Клеточная стенка грамположительных бактерий: состав

Клеточная стенка - жёсткий внешний каркас бактериальной клетки, определяющий её форму и защищающий от осмотического лизиса. У грамположительных бактерий она устроена принципиально иначе, чем у грамотрицательных: один толстый слой пептидогликана вместо двух тонких мембран. Именно эта особенность объясняет, почему Staphylococcus, Streptococcus и Bacillus удерживают кристаллический фиолетовый при окраске по Граму и по-своему реагируют на антибиотики.

Пептидогликан: основной структурный компонент

Пептидогликан (муреин) - это гетерополимер, образующий трёхмерную сетку вокруг цитоплазматической мембраны. У грамположительных бактерий его слой достигает 20-80 нм в толщину и составляет до 90% сухой массы стенки. Для сравнения - у грамотрицательных толщина всего 2-7 нм.

Структурная единица пептидогликана - дисахаридный мономер: N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовая кислота (NAM). Остатки NAM несут короткие пептидные хвосты из 4-5 аминокислот. Поперечные сшивки между соседними цепями образуют прочную трёхмерную решётку. У многих грамположительных (Staphylococcus aureus) сшивки проходят через пентаглициновые мостики - дополнительные пептидные «перемычки», делающие стенку ещё более плотной.

Рассчитать для своей задачи

Синтез пептидогликана - многоступенчатый процесс. Финальный этап - транспептидация - катализируется ферментами-пенициллинсвязывающими белками (PBP). Именно на этом шаге действуют бета-лактамные антибиотики: они ковалентно блокируют PBP, нарушая сшивание цепей и вызывая лизис клетки.

Тейхоевые кислоты: уникальный маркер грамположительных

Тейхоевые кислоты - полимеры глицерол- или рибитолфосфата, характерные исключительно для грамположительных бактерий. Они ковалентно связаны с NAM-остатками пептидогликана и пронизывают всю толщину стенки, выступая на её поверхности.

Функции тейхоевых кислот разнообразны:

• Придают стенке отрицательный заряд за счёт фосфатных групп, регулируя ионный обмен.
• Служат рецепторами для бактериофагов - вирусы узнают клетку именно по ним.
• Участвуют в адгезии к тканям хозяина (клетки S. aureus используют тейхоевые кислоты для прикрепления к эпителию).
• Регулируют аутолизины - ферменты, расщепляющие пептидогликан при делении.

Содержание D-аланина в тейхоевых кислотах варьирует. Его эстерификация снижает отрицательный заряд и повышает устойчивость к катионным антимикробным пептидам (дефензинам).

Липотейхоевые кислоты и цитоплазматическая мембрана

Липотейхоевые кислоты (ЛТК) структурно схожи с тейхоевыми, но заякорены не в пептидогликане, а в цитоплазматической мембране через липидный якорь (гликолипид). Их полисахаридные цепи проходят сквозь пептидогликан и тоже выходят на поверхность.

ЛТК выполняют ключевую иммунологическую роль: они являются PAMP (патоген-ассоциированным молекулярным паттерном), распознаваемым Toll-подобным рецептором TLR-2 иммунных клеток. Именно активация TLR-2 запускает воспалительный ответ при грамположительных инфекциях - сепсис, вызванный S. aureus, во многом связан с этим взаимодействием.

Роль в окраске по Граму

Толстый слой пептидогликана объясняет фиолетовое окрашивание при процедуре Грама. После обработки кристаллическим фиолетовым и йодом внутри клетки образуется нерастворимый комплекс краситель-йод. При промывке спиртом-ацетоном плотная пептидогликановая сетка сжимается, закрывая поры и удерживая комплекс внутри. Грамотрицательные бактерии теряют краситель - их тонкая стенка не задерживает его.

Рассчитать для своей задачи

Подробнее о механизме дифференциального окрашивания и практическом значении теста читайте в статье про окраску по Граму.

Поверхностные белки и якорение к стенке

Клеточная стенка грамположительных бактерий несёт множество белков, заякоренных в пептидогликане. Один из главных механизмов якорения - сортаза (транспептидаза SrtA): она распознаёт мотив LPXTG на поверхностных белках и ковалентно пришивает их к остаткам пентаглицинового мостика.

Через этот механизм закрепляются:

• Белок А (S. aureus) - связывает Fc-фрагмент IgG, маскируя бактерию от иммунной системы.
• Белки M (Streptococcus pyogenes) - антифагоцитарный фактор, связывающий фибриноген.
• Адгезины MSCRAMM - семейство белков, узнающих компоненты внеклеточного матрикса хозяина.

Сортаза - перспективная антибактериальная мишень: ингибиторы SrtA лишают патоген способности «вооружать» свою поверхность факторами вирулентности.

Полисахаридные капсулы: внешний слой

Многие грамположительные бактерии синтезируют полисахаридную капсулу поверх клеточной стенки. Пневмококк (Streptococcus pneumoniae) имеет более 90 серотипов капсулы - они определяют вирулентность и специфичность защитного иммунитета. Капсула:

• Препятствует фагоцитозу, скрывая поверхностные PAMP.
• Защищает от антимикробных пептидов и комплемента.
• Служит мишенью для конъюгированных вакцин (вакцины от пневмококка, менингококка).

Бескапсульные мутанты S. pneumoniae теряют вирулентность - классический эксперимент Фредерика Гриффита 1928 года.

Автолизины и динамика стенки

Клеточная стенка - не статичная структура. Бактерии постоянно перестраивают её с помощью аутолизинов - N-ацетилмурамидаз, амидаз и эндопептидаз, расщепляющих связи в пептидогликане. Это необходимо для:

• Клеточного деления (разрезание перегородки).
• Встраивания новых субъединиц при росте.
• Секреции белков.

Лизоцим - антибактериальный фермент слюны, слёз и нейтрофилов - действует ровно как аутолизин: гидролизует связь NAG-NAM в пептидогликане. У грамположительных этот субстрат открыт и легко доступен, поэтому они чувствительны к лизоциму значительно сильнее, чем грамотрицательные.

Рассчитать для своей задачи

Механизм деления клетки у грамположительных подробнее разобран в статье про строение бактериальной клетки и пептидогликан.

Стенка как мишень антибиотиков

Уникальность пептидогликана (его нет у эукариот) делает стенку идеальной антибактериальной мишенью. Основные классы:

Резистентность к ванкомицину (VRE - ванкомицинрезистентные энтерококки) возникает при замене D-Ala-D-Ala на D-Ala-D-Lac: ванкомицин связывается на три порядка слабее, теряя эффективность.

Частые ошибки

• «У грамположительных нет внешней мембраны, значит стенка проще». Наоборот - она толще и содержит уникальные тейхоевые кислоты, отсутствующие у грамотрицательных.
• «Пептидогликан есть только у грамположительных». Нет - у грамотрицательных он тоже есть, просто тоньше и скрыт под внешней мембраной.
• «Лизоцим одинаково эффективен против всех бактерий». Против грамотрицательных значительно слабее - их пептидогликан защищён внешней мембраной.
• «Тейхоевые и липотейхоевые кислоты - одно и то же». Различаются якорем: тейхоевые пришиты к пептидогликану, липотейхоевые - к цитоплазматической мембране.
• «Капсула есть у всех грамположительных». Капсула есть у многих, но не у всех - S. aureus её не образует, тогда как пневмококк без капсулы утрачивает вирулентность.

FAQ

Почему грамположительные бактерии более чувствительны к лизоциму? У грамположительных пептидогликановый слой обнажён и непосредственно доступен для лизоцима. У грамотрицательных его закрывает внешняя мембрана - фермент просто не добирается до субстрата без предварительного разрушения барьера (например, при добавлении ЭДТА).

Что происходит с клеткой при разрушении стенки? Бактерия превращается в протопласт (без всякой стенки) или сферопласт (остатки стенки). В изотоническом растворе протопласт жизнеспособен, но теряет форму и способность делиться. В гипотоническом - лизируется из-за осмотического давления. Именно на этом основан бактерицидный эффект пенициллинов в активно растущей культуре.

Можно ли на основании окраски по Граму ставить диагноз? Окраска по Граму - ориентировочный тест, позволяющий за 15 минут разделить возбудителей на грамположительных и грамотрицательных и выбрать эмпирическую антибиотикотерапию. Окончательный диагноз требует бактериологического посева и определения чувствительности.

Коротко

Клеточная стенка грамположительных бактерий - это толстый (20-80 нм) слой пептидогликана, пронизанный тейхоевыми кислотами (связаны с NAM) и липотейхоевыми кислотами (заякорены в мембране). Поверхностные белки крепятся через сортазу по LPXTG-мотиву. Тейхоевые кислоты регулируют заряд, адгезию и взаимодействие с фагами; ЛТК активируют врождённый иммунитет через TLR-2. Плотная сетка пептидогликана задерживает краситель при окраске по Граму и служит мишенью для лизоцима, бета-лактамных антибиотиков и ванкомицина. Уникальность химии стенки (нет у эукариот) делает её стратегической точкой приложения антибактериальных препаратов.