Бактериальная клетка: строение и роль пептидогликана

Бактериальная клетка строение пептидогликан рассматривает как центральный элемент: именно этот полимер придаёт прокариотической клетке форму и удерживает её от разрыва под действием внутреннего тургорного давления. В отличие от эукариот, у бактерии нет ядра, митохондрий и других мембранных органелл - её устройство компактнее, но не примитивнее. Чтобы понять, как клетка делится, противостоит осмотическому шоку и реагирует на антибиотики, нужно разобрать её оболочку слой за слоем: цитоплазматическую мембрану, пептидогликановую стенку и, у части видов, наружную мембрану с капсулой. Ниже - последовательный разбор всех компонентов и того, почему муреиновый каркас оказывается ключевым.

Общий план строения бактериальной клетки

Бактериальная клетка относится к прокариотам: её генетический материал не отделён ядерной оболочкой, а лежит в цитоплазме в виде кольцевой ДНК - нуклеоида. Снаружи внутрь клетку формируют несколько концентрических структур. Обязательные элементы - цитоплазматическая мембрана, цитоплазма с рибосомами (70S) и нуклеоид. У подавляющего большинства видов поверх мембраны находится клеточная стенка из пептидогликана. Необязательные структуры - капсула, жгутики, пили (фимбрии), плазмиды, споры и включения запасных веществ.

Размеры типичной бактерии - 0,5–5 мкм, что на порядок меньше эукариотической клетки. Прежде чем перейти к деталям, удобно сразу зафиксировать, какой именно компонент вам нужно разобрать подробнее - для этого ниже встроен интерактивный помощник.

Пептидогликан: химия муреинового мешка

Пептидогликан (муреин) - это гетерополимер, образующий вокруг клетки единую гигантскую молекулу-сеть, так называемый муреиновый мешок (саккулюс). Его основу составляют чередующиеся остатки двух аминосахаров: N-ацетилглюкозамина (GlcNAc, NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (MurNAc, NAM), соединённых β-1,4-гликозидной связью в длинные гликановые цепи.

К молекуле MurNAc присоединён короткий пептид из 4–5 аминокислот, причём в нём встречаются необычные D-изомеры (D-аланин, D-глутамат) и диаминопимелиновая кислота - соединения, которых нет в белках. Соседние гликановые цепи сшиваются через эти пептидные мостики, образуя прочную трёхмерную сеть. Можно записать повторяющееся звено гликана как

$[\text{GlcNAc} - \text{MurNAc}]_n$

а степень сшивки оценить долей соединённых пептидов $C = \dfrac{N_{\text{сшитых}}}{N_{\text{общих}}}$, которая у грамположительных заметно выше, чем у грамотрицательных. Именно поперечные связи превращают рыхлые цепи в жёсткий каркас, выдерживающий тургорное давление в несколько атмосфер.

Сборка муреина идёт изнутри наружу: предшественники собираются в цитоплазме, переносятся через мембрану на липидном переносчике (бактопренол) и встраиваются в растущую сеть ферментами, которые исторически называют пенициллинсвязывающими белками (ПСБ). Транспептидазы замыкают пептидные мостики, а транс- и эндогликозидазы наращивают и локально расщепляют гликановые цепи, позволяя клетке расти и делиться без разрыва оболочки. Это делает синтез стенки динамичным процессом, который непрерывно идёт у растущей клетки и потому особенно уязвим к веществам, блокирующим отдельные его этапы.

Цитоплазматическая мембрана и цитоплазма

Под стенкой лежит цитоплазматическая (плазматическая) мембрана - бислой фосфолипидов со встроенными белками. У бактерий она берёт на себя функции, которые у эукариот распределены между органеллами: здесь идут реакции дыхательной электрон-транспортной цепи, синтез компонентов стенки, секреция белков и работа транспортных систем. Впячивания мембраны (мезосомы) увеличивают рабочую поверхность.

Цитоплазма заполнена рибосомами размером 70S (отличными от эукариотических 80S - на этом основано действие ряда антибиотиков), растворимыми ферментами и включениями. В ней же находится нуклеоид - компактно уложенная кольцевая хромосома, не отделённая мембраной. Дополнительно клетка часто несёт плазмиды - небольшие автономные кольца ДНК, кодирующие, например, устойчивость к антибиотикам и передающиеся между клетками.

Включения цитоплазмы - это запасные вещества и резервы: гранулы гликогена и крахмалоподобных полимеров, капли поли-β-гидроксибутирата, волютиновые (метахроматические) зёрна с полифосфатом, иногда серы или газовые вакуоли у водных форм. Они то накапливаются, то расходуются в зависимости от условий питания и служат дополнительным диагностическим признаком при микроскопии. Важно, что вся метаболическая «инфраструктура», которая у эукариот распределена по органеллам, у бактерии сосредоточена в одном компартменте - цитоплазме и ограничивающей её мембране.

Грамположительная и грамотрицательная стенка

Толщина и организация пептидогликанового слоя делят бактерии на две большие группы, что напрямую видно при окраске по Граму. У грамположительных клеток поверх мембраны лежит толстый слой муреина (20–80 нм, до 90% массы стенки), пронизанный тейхоевыми и липотейхоевыми кислотами. У грамотрицательных слой тонкий (2–7 нм), но поверх него располагается дополнительная наружная мембрана с липополисахаридом (ЛПС), а между мембранами находится периплазматическое пространство.

Эта разница определяет не только цвет мазка, но и чувствительность к антибиотикам и поведение при инфекции. Подробный разбор самого метода и того, почему один тип удерживает краситель, а другой нет, дан в отдельной статье про окраску по Граму положительных и отрицательных бактерий. Здесь важно подчеркнуть обратное направление связи: именно строение стенки первично, а результат окраски - лишь его внешнее проявление.

Наружные структуры: капсула, жгутики, пили

Снаружи от стенки многие бактерии несут дополнительные структуры. Капсула - слизистый полисахаридный (реже полипептидный) слой, защищающий клетку от высыхания и фагоцитоза; её наличие часто связано с вирулентностью. Менее организованный диффузный слой называют гликокаликсом.

Жгутики - белковые (флагеллин) нити, обеспечивающие подвижность; их число и расположение (монотрих, лофотрих, перитрих) - таксономический признак. Пили, или фимбрии, - короткие выросты для адгезии к поверхностям и тканям хозяина; особый половой пилус (F-пилус) участвует в конъюгации - переносе плазмид между клетками. Все эти элементы необязательны: их набор зависит от вида и условий среды.

Споры и покоящиеся формы

Часть грамположительных бактерий (роды Bacillus, Clostridium) при неблагоприятных условиях образует эндоспоры - предельно устойчивые покоящиеся формы с обезвоженной цитоплазмой, толстой оболочкой и кальциевой солью дипиколиновой кислоты. Спора выдерживает кипячение, высушивание и многие дезинфектанты, а при возвращении благоприятных условий прорастает в вегетативную клетку.

Споруляция - не размножение, а способ пережить стресс: из одной клетки образуется одна спора. Её расположение (центральное, субтерминальное, терминальное) и способность деформировать клетку используют для дифференцировки бацилл и клостридий под микроскопом. Устойчивость споры объясняется именно её строением: многослойная белковая оболочка (кортекс из особого пептидогликана и плотные споровые покровы), почти полное обезвоживание ядра и стабилизация ДНК малыми кислоторастворимыми белками. Благодаря этому эндоспоры остаются жизнеспособными десятилетиями и являются главной мишенью режимов стерилизации в медицине и пищевой промышленности - именно по их гибели оценивают эффективность автоклавирования.

Зачем пептидогликан важен для медицины

Поскольку пептидогликан есть у бактерий и отсутствует у человека, он служит идеальной мишенью для антибиотиков. β-лактамы (пенициллины, цефалоспорины) блокируют транспептидазы, которые сшивают пептидные мостики; без сшивки растущая клетка не выдерживает тургора и лизируется. Гликопептиды (ванкомицин) связывают концевой D-Ala–D-Ala и мешают сборке цепей, а лизоцим слюны и слёз разрезает β-1,4-связь между GlcNAc и MurNAc.

Устойчивость возникает как раз через изменение этой мишени: модификация концевого дипептида (D-Ala–D-Lac у ванкомицин-резистентных энтерококков) или выработка β-лактамаз, разрушающих антибиотик. Поэтому понимание химии муреина - это не academic exercise, а основа рациональной антибиотикотерапии.

Частые ошибки

• Путают капсулу и клеточную стенку. Стенка из пептидогликана обязательна почти всегда, капсула - необязательный слизистый слой снаружи.
• Считают, что у грамотрицательных нет пептидогликана. Он есть, просто тонкий и спрятан между двумя мембранами в периплазме.
• Называют нуклеоид ядром. У прокариот нет ядерной оболочки - ДНК свободно лежит в цитоплазме.
• Приписывают бактериям митохондрии и ЭПС. Мембранных органелл у прокариот нет; их функции выполняет цитоплазматическая мембрана.
• Путают спору со способом размножения. Эндоспора - форма выживания, из одной клетки получается одна спора.

FAQ

Чем пептидогликан отличается от целлюлозы клеточной стенки растений? Целлюлоза - это полимер только из глюкозы. Пептидогликан содержит два разных аминосахара (GlcNAc и MurNAc) и сшит пептидными мостиками с D-аминокислотами, чего нет ни у растений, ни у животных.

Бывают ли бактерии без клеточной стенки? Да. Микоплазмы лишены пептидогликановой стенки полностью, поэтому не окрашиваются по Граму и нечувствительны к β-лактамам. Их форму удерживает только мембрана.

Где у бактерии хранится ДНК, если нет ядра? В нуклеоиде - зоне цитоплазмы с компактно уложенной кольцевой хромосомой. Дополнительная ДНК может находиться в плазмидах.

Коротко

Бактериальная клетка строение пептидогликан организует вокруг муреинового мешка - сети из чередующихся GlcNAc и MurNAc, сшитых пептидными мостиками с D-аминокислотами. Этот каркас держит форму и противостоит тургору, лежит поверх цитоплазматической мембраны и под (у грамотрицательных) наружной мембраной с ЛПС. Внутри - нуклеоид, рибосомы 70S и плазмиды; снаружи - необязательные капсула, жгутики и пили, а у части видов - устойчивые эндоспоры. Уникальность пептидогликана для прокариот делает его главной мишенью антибиотиков и ключом к пониманию всей физиологии бактерии.