Микробиология

Грамположительные и грамотрицательные бактерии

В 1884 г. датский ученый X. Грам разработал метод окраски, который дает возможность разделить бактерии на две группы - грамположительные и грамотрицательные. Различная способность бактерий к окраске по Граму связана с особенностями строения их клеточных стенок. Грамположительные (Грам+) бактерии фиксируют комплекс генцианвиолета и йода, окрашиваясь в темно-фиолетовый цвет, этанол не обесцвечивает краску, и бактерии не окрашиваются дополнительно фуксином. Грамотрицательные (Грам-) бактерии воспринимают дополнительную окраску фуксином, так как указанный комплекс у них легко вымывается этанолом. Причина этого стала известна лишь в середине XX века, когда М. Сол- тон и соавторы разработали методы выделения очищенных клеточных стенок и изучили их химический состав и ультраструктуру.

Оказалось, что характер окраски связан с фундаментальными различиями в строении поверхностных структур грамположительных и грамотрицательных клеток. И те и другие имеют плазматическую мембрану толщиной 75 А, которая у грамположительных клеток окружена толстой (20 - 80 нм) клеточной стенкой, состоящей из пептидогликанамуреина, тейхоевых кислот и полисахаридов; у грамотрицательных - тонким (2-3 нм) слоем пептидогликана, покрытым наружной плазматической мембраной (некоторые метано- образующие бактерии и крайние галофилы - Halobacterium и Halococcus - не имеют пептидогликанов в составе стенки). Если обработать клетку лизоцимом или пенициллином, клеточная стенка разрушается. Грамположительная клетка превращается в протопласт, который весьма подвержен осмотическому шоку; грамотри- цательная - в сферопласт, покрытый двумя мембранами и вследствие этого менее чувствительный к осмотическому шоку.

Пептидогликанмуреин представляет собой гетерополимер, состоящий из цепей, образованных моносахаридами N-ацетилг- люкозамином (NAG) и N-ацетилмурамовой кислотой (NAM), чередующихся между собой по типу b (1 ® 4). Цепи соединены между собой пептидными поперечными сшивками, состоящими из тетрапептидных элементов и пептидных мостиков. Мостик представляет собой пентапептид, чаще всего это пентаглицин, хотя может быть и Ъ-аланин4-Ъ-треонин или Ъ-глицин3-Ъ-серин3. Благодаря мостикам у грамположительных клеток цепи связаны между собой в единый многослойный (до 40 слоев) муреиновый мешок. У грамположительных организмов в составе клеточной стенки присутствуют тейхоевые и липотейхоевые кислоты, связанные с муреином. Тейхоевые кислоты представляют собой цепи, состоящие из молекул глицерола или рибитола (до 30), связанных между собой фосфодиэфирными связями ( 51).

У грамотрицательных бактерий муреин образует один сетчатый слой, он лишен лизина, тейхоевых кислот и содержит лишь мезо- диаминопимелиновую кислоту, в нем нет пептидных мостиков, однако между муреином и наружной мембраной расположено большое количество липидов (липополисахариды, липопротеиды и др.). Пептидогликан связан через диаминопимелиновую кислоту с молекулами липопротеидов, которые, в свою очередь, соединены с наружной мембраной. Липофильные концы липопротеидов внедряются во внутренний слой наружной мембраны. В некоторых участках обе мембраны соединяются, образуя зоны слипания. Аналогичные зоны имеются в органеллах эукариот с двойными мембранами. Белки внутренней и наружной мембран различны в структурном и функциональном отношении. Фосфолипиды обеих мембран аналогичны.

Липополисахариды расположены в наружном слое внешней мембраны. Они тщательно изучены у сальмонелл. Каждый липополисахарид состоит из О-специфической боковой цепи, направленной наружу, за которой следуют сердцевинная зона и липид А. О-специфическая боковая цепь длиной до 30 нм, состоящая из олигосахаридов, содержащих различные сахара (галактозу, маннозу, фруктозу и др.), обладает высокой специфичностью и представляет собой О-антигены, а также является рецептором для некоторых бактериофагов. Интегральные белки внешней мембраны являются поринами, через которые могут проникать гидрофильные молекулы величиной до 6000 Да.

В периплазматическом пространстве, расположенном между внутренней мембраной и муреиновым слоем, находятся многочисленные белки: связующие, являющиеся рецепторами хемотаксиса и осуществляющие транспорт ряда веществ в цитоплазму; деполимеразы и гидрофильные участки интегральных и периферических мембранных белков. Внешняя мембрана защищает грамотрицательную клетку от проникновения в нее ряда веществ, и, в первую очередь, пенициллинов. Образование клеточной стенки происходит в три этапа. В цитоплазме синтезируется пентапеп- тид мурамовой кислоты.

На плазматической мембране он связывается с N-ацетил-глюкозамином и присоединяет пять остатков глицина. В результате сложных преобразований (замена уридин- дифосфата на ундекапренилфосфат) молекула становится липофиль- ной и переносится через мембрану. На внешней стороне происходит образование связей между пептидными мостикам и тетрапеп- тидами, в результате чего молекула превращается в муреин. Пенициллин препятствует образованию указанных связей.

Капсулы, слизь, влагалища. Многие бактерии (например, пневмококки, клебсиеллы, некоторые клостридии и др.), а также некоторые сине-зеленые водоросли кнаружи от клеточной стенки имеют более или менее толстый слой сильно оводненного материала, образующего капсулу. Капсулы сохраняют связь с клеточной стенкой, имеют толщину до 10 мкм, компоненты их (глюкоза, аминосахара, рамноза; 2-кето - 3-дезоксигалактоновая кислота, урановые, пиро- виноградная и уксусная кислоты) синтезируются клеткой.

Капсулы обеспечивают резистентность некоторых бактерий к ряду воздействий, например к фагоцитозу (тем самым капсула повышает вирулентность бактерий). Капсула может придавать бактериям специфичность, так как в ней могут находиться антигены.

Некоторые бактерии выделяют компоненты капсулы в среду в виде слизи, которую можно отделить от клетки простым встряхиванием культуры.

Помимо защиты от фагоцитоза, капсулы предохраняют клетку от высыхания, механических повреждений, от действия вирусов. Капсулы могут служить источником запасных питательных веществ, а также осуществлять связь между клетками и способствовать прикреплению к каким-либо поверхностям.