II. 2. 2. Клеточная оболочка

Клеточная стенка – один из важных структурных элементов бактериальной клетки. Клеточная стенка определяет форму клеток, защищает от внешних воздействий, участвует в транспорте веществ, регуляции роста и деления, обеспечивает коммуникацию с внешней средой. Компоненты клеточной стенки определяют антигенные свойства клетки, акцепторную специфичность к фагам и бактериоцинам.

Состав и строение клеточной стенки – важный систематический признак. В 1884 г. датским ученым Х. Грамом был предложен способ окраски, позволяющий дифференцировать бактерии. После окраски генцианвиолетовым и обработки раствором йода клетки одних бактерий обесцвечиваются спиртом, других – остаются окрашенными в синий цвет. Бактерии по данному признаку подразделяют на окрашивающиеся по Грамму – грамположительные (Г+) и не окрашивающиеся – грамотрицательные (Г-).

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий различаются по химическому составу и ультраструктуре. У грамположительных бактерий толщина клеточной стенки колеблется у разных видов от 20 до 80 нм. Стенка плотно прилегает к ЦПМ, основную ее массу (60–90%) составляет специфический гетерополисахарид – пептидогликан. Пептидогликан построен из чередующихся остатков N-ацетилгюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой посредством β-1,4 гликозидных связей (рис. 7). К N-ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост, состоящий из небольшого числа, обычно 4–5 аминокислот (L-аланина, D-аланина, D-глутаминовой кислоты, лизина или диаминопимелиновой кислоты).

Рис. 7. Структура пептидогликана

Фрагменты пептидогликана соединены пептидными связями, образующимися между терминальным остатком аминокислотного мостика (D-аланина) и предпоследним остатком примыкающего аминокислотного мостика (L-лизином или диаминопимелиновой кислоты) (рис. 8, А). Иногда связь может осуществляться с помощью других аминокислот (рис. 8, Б).

Рис. 8. Пептидные мостики между гетерополисахаридными цепочками

Г – N-ацетилгюкозамин; Глу – глутаминовая кислота; Лиз – лизин; ДАП – диаминопимелиновая кислота; гли – глицин

Гетерополимерные пептидогликановые фрагменты, соединенные гликозидными и пептидными связями, образуют одну гигантскую макромолекулу, покрывающую тело бактерии (рис. 9).

Рис. 9. Клеточная стенка грамположительных (А) и грамотрицательных (Б) бактерий

1 – цитоплазматическая мембрана; 2 – пептидогликан; 3 – периплазматическое пространство; 4 – наружная мембрана; 5 – цитоплазма

Клеточная стенка грамположительных бактерий содержит много тейхоевых кислот. Тейхоевые кислоты (от греч. teichos – стенка) – полимеры, образованные остатками спирта рибита (рибиттейхоевые кислоты) или глицерина (глицеринтейхоевые кислоты), связанные фосфодиэфирными связями (рис. 10). Свободные гидроксильные группы в молекулах спиртов могут быть замещены остатками D-аланина, глюкозы, N-ацетилгюкозамина и некоторых других сахаров. Тейхоевые кислоты ковалентно могут соединяться с N-ацетилмурамовой кислотой.

Тейхоевые кислоты, пронизывая весь пептидогликановый слой, могут достигать наружной поверхности клеточной стенки, и являться, таким образом, основными поверхностными антигенами бактерий. Имеются также и периплазматичеcкие тейхоевые кислоты, располагающиеся между клеточной стенкой и ЦПМ.

В состав клеточной стенки грамположительных бактерий могут входить белки, полисахариды и липиды.

Рис. 10. Структурная формула глицеринтейхоевой кислоты. Содержит чередующиеся остатки D-аланина и N-ацетилгюкозамина

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий значительно тоньше (толщина 14–18 нм) и имеет более сложное строение, чем стенка грамположительных бактерий. Пептидогликанн образует только внутренний слой, неплотно прилегая к ЦПМ (рис. 9). Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки – наружная мембрана, состоящая из фосфолипидов, белков, липопротеина и липополисахарида. Липополисахарид имеет сложное молекулярное строение, локализован во внешнем слое наружной мембраны и занимает около 30–40% ее поверхности (рис. 11). Липополисахарид определяет антигенную специфичность бактерий и является главным фактором их патогенности.

Рис. 11. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий:

1 – цитоплазматическая мембрана; 2 – пептидогликановый слой; 3 – периплазматическое пространство; 4 – молекулы белков; 5 – фосфолипид; 6 – липополисахарид

80% всех белков наружной мембраны (основные белки) участвуют в формировании гидрофильных пор, необходимых для транспорта молекул веществ. Функция минорных белков – транспортная и рецепторная.

У некоторых прокариот отмечено наличие необычной клеточной стенки или полное ее отсутствие. Так, некоторые скользящие бактерии (миксобактерии, флексибактерии) имеют гибкую клеточную стенку, вероятно, вследствие низкой сшитости ее пептидогликанового компонента. Метанобразующие архебактерии содержат пептидогликан особого химического строения. Экстремальные галофильные, метанобразующие и ацидотермофильные архебактерии имеют клеточную стенку, состоящую только из белка; у других представителей этой группы клеточная стенка состоит исключительно из кислого гетерополисахарида. К прокариотам, не имеющим клеточной стенки, относятся группа микоплазм, сапрофитов, внутриклеточных паразитов растений, животных и человека.

Нарушение синтеза клеточной стенки лежит в основе L-трансформации бактерий. Феномен был обнаружен в институте имени Листера и таким необычным бактериям дали название L-форм. Трансформация может происходить как in vitro, так и in vivo (в организме человека и животных). Причинами ее является действие различных факторов (антибиотиков, ферментов, антимикробных антител). Освобождение от клеточной стенки не лишает бактерий жизнеспособности, но позволяет пережить действие неблагоприятных факторов, а по их устранении – возвращаться в исходное состояние. Однако, если генетический контроль синтеза клеточной стенки сильно нарушен, L-трансформация приобретает необратимый характер.