Gramnegativní bakterie

Gramnegativní bakterie (označované Gram (-)) jsou bakterie , které se nebarví krystalovou violetí při použití Gramově barvených mikroorganismů [1] . Na rozdíl od grampozitivních bakterií , které si zachovávají fialovou barvu i po umytí odbarvovacím rozpouštědlem ( alkoholem ), jsou gramnegativní bakterie zcela odbarveny. Po umytí rozpouštědlem přidá Gramovo barvivo kontrastní barvivo (obvykle safranin ), které barví všechny gramnegativní bakterie do červena nebo růžova. To je způsobeno přítomností vnější membrány, která brání pronikání barviva do buňky. Samotný test je užitečný při klasifikaci bakterií a jejich rozdělení do dvou skupin s ohledem na strukturu jejich buněčné stěny . Gramnegativní bakterie jsou díky své mohutnější a neprostupnější buněčné stěně odolnější vůči protilátkám než grampozitivní.

Patogenita gramnegativních bakterií je obvykle spojena s určitými složkami jejich buněčných stěn, konkrétně s vrstvou lipopolysacharidů (LPS nebo endotoxická vrstva) [1] . V lidském těle LPS indukuje imunitní odpověď charakterizovanou syntézou cytokinů a aktivací imunitního systému . Běžnou odpovědí na syntézu cytokinů je zánět , který může také vést ke zvýšení toxických látek v hostiteli.

Charakteristika

Společné znaky společné pro většinu gramnegativních bakterií:

  1. Přítomnost dvou membrán, mezi nimiž je buněčná stěna a periplazmatický prostor .
  2. Tenčí, ve srovnání s grampozitivními bakteriemi , peptidoglykanová vrstva.
  3. Vnější membrána obsahuje lipopolysacharidy (skládá se z lipidu A , polysacharidového jádra a antigenu O na vnější straně a fosfolipidů na vnitřní straně).
  4. Vnější membrána obsahuje poriny , které fungují jako póry pro určité molekuly.
  5. S-vrstva je připojena k vnější membráně a ne k peptidoglykanové vrstvě.
  6. Pokud existuje bičík , má čtyři podpůrné kroužky místo dvou.
  7. Kyselina teichoová a lipoteichoová chybí .
  8. Obvykle netvoří spory (významnou výjimkou je Coxiella burnetii , která tvoří sporovité struktury).
  9. Lipoproteiny jsou připojeny přímo k polysacharidovému skeletu.
  10. Většina z nich obsahuje Brownův lipoprotein , který spojuje vnější membránu a peptidoglukanové řetězce kovalentní vazbou.

Chemické složení a struktura buněčných membrán

Dále jsou zvažovány vrstvy buněčných krytů gramnegativních prokaryot, počínaje nejvnitřnějším:

Buněčná stěna

Gram -negativní eubakterie mají mnohem složitější strukturu buněčné stěny než grampozitivní. Obsahuje mnohem větší množství makromolekul různých chemických typů. Peptidoglykan tvoří pouze vnitřní vrstvu buněčné stěny a volně přilne k CPM . U různých typů gramnegativních eubakterií se obsah tohoto heteropolymeru značně liší. U většiny druhů tvoří jedno- nebo dvouvrstvou strukturu, vyznačující se velmi vzácnými příčnými vazbami mezi heteropolymerními řetězci.

Některé klouzavé bakterie ( myxobakterie , flexibakterie ) jsou schopny periodicky měnit tvar buněk v procesu pohybu po pevném substrátu, například ohýbáním, což svědčí o pružnosti jejich buněčné stěny a především její peptidoglykanové vrstvy. Elektronové mikroskopické vyšetření však odhalilo, že mají buněčnou stěnu typickou pro gramnegativní eubakterie. Nejpravděpodobnějším vysvětlením flexibility buněčné stěny těchto bakterií je extrémně nízké zesíťování jejich peptidoglykanové složky [2] .

Periplazmatický prostor

Objevení se u gramnegativních eubakterií další membrány jako součásti buněčné stěny ve skutečnosti vedlo k vytvoření samostatné dutiny (periplazmatického prostoru), ohraničené od cytoplazmy a vnějšího prostředí specifickými membránami a nesoucí důležitou funkční zátěž [2 ] .

Periplazmatický prostor , kde je ponořena vrstva peptidoglykanu, je vyplněn roztokem, který obsahuje specifické proteiny , oligosacharidy a anorganické molekuly. Existují dva typy periplazmatických proteinů: transportní proteiny a hydrolytické enzymy .


Bylo také zjištěno, že mnoho bakterií je schopno produkovat velké množství enzymů ( glykosidázy , proteázy , lipázy atd.), které hydrolyzují všechny typy molekul polymerů. Posledně jmenované mohou být buď molekuly syntetizované buňkou samotnou, nebo cizí, které se do buňky dostaly zvenčí. Negativní důsledky hydrolýzy vlastních molekul (vlastní trávení) jsou zřejmé. Prokaryota přitom hydrolytické enzymy potřebují, protože se tak rozšiřuje okruh látek, které používají, včetně různých typů polymerů. Je zřejmé, že je potřeba izolovat tyto enzymy z cytoplazmatického obsahu. Gram -pozitivní eubakterie vylučují hydrolytické enzymy do vnějšího prostředí, zatímco u gramnegativních eubakterií jsou lokalizovány v periplazmatickém prostoru.

Vnější membrána

Mimo peptidoglykan je další vrstva buněčné stěny - vnější membrána. Skládá se z fosfolipidů typických pro elementární membrány, proteinů, lipoproteinů a lipopolysacharidů. Specifickou složkou vnější membrány je lipopolysacharid složité molekulární struktury, který zaujímá asi 30-40 % jejího povrchu a je lokalizován ve vnější vrstvě.

Proteiny vnější membrány lze rozdělit na hlavní a vedlejší. Základní proteiny jsou zastoupeny malým počtem různých druhů, ale tvoří téměř 80 % všech proteinů vnější membrány. Jednou z funkcí těchto proteinů je tvorba hydrofilních pórů v membráně o průměru přibližně 1–15 nm a délce 50–70 nm , skloněných k povrchu buněčné stěny pod úhlem 30–40°. . Jejich prostřednictvím se provádí nespecifická difúze molekul o hmotnosti až 600-900 Da . To znamená, že přes takové póry mohou procházet cukry , aminokyseliny , malé oligosacharidy a peptidy . Proteiny, které pronikají vnější membránou a vytvářejí hydrofilní póry, se nazývají poriny. Menší proteiny vnější membrány jsou zastoupeny mnohem větším počtem druhů. Jejich hlavní funkcí je transport a receptor. Příkladem minoritních proteinů jsou proteiny odpovědné za specifický transport sloučenin obsahujících železo do buňky.

Různé funkce plní makromolekuly lokalizované částečně nebo úplně na vnější straně buněčné stěny v kontaktu s prostředím; to jsou specifické receptory pro fágy a koliciny ; antigeny ; makromolekuly, které poskytují mezibuněčné interakce během konjugace , stejně jako mezi patogenními bakteriemi a tkáněmi vyšších organismů.

S-vrstva a oscilinové fibrily

S-vrstva neboli vroubkovaná vrstva  je vrstva hustě zabalených proteinů, které lemují vnější povrch buňky a poskytují ochranu před náhlými změnami pH nebo koncentrací jakýchkoli iontů. Na této vrstvě je vrstva vlasových fibril umístěných mimo vnější membránu sinic , které jsou schopné klouzání. Stejně jako vlasy jsou fibrily horní vrstvy tvořeny tyčinkovitým glykoproteinem zvaným oscillin .

Ke klouzání dochází prostřednictvím sekrece hlenu přes póry na vnější stranu buněčných membrán [3] . Hlen prochází po povrchu oscilačních fibril vnější vrstvy buňky a podél přilehlého substrátu a posouvá fibrily dopředu. Sbírka uspořádaných vlasových fibril tak působí jako pasivní šroub, zatímco hlen prochází po jejich povrchu klouzavým procesem [4] .

Klasifikace

Spolu s analýzou tvaru buněk je Gramovo barvení rychlou diagnostickou technikou, která se dříve používala k seskupování bakteriálních druhů do pododdílů.

Na základě Gramovy skvrny bylo nyní zaniklé království Monera rozděleno do čtyř divizí : Firmacutes (+), Gracillicutes (-), Mollicutes (0) a Mendocutes (var.) [5] . Ale od roku 1987 byla monofylie gramnegativních bakterií zpochybňována a později zcela vyvrácena bimolekulárními studiemi [6] . Někteří autoři, jako T. Cavalier-Smith , je však stále považují za monofyletický klad a přiřazují je do podříše Negibacteria [ 7] .

Struktura vnější buněčné membrány a klasifikace bakterií

Je důležité zdůraznit, že ačkoli se bakterie tradičně dělí do dvou hlavních skupin, grampozitivní a gramnegativní, je tato klasifikace nejednoznačná a svévolná, protože se může týkat tří zcela odlišných aspektů (výsledek barvení, organizace buněčných obalů, taxonomická skupina), které nemusí být nutně stejné pro všechny typy bakterií [8] [9] [10] [11] . Barvící odpověď grampozitivních a gramnegativních bakterií není spolehlivou charakterizací také proto, že tyto dva bakteriální druhy netvoří fylogeneticky jednotnou skupinu [8] . Ať je to jakkoli, ačkoli Gramovo barvení je empirickým kritériem, je založeno na zřetelných rozdílech v ultrastruktuře a chemickém složení dvou hlavních typů prokaryotických buněčných stěn nalezených v přírodě. Oba tyto typy buněčných stěn se od sebe liší přítomností nebo nepřítomností vnější lipidové membrány, což je spolehlivější a základní charakteristika bakteriálních buněk [8] [12] . Všechny grampozitivní bakterie jsou obklopeny jedinou vrstvou fosfolipidové membrány a obvykle mají silnou vrstvu ( 20-80 nm ) peptidoglykanů ( murein atd.), která zadržuje Gramovo barvivo. Úzce souvisí i řada dalších bakterií obklopených jedinou membránou, které se však barví gramnegativní kvůli chybějící peptidoglykanové vrstvě (viz mykoplazmata ) nebo jejich neschopnosti udržet Gramovo barvivo kvůli specifickému složení buněčné stěny na grampozitivní bakterie. Pro bakteriální buňky obklopené jedinou buněčnou membránou byl navržen termín monodermální bakterie nebo monodermální prokaryota [8] [8] [12] . Na rozdíl od grampozitivních bakterií jsou všechny archetypální gramnegativní bakterie kromě cytoplazmatické membrány obklopeny také vnější buněčnou membránou a mezi sebou obsahují extrémně tenkou vrstvu peptidoglykanů ( 2–3 nm ). Přítomnost vnitřní a vnější membrány vede ke vzniku nového buněčného kompartmentu, periplazmatického prostoru . Takové bakterie/prokaryota byly označeny jako didermální bakterie [8] [8] [12] .

Dalším důležitým rozdílem mezi monodermálními a didermálními prokaryoty je konzervovaný soubor delecí v řadě důležitých proteinů (viz DnaK , GroEL ) [8] [9] [12] [13] . Ze dvou strukturně odlišných skupin prokaryotických organismů jsou monodermické bakterie považovány za rodovou skupinu didermických bakterií. Na základě řady pozorování, včetně skutečnosti, že grampozitivní bakterie jsou převážně producenty antibiotik, zatímco gramnegativní bakterie jsou obecně rezistentní vůči antibiotikům, bylo navrženo, že ve vnější buněčné membráně gramnegativních bakterií existuje ochranný mechanismus. bakterií proti selektivnímu působení antibiotik [8] [9] [12] [13] . Některé bakterie, jako je Deinococcus , barví gram pozitivně kvůli silné peptidoglykanové vrstvě, ale mají vnější buněčnou membránu a jsou považovány za meziprodukt mezi monodermy (gram pozitivní) a didermy (gram negativní) [8] [13] . Didermické bakterie lze dále rozdělit na jednoduché didermy , které nemají vrstvu liposacharidů, archetypální didermy , jejichž vnější buněčná membrána obsahuje lipopolysacharidy, a vlastní didermy , jejichž vnější membrána se skládá z kyseliny mykolové [10] [11] [ 13] [14] .

Kromě toho mnoho bakteriálních taxonů (viz Negativicutes , Fusobacteria , Synergistetes a Elusimicrobia ), které jsou součástí kmene Firmicutes nebo jeho blízce příbuzné větve, také vykazuje didermickou buněčnou strukturu [11] [13] [14] . Nicméně konzervovaná delece ( CSI ) v proteinu HSP60 ( GroEL ) slouží jako charakteristický znak všech tradičních typů gramnegativních bakterií ( tj . _ Acidobakterie , atd.) z atypických didermů a dalších typů monodermických bakterií (jako jsou Actinobacteria , Firmicutes , Thermotogae , Chloroflexi atd.) [13] . Přítomnost CSI ve všech sekvenovaných druzích z běžného gramnegativního bakteriálního kmene obsahujícího LPS ukazuje, že tento bakteriální kmen tvoří monofyletický klad a naznačuje, že u žádného druhu v této skupině nedošlo k žádné ztrátě vnější membrány. Tyto údaje hovoří proti hypotéze původu monodermických prokaryot z didermálních ztrátou vnější membrány [13] .

Zobrazit příklady

Proteobakterie  jsou velkou skupinou gramnegativních bakterií, včetně Escherichia coli ( E. coli ), Salmonella , Shigella a dalších Enterobacteriaceae , Pseudomonas , Moraxella , Helicobacter , Stenotrophomonas , Bdellovibrio , bakterie kyseliny octové , Legionella a mnoho dalších. Jiné pozoruhodné skupiny gramnegativních bakterií zahrnují cyanobakterie , spirochety , zelené šedé a nesirné bakterie .

Medicínsky asociované gramnegativní koky zahrnují tři organismy, které způsobují pohlavně přenosná onemocnění ( Neisseria gonorrhoeae ), meningitidu ( Neisseria meningitidis ) a respirační symptomy ( Moraxella catarrhalis ).

Mezi bacily existuje velké množství lékařsky významných druhů. Některé z nich primárně způsobují onemocnění dýchacích cest, jako ( Hemophilus influenzae , Klebsiella pneumoniae , Legionella pneumophila , Pseudomonas aeruginosa ), vylučování ( Escherichia coli , Proteus mirabilis , Enterobacter cloacae , Serratia marcescens ) a typická trávení , Salmonella aeruginosa enterie .

Řada gramnegativních bakterií je spojena s nozokomiálními infekcemi . Patří mezi ně Acinetobacter baumannii , který způsobuje bakteriémii, sekundární meningitidu a ventilátorovou pneumonii u pacientů na jednotkách intenzivní péče.

Význam pro lékařství

Jednou z několika jedinečných vlastností gramnegativních bakterií je struktura vnější buněčné membrány. Vnější vrstva membrány obsahuje komplex lipopolysacharidů , jejichž lipidové části působí jako endotoxiny . Pokud se endotoxiny dostanou do transportního systému, dochází k intoxikaci, následně ke zvýšení teploty, zvýšení dechové frekvence a snížení krevního tlaku. To vše může vést k toxickému šoku a následné smrti.

Tato vnější membrána chrání bakterii před některými antibiotiky , barvivy a detergenty , které normálně poškozují vnitřní membránu nebo buněčnou stěnu. Tato ochrana činí bakterii odolnou vůči lysozymu a penicilinu . Byly však vyvinuty alternativní terapie, jako je lysozym s EDTA a antibiotikum ampicilin , které jsou schopné překonat ochrannou vnější membránu některých patogenních gramnegativních organismů. Ke stejnému účelu mohou být použity další léky, z nichž nejúčinnější jsou chloramfenikol , streptomycin a kyselina nalidixová .

Viz také

Zdroje

  1. ↑ 1 2 3 '' Salton MRJ, Kim KS . struktura. in: Baron's Medical Microbiology (Baron S. et al. , eds.) . — 4. - Univ of Texas Medical Branch, 1996. - ISBN 0-9631172-1-1 . Archivováno 9. února 2009 na Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Gusev M. V., Mineeva L. A. Mikrobiologie: učebnice. - 2003. - 464 s.
  3. ↑ (Hoiczyk a Baumeister, 1998; Hoiczyk, 2000)
  4. ↑ Lee RE Fyziologie. — 4. vyd. — Colorado State University, USA.
  5. ↑ Gibbons, N.E.; Murray, RGE Návrhy týkající se vyšších taxonů bakterií  // International  Journal of Systematic Bacteriology : deník. - 1978. - Sv. 28 , č. 1 . - str. 1-6 . - doi : 10.1099/00207713-28-1-1 .
  6. ↑ Woese CR Bakteriální evoluce.  (anglicky)  // Mikrobiologické recenze. - 1987. - Sv. 51, č.p. 2 . - S. 221-271. — PMID 2439888 .
  7. ↑ Cavalier-Smith T. Zakořenění stromu života pomocí přechodových analýz   // Biol . Přímo : deník. - 2006. - Sv. 1 . — S. 19 . - doi : 10.1186/1745-6150-1-19 . — PMID 16834776 .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gupta RS (1998) Fylogenie proteinů a podpisové sekvence: Přehodnocení evolučních vztahů mezi archaebakteriemi, eubakteriemi a eukaryoty. microbiol. Mol. Biol. Rev. 62: 1435-1491.
  9. ↑ 1 2 3 Gupta RS (2000) Přirozené evoluční vztahy mezi prokaryoty. Crit. Rev. microbiol. 26:111-131.
  10. ↑ 1 2 Desvaux Mickaël , Hébraud Michel , Talon Régine , Henderson Ian R. Sekrece a subcelulární lokalizace bakteriálních proteinů: problém sémantického povědomí  // Trends in Microbiology. - 2009. - Duben ( vol. 17 , No. 4 ). - S. 139-145 . — ISSN 0966-842X . - doi : 10.1016/j.tim.2009.01.004 .
  11. ↑ 1 2 3 Sutcliffe Iain C. Pohled na architekturu obalu bakteriální buňky na úrovni kmene  // Trendy v mikrobiologii. - 2010. - říjen ( roč. 18 , č. 10 ). - S. 464-470 . — ISSN 0966-842X . - doi : 10.1016/j.tim.2010.06.005 .
  12. ↑ 1 2 3 4 5 Gupta RS (1998). Co jsou archaebakterie: třetí doména života nebo monodermální prokaryota příbuzná grampozitivním bakteriím? Nový návrh klasifikace prokaryotických organismů. Molekulární mikrobiologie. 29(3):695-707.
  13. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gupta RS (2011). Původ didermových (Gram-negativních) bakterií: antibiotický selekční tlak spíše než endosymbióza pravděpodobně vedl k evoluci bakteriálních buněk se dvěma membránami. Antonie van Leeuwenhoek. 100:171-182.
  14. ↑ 1 2 Marchandin H. , Teyssier C. , Campos J. , Jean-Pierre H. , Roger F. , Gay B. , Carlier JP , Jumas-Bilak E. Negativicoccus succinicivorans gen. nov., sp. nov., izolované z lidských klinických vzorků, upravený popis čeledi Veillonellaceae a popis Negativicutes classis nov., Selenomonadales ord. listopad. a Acidaminococcaceae fam. listopad. v bakteriálním kmeni Firmicutes.  (anglicky)  // Mezinárodní časopis systematické a evoluční mikrobiologie. - 2010. - Sv. 60, č. Pt 6 . - S. 1271-1279. - doi : 10.1099/ijs.0.013102-0 . — PMID 19667386 .
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích