Blog Posted by on 2-2-2025 in Взаємодія в роботі

Фотографія зроблена трансмісійним електронним мікроскопом. Клітинні покриви ціанобактерії Phormidium uncinatum. Клітинні покриви (CW) складається з, цитоплазматичної мембрани (CM), пептидогліканового шару (P), периплазматичного простору (PS) та зовнішньої мембрани (OM). На додаток, у ціанобактерій є два додаткові зовнішні шари, типові для рухомих клітин, зовнішній зубчастий шар (EL) і шар осцилюючих волоско-подібних фібрил (F). (CJ) Місце секреції слизу; (JP) пори у зовнішній мембрані. [1]

Грамнегативні бактерії це бактерії, які не фарбуються кристалічним фіолетовим при фарбуванні за Грамом. [2] На відміну від грамнегативних, які повністю знебарвлюються, грампозитивні бактерії збережуть фіолетове забарвлення навіть після промивання знебарвлюючим розчинником (спирт). Після промивання розчинником при фарбуванні за Грамом додається контрастний барвник (зазвичай сафранін), який забарвлює всіх грамнегативних бактерій у червоний або рожевий колір. Це відбувається через наявність зовнішньої мембрани, що перешкоджає проникненню барвника всередину клітини. Сам по собі тест корисний при класифікації бактерій та поділ їх на дві групи щодо будови їх клітинної стінки. Через свою більш потужну і непроникну клітинну стінку грамнегативні бактерії більш стійкі до антитіл ніж грампозитивні.

Зазвичай патогенність грамнегативних бактерій пов'язують із певними компонентами їх клітинних стінок, а саме, з ліпополісахаридним шаром (ЛПС або ендотоксичний шар). [2] У людському організмі ЛПС викликає імунну відповідь, яка характеризується синтезом цитокінів та активацією імунної системи.Звичайною реакцією на синтез цитокінів є запалення, що може призвести до збільшення кількості токсичних речовин в організмі господаря.

Характеристика

Відмінність між клітинною стінкою грампозитивних та грамнегативних бактерій

Загальні ознаки, властиві більшості грамнегативних бактерій:

  1. Наявність двох мембран, між якими знаходиться клітинна стінка та периплазматичний простір
  2. Більш тонкий, порівняно з грампозитивними бактеріями, пептидоглікановий шар
  3. Зовнішня мембрана містить ліпополісахариди (складається з ліпіду А, полісахаридного ядра та антигену Про зовні та з фосфоліпідів зсередини)
  4. У зовнішній мембрані присутні порини, що функціонують подібно до порів для певних молекул
  5. S-шар прикріплений до зовнішньої мембрани, а не до пептидогліканового шару
  6. Якщо є джгутик, він має чотири підтримуючі кільця, а не два
  7. Відсутні тейхоєва та ліпотейхоєва кислоти
  8. Зазвичай не утворюють суперечку (примітним винятком є Coxiella burnetii, що утворює спороподібні структури)
  9. Ліпопртеїни прикріплені безпосередньо до полісахаридної основи.
  10. Більшість містять ліпопротеїн Брауна, який пов'язує зовнішню мембрану та ланцюжки пептидоглюканів ковалентним зв'язком.

Хімічний склад та структура клітинних покривів

Далі розглянуті шари клітинних покривів грамнегативних прокаріотів, починаючи з внутрішнього:

Клітинна стінка

У грамнегативних еубактерій будова клітинної стінки набагато складніше, ніж у грампозитивних. До її складу входить набагато більше макромолекул різного хімічного типу. Пептидоглікан утворює лише внутрішній шар клітинної стінки, нещільно прилягаючи до ЦПМ.Для різних видів грамнегативних еубактерій вміст гетерополімеру коливається в широких межах. У більшості видів він утворює одно-або двошарову структуру, що характеризується дуже рідкісними поперечними зв'язками між гетерополімерними ланцюгами.

Деякі ковзні бактерії (міксобактерії, флексібактерії) здатні в процесі переміщення по твердому субстрату періодично змінювати форму клітин, наприклад шляхом згинання, що говорить про еластичність їх клітинної стінки, і в першу чергу її пептидогліканового шару. Електронно-мікроскопічне вивчення, однак, виявило у них клітинну стінку, типову для грамнегативних еубактерій. Найбільш ймовірне пояснення гнучкості клітинної стінки цих бактерій – надзвичайно низька зшитість її пептидогліканового компонента. [3]

Периплазматичний простір

Поява у грамнегативних еубактерій додаткової мембрани у складі клітинної стінки фактично призвело до створення відокремленої порожнини (периплазматичного простору), відмежованої від цитоплазми та зовнішнього середовища специфічними мембранами та несучою важливе функціональне навантаження. [3] Периплазматичний простір, куди занурений пептидоглікановий шар. заповнено розчином, до складу якого входять специфічні білки, олігосахариди та неорганічні молекули. Периплазматичні білки представлені двома типами: транспортними білками та гідролітичними ферментами.

Було виявлено також, що багато бактерій здатні у великих кількостях виробляти ферменти (глікозидази, протеази, ліпази та ін.), що гідролізують усі типи полімерних молекул. Останніми може бути як молекули, синтезовані самої клітиною, і чужорідні, які у клітину ззовні.Негативні наслідки гідролізу власних молекул (самоперетравлення) очевидні. У той же час прокаріоти потребують гідролітичних ферментів, оскільки це розширює коло використовуваних ними речовин, включаючи полімери різного типу. Стає зрозумілою необхідність ізолювання цих ферментів від цитоплазматичного вмісту. Грампозитивні еубактерії виділяють гідролітичні ферменти у зовнішнє середовище, у грамнегативних – вони локалізовані в периплазматичному просторі.

Зовнішня мембрана

Зовні від пептидоглікану розташовується додатковий шар клітинної стінки – зовнішня мембрана. Вона складається з фосфоліпідів, типових для елементарних мембран, білків, ліпопротеїну та ліпополісахариду. Специфічним компонентом зовнішньої мембрани є ліпополісахарид складної молекулярної будови, що займає близько 30-40% її поверхні та локалізований у зовнішньому шарі.

Білки зовнішньої мембрани можна розділити на основні та мінорні. Основні білки представлені невеликою кількістю різних видів, але становлять майже 80% всіх білків зовнішньої мембрани. Одна з функцій цих білків – формування в мембрані гідрофільних пір діаметром приблизно 1-15 нм і довжиною 50-70 нм, нахилених до поверхні клітинної стінки кутом 30-40 °. Через них здійснюється неспецифічна дифузія молекул із масою до 600-900 Так. Це означає, що через такі пори можуть проходити цукри, амінокислоти, невеликі олігосахариди та пептиди. Білки, що пронизують зовнішню мембрану наскрізь і утворюють гідрофільні пори, називають поринами. Мінорні білки зовнішньої мембрани представлені набагато більшим числом видів. Їхня основна функція — транспортна та рецепторна.Прикладом мінорних білків можуть бути білки, відповідальні за специфічний транспорт у клітину залізовмісних сполук.

Різноманітні функції виконують макромолекули, локалізовані частково або повністю на зовнішній стороні клітинної стінки, що контактує з довкіллям; це специфічні рецептори для фагів та коліцинів; антигени; макромолекули, що забезпечують міжклітинні взаємодії при кон'югації, а також між патогенними бактеріями та тканинами вищих організмів.

S-шар та осцилінові фібрили

S-шар або зубчастий шар – Шар з волоскоподібних фібрил, знаходиться за межами зовнішньої мембрани в клітинній стінці ціанобактерій здатних до ковзання. Подібні до волських фібрили верхнього шару складаються зі стержнеподібного глікопротеїну, званого осцилін.

Ковзання відбувається за допомогою секреції слизу через пори на зовнішній бік клітинних покривів. [4] Слиз проходить вздовж поверхні з осцилінових фібрил зовнішнього шару клітини і розташованим поруч субстрату, просуваючи фібрили вперед. Сукупність організованих волоскоподібних фібрил таким чином діє як пасивний гвинт, у той час як слиз проходить по поверхні в процесі ковзання. [5]

Класифікація

Поряд із формою клітини, фарбування за Грамом це швидкий діагностичний метод, який раніше використовувався для групування видів бактерій у підвідділи.

Грунтуючись на забарвленні за Грамом, нині ліквідоване царство Monera було поділено на чотири дивізіони: Firmacutes (+), Gracillicutes (-), Mollicutes (0) та Mendocutes (Var.). [6] Але починаючи вже з 1987 року, монофілія грамнегативних бактерій була поставлена ​​під сумнів, а потім і повністю спростована бімолекулярними дослідженнями.[7] Однак деякі автори, такі як Кавалір-Сміт, все ще вважають їх монофелітичною скарбницею і відносять до підцарства "Negibacteria". [8]

Будова зовнішньої клітинної мембрани та класифікація бактерій

Важливо вказати на те, що хоча бактерії традиційно діляться на дві основні групи, Грампозитивні та Грамнегативні, така класифікація є двозначною та умовною, оскільки може відноситься до трьох абсолютно різних аспектів (результат фарбування, організація клітинних покривів, таксономічна група), які необов'язково збігаються для всіх видів бактерій [9] [10] [11] [12] Реакція на фарбування грампозитивних та грамнегативних бактерій не є надійною характеристикою також і тому, що ці два види бактерій не формує філогенетично єдину групу. [9] Як би там не було, хоча фарбування за Грамом і є емпіричним критерієм, в його основі лежать виразні відмінності в ультраструктурі та хімічному складі двох головних видів прокаріотичних клітинних стінок, що зустрічаються в природі. Обидва ці види клітинних стінок відрізняються один від одного за наявністю або відсутністю зовнішньої ліпідної мембрани, яка є більш надійною та фундаментальною характеристикою бактеріальних клітин. [9] [13] Всі грампозитивні бактерії оточені єдиним шаром фосфоліпідної мембрани і зазвичай мають товстий шар (20-80 нм) з пептидогліканів (муреїн та ін.), що зберігає на собі барвник Граму. Ряд інших бактерій, оточених єдиною мембраною, але забарвлюються грамнегативно через відсутність пептидогліканового шару (див. мікоплазми) або своєї нездатності утримувати барвник Грама внаслідок специфічного складу клітинної стінки, також знаходиться в близькій спорідненості з грампозитивними бактеріями.Для бактеріальних клітин, оточених однією клітинною мембраною, був запропонований термін Монодермні Бактерії або Монодермні Прокаріоти. [9] [9] [13] На противагу грампозитивним бактеріям, всі архітіпові грамнегативні бактерії, крім цитоплазматичної мембрани оточені ще й зовнішньою клітинною мембраною і містять між ними вкрай тонкий шар пептидогліканів (2-3 нм). Наявність внутрішньої та зовнішньої мембран породжує новий клітинний компартмент – периплазматичний простір. Такі бактерії/прокаріоти були позначені як Дидермні Бактерії. [9] [9] [13] Ще одна важлива відмінність між монодермними та дидермними прокаріотами – консервативний набір делецій у ряді важливих білків (див. DnaK, GroEL). [9] [10] [13] [14] З двох структурно різних груп прокаріотичних організмів, монодермні бактерії вважаються предковою групою по відношенню до дидермних. Грунтуючись на низці спостережень, включаючи той факт, що грампозитивні бактерії здебільшого продуценти антибіотиків, а грамнегативні бактерії зазвичай до таких стійкі, було висловлено припущення, що у зовнішньої клітинної мембрани грамнегативний бактерій існує захисний механізм проти селективної дії антибіотиків. [9] [10] [13] [14] Деякі бактерії, як наприклад Deinococcus, забарвлюються грампозитивно через товстий пептидоглікановий шар, але володіють зовнішньою клітинною мембраною і вважаються проміжною ланкою між монодермами (грампозитивні) і дидермами (грамнегативні). [9] [14] Дидермні бактерії у свою чергу можуть бути поділені на простих дидерм, у яких немає шару ліполісахаридів, архітіпові дидерми, чия зовнішня клітинна мембрана містить ліполісахариди та власне дидерм, зовнішня мембрана яких складається з міколової кислоти[11] [12] [14] [15] На додаток, багато бактеріальних таксонів (див. Negativicutes, Fusobacteria, Synergistetes і Elusimicrobia), які є частиною типу Firmicutes або його близькоспорідненою гілкою, також мають дидермну структуру клітини. [12] [14] [15] Однак, консервативна делеція (CSI) в білку HSP60 (GroEL) служить відмітним знаком всіх традиційних типів грамнегативних бактерій (тобто Proteobacteria, Aquificae, Chlamydiae, Bacteroidetes, Chlorobi, Cyanobacteria, Fibrobacteria , Planctomycetes, Spirochetes, Acidobacteria, ітд.) від атипових дидерм та інших типів монодермних бактерій (e.g. Actinobacteria, Firmicutes, Thermotogae, Chloroflexi, etc.). [14] Наявність CSI у всіх секвенованих видах із звичайних ЛПС-містять типів грамнегативних бактерій, доводить, що цей тип бактерій формує монофілітичну скарбу, і говорить на користь того, що в цій групі в жодного виду не відбувалася втрата зовнішньої мембрани. Ці дані говорять проти гіпотези про походження монодермних прокаріотів від дидермних шляхів втрати зовнішньої мембрани. [14]

Приклади видів

Протеобактерії велика група грамнегативних бактерій, що включає Escherichia coli (E. coli), Salmonella, Shigella, та інших Enterobacteriaceae, Pseudomonas, Moraxella, Helicobacter, Stenotrophomonas, Bdellovibrio, оцтовокислих бактерій, Legionella та безліч інших. Інші примітні групи грамнегативних бактерій включають ціанобактерій, спірохет, зелених сіро і не-сіро бактерій.

Пов'язані з медициною грамнегативні Коккі включають три організми, що викликають захворювання, що передаються статевим шляхом (Neisseria gonorrhoeae), що викликає менінгіт (Neisseria meningitidis), та респіраторні симптоми (Moraxella catarrhalis).

Серед бацил є велика кількість значимих для медицини видів.Деякі з них насамперед викликають проблеми з диханням, як наприклад (Hemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa), в першу чергу проблеми з сечовипусканням (Escherichia coli , Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Serratia marcescens), та шлунково-кишкового тракту (Helicobacter pylori, Salmonella enteritidis, Salmonella typhi).

Грам-негативних бактерій, пов'язаних з внутрішньолікарняними інфекціями, включаючи Acinetobacter baumannii, Що викликає бактеріємію, вторинний менінгіт, і вентилятор-асоційованої пневмонії при лікуванні у відділенні інтенсивної терапії.

Значення для медицини

Одна з кількох унікальних характеристик грамнегативних бактерій – це структура зовнішньої клітинної мембрани. Зовнішній лист мембрани включає комплекс ліпополісахаридів, ліпідні частини яких виконують роль ендотоксинів. Якщо ендотоксини потрапляють у транспортну систему, відбувається інтоксикація, з подальшим збільшенням температури, підвищенням частоти дихання та зниженням кров'яного тиску. Все це може призвести до токсичного шоку і подальшого смерті.

Ця зовнішня мембрана захищає бактерію від деяких антибіотиків, барвників та детергентів, які в нормі пошкоджують внутрішню мембрану або клітинну стінку. Такий захист робить бактерію стійкою до лізоциму та пеніциліну. Однак, були розроблені альтернативні методи лікування, такі як лізоцим з EDTA та антибіотик ампіцилін, здатні впоратися із захисною зовнішньою мембраною деяких патогенних грампозитивних організмів. Для цієї ж мети можуть бути використані й інші ліки, найбільш ефективні з яких хлорамфенікол, стрептоміцин та налідиксова кислота.

також

Джерела

  1. ↑ (From Hoiczyk and Baumeister, 1995.)
  2. ↑ 12Salton MRJ, Kim KSСтруктура. in: Baron's Medical Microbiology (Baron S та ін., eds.). – 4th. – Univ of Texas Medical Branch, 1996. – ISBN 0-9631172-1-1
  3. ↑ 12 Мікробіологія, Гусєв М.В, Мінєєва Л.А. Підручник 2003 -464с
  4. ↑ (Hoiczyk та Baumeister, 1998; Hoiczyk, 2000)
  5. ↑ Phycology Fourth edition by Robert Edward Lee; Colorado State University, USA
  6. ↑ Gibbons, N. E. (1978). "Proposals Concerning the Higher Taxa of Bacteria". International Journal of Systematic Bacteriology28 (1): 1–6. DOI:10.1099/00207713-28-1-1.
  7. ↑PMID 2439888 (PubMed)
    Цитата з'явиться автоматично за кілька хвилинJump the queue or expand by hand
  8. ↑ Cavalier-Smith T (2006). "Rooting the tree of life by transition analyses". Biol. Direct1: 19. DOI:10.1186/1745-6150-1-19. PMID 16834776.
  9. ↑ 12345678910 Gupta, R.S. (1998) Protein phylogenies and signature sequences: Reappraisal of evolutionary relationships від archaebacteria, eubacteria and eukaryotes. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62: 1435-1491.
  10. ↑ 123 Gupta, RS (2000) Натуральні еволюційні відносини між прокаріотами. Crit. Rev. Microbiol. 26: 111-131.
  11. ↑ 12 , Desvaux M, Hébraud M, Talon R, Henderson IR. 2009. Секретність і субcellular locations of bacterial proteins: a semantic awareness issue. Trends Microbiol. 17:139–145. DOI:10.1016/j.tim.2009.01.004
  12. ↑ 123 , Sutcliffe IC. 2010. A phylum level perspective on bacterial cell envelope architecture. Trends Microbiol. 18:464–470. DOI:10.1016/j.tim.2010.06.005
  13. ↑ 12345 Gupta, R. S. (1998). What are archaebacteria: life's 3d domain or monoderm prokaryotes відносяться до Gram-positive bacteria? Новий proposal для класифікації прокаріотичних організмів. Molecular Microbiology. 29 (3): 695-707.
  14. ↑ 1234567 Gupta, R. S. (2011). Предметом дидерму (Gram-negative) bacteria: antibiotic selection pressure rather than endosymbiosis likely led to evolution bacterial cells with 2 membranes. Antonie van Leeuwenhoek. 100:171-182.
  15. ↑ 12PMID 19667386 (PubMed)
    Цитата з'явиться автоматично за кілька хвилинJump the queue or expand by hand
  • Мікробіологія
  • Бактеріологія
  • Фарбування мікроскопічних препаратів

Wikimedia Foundation. 2010 .

Грамнегативні бактерії - Kozak

Грамнегативні бактерії – це бактерії, що не фарбуються за Грамом. За структурою та хімічним складом клітинної стінки грампозитивні бактерії різко відрізняються від грамнегативних бактерій [3] [1] .

При фарбуванні фіксованих клітин бактерій кристалвіолетом або генціанвіолетом, з подальшим протруюванням розчином Люголя, промиванням спиртом, водою і дофарбування 1%-ним водним фуксином грамнегативні бактерії набувають червоного кольору. Докладніше технологію фарбування описано у статті «Забарвлення бактерій за Грамом» [3] [1] .

Клітинна стінка грамнегативних бактерій

1. Зовнішня мембрана; 2. Периплазматичний простір; 3. Муреїн; 4. Периплазматичний простір; 5. Цитоплазматична мембрана [2].

Особливості структури та хімічного складу клітинної стінки

Клітинна стінка грамнегативних бактерій багатошарова, завтовшки 14-17 нм. Внутрішній шар клітинної стінки представлений муреїном. На його частку припадає від 1% до 10% її сухої маси [2] .

Структурні мікрофібрили пептидоглікану грамнегативних бактерій пошиті менш компактно. Пори в їхньому пептидоглікановому шарі значно ширші, ніж у молекулярному каркасі грампозитивних бактерій [2] .

Зовнішній шар клітинної стінки грамнегативних бактерій (зовнішня або зовнішня мембрана) утворений фосфоліпідами, ліпопротеїнами та білками [2] .

За будовою зовнішня мембрана характеризується своєрідною організацією, властивою елементарних мембран. Основна фракція зовнішньої мембрани – ліпіди. Вони становлять у середньому 22% сухої маси клітинної стінки [2] .

У зовнішній мембрані є трансмембранні білки, які пронизують мембрану наскрізь. Вони являють собою заповнені водою канали та гідрофільні пори у ліпофільній мембрані та названі поринами. Існує кілька типів поринів, що здійснюють транспорт через мембрану низькомолекулярних гідрофільних речовин [2] .

Одна з відмінних рис грамнегативних бактерій – відсутність в клітинній стінці тейхоєвих кислот [2] .

Компоненти клітинної стінки грамнегативних бактерій розділені електронно-прозорим шаром та чітко відокремлені від цитоплазматичної мембрани. Простір між цитоплазматичної та зовнішньої мембраною отримало найменування – периплазматичний простір [2] .

У периплазматичному просторі розташовані білки, такі як протеїнази, нуклеази, периферичні білки цитоплазматичної мембрани, рестриктази, пермеази (сполучні білки, що беруть участь у перенесенні деяких субстратів у цитоплазму) [2] .

Грамнегативні фітопатогенні бактерії

У дев'ятому виданні визначника бактерій Берджі грамнегативні еубактері, що мають клітинні стінки, відносяться до типу Gracilicutes. До них належать багато фітопатогенних бактерій:

  • Agrobacterium tumefaciens– збудник бактеріального раку винограду;
  • Erwinia amylovora– збудник захворювання Опік плодових дерев, що ідентифікується в патокомплексі корнієду цукрових буряків;
  • Peзtobacterium(Erwinia)carotovorumsubsp.atrosepticum– Збудник захворювань: чорна ніжка томату, чорна ніжка картоплі. Паразитує на багатьох видах сімейства Пасльонових;
  • Pseudomonas chlororaphis –фітопатоген виявлено у патокомплексі бактеріальної форми захворювання – корнієду цукрових буряків;
  • Pseudomonas syringae pv.coronafaciens– збудник захворювання на ореольний бактеріоз вівса;
  • Xanthomonas campestris pv. campestris – збудник захворювання судинний бактеріоз хрестоцвітих культур.

Грамнегативні бактерії - Kozak

Знайдено речовину для боротьби із супербактеріями

У Великій Британії розробили нову сполуку, яка нейтралізує стійкі грамнегативні бактерії, включаючи кишкову паличку. Відкриття перетворить боротьбу із вбивчими супербактеріями.

Найцікавіші технологічні та наукові новини виходять у нашому телеграм-каналі Хайтек+. Підпишіться, щоб знати.

За оцінками Всесвітньої організації охорони здоров'я, до 2050 стійкість до антибіотиків призведе до смерті близько 10 млн осіб. Резистентність бактерій фахівці називають головною глобальною проблемою сучасної медицини, над розв'язанням якої працюють тисячі вчених у всьому світі. Дослідникам із Шеффілдського університету вдалося розробити нову сполуку, яка вбиває стійкі грамнегативні бактерії, пише EurekAlert.

Нові методи лікування грамнегативних бактерій мають життєво важливе значення, оскільки такі мікроорганізми дуже швидко стають несприйнятливими до діючих препаратів, пояснюють вчені. Штами цих бактерій викликають пневмонію, інфекції сечовивідних шляхів, кровоносної системи та інші.

Команда протестувала речовину на стійких до протимікробних препаратів бактеріях, включаючи кишкову паличку.

Поєднання, ймовірно, має кілька механізмів дії, що ускладнює виникнення стійкості до ліків, заявили автори.

Крім того, сполука люмінесцентна, тобто дозволяє спостерігати за поведінкою бактерій за допомогою найсучасніших методів мікроскопії.Про інші деталі дослідження, як і про назву речовини, поки не повідомляється.

Попереду вчені мають ще багато роботи. Тепер команда тестуватиме речовину для інших мультирезистентних бактерій. Автори вважають, що відкриття може призвести до появи життєво важливих методів придушення супербактерій та знизити смертність у всьому світі.

Поряд із безконтрольним прийомом антибіотиків новою причиною масової резистентності до препаратів можуть бути зміни клімату, довели європейські вчені.