным бактериям, все архитипичные грамотрицательные бактерии, помимо цитоплазматической мембраны окружены ещё и внешней клеточной мембраной и содержат между ними крайне тонкий слой пептидогликанов (2-3 нм). Наличие внутренней и наружной мембран порождает новый клеточный компартмент — периплазматическое пространство. Таких бактерии/прокариоты были обозначены как Дидермные Бактерии.^[9][9][13] Ещё одно важное различие межу монодермными и дидермными прокариотами — консервативный набор делеций в ряде важных белков (см. DnaK, GroEL).^{[9][10][13][14]} Из двух структурно различных групп прокариотических организмов, монодермные бактерии считаются предковой группой по отношению к дидермным. Основываясь на ряде наблюдений, включая тот факт, что грамположительные бактерии в большинстве своём продуценты антибиотиков, а грамотрицательные бактерии обычно к таковым устойчивы, было высказано предположение, что у наружной клеточной мембраны грамотрицательный бактерий существует защитный механизм против селективного действия антибиотиков.^{[9][10][13][14]} Некоторые бактерии, как например Deinococcus, окрашиваются грамположительно из-за толстого пептидогликанового слоя, но обладают наружной клеточной мембраной и считаются промежуточным звеном между монодермами (грамположительные) и дидермами (грамотрицательные).^[9][14] Дидермные бактерии в свою очередь могут быть подразделены на простых дидерм, у которых нет слоя липолисахаридов, архитипичных дидерм, чья наружная клточная мембрана содержит липолисахариды и собственно дидерм, наружная мембрана которых состоит из миколовой кислоты.^{[11][12][14][15]} В добавок, многие бактериальные таксоны (см. Negativicutes, Fusobacteria, Synergistetes и Elusimicrobia), которые являются частью типа Firmicutes или его близкородственной ветвью, также обладают дидермной структурой клетки.^[12][14][15] Однако, консервативная делеция (CSI) в белке HSP60(GroEL) служит отличительным знаком всех традиционных типов грамотрицательных бактерий (т.е. Proteobacteria, Aquificae, Chlamydiae, Bacteroidetes, Chlorobi, Cyanobacteria, Fibrobacteres, Verrucomicrobia, Planctomycetes, Spirochetes, Acidobacteria, итд.) от атипичных дидерм и других типов монодермных бактерий (e.g. Actinobacteria, Firmicutes, Thermotogae, Chloroflexi, etc.).^[14] Наличия CSI во всех секвенированых видах из обычных ЛПС-содержащих типов грамотрицательных бактерий, доказывает, что этот тип бактерий формирует монофилитическую кладу, и говорит в пользу того, что в этой группе ни у одного вида не происходила потеря внешней мембраны. Эти данные говорят против гипотезы о происхождении монодермных прокариот от дидермных путём потери внешней мембраны. ^[14]

Примеры видов

Протеобактерии большая группа грамотрицательных бактерий, включающая Escherichia coli (E. coli), Salmonella, Shigella, и прочих Enterobacteriaceae, Pseudomonas, Moraxella, Helicobacter, Stenotrophomonas, Bdellovibrio, уксуснокислых бактерий, Legionella и множество других. Другие примечательные группы грамотрицательных бактерий включают в себя цианобактерий, спирохет, зелёных серо и не-серо бактерий.

Связанные с медициной грамотрицательные Кокки включают в себя три организма, вызывающих заболевания, передающиеся половым путём (Neisseria gonorrhoeae), вызывающий менингит (Neisseria meningitidis), и респираторные симптомы (Moraxella catarrhalis).

Среди бацилл есть большое количество значимых для медицины видов. Некоторые из них в первую очередь взывают проблемы с дыханием, как например (Hemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa), в первую очередь проблемы с мочеиспусканием(Escherichia coli , Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens), и желудочно-кишечного тракта(Helicobacter pylori, Salmonella enteritidis, Salmonella typhi).

Грам-отрицательных бактерий, связанных с внутрибольничные инфекции, включая Acinetobacter baumannii, вызывающий бактериемии, вторичный менингит, и вентилятор-ассоциированной пневмонии при лечении в отделении интенсивной терапии.

Значение для Медицины

Одна из нескольких уникальных характеристик грамотрицательных бактерий это структура внешней клеточной мембраны. Внешний лист мембраны включает в себя комплекс липополисахаридов, липидные части которых выполняют роль эндотоксинов. Если эндотоксины попадают в транспортную систему, происходит интоксикация, с последующим увеличением температуры, повышением частоты дыхания, и понижением кровяного давления. Всё это может привести к токсическому шоку и последующему летальному исходу.

Эта внешняя мембрана защищает бактерию от некоторых антибиотиков, красителей, и детергентов, которые в норме повреждают внутреннею мембрану или клеточную стенку. Такая защита делает бактерию устойчивой к лизоциму и пеницилину. Однако, были разработаны альтернативные методы лечения, такие как лизоцим с EDTA и антибиотик ампициллин, способные справиться с защитной внешней мембраной некоторых патогенных грамположительных организмов. Для этой же цели могут быть использованы и другие лекарства, наиболее эффективные из которых хлорамфеникол, стрептомицин, и налидиксовая кислота.

См. также

• Липопротеин Брауна
• Окрашивание по Граму

Источники

1. ↑ (From Hoiczyk and Baumeister, 1995.)
2. ↑ ^{1 2} Salton MRJ , Kim KS Structure. in: Baron's Medical Microbiology (Baron S et al., eds.). — 4th. — Univ of Texas Medical Branch, 1996. — ISBN 0-9631172-1-1
3. ↑ ^{1 2} Микробиология, Гусев М.В, Минеева Л.А. Учебник 2003 -464с
4. ↑ (Hoiczyk и Baumeister, 1998;Hoiczyk, 2000)
5. ↑ Phycology Fourth edition by Robert Edward Lee; Colorado State University, USA
6. ↑ Gibbons, N. E. (1978). «Proposals Concerning the Higher Taxa of Bacteria». International Journal of Systematic Bacteriology 28 (1): 1–6. DOI:10.1099/00207713-28-1-1.
7. ↑ PMID 2439888 (PubMed)
   Цитата появится автоматически через несколько минутJump the queue or expand by hand
8. ↑ Cavalier-Smith T (2006). «Rooting the tree of life by transition analyses». Biol. Direct 1: 19. DOI:10.1186/1745-6150-1-19. PMID 16834776.
9. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8 9 10} Gupta, R.S. (1998) Protein phylogenies and signature sequences: A reappraisal of evolutionary relationships among archaebacteria, eubacteria and eukaryotes. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62: 1435—1491.
10. ↑ ^{1 2 3} Gupta, R.S.(2000) The natural evolutionary relationships among prokaryotes. Crit. Rev. Microbiol. 26: 111—131.
11. ↑ ^{1 2} , Desvaux M, Hébraud M, Talon R, Henderson IR. 2009. Secretion and subcellular localizations of bacterial proteins: a semantic awareness issue. Trends Microbiol. 17:139-145. DOI:10.1016/j.tim.2009.01.004
12. ↑ ^{1 2 3} , Sutcliffe IC. 2010. A phylum level perspective on bacterial cell envelope architecture. Trends Microbiol. 18:464-470. DOI:10.1016/j.tim.2010.06.005
13. ↑ ^{1 2 3 4 5} Gupta, R. S. (1998). What are archaebacteria: life’s third domain or monoderm prokaryotes related to Gram-positive bacteria? A new proposal for the classification of prokaryotic organisms. Molecular Microbiology. 29(3):695-707.
14. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Gupta, R. S. (2011). Origin of diderm (Gram-negative) bacteria: antibiotic selection pressure rather than endosymbiosis likely led to the evolution of bacterial cells with two membranes. Antonie van Leeuwenhoek. 100:171-182.
15. ↑ ^{1 2} PMID 19667386 (PubMed)
    Цитата появится автоматически через несколько минутJump the queue or expand by hand