Клеточная стенка

Большинство прокариот имеют клеточную стенку. Она придает жесткость бактериальным клеткам и поддерживает характерную для них форму. Под клеточной стенкой понимают образование, расположенное снаружи бактериальной клетки и окружающее цитоплазматическую мембрану. Она является существенным элементом прокариотной клетки, обеспечивающим её жизнеспособность. Основная функция клеточной стенки состоит в защите цитоплазмы и цитоплазматической мембраны от механического повреждения и неблагоприятного влияния факторов внешней среды. Кроме того, она играет важную роль в процессе роста и деления клеток. На ней расположены рецепторы, способствующие прикреплению бактериофагов. Она наиболее чувствительна к воздействию антибиотиков.

Клеточная стенка проницаема для солей и других многочисленных низкомолекулярных соединений. Она регулирует приток воды внутрь клетки и внутреннее гидростатическое давление. Высокая внутриклеточная концентрация метаболитов обусловливает значительный перепад осмотического давления между цитоплазмой и средой обитания бактерий. Внутреннее осмотическое давление у большинства микроорганизмов колеблется от 5 до 25 атм. Прочная, пористая и эластичная клеточная стенка, имеющая высокий предел прочности, предотвращает разрыв клетки, позволяет ей сохранять определенную форму, ограничивает количество воды, которую клетка может накопить.

Клеточная стенка прокариот состоит из уникального гетерополимерного вещества, которое не было обнаружено ни у одного из эукариотических организмов.

Её химический состав и строение отличаются постоянством для определенных видов микроорганизмов. Основным материалом клеточной стенки всех бактерий является сложный полимер пептидогликан (муреин). Бактериальный пептидогликан содержит N-ацетилмурамовую кислоту, которая является исключительным компонентом муреина (рис. 3.5.).

7V- а цетил гл юкоза -мин

/V-ацетилмурамовая кислота

О

HNCOCHj Остаток молочной кислоты

NHCOCH н2с—сн—с=о

NH

L-аланин

НС—CHj

С=О

NH

нс—соон

D-глутаминовая кислота

сн2

СН2

с=о

NH

nh2

мезо-Диаминопиме-линовая кислота

D-аланин

НС—(СН2)3

с=о

NH

НС—СН

Структура повторяющейся единицы пептидогликана (по М.В. Гусеву, 2003)

Рис. 3.5. Структура повторяющейся единицы пептидогликана (по М.В. Гусеву, 2003)

Пептидогликан найден во всех бактериях, кроме микоплазм, которые не имеют клеточной стенки. Клеточная стенка некоторых архей также состоит из белка, полисахаридов или пептидогликано-подобных молекул (псевдопептидогликан), но она не содержит муреин. Эта особенность отличает бактерии от архей.

Важной особенностью пептидогликана является его прочность, эластичность, способность задерживать нежелательные для клетки химические вещества, в том числе антибиотики. Пептидогликановые цепочки связаны между собой многочисленными перекрестными гликозидными и пептидными связями, образуя одну гигантскую молекулу (рис. 3.6). Этим достигается механическая прочность бактериальной клетки. Форму и прочность бактериям придает жесткая волокнистая структура многослойного пептидогликана с поперечными пептидными сшивками. Длина цепочек пептидогликана, а также способ и частота их соединения определяют форму бактериальных клеток.

Схема сложной молекулы пептидогликана

Рис. 3.6. Схема сложной молекулы пептидогликана: 1 — N-ацетилглюкозамин;

2 — N-ацетилмурамовая кислота; 3 — межпептидный мостик

В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты делят на две группы: грамположительные и грамотрицательные. Эти две группы бактерий сформировались из-за особенностей окрашивания. Установлено, что грамположительные бактерии после окрашивания основными красителями трифенилметанового ряда (кристалвиолетом или генцианвиолетом) и обработки йодом утрачивают способность обесцвечиваться спиртом. Аналогичная окраска грамотрицательных бактерий не приводит к образованию прочного окрашенного (сине-фиолетового) комплекса. Они легко обесцвечиваются спиртом или ацетоном, что обусловлено меньшим содержанием пептидогликана. В дальнейшем было установлено, что клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий имеют фундаментальные различия по химическому составу и ультраструктуре.

В клеточной стенке грамположительных бактерий (рис. 3.7) содержится небольшое количество полисахаридов, липидов, белков. Но она имеет многослойный пептидогликан (15-80 нм), на который приходится от 40 до 90% массы клеточной стенки. Со свойством многослойного пептидогликана связана способность грамположительных бактерий при окраске по Граму удерживать ген-цианвиолет в комплексе с йодом (сине-фиолетовая окраска бактерий).

Тейхоевая кислота

Поверхностные белки

Пептидогликан

Липопротеиновая кислота

I Цитоплазматическая мембрана

Рис. 3.7. Строение клеточной стенки грамположительиых бактерий

Кроме пептидогликана в состав клеточных стенок грамположительиых бактерий входят тейхоевые кислоты (от греч. teichos — стенка) (рис.3.8).

Глицеринтейхоевая кислота. Состав

Рис. 3.8. Глицеринтейхоевая кислота. Состав: N-ацетилглюкозамин, фосфат, аланин (по М. В. Гусеву, 2003)

Функции тейхоевых кислот до конца не известны. Считается, что они необходимы для обеспечения жизнеспособности грамположительиых бактерий в естественной среде обитания и, как полианионы, определяют поверхностный заряд клетки и создают канал перемещения веществ через сложную пептидогликановую сеть.

Таким образом, основными компонентами клеточной стенки грамположи-тельных бактерий являются три типа макромолекул: пептидогликан, тейхоевые кислоты и полисахариды, которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с весьма упорядоченной пространственной организацией.

Молекула пептидогликана легко разрушается под влиянием фермента лизоцима, который присутствует в тканях, секреторных жидкостях и сыворотке человека и животных, Он также вырабатывается фагоцитами. Некоторые грампо-ложительные бактерии очень чувствительны к лизоциму, который весьма активен при низких концентрациях. Например, в слезной жидкости лизоцим находится в концентрации 1:40 и способен лизировать бактериальные клетки. Но гра-мотрицательные бактерии менее уязвимы к действию лизоцима, потому что их пептидогликан защищен внешней мембраной.

Клеточная стенка грамположительных эубактерий плотно прилегает к цитоплазматической мембране. Она не имеет внешней мембраны, не содержит липополисахаридов и не образует периплазматического пространства, что характерно для клеточной стенки грамотрицательных бактерий.

Главным отличием грамотрицательных бактерий является более сложное строение клеточной оболочки (рис. 3.9). У грамотрицательных бактерий клеточная стенка относительно тонкая (10 нм) и состоит из единственного слоя (гигантской молекулы) пептидогликана. На него приходится всего от 1 до 10% массы клеточной стенки.

? Цитоплазматическая мембрана

Фосфолипид

Рис. 3.9. Строение клеточной стенки грамотрицательных бактерий

Пептидогликан грамотрицательных бактерий окружен внешней мембраной. Внешняя мембрана содержит уникальный компонент липополисахарид (LPS, или эндотоксин), который токсичен для человека и животных. Липополисахарид составляет около 20-40% массы наружной мембраны и присутствует только у грамотрицательных бактерий (рис. 3.10). Он состоит из трех фрагментов: липида А, стержневой, или коровой части (лат. core — ядро), а также О-специфи-ческой цепи полисахарида (О-антиген). Наличие О-антигена является дифференциально-диагностическим признаком бактерии.

Схематичное строение клеточной стенки грамотрицательных и грамположительных бактерий

Рис. 3.10. Схематичное строение клеточной стенки грамотрицательных и грамположительных бактерий

Появление у грамотрицательных бактерий дополнительной мембраны в составе клеточной стенки привело к созданию обособленной полости (перизмати-ческое пространство, или периплазма). Периплазма расположена между наружной мембраной клеточной стенки и цитоплазматической мембраной. Наличие периплазмы характерно только для грамотрицательных микроорганизмов.

Периплазма заполнена коллоидным раствором, в состав которого входят транспортные белки, гидролитические ферменты (гликозидазы, протеазы, липазы и др.), олигосахариды и неорганические молекулы. Транспортные белки (переносчики) связывают соответствующие субстраты внешней среды и транспортируют их от наружной мембраны к цитоплазматической.

Гидролитические ферменты (гликозидазы, протеазы, липазы и др.), вырабатываемые многими прокариотами, способны расщеплять все типы полимерных молекул, в том числе синтезируемые самой клеткой. Для того чтобы избежать возможности лизиса содержимого цитоплазмы грамотрицательные бактерии изолируют гидролитические ферменты в периплазме (эндоферменты). Грампо-ложительные бактерии вынуждены выделять гидролитические ферменты в окружающую среду (экзоферменты).

Наружная мембрана клеточной стенки грамотрицательных бактерий более водопроницаема, чем цитоплазматическая мембрана. Она является эффективным барьером для липофильных и высокомолекулярных соединений, и в то же время проницаема для низкомолекулярных гидрофильных веществ. Транспорт малых гидрофильных молекул через наружную мембрану осуществляется по многочисленным трансмембранным порам. Они осуществляют функции молекулярного «сита» и создают дополнительный барьер на пути проникновения в клетку опасных для нее веществ, таких как литические ферменты, ингибиторы, антибиотики, соли желчных кислот и др. Но одновременно обеспечивается обмен с окружающей средой питательными веществами и продуктами метаболизма. Поэтому грамотрицательные бактерии более устойчивы к воздействию различных химических веществ.

Белки наружной мембраны делят на три группы: структурные, порины и рецепторные. Структурные белки ковалентно связаны с пептидогликаном и служат для соединения цитоплазматической мембраны с клеточной стенкой. Структурные белки формируют F-пили.

Основными белками наружной мембраны являются порины. Наряду с рибосомными белками и пермеазами они составляют почти 80 % всех белков наружной мембраны. Порины пронизывают наружную мембрану насквозь и образуют в ней цилиндрические гидрофильные каналы диаметром примерно 1,5 нм, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул размером до 1,5 нм.

Каналы, образованные поринами, имеют широкие вход и выход, а также узкую центральную часть. Это обеспечивает оптимальную ион-селективность и проницаемость каналов, возможность переключения между открытым и закрытым состояниями. Через эти каналы проникает большинство небольших гидрофильных молекул, а также осуществляется неспецифическая диффузия сахаров, аминокислот и пептидов.

Большие гидрофильные молекулы перемещаются облегченным транспортированием белками — носителями, расположенными в гидрофильном канале. В отсутствие носителя большие гидрофильные молекулы не могут проникнуть в клетку. Это значительно повышает устойчивость грамотрицательных бактерий к действию некоторых токсинов, химических веществ, ферментов и антибиотиков типа пенициллина и лизоцима.

Количество и тип порина может изменяться с изменением условий окружающей среды, что позволяет бактериальной клетке регулировать проницаемость наружной мембраны. Порины являются протективными антигенами. То есть они являются нетоксичными видоспецифическими антигенами. На основе поринов созданы эффективные препараты для защиты от ряда инфекций и диагностические антигены.

Рецепторные белки расположены на поверхности клеточной стенки бактерий и служат для контакта с крупными молекулами питательных веществ, которые не могут свободно пройти через порины.

Таким образом, клеточная стенка грамположительных и грамотрицательных бактерий отличается структурными и функциональными особенностями (табл. 3.2). Эти особенности определяют физиологические, биохимические, антигенные свойства прокариот и адаптационные возможности в изменяющейся окружающей среде.

Таблица 3.2

Особенности клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов

Свойство клеточной стенки

Грамположительные микроорганизмы

Грамотрицательные микроорганизмы

Толщина

толстая (20-80 нм)

тонкая (10 нм)

Число слоев

1

2

Содержание пептидогликана

>50%

10-20%

Тейхоевые кислоты

Присутствуют

Отсутствуют

Содержание липидов и липопротеина

0-3%

58%

Содержание белка

0

9%

Содержание липополисахаридов

0

13%

Чувствительность к пенициллину

Да

Нет

Чувствительность к лизоциму

Да

Нет

В составе клеточной стенки грибов и морских водорослей присутствуют полисахариды (целлюлоза или хитин), а также неорганические составы типа карбоната кальция или кварца в их стенках.

Некоторые скользящие бактерии (миксобактерии, флексибактерии) способны в процессе перемещения по твердому субстрату периодически менять форму клеток, например, путем изгибания. Это свидетельствует об эластичности клеточной стенки скользящих бактерий и, в первую очередь, пептидогликанового слоя.

Некоторые микроорганизмы, подвергаясь воздействию различных неблагоприятных факторов, могут лишаться клеточной стенки. Это происходит под влиянием лизоцима, который разрушает клеточную стенку, в результате мутации или блокирования синтеза пептидогликана антибиотиками и токсичными агентами. Например, под влиянием антибиотикотерапии патогенные стрептококки превращаются в сферопласты, что позволяет им длительное время выживать. После окончания приема антибиотиков клеточная стенка восстанавливается и стрептококк может повторно инфицировать незащищенные ткани.

Бактерии, полностью лишенные клеточной стенки, приобретают шаровидную форму и называются протопластами. Появление протопластов характерно для грамположительных бактерий. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка, как правило, полностью не удаляется. Поэтому при разрушении клеточной стенки грамотрицательные бактерии превращаются в сферопласты.

Протопласты и сферопласты являются весьма неустойчивыми структурами. Они очень чувствительны к изменениям осмотического давления, к механическим воздействиям, не подвергаются инфицированию бактериофагами и не обладают активной подвижностью. В то же время они становятся менее узнаваемые для иммунной системы хозяина.

Если протопласты или сферопласты сохраняют способность к росту и размножению, их называют L-формами бактерий. Свое название они получили в честь института им. Листера в Лондоне, в котором они были открыты в 1935 году. Различают нестабильные и стабильные L-формы. Первые сохраняют свои свойства только в присутствии фактора, который вызвал разрушение клеточной стенки.

После устранения этого фактора наблюдается реверсия, т.е. восстановление клеточной стенки и формы микроорганизма. Стабильные L-формы уже никогда не подвергаются реверсии.

Прокариоты, не содержащие клеточной стенки, обнаружены и в природе. Это группа микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных и человека. Предполагают, что микоплазмы произошли от обычных бактериальных форм в результате мутации, нарушившей синтез веществ клеточной стенки.

Микоплазмы обладают наименьшими размерами среди бактерий (0,15-0,30 щп). В отличие от остальных прокариот у них отсутствует клеточная стенка, а в их цитоплазматической мембране содержатся стериноподобные молекулы. Они окружены только цитоплазматической мембраной и поэтому их форма весьма изменчива. Присутствие стеринов в цитоплазматической мембране обеспечивает ей повышенную прочность, что позволяет микоплазмам поддерживать необходимое осмотическое давление между внешней окружающей средой и цитоплазмой, активно качая ионы натрия.

У большинства прокариот поверх клеточной стенки расположен слизистый слой, состоящий из полисахаридов, мукополисахаридов или полипептидов. При свободном облегании клетки слизистым аморфным материалом образуется капсула с толщиной слизистого слоя больше 0,2 мкм. Если толщина слизистого слоя меньше 0,2 мкм и, следовательно, он может быть обнаружен только с помощью электронного микроскопа, говорят о микрокапсуле. Как правило, химический состав капсул, образуемых бактериями, родо- или видоспецифичен.

Капсулы не являются обязательным структурным компонентом прокариотной клетки. Бактерии, образующие капсулу, могут легко превращаться в бес-капсульные формы, что не приводит к какому-либо нарушению клеточной активности. У некоторых сапрофитных организмов (лейконосток) наблюдается образование общей капсулы для многих клеток. Такое скопление микроорганизмов, заключенных в общую капсулу, называют зооглеями (рис. 3.11).

В отличие от капсул, чехлы имеют более сложную многослойную структуру. Как правило, чехлы плотно облегают клеточную стенку и практически неразде

лимы с ней. Чехлы ряда бактерий, метаболизм которых связан с окислением восстановленных соединений металлов, часто инкрустированы их окислами. Между капсулами и чехлами у прокариот обнаружено много переходных форм, так что часто невозможно четко отграничивать капсулу от слизистых клеточных выделений или капсулу от чехла. Тонкий слой переплетенных молекул полисахарида на поверхности большинства бактериальных клеток образует глико-калике в виде полисахаридной оболочки.

Зооглеи

Рис. 3.11. Зооглеи

Присутствие или отсутствие гликокаликса часто зависит от экологических условий обитания микроорганизмов. Как правило, в естественных экосистемах бактерии формируют гликокаликс с включенными в него микроколониями. Но он может отсутствовать у лабораторных культур.

Капсулы и гликокаликс выполняют важные функции. Они предохраняют клетку от высыхания, повышают устойчивость бактерий к фагоцитозу, предохраняют от иммунных механизмов инфицированного организма, являются защитой от простейших организмов в почве и воде, а также от неблагоприятных факторов внешней среды. Гликокаликс играет роль ионообменника, поглощая питательные вещества и освобождая их впоследствии для использования клеткой. Он принимает активное участие в комплексообразовании, в формировании активного ила.

Гликокаликс обладает адгезионной функцией, что позволяет бактериям колонизировать на различных поверхностях и сопротивляться смыванию. Благодаря гликокаликсу бактериальная флора может формировать биологическую пленку, обладающую мощной ферментативной системой. Например, Streptococcus mutans, образуя биологическую пленку на зубной эмали (зубной налет), способствует развитию зубного кариеса за счет трансформации углеводов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >