Microbiology

Для понимания структуры клеточной стенки бактерий важно прежде всего указать на сходство ее опорного «скелета» с полимерами L-D-глюкозы - целлюлозой и хитином.

Целлюлоза - главный компонент клеточных стенок у высших растений, водорослей и оомицетов. У бактерий целлюлоза в качестве мате риала клеточной стенки не встречается, однако она соединяет клетки Sarcinaventriculi в большие пакеты. Кроме того, целлюлозу выделяют Acetobacter aceti subsp. xylinum в форме тонких фибрилл в среду, и она придает пленке «уксусного гриба» ("Mycoderma aceti") прочную кожистую консистенцию.

У грам-положительных бактерий доля муреиновой сетки составляет 30-70% сухой массы клеточной стенки (толщиной в 40 слоев). Вместо м-диаминопимелиновой кислоты часто содержатся LL-диаминопимелиновая кислота или лизин. У Staphylococcus aureus тетрапептидные боковые цепи мурамовой кислоты связаны между собой межпептидными (например, пентаглициновыми) цепочками. Участвующие в образовании таких структур аминокислоты варьируют от вида к виду. Видоспецифическое строение опорного каркаса представляет собой хороший таксономический признак. В клеточной стенке грам-положительных бактерий полисахариды, если они вообще имеются, связаны между собой ковалентно. Содержание белков невелико. Характерная особенность - наличие тейхоевых кислот; это цепи, состоящие из 8-50 остатков глицерола или рибитола, связанных между собой фосфатными мостиками. Некоторые из тейхоевых кислот содержат эритритол или маннитол. Тейхоевые кислоты, вероятно, через фосфат связаны с муреином по типу амида.

У грам-отрицательных бактерий муреиновая сеть однослойная и составляет менее 10% сухой массы клеточной стенки (у Escherichia coli). Муреин содержит только мезодиаминопимелиновую кислоту и не содержит лизина; межпептидные мостики отсутствуют. Строение муреинового мешка у всех грам-отрицательных бактерий одинаково. Наряду с этим опорным каркасом имеются большие количества липопротеинов, липополисахаридов и других липидов, которые как бы наклеены снаружи на муреиновый каркас. Они связаны ковалентно и составляют до 80% сухой массы клеточной стенки. Для сохранения стабильности липополисахаридного слоя, по-видимому, необходимы ионы кальция. У многих грам-отрицательных бактерий муреиновый слой становится доступным для воздействия лизирующего муреин фермента лизоцима только после обработки ЭДТА (этилендиаминтетраацетатом) для удаления Са^2 +. Этот комплексообразующий агент вызывает освобождение части липополисахаридов. Тейхоевые кислоты у грам-отрицательных бактерий до сих пор не были обнаружены.

Структура клеточной стенки и муреина была выяснена в основном в связи с изучением действия лизоцима и пенициллина на бактерии. Открытый А. Флемингом (1922) лизоцим является бактерицидным ферментом, содержащимся в слезной жидкости, в носовой слизи и в яичном белке; лизоцим выделили также из бактерий (Escherichia coli, Streptomyces) и бактериофагов. При воздействии лизоцима на суспензию грам-положительных бактерий наблюдают быстрое ее просветление. Micrococcus luteus (lysodeikticus) лизируется уже при концентрации 1 мкг лизоцима на 1 мл. Для лизиса клеток Bacillusmegaterium необходима концентрация лизоцима 50 мкг/мл, а многие грам-отрицательные бактерии растворяются толь ко тогда, когда к суспензии добавлен также комплексообразующий агент (ЭДТА).

Биосинтез и встраивание структурных компонентов муреина в пептидогликановый скелет можно разделить на три этапа (рис. 2.27). Первые стадии биосинтеза осуществляются в цитоплазме. Здесь образуется пенталептид мурамовой кислоты. Синтез начинается с образования N-ацетилглюкозамин-1-фосфата; в ряде последовательных ферментативных реакций образуется лактиловый эфир, к которому присоединяются пять аминокислот. Во время этого процесса растущая молекула остается связанной с UDP (уридиндифосфатом), который служит носителем.

У этих бактерий поверх однослойного или самое большее двуслойного муреинового мешка располагается наружный слой клеточной стенки. На ультратонких срезах бактерий он сходен по виду с плазматической мембраной - это так называемая наружная мембрана. Этот слой стенки состоит   из   белков,   фосфолипидов   и   липополисахаридов   (рис. 2.28).

Со слоями муреина - по-видимому, через диаминопимелиновую кислоту -ковалентно связаны липопротеины; они ориентированы своими липофильными концами наружу и таким образом закреплены в липофильном двойном слое (благодаря гидрофобному взаимодействию). В этом слое находятся фосфолипиды и гидрофобные концы липополи сахаридов;   гидрофильные   же   концы   последних   обращены   наружу.

Наружная мембрана грам-отрицательных бактерий выполняет не только механические, но и важные фи­зиологические функции. В ее двойной липидный слой, состоящий из липида А, полисахаридов и фосфолипидов, встроены белки, пронизывающие этот слой насквозь. Вероятно, эти трансмембранные белки представляют собой заполненные водой каналы - гидрофильные поры в липофильной мембране; поэтому их называют поринами. Существует несколько различных поринов. Они пропускают через мембрану гидрофильные низкомолекулярные вещества (вплоть до мол. массы порядка 6000).

На клеточные стенки многих бактерий наслаиваются снаружи более или менее толстые слои сильно оводненного материала с высоким содержанием воды - капсулы и слизь. Такие покровы не имеют для бактерий жизненно важного значения, но обладание капсулой придает некоторым патогенным бактериям резистентность к фагоцитозу и тем самым повышает их вирулентность для подопытных животных.

Подвижность бактерий может обеспечиваться различным образом. У большинства активно передвигающихся, плавающих бактерий движение обусловлено вращением жгутиков.  Двигаться  без  жгутиков способны скользящие бактерии (к которым относятся миксобактерии, цианобактерии и некоторые другие группы) и спирохеты. О механизмах их движения будет сказано при рассмотрении соответствующих групп бактерий.

У многих микроорганизмов в определенных условиях среды внутри клеток откладываются вещества, которые можно рассматривать как запасные, - полисахариды, жиры, полифосфаты и сера. Эти вещества на­капливаются, если в питательной среде содержатся соответствующие исходные соединения, но вместе с тем рост бактерий ограничен или вообще невозможен из-за недостатка каких-то отдельных компонентов питания или присутствия ингибиторов. Запасные вещества содержатся в клетках в осмотически инертной форме - они нерастворимы в воде. При условиях, благоприятных для роста, когда в этих веществах возни­кает потребность, они снова включаются в метаболизм. Запасные полисахариды, нейтральные жиры и поли-В-гидроксимасляная кислота могут служить источниками как энергии, так и углерода. Поэтому при отсут­ствии внешних источников энергии они могут продлить время существования клетки, а у спорообразующих видов - создать условия для образования спор даже в отсутствие экзогенных субстратов. Полифосфаты могут рассматриваться как резервный источник фосфата, а запасная сера - как потенциальный донор электронов.