Клеточная стенка. 
Микробиология: теория и практика

У большинства прокариот над ЦПМ располагается достаточно жесткая клеточная стенка — сложная многослойная структура, противостоящая высокому осмотическому давлению и определяющая форму клетки. У бактерий, которые подразделяются по строению этой структуры на грамположительные, грамотрицательные и не имеющие клеточной стенки, основным опорным элементом клеточной стенки является пептидогликан (муреин), полностью покрывающий клетку снаружи. Муреин представляет собой сетчатый полимер, в котором полисахаридные цепи связаны поперечными пептидными мостиками. У архей клеточные стенки характеризуются своеобразным строением и химическим составом.

В основе химической структуры пептидогликана заложена периодическая последовательность двух аминосахаров — N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитых между собой (3−1,4-гликозидными связями. Поперечные связи представлены пептидными мостиками (рис. 3.8).

мостик.

Рис. 3.8. Схема строения пептидогликана (муреина)

Интересно, что такая биологическая структура как муреин возникла в ходе эволюции дважды, так как некоторые археи содержат аналогичный по архитектуре биополимер, состоящий из других исходных материалов (псевдомуреин). Вследствие разницы в химической структуре и, следовательно, в составе ферментов путей биосинтеза образование псевдомуреина не подвержено действию таких типичных для подавления синтеза муреина антибиотиков, как D-циклосерин, ванкомицин или пенициллин.

Муреин достаточно эластичен и может под действием внешних факторов растягиваться и сжиматься до 4 раз. Пептидогликановый слой обладает селективностью по отношению к молекулам с большой молекулярной массой. Подсчитано, что наибольший размер отверстия в мешке может достигать 1—4×4—5 нм, что позволяет свободно проникать только молекулам сравнительно невысокой молекулярной массы (50—60 кДа), причем размер проникающих молекул не зависит от толщины пентидогликанового слоя (разного у грамположительных и грамотрицательных бактерий). Макромолекулы с большими молекулярными массами не могут преодолеть барьер проницаемости муреина, поэтому для сборки внеклеточных структур (жгутики, пили) или для переноса ДНК при конъюгации необходимо действие специфических гидролаз муреина, которые локально расширяют отверстия для прохода больших молекул.

Пептидогликановый слой клетки прошит в поперечном направлении еще одним полимером — тейхоевыми кислотами, полиолфосфатами, образованными на основе глицерола или рибитола с большим количеством разнообразных заместителей (D-аланин, L-серин, глицин, глюкоза и N-ацетилглюкозамин). Через фосфорный диэфир тейхоевые кислоты связаны с С_б-атомом мурамовой кислоты в муреине. Тейхоевые кислоты придают муреиновому мешку определенную степень свободы при растяжении и сжатии и действуют наподобие пружин в матрасе. Тейхоевые кислоты благодаря своей анионной полиолфосфатной природе прочно связывают ионы Mg²⁺. Предполагают, что они могут выполнять в клетке роль своеобразного ионообменника. В условиях фосфорного голодания синтез тейхоевых кислот в клетке прекращается, они заменяются на тейхуроновые кислоты. В последнее время тейхоевые кислоты стали рассматривать в качестве таксономического маркера, в особенности у грамположительных бактерий филума Actinobactena. Оказалось, что в сочетании с определением последовательностей молекул 16S рРНК определение состава тейхоевых кислот клеточных стенок актиномицетов — незаменимый метод для дифференцировки на видовом уровне.

У грамположительных и грамотрицательных бактерий структура клеточных оболочек различается (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Строение клеточных стенок:

а — грамположительных; 6 — грамотрицательных бактерий Типичные грамположительные микроорганизмы имеют толстый, многослойный муреиновый мешок, содержащий до 40 слоев пептидогликана, прошитого поперек молекулами тейхоевых кислот (20—50 нм, рис. 3.10).

Рис. 3.10. Строение грамположительной клеточной стенки:

ТК — тейхоевые кислоты; ЛТК — липотейхоевые кислоты; ПГ — пептидогликан;

ЦПМ — цитоплазматическая мембрана.

Грамотрицательные бактерии обладают более сложной клеточной оболочкой, имеющей внешнюю (наружную) мембрану (ВМ, рис. 3.11). По сравнению с ЦПМ внешняя мембрана является сильно асимметричным липидным бислоем, в котором внутренний слой состоит из фосфолипидов, а внешний — из липонолисахаридов (ЛПС).

Рис. 3.11. Строение грамотрицательной клеточной стенки:

ЛИ — липопротеид; ЛПС — липополисахарид; ПГ — пептидогликан; ФЛ — фосфолипиды; ВМ — внешняя мембрана;

ЦПМ — цитоплазматическая мембрана ЛИС имеют сложную химическую структуру, являются антигенами, обладают токсичностью и придают поверхности клетки отрицательный заряд. ЛИС внешней мембраны энтеробактерий, например, содержит три структурные части: 2-кето-З-дезокси-октулозонат-липид A (Kdoлипид А) — уникальный гликолипид, заякоривающий молекулу ЛПС во внешней мембране; центральный олигосахаридный регион (подразделяемый на основную и внешнюю части); периферийные цепи О-антигенов, которые и ответственны, в основном, за иммунологические особенности интактного организма. Структура Kdo-липида, А высоко консервативна среди грамотрицательных микроорганизмов. Центральная олигосахаридная область также до некоторой степени консервативна, а у представителей энтеробактерий — похожа, хотя и не идентична. О-антигены содержат длинные полисахариды, состоящие из повторяющихся олигосахаридных единиц. Характерные структуры могут содержать дезокси-, дидезоксии аминосахара. Состав, структура и иммуноспецифичность ЛПС широко варьирует внутри родов и между родами и составляет основу для серологического типирования штаммов. Штаммы дикого типа с полным О-антигенным ЛПС формируют гладкие колонии, тогда как мутанты или диссоцианты, лишенные О-антигенов, образуют шероховатые колонии. В некоторых шероховатых мутантах О-антиген у энтеробактерий заменен на другой полисахарид, общий антиген энтеробактерий (ОАЭ), широко распространенный в этой группе микроорганизмов. ОАЭ является гетерополисахаридом, состоящим из Ы, 0-диацегилглюкозамина, N-ацетиламиноманнуроновой кислоты и N-ацетилфукозамина, он консервативен среди энтеробактерий. ОАЭ может существовать в двух формах. Первая прикреплена к наружному слою внешней мембраны редуцирующим концом через остаток фосфатидила и присутствует постоянно. Вторая замещает О-цепи ЛПС у мутантных штаммов. Наряду с ЛПС внешняя мембрана (ВМ) содержит обычные фосфолипиды, из которых почти 90% составляет фосфатидилэтаноламин.

Внешняя мембрана тоже обладает избирательной проницаемостью и участвует в контакте клеток между собой и с поверхностью неживых предметов, но по сравнению с ЦПМ она более инертна метаболически и содержит меньше белков, в том числе белки-порины, формирующие поры. Белки внешней мембраны обеспечивают поглощение и выброс различных веществ, участвуют в сборке поверхностных структур и конъюгации, способствуют выделению ферментов в окружающую среду. Внешняя мембрана осуществляет контакт клеток между собой, с поверхностью субстрата, а также с клетками организма-хозяина при патогенезе. Она удерживает ряд внешних структурных образований, например, пили.

Между цитоплазматической и внешней мембранами возникает уникальное образование, называемое периплазматическим пространством (периплазмой). Муреиновый мешок таких бактерий встроен в периплазму и состоит всего лишь из одного слоя («3 нм толщиной). Внешняя мембрана и муреиновый слой соединены липопротеином (ЛП), который своим N-концом с замещенными жирными кислотами погружен во внешнюю мембрану, а его карбоксильный конец связан с муреином. Наличие дополнительного барьера проницаемости в виде внешней мембраны позволяет уменьшить толщину муреинового слоя и дает возможность эффективно использовать ценные продукты метаболизма муреина, которые накапливаются в периплазматическом пространстве клетки при ее росте. В то же время для достижения действующей внутриклеточной концентрации антибиотиков у грамотрицательных бактерий необходимо применять более высокие минимальные их дозы по сравнению с грамположительными бактериями. В периплазме также находятся экзоферменты и связывающие белки, переносящие вещества от внешней мембраны к цитоплазматической и обратно.

Из-за разницы в структуре клеточных стенок микроорганизмы по-разному выглядят на препаратах при способе окраски, предложенном датским микробиологом Хансом Грамом: грамположительные удерживают генцианвиолет при обработке спиртом, а грамотрицательные обесцвечиваются.

Под действием ряда агентов (антибиотиков, нарушающих синтез пептидогликапа, автолизинов, некоторых аминокислот, лизоцима, комплемента, иммуноглобулинов) может происходить L-трансформация бактериальных клеток (образование клеток без клеточной стенки) Грамположительные и грамотрицательные бактерии при этом формируют различные образования. Так, под действием пенициллина из грамположительных клеток образуется протопласт, не несущий клеточной стенки, а из грамотрицательных — сферопласт, имеющий остатки оболочки на поверхности клетки. Клетки, утерявшие клеточную стенку в результате мутации или разрушающего ее воздействия, также называются L-формами. Они имеют округленную или филаментную форму с хорошо структурированной ЦПМ. L-формы очень требовательны к питательным средам и могут существовать только в изотонических растворах. Стабильные L-формы не способны к реверсии после удаления L-трансформирующего фактора, в то время как нестабильные L-формы могут после этого достраивать клеточную стенку. L-формы способны длительно персистировать в макроорганизмах в фазе хронического заболевания, так как в значительной степени лишены антигенных детерминант.