Клеточная стенка и оболочка бактерий

Клеточная оболочка бактерий представляет собой многослойную границу, которая защищает клетку, поддерживает ее форму против тургорного давления и опосредует обмен с окружающей средой, при этом пептидогликан является ее определяющим структурным полимером.

Definition

Клеточная оболочка бактерий включает слои, расположенные снаружи от цитоплазмы — цитоплазматическую мембрану, пептидогликановую клеточную стенку и, у грамотрицательных бактерий, внешнюю мембрану, — которые вместе защищают клетку и регулируют ее взаимодействие с окружающей средой.

Scope

Эта тема охватывает структуру и биосинтез пептидогликана; контрастирующие архитектуры грамположительной клеточной стенки и грамотрицательной клеточной стенки с ее внешней мембраной и липополисахаридом; тейхоевые кислоты, периплазму и порины; клеточную стенку архей и отсутствие в ней пептидогликана; а также основы окрашивания по Граму. Она связывает химию клеточной оболочки с окрашиванием, действием антибиотиков и иммунным распознаванием.

Core questions

• Как пептидогликан обеспечивает механическую прочность, допуская при этом рост?
• Какие структурные особенности отличают грамположительные оболочки от грамотрицательных?
• Почему многие антибиотики нацелены на синтез клеточной стенки?
• Чем археальные оболочки отличаются от бактериальных?

Key concepts

• Структура и сшивки пептидогликана
• Грамположительная клеточная стенка и тейхоевые кислоты
• Грамотрицательная внешняя мембрана и липополисахарид
• Периплазма и порины
• Основы окрашивания по Граму

Mechanisms

Пептидогликан представляет собой сетку гликоновых цепей, сшитых короткими пептидами, образующую непрерывный саккул, который противостоит тургорному давлению. В грамположительных клетках этот слой толстый и ассоциирован с тейхоевыми кислотами; в грамотрицательных клетках он тонкий и расположен в периплазме под внешней мембраной, липополисахарид которой действует как барьер и эндотоксин. Синтез клеточной стенки требует точно скоординированных ферментов, которые встраивают новый материал, сохраняя целостность, поэтому нарушение этих этапов смертельно для клетки.

Clinical relevance

Пептидогликановая клеточная стенка уникальна для бактерий и является мишенью важных классов антибиотиков, таких как бета-лактамы и гликопептиды, в то время как липополисахарид внешней мембраны грамотрицательных бактерий является мощным стимулятором иммунных ответов хозяина, что делает структуру клеточной оболочки центральной как для антимикробного действия, так и для взаимодействий между хозяином и микробом.

History

Дифференциальный метод окрашивания Кристиана Грама, введенный в 1884 году, разделил бактерии на две большие группы, различие между которыми позднее было объяснено различиями в архитектуре клеточной стенки, выявленными с помощью биохимии и электронной микроскопии в двадцатом веке, связав классическое окрашивание с молекулярной структурой.

Key figures

• Christian Gram
• Hans Christian Joachim Gram

Seminal works

• willey2020
• madigan2018

Frequently asked questions

Почему бета-лактамные антибиотики действуют на бактерии, но не на клетки человека?

Бета-лактамы нарушают работу ферментов, которые строят пептидогликан — полимер, обнаруживаемый только в клеточных стенках бактерий. Клетки человека не содержат пептидогликана, поэтому эти препараты избирательно действуют на бактериальную мишень.