Особенности клеточной оболочки грамположительных бактерий
Клеточная оболочка грамположительных бактерий обладает уникальными особенностями.
Основные положения:
- Грамположительные бактерии обладают толстой клеточной стенкой, содержащей много слоев пептидогликана .
- Существенным компонентом клеточной стенки грамположительных бактерий являются тейхоевые кислоты , однако точная их функция неизвестна.
- Многие белки клеточной поверхности грамположительных бактерий ковалентно связаны с мембранными липидами или с пептидогликаном.
- Mycobacteria характеризуются наличием специфических компонентов клеточной оболочки, богатых липидами.
Как было отмечено ранее ( рис. 20.2 ), клеточные оболочки грамотрицательных и грамположительных бактерий представляют собой различные структуры. Основное различие в составе их клеточных стенок состоит в том, что по сравнению с грамотрицательными бактериями грамположительные характеризуются более толстым слоем пептидогликана (подробнее о пептидогликанах см. Клеточная стенка бактерий содержит сетчатую структуру пептидогликана ). Кроме того, наряду с пептидогликаном, в клеточной стенке грамположительных бактерий содержится еще один важный класс макромолекулярных полимеров. Как правило, эти полимеры являются полианионами. К числу хорошо известных и наиболее изученных из них принадлежат тейхоевые кислоты . Рис. 20.16 иллюстрирует, что тейхоевые кислоты имеют простую повторяющуюся структуру, состоящую из полимера, содержащего фосфорилированные формы Сахаров или остатков глицерина . Связывание полимера с клеткой происходит одним из двух способов. Липотейхоевые кислоты связываются с остатками жирных кислот цитоплазматической мембраны, а тейхоевые кислоты клеточной стенки связываются с пептидогликаном посредством линкерных групп. В разных бактериях и даже в родственных штаммах одного вида обнаружено огромное количество различных повторяющихся единиц. Полимеры имеют общее свойство - все они являются полианионами, что обусловливается наличием в их составе фосфатных групп . Однако фосфат не играет критической роли, и его отсутствие может заменяться другой группой, например глюкоуронатом . При этом образуется тейхоуроновая кислота . Так же как и пептидогликаны, тейхоевые кислоты синтезируются в цитоплазме, через предшественник, связанный с УДФ , и затем транспортируются вне клетки для сборки.
Тейхоевые кислоты необходимы для жизнедеятельности клетки. Об этом свидетельствует тот факт, что делеция генов, участвующих в их синтезе, приводит к гибели бактерий. Полностью их функции не выяснены, хотя не исключено, что они каким-то образом связаны с поддержанием на клеточной стенке электрического заряда. Также предполагается, что они участвуют в захвате клеткой двухвалентных катионов, контролируют активность ферментов автолиза , действующих на пептидогликан, или обеспечивают общую проницаемость клеточной стенки.
У грамположительных бактерий с отсутствующей наружной мембраной существует два механизма удержания поверхностных белков, с тем чтобы не допустить их потери. Один механизм представлен на рис. 20.17 . Набор белков, секретируемых по общему секреторному пути ( Sec ), подвергается расщеплению специфической сигнальной пептидазой "типа II" (подробнее об общем секреторном пути см. В процессе секреции цитоплазматическая мембрана играет роль селективного барьера). До их расщепления фермент фосфатидилглицеринпролинпротеиндиацилглицерилтрансфераза присоединяет белок к фосфофипидам на наружной стороне цитоплазматической мембраны. Белки, предназначенные для этой "липомодификации", узнаются по наличию сигнала сортинга , который содержит цистеиновый остаток сразу же после сайта расщепления сигнальной пептидазой. Ковалентное связывание белка с наружной поверхностью цитоплазматической мембраны предотвращает его отщепление. У грамположительных бактерий большое количество белков подвергается модификации с участием такого механизма. Например, считается, что у B. subtilis существует более 100 подобных белков. (Хотя у грамположительных бактерий этот механизм чаще используется для поверхностносвязанных белков, липомодифицированные белки также присутствуют у грамотрицательных бактерий.)
Второй механизм удержания белков на клеточной поверхности у грамположительных бактерий состоит в связывании белка с пептидогликаном клеточной стенки. Вообще говоря, многие белки, связанные с клеточной стенкой, по-видимому, участвуют во взаимоотношениях между патогеном и организмом хозяина (хотя это предположение может являться следствием систематической ошибки секвенирования генома патогенного микроорганизма). Ключевым ферментом, принимающим участие в этом процессе, является сортаза ( рис. 20.18 ). Известно большое количество субстратов этого фермента. Наиболее хорошо изучен белок A из Staphylococcus aureus . У белков, прикрепленных к клеточной стенке, на N- и С-концевых участках находятся узнаваемые последовательности. На N-концевом участке присутствует классический расщепляемый сигнальный пептид, необходимый для экспорта белка через цитоплазматическую мембрану. На С-конце, за вторым гидрофобным доменом расположены несколько в основном положительно заряженных аминокислотных остатков. По-видимому, во время работы сортазы этот домен поддерживает С-концевой участок в непосредственной близости от цитоплазматической мембраны. Сайт узнавания сортазой расположен непосредственно перед С-концевым гидрофобным участком и представляет собой короткую последовательность, обычно Leu-Pro-X-Thr-Gly, где X может быть любая аминокислота. В белке расщепляется связь между четвертым и пятым остатками этой последовательности аминокислот, и вероятно, при действии сортазы, он связывается с пептидогликаном амидной связью, хотя пока такой механизм однозначно не продемонстрирован.
Синтез клеточной стенки у грамположительных бактерий сопровождается наращиванием нового материала, которое происходит в направлении изнутри-кнаружи ( рис. 20.19 ). По мере созревания пептидогликана, он мигрирует к внешней стороне, пока не достигнет поверхности, где высвобождается за счет автолиза . Согласно современным представлениям, пептидогликан в релаксированном состоянии включается в состав стенки и, по мере миграции кнаружи, за счет роста клетки, постепенно растягивается. В конце концов, по мере увеличения растяжения, материал оказывается под нагрузкой, и в этот момент наступает гидролиз, после чего продолжается дальнейшее построение клеточной стенки. Остается неразрешенным важный вопрос, каким образом ферменты автолиза регулируют созревание пептидогликана и рост клетки? Также не ясно, насколько модель синтеза пептидогликана "3 вместо 1", объясняющая наращивание клеточной стенки у грамотрицательных бактерий, приложима к многослойной клеточной стенке грамположительных бактерий.
Даже у таких хорошо известных микроорганизмов, как B. subtilis и E. coli, детали строения клеточной стенки исследованы недостаточно. Причем это несмотря на то, что в основе действия наиболее распространенных антибиотиков (особенно бета-лактамов и гликопептидов ) лежит ингибирование синтеза клеточной стенки бактерий. В основном это связано с тем, что внимание исследователей было сосредоточено на изучении биохимии взаимодействия ингибиторов с препаратами очищенных ферментов. К числу неизученных относится важнейший вопрос, касающийся механизма синтеза пептидо-гликана с участием PBP , учитывая трехмерную структуру клеточной стенки растущей бактерии. Для разных микроорганизмов структура клеточной стенки существенно варьирует. Два крайних случая подобной специализации можно проиллюстрировать микоплазмой, у которой вообще отсутствует клеточная стенка, и микобактериями , для которых характерно присутствие сложных жирных кислот, ковалентно связанных с пептидогликаном.
Смотрите также:
