Клеточная стенка растений

Клеточная стенка растений

Строение. КС— важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства бактериальных клеток (кроме микоплазм).

КС покрывает всю поверхность бактериальной клетки. Она располагается под капсулой или слизистым чехлом, у бескапсульных клеток — непосредственно контактирует с окружающей средой (рис.14).

Рис. 14. Схема взаиморасположения внешних слоев клетки бактерий:

1 — ЦПМ, 2 — КС, 3 — микрокапсула, 4 — капсула, 5 — слизистый слой.

На долю КС приходится 5–50 % сухого вещества клетки, количество материала КС увеличивается с возрастом.

Пептидогликан (муреин, мукопептид, ПГ) образует опорный скелет бактериальной клетки, составляет основу КС и специфичен только для бактерий. ПГ имеет структуру молекулярной сети, благодаря двум типам связей — гликозидным и пептидным.

Цепочки ПГ образованы чередующимися остатками N–ацетилглюкозамина и N–ацетилмурамовой кислоты, соединенными между собой β–1,4–гликозидными связями (рис. 15).

Рис. 15. Гликозидные связи соединяют

N–ацетилмурамовую кислоту (M ) и

N–ацетилглюкозамин G)

в молекуле ПГ

Рис.16. Два набора пептидных цепочек в молекуле ПГ

В молекуле ПГ есть два набора пептидных цепочек — боковые и поперечные.

К N–ацетилмурамовой кислоте присоединен короткий пептидный хвост из 4 аминокислот (тетрапептид). Тетрапептид состоит из чередующихся L– и D– аминокислот (рис. 17). Аминокислоты, участвующие в образовании пептидных связей, варьируют у разных видов бактерий.

Принципиальное значение для пространственной организации ПГ имеет высокое содержание аминокислот с двумя аминогруппами. Обе аминогруппы этих аминокислот могут участвовать в образовании пептидных связей, причем вторые аминогруппы — в формировании межпептидных связей между гетерополимерными цепочками.

Рис. 17. Структура повторяющейся единицы ПГ КС.

Цифры в кружках обозначают:

1, 2 — места полимеризации гликанового остова молекулы;

3 —место присоединения с помощью фосфодиэфирной связи молекулы ТК в КС Грам+ бактерий;

4, 5 —места связывания гликановых цепей с помощью пептидных связей;

6 —место ковалентного связывания (пептидная связь) с липопротеином НМ у Грам- бактерий;

7 — место действия лизоцима

В большинстве случаев в образовании межпептидной связи участвует карбоксильная группа D–аланина одного тетрапептида и свободная аминогруппа диаминокислоты другого (рис.18А). Иногда связь между тетрапептидами разных гликановых цепей осуществляется с помощью других аминокислот (напр., глицина у S. aureus) (рис.18Б).

Рис. 18. Межпептидные мостики между гетерополимерными цепочками:

Г — N–ацетилглюкозамин;

М — N-ацетилмурамовая кислота;

ала — аланин; глу — глутаминовая кислота; лиз — лизин; мезо–ДАП–мезодиаминопимелиновая кислота; гли — глицин.

Стрелками обозначено место действия пенициллина

Частота «сшивок» гетерополимерных цепей различна, поскольку не все пептидные хвосты участвуют в формировании межцепочечных связей. Часть пептидных хвостов находится в свободном состоянии.

В КС бактерий содержатся структуры и вещества, которых нет у человека, животных и растений:

– N–ацетилглюкозамин;

– N–ацетилмурамовая кислота;

– мезо–диаминопимиелиновая кислота;

– D–аланин;

– D–глутаминовая кислота.

Это «ахилесова пята» бактерий, используемая врачами в борьбе с инфекцией, так как некоторые лекарственные препараты действуют только на КС бактерий, и не затрагивают эукариотических клеток высших организмов.

На ПГ откладываются и его инкрустируют различные вещества. По строению ПГ и по содержанию других веществ в КС Грам+ бактерии отличаются от Грам-. Химический состав и строение КС постоянны для определенного вида и являются важным признаком. В зависимости от строения КС бактерии делятся на две большие группы: грамположительные (Грам+) и грамотрицательные (Грам-) (рис.19).

Рис. 19. Схема строения КС

у Грам+ и Грам- бактерий

Особенности КС Грам+ бактерий:

1) мощная и толстая, в зависимости от вида бактерий толщиной 20–60 нм (в 2–3 раза толще, чем у Грам- бактерий);

2) основную часть массы КС составляет ПГ (40–90%);

3) ПГ многослойный(10 слоев);

4) у Грам+ бактерий обнаружено более 100 различных химических типов ПГ. Большинство различий относится к структуре тетрапептида. В образовании боковых пептидных связей у Грам+ бактерий участвует LL–диаминопимиелиновая кислота или лизин;

iv>

5) ПГ ковалентно связан с тейхоевыми кислотами (ТК) (от греч. teichos — стенка). ТК — полимерные цепи, состоящие их 8–50 остатков рибита (пятиатомного спирта) или глицерина (трехатомного спирта), остатки соединены между собой фосфодиэфирными связями. Длинные линейные молекулы ТК могут пронизывать весь ПГ слой, достигая внешней поверхности КС. В этом случае они являются основными антигенами Грам+ бактерий. Свободные гидроксилы фосфорной кислоты придают ТК свойства полианиона и определяют поверхностный заряд клетки. Углеводные компоненты ТК входят в состав клеточных рецепторов для бактериофагов. Липотейхоевые кислоты фиксированы в мембране липофильными концами;

6) нет ЛПС, содержится небольшое количество полисахаридов, липидов и белков; полисахариды и липиды ковалентно связываются с макромолекулами КС; белки формируют на внешней поверхности КС отдельный слой;

7) КС плотно прилегает к ЦПМ, нет периплазматического пространства;

Б

Рис. 20. Строение КС:

А – у Грам+ бактерий, Б – у Грам- бактерий

8) Грам+ бактерии чувствительны к пенициллину и лизоциму. Пенициллин разрушает тетрапепдидные связи. Лизоцим разрушает гликозидные связи.

Таким образом, основными компонентами КС Грам+ бактерий являются три типа макромолекул: пептидогликаны, тейхоевые кислоты и полисахариды, которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с упорядоченной пространственной организацией (рис. 20А).

Особенности КС Грам- бактерий:

1) значительно (в 2–3 раза) тоньше, чем у Грам+; ее толщина 10–20 нм;

2) содержание ПГ значительно меньше, чем у Грам+ бактерий, и составляет в зависимости от вида бактерий 5–10 % сухой массы КС;

3) ПГ однослойный или двуслойный, толщиной 2–3 нм;

4) у всех Грам- бактерий строение ПГ одинаково. В образовании боковых пептидных связей у Грам+ бактерий участвует только мезо–диаминопимиелиновая кислота (лизин отсутствует). Поэтому гетерополимерные цепи между собой связаны редкими поперечными связями через два однотипных тетрапептида.В образовании межпептидной связи участвует мезо–диаминопимиелиновая кислота и D–аланин;

5) ПГ не содержит ТК;

6) ПГ неплотно прилегает к ЦПМ. Только у Грам- бактерий между ЦПМ и ПГ КС есть периплазматическое пространство. Тонкий ПГ соединен белками с наружной мембраной;

7) КС многослойная, сверху ПГ только у Грам- бактерий находится наружная мембрана (НМ) толщиной 8–10 нм. Она оставляет до 80% сухой массы КС. НМ по строению сходна с внутренней ЦПМ и состоит из липопротеина (ЛП), липополисахарида (ЛПС), фосфолипидов и белков.

>

Основной компонент НМ — билипидный слой: внутренний слой образован ЛП, а наружный — ЛПС. ЛП, ЛПС и другие липиды связаны ковалентно, ЛП ориентированы липофильными концами наружу.

ЛПС занимает 30–40 % поверхности НМ и состоит из трех компонентов:

– липида А, который «заякоривает» ЛПС в НМ, он содержит глюкозамин и жирные кислоты, придает токсичность липополисахариду и является одним из основных факторов патогенности. Токсические свойства проявляются преимущественно при разрушении бактериальных клеток;

– кор–слоя (лат. core — ядро), одинакового для всех Грам- бактерий, наиболее постоянной частью которого является кетодезоксиоктоновая кислота;

– О–специфической цепи полисахарида, образованной повторяющимися идентичными олигосахаридными последовательностями. Она определяет антигенную специфичность, т. е. серовар определенного штамма бактерий, является О–антигеном. Напр., в серологических реакцих было идентифицировано более 1000 сероваров сальмонелл. Определение сероваров бактерий имеет большое значение в бактериологической диагностике и в расшифровке эпидемий (позволяет установить источник инфекции). Полисахаридные цепи дают бактериям преимущества в процессе отбора. Огромное разнообразие полисахаридных цепей объясняется отбором новых мутантных типов О–антигенов. Новые типы дают преимущество, так как хозяин не может обладать антителами против всех антигенов одновременно.

Много различных белков локализовано в НМ Грам- бактерий.

лки НМ делят на основные и минорные. Основные белки (почти 80 % всех белков НМ) представлены небольшим числом различных видов. Это трансмембранные белки-порины, формирующие в мембране гидрофильные поры диаметром примерно 1 нм, через которые проходят вода и гидрофильные низкомолекулярные вещества до 7кД (сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды). Минорные белки НМ представлены гораздо большим числом видов. Их основные функции — транспортная (специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений) и рецепторная;

8) Грам- бактерии менее чувствительны к пенициллину и лизоциму, чем Грам+.

Таким образом, у Грам- бактерий строение КС намного сложнее, чем у Грам+ (рис. 20 Б). В ее состав входит большее число разных химических макромолекул (табл. 3, 4).

Таблица 3

Различия между Грам+ и Грам- бактериями

Признак Грам+ Грам-
Толщина КС 20–60 нм 10–20 нм
40–90% 5–10%
Структура ПГ Многослойный (10 слоев). Аминосахара (N–ацетилглюкозамин и N–ацетилмурамовая кислота) связаны гликозидными связями в гетерополимерную цепочку. Ацетилмурамовые кислоты гликановых цепей связаны между собой множественными связями через тетрапептиды разного строения. Однослойный или двуслойный. Аминосахара (N–ацетилглюкозамин и N–ацетилмурамовая кислота) связаны гликозидными связями в гетерополимерную цепочку. Ацетилмурамовые кислоты гликановых цепей связаны между собой единичными связями через два однотипных тетрапептида.
Наличие ТК +
Наличие периплазматического пространства между ЦПМ и ПГ +
Наличие НМ +
Выделение ферментов В окружающую среду В периплазматическое пространство
Окраска по Граму Темно-фиолетовые Розово-красные
Представители Патогенные кокки, кроме гонокка и менингококка, бациллы, клостридии Энтеробактерии, вибрионы, трепонемы
Спорообразование Присутствует у бацилл и клостридий Отсутствует

Таблица 4

Химический состав КС Грам+ и Грам- бактерий

Компоненты КС Грам+ бактерии Грам- бактерии
внутренний слой (ПГ) внешний слой (НМ)
Пептидогликан + +
Тейхоевые кислоты +
Полисахариды + +
Белки ± +
Липиды ± +
Липополисахариды +
Липопротеины ± +

Прим.: (–) — отсутствуют, (+) — присутствуют, (±) — присутствуют не у всех видов

Функции клеточной стенки:

1. Обеспечиваетмеханическую защиту от воздействий окружающей среды.

Концентрация осмотически активных веществ (сахаров и солей) в клетке намного выше, чем в окружающей среде. Поэтому в клетке существует высокое осмотическое давление (у некоторых бактерий оно достигает 30 атмосфер). КС сдерживает это давление, предохраняет клетку от осмотического лизиса, дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах. Если повысить осмотическое давление внешней среды (напр., путем добавления сахаров), вода будет оттягиваться из клетки.

2. Формообразующая. КС у бактерий не жесткая, как стальной панцирь, а эластичная, как кожаная покрышка футбольного мяча. Ригидность (упругость) и эластичность КС обеспечивает внутренний ПГ слой.

3. Транспортная: обеспечивает проникновение питательных веществ в клетку и удаление из нее продуктов метаболизма. КС проницаема для солей и других низкомолекулярных соединений благодаря наличию в НМ каналов (пор) для пассивного транспорта веществ и ионов, необходимых клетке. НМ также препятствует проникновению в клетку токсических веществ, поэтому Грам- бактерии (по сравнению с Грам+ бактериями) более устойчивы к действию некоторых ядов, химических веществ, ферментов и антибиотиков.

4. Содержит родо- и видоспецифические антигены (ЛПС Грам- бактерий, ТК Г+ бактерий).

Клеточная оболочка состоит из клеточной стенки и ЦПМ.

Функции клеточной стенки:

1) обеспечивает постоянство формы клетки,

2) обеспечивает поверхностный заряд,

3) поддерживает постоянство внутренней среды,

4) участвует в делении,

5) участвует в транспорте питательных веществ и секреции метаболитов,

6) противодействует тургорному давлению клеточного содержимого,

7) поддерживает анатомическую целостность,

8) обеспечивает способность к адсорбции фагов,

9) участие в реакциях иммунитета,

10) контакт с внешней средой и

11) защита от неблагоприятных внешних воздействий.

Клеточная стенка отсутствует у микоплазм и архебактерий. Основной компонент клеточной стенки – пептидогликан,состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина, N-ацетилмурамовой кислоты, диаминопимелиновой кислоты, β-глутаминовой кислоты, L- и D-аланина

Протопласт –клеткa, лишенная клеточной стенки. Сферопласты –бактерии, частично лишенные клеточной стенки. L-формы бактерийобразуются при нарушении биосинтеза пептидогликана (при антибиотикотерапии). L-формы не размножаются, но растут, Их колонии бывают стабильные и нестабильные. L-формы образуются сапрофитными и патогенными бактериями (возбудители гонореи, туберкулеза, тифа, бруцеллеза, менингита и пр.), являются причиной хронических заболеваний.

Г– бактерии имеют тонкую клеточную стенку из двух слоев: пластичного и ригидного. Ригидный слой образован 1-2 слоями пептидогликана, его содержание не более 20 % сухой массы клеточной стенки. На этом каркасе расположены фосфолипиды, липополисахариды (ЛПС) и белки (основные или мажорные и минорные или второстепенные)образующие пластичный слой, толщина которого превышает размеры ригидного. Компоненты пластичного слоя расположены мозаично и могут образовывать дополнительную внешнюю мембрану или переходить в капсулу. Периплазма– это пространство между внешней мембраной клеточной стенки и ЦПМ толщиной около 10 нм, содержит муреин (1,2 до 25 % от массы стенки), белки двух типов – гидролитические ферменты и транспортные белки, олигосахариды, неорганические вещества. Внешняя мембрана отрицательно заряжена.

Г+ бактерии имеют просто организованную, толстую клеточную стенку, состоящую из множества слоев пептидогликана (до 90 % ее сухой массы), и полимеров тейхоевых и тейхуроновых кислот. Их функции:

1) влияют на катионный обмен клетки (связывают Мg2+),

2) определяют поверхностный заряд клетки,

3) участвуют в регуляции активности автолитических гидролаз,

4) входят в состав рецепторов для некоторых бактериофагов,

5)являются главными поверхностными антигенами Г+ бактерий.

Тейхуроновые кислотыпри определенных условиях могут замещать тейхоевые кислоты.

Некоторые виды бактерий способны синтезировать целлюлозу и компоненты хитина. Клеточная стенка Г+ бактерий не содержит ЛПС, но может включать различные белки.

Клеточная стенка инертна к действию химических веществ и характеризуется малым сродством к красителям. Клеточная стенка имеет мельчайшие поры, толщина ее у Г+ бактерий больше, чем у Г–, масса достигает 20-50 % массы клетки.

Окраска по Граму.Предложена как метод дифференциального окрашивания бактерий, согласно которому бактерии разделяют на грамположительные или фирмакутные (Г+) и грамотрицательные или грациликутные (Г–).

«Ботаника есть естественная наука, которая учит познанию растений». Такое определение ботаники — необходимое и достаточное — дано выдающимся шведским ученым Карлом Линнеем (1707-1778 гг.). В сферу ботаники входят изучение строения и функций растений, их происхождения, эволюции, классификации, взаимоотношений друг с другом и средой обитания, представления об образуемых растениями сообществах, расселении на Земном шаре, использовании и охране.

Конечно, уже первобытный человек обладал первоначальными знаниями о растениях, необходимых для его существования. Это понятно, поскольку его жизнь зависела от знаний о съедобных, ядовитых, целебных растениях и полезных для скота. Обширнейшими сведениями о растениях, особенно сельскохозяйственных и лекарственных, располагали культуры Индии, Финикии, страны древнего Египта и Месопотамии. Не случайно первый «травник на камне» был создан в знаменитом храме в Карнаке фараоном новой египетской династии Тутмосом III.

Но основы ботаники (от греч. botanicos — относящийся к растениям, botane — трава, растение) как научной дисциплины были заложены в античное время Теофрастом (371-286 гг. до н.э.) — любимым и выдающимся учеником великого древнегреческого мыслителя Аристотеля (384-322 гг. до н. э.). Титул «отца ботаники» Теофраст заслужил потому, что его интересовали не только применение растений в хозяйстве и медицине, он исследовал строение и физиологические отправления растений, их распространение, влияние на них почвы и климата. Теофрасту принадлежит и первая классификация растений, хотя и весьма наивная с позиций XX века.

В процессе исторического развития в ботанике появились разные методы изучения растений. Чем более расширялись представления о растениях, тем более дифференцировались научные дисциплины, составляющие ботанику как одну из самых разветвленных естественных наук: морфология в широком понимании, палеоботаника, физиология, биохимия растений, систематика, география, экология растений, геоботаника, палиноморфология, изучающая структуру пыльцевых зерен, и т.д. Особое место среди этих дисциплин занимала и занимает морфология (от греч. morphe — форма и logos — учение).

«Органическая форма — это видимое проявление внутренних связей, характеризующих жизнь на каждом уровне. Она может быть проще всего определена как биологическая организация и представляет собой наиболее важную проблему, с которой сталкиваются изучающие науку о жизни. Форму можно назвать не только душой естественной истории, так как она служит мерой эволюционного родства, но и душой всей биологии, так как она является очевидным и легко доступным изучению проявлением основных черт жизни».

По морфологическим признакам судят о разнообразии растений, они составляют основу их классификации; без знания структуры невозможно изучать жизненные отправления растений, в том числе их способность благодаря фотосинтезу создавать органические вещества и увеличивать содержание в атмосфере кислорода. Поэтому изучение структурных особенностей растений необходимо для развития других ботанических дисциплин.

Дифференциация методов исследования строения растений привела к разделению морфологии на многочисленные специальные дисциплины: морфологию в узком смысле слова (макроморфологию), изучающую внешнее строение растений; эмбриологию, изучающую начальные этапы развития семенных растений от заложения репродуктивных структур, осуществляющих размножение, до образования семени; анатомию, изучающую строение растений на клеточном и тканевом уровнях. Учение о клетке в настоящее время составляет содержание самостоятельной биологической дисциплины — цитологии.

Разнообразие методов, используемых в морфологии растений, позволяет решать следующие проблемы, нередко имеющие общебиологическое значение.

1. Изучение топографических закономерностей в строении растений. Главным методом исследования служит описательный, созданный К. Линнеем. Сейчас этот метод обычно называют сравнительно-морфологическим.

2. Изучение закономерностей формообразования (морфогенеза) в процессе индивидуального развития растения — его онтогенеза. Это требует изучения структурных преобразований растения на всех этапах его развития — от зиготы до естественной смерти. При этом важное значение имеет анализ всех проявлений морфогенеза: особенностей роста, морфологической и анатомической дифференциации тела растения, возникающих в процессе его развития, полярности, симметрии, корреляции. Естественно, глубина изучения этих вопросов зависит от тесных контактов морфологии с другими ботаническими дисциплинами: физиологией, генетикой, биохимией, биологией развития.

С этой проблемой связано и развитие репродуктивной биологии, основу которой составляет изучение всех структур и процессов, приводящих к размножению растений — одному из главных свойств всех живых организмов, обеспечивающему не только увеличение числа особей, но и их расселение. Большой интерес в настоящее время вызывает раздел репродуктивной биологии, непосредственно связанный с накоплением биомассы, — биотехнологией: культурой изолированных клеток и тканей как способа быстрого размножения растений.

3. Изучение морфогенетических трансформаций в течение длительного процесса эволюции. Развитие этого направления — эволюционной морфологии — основано на синтезе данных онтогенетической морфологии и сравнительной морфологии ныне живущих и вымерших растений. Задача эволюционной морфологии — изучение общих закономерностей преобразования структуры растений в процессе эволюции, без знания которых невозможно решение вопросов, связанных с филогенией растений, отражающей не только родственные отношения между разными таксонами, но и основные направления их эволюции. Таксонами (лат. taxon, во множественном числе taxa) называют любые конкретные систематические группы определенного ранга. Так, таксоном в ранге семейства будет семейство Ranunculaceae (лютиковые), в ранге рода — Ranunculus L. (лютик), а в ранге вида, например, Ranunculus repens L. (лютик ползучий).

О родственных связях прежде всего судят по сходству морфологических признаков. Однако нередко оно может быть не результатом родства, а либо параллельного развития нескольких групп растений от каких-то общих предков, либо следствием конвергенции — появлением сходных особенностей строения под влиянием одинаковых условий существования. Только разностороннее изучение растений и сопоставление данных онтогенетического, сравнительно-морфологического и палеоботанического исследований может восстановить реальный ход их исторического развития, что способствует выявлению родственных связей между таксонами и разработке эволюционной системы растений.

4. Изучение связи между структурой и функцией, между растением и условиями внешней среды.

Взаимодействие структуры и функции составляет основу жизнедеятельности любого организма. Функции без структуры не бывает, структура без функции бессмысленна. Ведь «изучать органы независимо от их отправлений, организмы независимо от их жизни почти так же невозможно, как изучать машину и ее части, не интересуясь их действием». Только соединение морфологического и физиологического методов исследования дает представление о растении как целостной структурно-функциональной и весьма динамичной системе, приспособленной к жизни в определенной экологической обстановке и чутко реагирующей на любые изменения внешних условий.

Реакции растений на неблагоприятные факторы среды их обитания проявляются сначала в биохимических и физиологических нарушениях, затем они затрагивают внутриклеточные структуры и, наконец, возникают изменения морфологического характера, заметные невооруженному глазу. Сначала они проявляются у отдельных растений, а впоследствии распространяются на все сообщество. Оценка уровня деградации растений под действием антропогенных факторов, прогнозирование возможных изменений растений под влиянием неблагоприятных условий составляют сущность ботанического мониторинга (от лат. и англ. monitor — предостерегающий). Его задача — вовремя сигнализировать обо всех случаях превышения отрицательных нагрузок, вызванных деятельностью человека, и принимать действенные меры для изменения режима эксплуатации растительных ресурсов и охраны растительного покрова как части глобальной проблемы сохранения генофонда и охраны окружающей среды.

Само собой очевидно, что морфология растений как фундаментальная ботаническая дисциплина абсолютно необходима для решения разнообразных практических задач: медицинских, лесохозяйственных, природоохранных и многих других. Перечислить все области применения морфологии растений вряд ли возможно.

Предлагаемый учебник посвящен морфологии высших растений. Прежде, чем перейти к анализу закономерностей их строения и демонстрации присущего им морфологического разнообразия, следует определить, что представляет собой растение как объект изучения, каковы его связи с другими живыми организмами, населяющими нашу планету, и, наконец, какое место в мире растений занимают высшие растения.

MED24INfO

Клеточная стенка бактерий — это тонкая бесцветная структура, покрывающая клетку снаружи. У большинства бактерий она невидима в обыкновенный микроскоп без специальной обработки. Однако у крупных форм, например у серобактерии Beg. mirabilis, стенка заметна отчетливо. При явлении плазмолиза, который наступает при помещении клеток в 1-2 %-ный гипертонический раствор NaCl или раствор глюкозы, контуры стенки приобретают четкость и она хорошо видна при фазово-контрастной микроскопии.
Стенка бактериальной клетки составляет до 50 % сухой массы организма, толщина ее колеблется в пределах 20-80 нм. Клеточная стенка — плотная ригидная структура. Она обладает эластичностью и достаточной механической прочностью, выдерживает внутриклеточное осмотическое давление, достигающее 10-30 атм.
Химический состав клеточных стенок различных видов бактерий неодинаков, довольно сложен и отличает их не только от клеток растений и животных, но и друг от друга.
Основным компонентом клеточной оболочки высших растений и водорослей является целлюлоза. Из целлюлозы состоят, например, микрофибриллы большинства водорослей — до 50-80 % сухой массы оболочки клетки. В микрофибриллах клеточных оболочек большинства мицелиальных грибов преобладает хитин — полимер N-ацетилглюкозамина.
Совершенно иной химический состав имеют клеточные стенки бактерий. Такие соединения как целлюлоза и хитин не характерны для них. Правда, некоторые виды бактерий способны синтезировать целлюлозу и компоненты хитина. Так, у Sarcina ventriculi целлюлоза составляет толстый внешний слой клеточной стенки. Помимо Acetobacter xylinum, это единственный представитель прокариот, синтезирующий данный полимер. Компонент хитина ацетилглюкозамин обнаруживается у всех видов бактерий, за исключением некоторых архебакгерий.
В клеточных стенках бактерий содержится два класса новых, необычных соединений, присущих только прокариотам. Это пептидогликан и тейхоевые кислоты.
Пептидогликаны и тейхоевые кислоты. Пептидогликан, или муреин (от лат. myrus — стенка) представляет собой гетерополимер, состоящий из цепочек чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты (эфир молочной кислоты и N-ацетилглюкозамина), соединенных р-1,4-гликозидной связью. К карбоксильной группе мурамовой кислоты присоединен пептид, включающий чаще всего четыре аминокислоты — тетрапептид. Аминокислотный состав пептида различных видов бактерий не одинаков: у Staph, aureus содержится а-лизин, у Е. сой — мезо-диаминопимелиновая кислота, у Corynebacterium — 2-4-диаминомасляная (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Структура пептидогликана стафилококка:
1- N-ацетилмурамовая кислота; 2 — N-ацетилглюко- замин; 3 — тетрапептид; 4 — глидоновый мостик
На основании аминокислотного состава пептидов и соединяющих их мостиков различают ряд подгрупп пептидогликана. Особенностью пептидной части этого полимера является наличие D-аминокислот (в белках они не встречаются) и высокое содержание диаминокислот. Обе аминогруппы, входящие в состав муреина диаминокислоты, участвуют в образовании пептидных связей — с D-аланином и аминокислотным мостиком. Посредством мостиков осуществляются поперечные сшивки пептидогликановых цепей. В итоге формируется гигантская молекула, напоминающая по виду мешок, состоящая из сети полисахаридных цепей, связанных множеством поперечных пептидных связей. За счет образования поперечных сшивок обеспечивается жесткая трехмерная пространственная организация молекулы, обусловливающая механическую прочность и ригидность клеточной стенки.
Пептидогликан чувствителен к литическому действию лизоцима, который расщепляет p-l-4-гликозидные связи между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой. Обработка бактерий лизоцимом приводит к разрушению сформированной клеточной стенки. Ингибитором синтеза пептидогликана является ряд антибиотиков: пенициллин, цефалоспорин, бацитрацин,
ванкомицин. К примеру, пенициллин подавляет активность фермента транспептидазы, катализирующего образование поперечных сшивок между образующимися цепями пептидогликана. Не сшитый полимер не используется для образования клеточной стенки бактерий.
Тейхоевые кислоты (от греч. «тейхос» — стенка) представляют собой растворимые в воде полимеры, состоящие из остатков трехатомного спирта глицерола или пятиатомного — рибитола, которые соединены друг с другом фосфодиэфирными связями (рис. 3.12). Цепи тейхоевых кислот могут содержать от 10 до 50 остатков спирта. Большинство тейхоевых кислот включают значительное количество D-аланина, аминогруппы которого придают тейхоевым кислотам амфотерные свойства. Кроме D-аланина свободные гидроксильные группы спиртов могут быть замещены глюкозой, N-ацетилглюкозамином, галактозой. Наличие свободных гидро-
ксилов фосфорной кислоты обусловливает сродство тейхоевых кис лот к двухвалентным катионам.

Рис.3.12. Структура тейхоевых кислот клеточной стенки:
а -глицеролтейхоевая; б — рибитолтеихоевая
Клетки одного штамма бактерий, как правило, содержат тейхоевую кислоту только одного типа: рибитолтейхоевую или глицеролтейхоевую. Эти уникальные соединения содержатся в клеточных стенках только грамположительных бактерий, где они прочно связаны с пептидогликаном. Так как тейхоевые кислоты представляют собой длинные линейные молекулы, они могут проходить через весь пептидогликановый слой до наружной части клетки и играть роль поверхностных антигенов, обусловливая, таким образом, антигенную специфичность клеточной поверхности бактерий. Кроме того, создавая в клеточной стенке высокую плотность строго ориентированных зарядов, тейхоевые кислоты оказывают влияние на проникновение ионов в клетку, обеспечивая высокую плотность двухвалентных катионов в области цитоплазматической мембраны. Это благоприятствует поддержанию физической целостности мембраны и ее связи с рибосомами.
У некоторых бактерий тейхоевые кислоты участвуют в регуляции активности автолитических ферментов, осуществляющих
в определенных условиях гидролиз муреина собственной клетки. Так, у пневмококков тейхоевые кислоты ингибируют действие литических ферментов клетки путем связывания с ними. Нарушение этой связи приводит клетки к лизису.
Пептидогликан является основным структурным компонентом клеточных стенок почти всех прокариот, за исключением архебактерий, у которых он либо совсем отсутствует, либо имеет иной химический состав. Например, у метанобразующих бактерий пептидогликан содержит вместо муреиновой кислоты талозоминуроновую, а пептидная часть не содержит D-аминокислот, состоит только из а-форм.
В зависимости от химического состава и структуры клеточной стенки все бактерии разделяют на грамположительные и грамотрицательные. Это основано на способности их окрашиваться фиолетовыми красителями трифенилметанового ряда кристаллвиолетом или генцианвиолетом — и не обесцвечиваться нейтральными растворителями — спиртом, ацетоном. Этот метод окраски введен впервые в 1884 г. датским врачом Христианом Грамом и окраска по Граму используется как важнейший таксономический признак бактерий. Сущность его состоит в следующем. Фиксированные клетки окрашиваются кристаллвиолетом или генцианвиолетом, затем протравливаются 30 с раствором Люголя (1 + KI), промываются спиртом, водой и докрашиваются 1 %-ным водным фуксином. Грамположительные бактерии приобретают синий цвет, грамотрицательные — красный.
По структуре и химическому составу клеточной стенки грамположительные бактерии существенно отличаются от грамотрицательных ( табл. 2).
У грамположительных бактерий клеточная стенка представляет собой гомогенный электронно-плотный слой толщиной 20 — 80 нм. Основную массу (50-90 % сухого вещества) составляет пептидогликан, образующий ригидный толстый слой. Он плотно прилегает к ЦПМ. Пептидогликановый слой пронизан тейхоевыми кислотами, которые могут выходить на поверхность клеточной стенки. Кроме этих основных полимеров в клеточных стенках грамположительных бактерий содержатся в небольших количествах липиды, полисахариды, белки. Липиды и
полисахариды ковалентно связываются с пептидогликаном, образуя сложную, механически прочную структуру.
Таблица 2
Характеристика химического состава клеточных стенок бактерий

Компоненты Г рамположительные Г рамотрицател ьные
Пептидогликан + +
Тейхоевые кислоты +
Липиды + +
Белки ± +
Полисахариды +
Липополисахариды +
Липопротеиды +

точная стенка грамотрицательных бактерий более тонкая (10-15 нм ) и многослойная (рис.3.13). Внутренний слой представлен пептидогликаном, содержание которого значительно меньше (1-10 %), чем в стенках грамположительных бактерий. Толщина данного слоя 2-3 нм. Наружный слой более рыхлый и толстый — 8-10 нм, имеет сложный химический состав. В нем обнаружены белки, фосфолипиды и липополисахариды, расположенные мозаично. По структуре и химическому составу этот слой имеет сходство с цитоплазматической мембраной. Он получил название наружной мембраны и имеется только у грамотрицательных бактерий.
Наружная мембрана является дополнительным барьером, препятствующим проникновению в клетку крупных молекул. Так, она препятствует поступлению в клетку антибиотиков, в частности пенициллина, актиномицина Д. Вполне возможно, что по этой причине грамотрицательные бактерии менее чувствительны к антибиотикам, чем грамположительные.
Липополисахариды наружной мембраны определяют антигенную специфичность бактерий, а также служат рецепторами для адсорбции фагов.
Белки наружной мембраны выполняют разные функции. Одни из них, так называемые белки матриксапорины, формируют в
мембране гидрофильные поры, через которые осуществляется диффузия аминокислот, небольших олигосахаридов и пептидов (молекулярная масса от 600 до 900 Да6). Транспорт веществ через поры, образованные поринами, лишен специфичности. Порины являются также рецепторами для фагов и колицинов.

Вторая группа белков — минорные белки, как и предыдущая группа, выполняют транспортные и рецепторные функции. Важная роль отводится им в транспорте железосодержащих соединений в клетке разных видов грамотрицательных бактерий.
Таким образом, структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий намного сложнее, чем грамположительных. Структурные особенности и химический состав клеточных стенок лежат в основе механизма окрашиваемости бактерий по Г раму.
Да — дальтон, или единица аггомной массы, равен 1,66033 х 10 1 кг.
Ответственность за окраску по Граму несут муреин и частично липиды, оказывающие влияние на проницаемость клеточной стенки. Обработка бактерий спиртом вызывает разбухание муреина и уменьшение диаметра пор клеточной стенки, что в целом приводит к снижению ее проницаемости. Так как грамположительные бактерии характеризуются высоким содержанием муреина, то в результате обработки спиртом стенки их становятся почти непроницаемыми для красителей и вымывание краски не происходит. У грамотрицательных слой муреина тонкий и не играет существенной роли в проницаемости стенки. Кроме того, проницаемость клеточной стенки у грамположительных бактерий увеличивается за счет растворения и вымывания липидов спиртом, содержание которых довольно высокое ( до 22 % ), и к тому же они хорошо растворяются в нейтральных органических растворителях. Все это способствует обесцвечиванию клетки. Доказательством того, что в окраске по Граму основную роль играет клеточная стенка, является тот факт, что при удалении ее с окрашенных клеток протопласты грамположительных бактерий при промывании спиртом обесцвечиваются, превращаясь в грамотрицательные. Следовательно, окрашенный комплекс удерживает клеточная стенка.
Клеточная стенка у грамотрицательных бактерий отделена от цитоплазматической мембраны электронно-прозрачным промежутком, получившим название периплазматического пространства, или периплазма. В нем содержатся кроме тонкого слоя муреина (2-3 нм) специфические белки, так называемые связывающие, или транспортные белки. Это водорастворимые белки, обладающие высоким сродством к определенным питательным субстратам — аминокислотам, сахарам, неорганическим ионам. Они являются составной частью систем активного транспорта, но самостоятельно осуществлять этот процесс они не могут и функционируют только в сочетании со специфическими пермеазами, локализованными в цитоплазматической мембране. Транспортные белки связывают соответствующие субстраты и переносят их от внешней мембраны к цитоплазматической. В периплазматическом пространстве содержится также ряд гидролитических ферментов — нуклеазы, щелочная и кислая фосфатазы, пенициллианаза. У грамположительных бактерий эти ферменты являются типичными экзоферментами, у грамотрицательных выход их из клеток задерживается наружной мембраной, которая является барьером для белков и некоторых других соединений. Наличие в периплазме ферментов позволяет клетке использовать более широкий круг веществ, поступающих извне. Так как данные ферменты изолированы от цитоплазмы, то содержание их не угрожает содержимому клетки подвергнуться автолизу, или самоперевариванию.
Важнейшие функции клеточной стенки заключаются в следующем. Она обеспечивает клетке определенное постоянство формы, защищает содержимое от ее внешних воздействий, определяет способность к адсорбции фагов, так как на ее поверхности расположены фагочувствительные рецепторы, играет важную роль и в реакции иммунитета. Установлено, что между фагоцитарной активностью лейкоцитов и поверхностной структурой бактериальных клеток существует определенная зависимость. Особенности структуры клеточной стенки определяют чувствительность бактерий к повреждающему действию сыворотки крови и форменных элементов.
Таким образом, клеточная стенка бактерий — сложная полифункциональная система, обладающая необходимыми реологическими свойствами (упругость, пластичность, прочность) и обеспечивающая анатомическую целостность клетки, геометрическую форму ее и контакт с внешней средой.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *