КЛЕТЪЧНА ОБВИВКА. Клетъчната обвивка е жизненоважен, сложно устроен органел, който се намира над цитоплазмената мембрана. Клетъчната обвивка притежава голяма твърдост и еластичност. Тя поддържа формата на бактериалната клетка, противодейства на високото вътреклетъчно налягане, взема участие в транспорта на хранителните вещества към цитоплазмата, в окислителното фосфорилиране, в процеса на клетъчното деление и има важни защитни функции. В състава на клетъчната обвивка на бактериите влизат структури с токсично въздействие върху макроорганизма (липополизахариди, пептидогликан, тейхоеви киселини и др.). Върху нея се намират специфични рецептори за бактериоцини и бактериофаги.
Клетъчната обвивка се състои от цитоплазмена мембрана и клетъчна стена.
Цитоплазмената мембрана (ЦПМ) е най-вътрешната част на клетъчната обвивка, разположена непосредствено до цитоплазмата. Тя е обща за Грам-положителните и Грам-отрицателните бактерии и заема около 30% от клетъчната маса. Има дебелина около 7,5 nm (трислойна структура) и е съставена от фосфолипиди (15-30%), протеини (50-70%) и въглехидрати (2-5%).
Трислойната структура на ЦПМ се формира от две съединения с амфипатичен характер: фосфолипиди и гликолипиди. Фосфолипидите са диглицериди. При тях двете хидроксилни групи на глицерола са заместени с мастни киселини, а третата – с фосфатидна киселина, която е съставена от около 70% фосфатидил етаноламин и от 20% фосфатидил глицерол. Този строеж обуславя и амфипатичния им характер, който се дължи на средния хидрофобен слой изграден от остатъците от мастните киселини, а остатъците от глицерола с фосфатидната киселина изграждат двата периферни — външен и вътрешен хидрофилен слой на ЦПМ.
Цитоплазматична мембрана (ЦПМ) изпълнява важни биологични функции, които се обуславят от нейните протеини:
- Участва в активния транспорт – мембраната притежава избирателна пропускливост. (Тя е полупропусклива пермеабилитетна осмотична бариера за почти всички нискомолекулни съединения и регулира тяхната концентрация в зависимост от техния градиент.)
- Дихателна – цитоплазмената мембрана участва в дишането, в нея се разполагат дихателните ензими. Те е еквивалент на митохондриите при еукариотите. (Мембраната е еквивалент на митохондриите поради което тя участва в дихателния катаболизъм при усвояването на енергията чрез окислително фосфорилиране. В нея и по нейната вътрешна среда са разположени цитохромоксидазите и оксиредуктазите от дихателните вериги.)
- Мембраната има съществено участие в транспорта на синтезираните в цитоплазмата белтъци към външната среда или в транспорта на белтъчните мономери за изграждането на самата цитоплазмена мембрана, пилите, ресните и градивните единици на по-горните отдели на обвивката (периплазмена зона и външна мембрана).
- Цитоплазмената мембрана участва в деленето на бактериалната клетка. Те образува вгъвания към цитоплазмата, наречени мезозоми. Цитоплазмената мембрана участва в транспорта на някои вещества извън клетката.
Клетъчната стена е втората основна структура на клетъчната обвивка при Грам-положителните и Грам-отрицателните бактерии.
Клетъчната стена обвива бактериалната клетка и изпълнява следните функции:
- Придава здравина (ригидност, твърдост) на клетката
- Определя формата на клетката
- Изпълнява защитна функция – предпазва клетката от механични въздействия и от действието на осмотично активни вещества.
Бактериалната клетъчна стена притежава тунктуриални свойства, тоест тя може да бъде оцветявана от различни багрила. Това свойство се обуславя от химичния състав на клетъчната стена.
Клетъчната стена е изградена от сложно химично вещество, което е съставено от два компонента:
1. Въглехидратен – включва:
N-ацетилгликозамин свързан с втория компонент
N-ацетилмураминова киселина
2. Пептиден – пептид включващ аминокиселини При едни бактерии се съдържа лизин, а при други диаминапимелинова киселина (ДАП).
Въглехидратния и пептиден компонент изграждат полимер, който наподобява арматура на желязобетонна конструкция. Този скелет се нарича муринов скелет.
Съдържа въглехидрати, липоиди и белтъчини. За разлика от полупропускливата цитоплазмена мембрана, клетъчната стена е проницаема за соли и други нискомолекулярни съединения. Представлява слой от уникален биохетерополимер, намиращ се в непосредствена близост до ЦПМ и заема 2 – 40% от сухата маса на клетката. Той е един от основните биополимери в бактериалната клетка, и се състои от пептидогликан (муреин от лат. murus – стена или мукопептид), и представлява една гигантска молекула, която обхваща като калъф бактериалната клетка (муреинен сакул).
Съществуват големи различия в строежа на клетъчната стена между Грам-положителните и Грам-отрицателните бактерии. При Грам-положителните бактерии муреинът представлява 95% от сухото вещество на клетката, той е многослоен (около 40 слоя), с дебелина 15 – 30 nm и е свързан с тейхоеви киселини. При Грам-отрицателните той е 5 – 12% и се състои от един-два слоя с дебелина до 15 nm, не съдържа тейхоеви киселини и само половината от страничните вериги са свързани с напречни връзки.
Клетъчна стена при ГРАМ-ПОЛОЖИТЕЛНИ бактерии.
Изградена е главно от пептидогликан, който заема голяма част от нейната дебелина, която варира от 20 до 80 nm. Основният полимер — пептидогликанът представлява огромна молекула с мрежеста структура и е с дебелина около 20 слоя при някои бацили. От 10 % до 50 % от масата на клетъчната стена е заета от полизахариди. От тях със съществено значение са тейхоевите киселини (от гр. teichos – стена), които са свързани ковалентно с мурамовата киселина от гликанните вериги на пептидогликана. Тейхоевите киселини съдържат D-гликуронова киселина и представляват полимери съставени от 20 – 40 полиоли (рибитол, манитол и по-рядко глицерол), свързани с фосфодиестерни връзки. Към тях най-често са присъединени захари, аминозахари или D-аланин. Молекулярните вариации на тейхоевите киселини имат таксономично значение. Липотейхоевите киселини са глицерофосфатни полимери на глицерола и рибитола с амфипатични свойства. Тези киселини имат хидрофобна част — гликолипид (или фосфатидил-гликолипид), и хидрофилна част – обикновено полиглицерофосфат. Гликолипидът свързва полимерната верига с външната страна на цитоплазмената мембрана. Липотейхоевите киселини макар и по-слабо токсични провокират много от ефектите на липополизахаридите (ендотоксина) на Грам-отрицателните бактерии.
Клетъчните стени при Грам-положителните бактерии притежават таксон-специфична за съответните бактерии молекулярна организация и участват във формирането на антигенната структура, патогенността, фаговите рецептори и други рецепторни функции, оцветителните способности и имуногенността на клетката.
В стената на някои Грам-положителни бактерии (напр. стрепоткоки) се доказват и силно разклонени хаптенни полизахариди, които са свързани с пептидогликана. На тяхната антигенност се дължи тези бактерии да се делят на серогрупи по Лансфийлд (R. Lancefield). Изключение правят стрептококите от група D, при които групов антиген е липотейхоевата киселина.
В стената на стрептококите от група А се намира повърхностен протеинов слой, протеин М, който е белтък с фибрилерна структура, а при S. aureus той е известен като протеин А. И двата са с важни функции като фактори на патогенността, а протеин А се използва за коаглутинационни реакции.
Със сложно устройство са клетъчните стени на бактериите от родовете Corynebacterium, Mycobacterium и Nocardia. Те съдържат арабиногалактани, фенолни гликолипиди и миколови киселини. Ковалентно с пептидогликана се свързва полизахаридът арабиногалактан, към който са присъединени миколовите киселини. Те са мастни киселини с дълговерижни алифатни вериги (С20 и С90), които са свързани ковалентно с полизахаридите от клетъчната стена. Миколовите киселини на коринебактериите са с малък брой С-атоми във веригата (20 — 36), при нокардиите те са 48 — 58, а при микобактериите – 79 — 85. Но само най дългите вериги придават на клетките киселинноустойчивост. Затова микобактериите и нокардиите се отнасят към групата на киселинно-устойчивите бактерии, тъй като трудно се оцветяват по метода на Грам. Различните микобактерии имат гликопептидолипиди, липоолигозахариди, фенолни гликолипиди, липоарабиноманин и др. Липидите в клетъчната стена на микобактериите достигат до 60 %. При останалите Грам-положителни бактерии тяхното количество е 4 %, а при Грам-отрицателните – до 20 %. Една част от тези липиди са истински восъци — естери на мастни киселини и многоатомни алкохоли.
Клетъчна стена при ГРАМ-ОТРИЦАТЕЛНИ бактерии
Тяхната клетъчна стена има по сложна структура, свързана с наличието на външна мембрана и периплазмено пространство между цитоплазмената и външната мембрана. При Грам-отрицателните бактерии пептидогликанът е в по-малко количество, образува слой с дебелина от около 2 nm и се свързва с външната мембрана с помощта на липопротеини.
Външна мембрана. Външните мембрани при всички Грам-отрицателни бактерии са изградени от фосфолипиди, липополизахариди и протеини.
Външната мембрана изпълнява следните функции:
- Съдържа много малко ензими;
- Притежава липополизахарид;
- Тя не е полупропусклива като ЦПМ;
- За малки водноразтворими молекули тя играе ролята на молекулярно сито;
- Бариера е за редица хидрофобни молекули и изпълнява защитна функция, като предпазва клетката от вредни химични въздействия от околната среда и от защитните фактори на организма — антитела, фагоцитоза, комплемент, мастни киселини и др.
- Предпазва пептидогликана от действието на лизиращи ензими;
- Някои от нейните структури са фактори на патогенността, напр. адхезини и токсини;
- Върху външната мембрана са разположени и местата за свързване на секс пилите и бактериофагите при процеса на конюгация.
Липополизахариди (ЛПЗ). Те се намират в природата само във външните мембрани на Грам-отрицателните бактерии и са с важни физиологични функции за бактерилната клетка. Участват във формиране на патогенността на бактериалната клетка и в диагностиката чрез определяне сероварите на бактериите. Липополизахаридите са известни още като ендотоксини, тъй като притежават висока токсичност за хората и животните. Те са разделени на три области, в които влизат комплексни амфипатични молекули изградени от една хидрофилна полизахарадна част съставена от две области и от една хидрофобна липидна част: област І — О специфична полизахаридна верига; област ІІ — R специфичен сърцевинен (базален) олигозахарид, който се състои от външна и вътрешна част; и област ІІІ — липид А. Всяка област се характеризира със специфична антигенна и биологична активност.
О-специфична полизахаридна верига. Тя е О-антигена на Грам-отрицателните бактерии, разположена извън бактериалната клетка. Представлява полимер, съставен от 1 до 40 повтарящи се олигозахаридни субединици (мономери). Всеки от тях е изграден от 1 до 6 — 7 различни монозахариди или аминозахари, подредени линейно или с къси странични разклонения, състоящи се от една захар.
В организма на хората и животните тези О-антигени водят до образуването на антитела, с високо специфично протективно действие. Те се включват в защита на макроорганизма чрез активирането на комплемент-медиираната бактериолиза и освен това опсонизират бактериите за последващата фагоцитоза.
Според О-антигените бактериите се делят на серогрупи и серотипове (серовари). Например, саломонелите се разделят в 45 серогрупи, а при E. coli са известни 171 серотипове.
Бактериите с О полизахарадни вериги в молекулата на липополизахарида си растат на твърди хранителни среди като образуват правилно окръглени колонии с гладка повърхност — S колонии (от англ. smooth — гладък). В течна хранителна среда те растат като образуват равномерно замътена суспензия. С помощта на полиакриламидна електрофореза е установено, че в рамките на всяка култура на E.coli О специфичните вериги са различно дълги, от 1 до 30 — 40 повтарящи се единици от олигозахариди.
О-специфичните полизахаридни вериги са фактори на патогенността и притежават следните биологични функции:
1. Патогенни са само щамовете ентеробактерии, които притежават тези вериги. Лизирането и фагоцитирането на останалите щамове, които притежават къси О-вериги или липсват такива се подпомага от антителата срещу О-антигените;
2. Установи се право пропорционална зависимост между дължината на О-веригите и резистентността на бактериите към лизиращото действие на комплемента;
3. Тези вериги напълно блокират алтернативния път за активиране на комплемента, по пътя на блокирането от тях осъществяване на връзката на C3b комплементна съставка с мембраната. О-специфичните вериги отчасти блокират и класическия път за активирането на комплемента чрез свързването на антителата далеч от външната мембрана;
4. Веригите притежават и антифагоцитарно действие.
R специфичен сърцевинен (базален) олигозахарид. Тази част на липополизахарида е съставена от външна и вътрешна област, които са изградени от малък брой молекулярни вариации на олигозахарида (от 9 до 12 захари). Външната област съдържа хексозите глюкоза, галактоза, N-ацетилглюкозамин и др. Вътрешната област е по консервативна, тъй като е изградена от пентоза, фосфат и 2-кето-3-дезоксиоктонат (KDO) . KDO се свързва директно към глюкозамина в липид А и присъства в липополизахаридите на всички бактерии. При всички ентеробактерии вътрешната част на областта е сходна, а външната част е еднаква за всички бактерии от род Salmonella. При другите ентеробактерии са известни само 5 разновидности. Специфичният базален олигозахарид има антигенни специфичности и се означава като R антиген. Бактериите с пълен (интактен) липополизахарид много лесно дават in vitro и in vivo мутации, при които бактериите са лишени от О антигенна верига. Тези новополучени мутанти растат като грапави в R-форма колонии (англ. rough — грапав).
Установено е, че съществуващата в природата минимална липополизахаридна структура е изградена от липид А KDO, която отговаря на непълните Rе-форми на ЛПЗ. Такава форма на ЛПЗ изгражда и външната мембрана на хламидиите.
