Значение темы и общая характеристика клеточной стенки
Клеточная стенка — поверхностная структура бактериальной клетки, определяющая её форму, защиту и взаимодействие с организмом хозяина. Знание её строения принципиально для понимания окраски по Граму, механизмов действия антибиотиков (особенно β-лактамов и гликопептидов), а также факторов патогенности.
Основу клеточной стенки составляет пептидогликан (муреин). Он присутствует у большинства бактерий, кроме микоплазм, у которых клеточная стенка отсутствует в принципе, и L-форм, утративших её временно или полностью.
Строение пептидогликана
Пептидогликан представляет собой сетчатую структуру, состоящую из параллельных гликановых цепей, соединённых поперечными пептидными мостиками.
- Гликановые цепи образованы чередующимися остатками N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, связанными гликозидными связями.
- Гликозидные связи разрушаются лизоцимом — ферментом слюны и других секретов, обеспечивающим неспецифическую антибактериальную защиту.
- От N-ацетилмурамовой кислоты отходит тетрапептид (4 аминокислоты), который через поперечную пептидную связь соединяет соседние гликановые цепи в единую трёхмерную сеть.
Знание строения пептидогликана важно для фармакологии: ванкомицин (гликопептидный антибиотик) связывается с концевым участком D-аланил-D-аланин пептидного мостика, блокируя сборку клеточной стенки.
Грамположительные бактерии
У грамположительных бактерий клеточная стенка устроена относительно просто и включает всего две основные структуры:
- Толстый слой пептидогликана (15–18 нм), составляющий основную массу стенки.
- Тейхоевые и липотейхоевые кислоты, прикреплённые к пептидогликану или заякоренные в цитоплазматической мембране через липидный остаток.
Тейхоевые кислоты, как и сам пептидогликан, обладают свойствами антигенов: на них вырабатываются антитела, что используется при создании вакцин и серологической диагностике. К цитоплазме обращена цитоплазматическая мембрана.
Грамотрицательные бактерии
Список грамотрицательных бактерий медицинского значения значительно шире, а строение их клеточной стенки сложнее:
- Тонкий слой пептидогликана (около 2 нм), расположенный между двумя мембранами.
- Цитоплазматическая (внутренняя) мембрана из фосфолипидов.
- Наружная мембрана: внутренний слой — фосфолипидный, наружный — содержит липополисахарид (ЛПС). Связана с пептидогликаном через липопротеин.
- Порины — белковые каналы наружной мембраны, через которые проходят мелкие гидрофильные метаболиты и часть антибиотиков.
- Периплазматическое пространство между двумя мембранами содержит ферменты и транспортные белки.
Липополисахарид и его медицинское значение
ЛПС — уникальная структура наружной мембраны грамотрицательных бактерий, состоящая из трёх частей:
- Липид А — погружён в наружную мембрану, является эндотоксином и важнейшим фактором патогенности; высвобождается при разрушении бактерии и вызывает лихорадку, септический шок.
- Кор (ядро) — относительно консервативная олигосахаридная часть.
- О-антиген — наружная вариабельная полисахаридная часть, определяющая серовар бактерии. Особенно значим для идентификации энтеробактерий и шигелл.
От полноценности синтеза ЛПС зависит характер роста на питательных средах: при сохранном О-антигене формируются гладкие S-формы колоний, при дефекте — шероховатые R-формы.
Бактерии без клеточной стенки и L-формы
Не все бактерии имеют клеточную стенку. Микоплазмы лишены её изначально (отсюда «плазма» — бесформенная, пластичная). В отличие от них, микобактерии (туберкулёза, лепры) клеточную стенку имеют, причём с особым липидным составом.
L-формы — бактерии, временно или необратимо утратившие клеточную стенку под действием повреждающих факторов:
- Протопласты — полностью лишены клеточной стенки (характерно для грамположительных).
- Сферопласты — клеточная стенка сохранена частично (характерно для грамотрицательных).
Образование L-форм провоцируют антибиотики, действующие на синтез клеточной стенки, избыточное действие лизоцима и других защитных факторов. Бактерия прекращает синтез мишени и становится устойчивой. После прекращения воздействия возможна реверсия — восстановление клеточной стенки и рецидив инфекции. Это объясняет хронизацию заболеваний при неполноценной антибиотикотерапии.
Ключевые моменты
- Основа клеточной стенки бактерий — пептидогликан из N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, сшитый тетрапептидными мостиками.
- Гликозидные связи пептидогликана разрушает лизоцим; пептидные мостики — мишень для ванкомицина.
- У грамположительных бактерий — толстый пептидогликан и тейхоевые/липотейхоевые кислоты.
- У грамотрицательных — тонкий пептидогликан, наружная мембрана с ЛПС, порины и периплазматическое пространство.
- ЛПС состоит из липида А (эндотоксин), кора и О-антигена (определяет серовар).
- Полноценность ЛПС определяет S- или R-форму колоний на питательных средах.
- Микоплазмы лишены клеточной стенки изначально, в отличие от микобактерий.
- L-формы (протопласты и сферопласты) формируются при действии антибиотиков и могут вызывать рецидивы инфекций.