Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Клеточные полисахариды
Структура клеточных стенок прокариот

Большинство прокариот имеют на поверхности плазматической мембра­ны жесткую, многослойную клеточную стенку, которая выполняет функцию механической защиты клетки, а также придает ей форму. Клеточная стенка может быть отделена от мембраны периплазматическим пространством, в котором находятся ферменты и белки, связывающие питательные вещества. В отличие от плазматической мембраны, клеточная стенка проницаема для солей и низкомолекулярных соединений. Основу клеточных стенок большинства прокариот составляет пептидогликан муреин. Однако состав и струк­тура клеточных стенок двух самых представительных отделов прокариот (Gracilicutes и Firmicutes) сильно различается, что положено в основу диффе­ренциального метода окраски бактерий по Граму.

Клеточная стенка грамположительных бактерий. Практически це­ликом состоит из муреина. Этот гетерополимер содержит чередующиеся ос­татки N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, связанные меж­ду собой β(1→4)-гликозидными связями. Молекула муреина уникальна по своему строению, поскольку содержит D-аминокислоты, диаминопимелиновую кислоту и y-пептидную связь (рис. 5.4).

Необычность строения муреина выражается, в первую очередь, в особен­ностях тетрапептида в составе N-ацетилмурамовой кислоты. Первую позицию в нем занимает L-аланин, вторую — D-изоглутаминовая кислота (либо какая-нибудь минорная аминокислота). Изоглутаминовая кислота формирует пеп­тидную связь с L-лизином с помощью своей y-карбоксильной группы (у-пептидная связь), а не a-карбоксильной группы, как обычно. Третью позицию в тетрапептиде занимает L-лизин, который имеет боковую аминогруппу, хотя он может быть замещен на другие кислоты с бо­ковой аминогруппой (диаминопимелиновую или диаминомасляную) (рис. 5.5). Последнюю позицию в тетрапептиде всегда занимает D-аланин. D-Аминокислоты в составе муреина придают ему повышенную устойчивость к протеолитическим ферментам.

Рис. 5.4. Структура мономерного звена молекулы муреина

Линейные цепи пептидогликана, в которых чередуются дисахаридпептидные звенья (рис. 5.4), составляют основу муреина. Его структуру усложняют короткие пептиды, поперечно сшивающие полисахаридные цепи. Благодаря множеству поперечных сшивок возникает одна огромная мешковидная мак­ромолекула, которую называют муреиновым каркасом. Поперечные сшивки чаще всего представлены пентаглициновыми пептидами (мостиками), но в их состав могут входить и другие аминокислоты: L-аланин, L-треонин или L- серин. При формировании сшивок карбоксильная группа одного концевого остатка глицина в пентаглициновом мостике образует пептидную связь с бо­ковой аминогруппой лизина в составе тетрапептида N-ацетилмурамовой ки­слоты какой-либо цепи, а свободная аминогруппа другого концевого остатка в пентаглициновом мостике образует пептидную связь со свободной карбок­сильной группой концевого остатка D-аланина в составе N-ацетилмурамовой кислоты той же или другой муреиновой цепи (рис. 5.6). Таким образом, один тетрапептид может участвовать в образовании сразу двух сшивок между це­пями с помощью пентаглициновых мостиков.

Сформированная в результате сложная муреиновая сеть упрочняется тейхоевыми кислотами, которые покрывают слои пептидогликана или инкрусти­руют их. Тейхоевые кислоты представляют собой цепочки из молекул глицерола или пятиатомного спирта рибитола, связанные между собой фосфодиэфирными мостиками (рис. 5.5). В одной молекуле тейхоевой кислоты встречается около 30 остатков спиртовых молекул. В эту цепочку могут быть включены остатки молекул аминокислот или сахаров. Гидро­ксильные группы спиртов в составе тейхоевых кислот используются для свя­зывания пептидогликановых слоев друг с другом и делают муреиновый кар­кас более прочным.

Рис. 5.5. Структура отдельных компонентов клеточных стенок прокариот

Рис. 5.6. Структура муреина: NAG — остаток N-ацетилглюкозамина в линейной цепи пептидогликана; NAM — остаток N-ацетилмурамовой ки­слоты; (Gly)₅ — пентаглициновый мостик, связывающий между собой аминокислоты в составе тетрапептида N-ацетилмурамовой кислты

Всего в составе клеточной стенки грамположительных бактерий насчиты­вается около 40 слоев муреина, и он составляет 30—70% сухой массы кле­точной стенки. Стенка сохраняет прочность и форму клетки даже в том слу­чае, когда клеточное содержимое ликвидируется, например растворяется ки­слотой.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий. У грамотрицательных бактерий клеточная стенка организована более сложно, чем у грамположительных. Ее основными отличительными особенностями являются сле­дующие: муреиновая сеть однослойная и составляет только 5—10% сухой массы клеточной стенки; в стенке отсутствуют тейхоевые кислоты; на по­верхности пептидогликанового слоя есть богатая липидами наружная мем­брана (рис. 5.7). По структуре муреин грамотрицательных бактерий отличает­ся от такового грамположительных низким содержанием поперечных сшивок и меньшим разнообразием диаминокислот.

Наружная мембрана представляет собой толстый слой клеточной стенки и состоит из липополисахаридов, фосфолипидов и белков. Принципиальная структура этого слоя очень похожа на структуру плазматической мембраны. Непосредственно над муреиновым слоем расположен слой фосфолипидов, молекулы которых ориентированы своими гидрофильными головками к муреину, а гидрофобными «хвостами» — к слою липополисахаридов. Липопо­лисахариды служат основными компонентами наружной мембраны и имеют необычное строение. Их молекулы состоят из трех частей: липида А, ядра и О-антигенов.

Липид А — «скелет» сложной молекулы — представляет собой дисахаридные звенья, образованные двумя остатками N-ацетилглюкозамина, свя­занными β-(1→4)-гликозидными связями, которые многократно повторяются и соединяются между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков. К остат­кам N-ацетилглюкозамина присоединяются остатки жирных кислот, которые совместно с фосфолипидами формируют липидный бислой. В двойной ли­пидный бислой, образованный липополисахаридами и фосфолипидами, вкра­плены молекулы белков. Они пронизывают бислой и представляют собой трансмембранные транспортные белки, ответственные за перенос веществ через наружную мембрану. Снаружи к липиду А присоединяются полисаха­ридные молекулы, которые можно разделить по длине на 2 части — ядро (включает 8—10 остатков моносахаридов и почти у всех грамотрицательных бактерий имеет одинаковую структуру) и О-антигены. Последние представ­ляют собой вариабельную часть наружных полисахаридов и чаще всего обра­зованы тетрасахаридными последовательностями, которые могут повторяться в одной молекуле до 50 раз (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий

В отличие от ацильной части липида А, олигосахариды ядра и О-боковые цепи высоко гидрофильны. Ряд сахаров в липополисахариде фосфорилирован, и молекула в целом имеет отрицательный заряд. Для поддержания ста­бильности липополисахаридного слоя в нем присутствуют в большом количе­стве ионы Са²⁺. О-боковые цепи находятся на самой поверхности клетки и образуют так называемый «молекулярный ворс». Они служат рецепторами для адсорбции многих бактериофагов, а также являются главными антиген­ными детерминантами клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Их называют, кроме того, эндотоксинами, поскольку вирулентность бактери­альных клеток для животных определяется наличием и типом О-боковых це­пей. В экспериментах по введению лабораторным животным выделенных клеточных стенок бактерий определенного вида происходит копирование симптомов соответствующего заболевания, и у животных вырабатывается иммунитет к бактериям — обладателям использованных клеточных стенок.

Наружная мембрана соединяется с муреиновой сетью с помощью липо­протеинов, которые через диаминопимелиновую кислоту присоединяются к муреину. При этом липофильные (гидрофобные) части липопротеинов погру­жены в липидный бислой и выполняют роль «якоря».

Ряд химических факторов может оказывать воздействие на клеточные стенки прокариот, в частности такие широко распространенные агенты, как фермент лизоцим и антибиотик пенициллин. Механизмы этих явлений будут рассмотрены далее в соответствующих разделах. Общим для действия на­званных факторов и им подобных является то, что в гипертонических средах оно приводит к образованию протопластов (полностью лишенных клеточной стенки форм) или сферопластов (форм, частично лишенных клеточной стен­ки). Эти образования характеризуются осмотической хрупкостью (лизируют­ся в гипотонических средах) и способны в подходящих условиях регенериро­вать клеточную стенку. Протопласты и сферопласты широко используются в генной инженерии в экспериментах по их слиянию и трансформации с полу­чением гибридных бактерий.