Gramnegativa bakterier

Gramnegativa bakterier (betecknade Gram (-)) är bakterier som inte färgas med kristallviolett när man använder gramfärgade mikroorganismer [1] . Till skillnad från grampositiva bakterier , som behåller sin lila färg även efter tvätt med ett avfärgande lösningsmedel ( alkohol ), avfärgas gramnegativa bakterier helt. Efter tvätt med lösningsmedel tillsätter Gram -färgen en motfärgning (vanligtvis safranin ) som färgar alla gramnegativa bakterier röda eller rosa. Detta beror på närvaron av ett yttre membran som förhindrar att färgämnet tränger in i cellen. Testet i sig är användbart för att klassificera bakterier och separera dem i två grupper med hänsyn till deras cellväggsstruktur . På grund av sin kraftfullare och ogenomträngliga cellvägg är gramnegativa bakterier mer resistenta mot antikroppar än grampositiva.

Vanligtvis är patogeniciteten hos gramnegativa bakterier associerad med vissa komponenter i deras cellväggar, nämligen med lipopolysackaridskiktet (LPS eller endotoxiskt skikt) [1] . I människokroppen inducerar LPS ett immunsvar som kännetecknas av cytokinsyntes och aktivering av immunsystemet . Ett vanligt svar på cytokinsyntes är inflammation , som också kan leda till en ökning av giftiga ämnen i värden.

Egenskaper

Gemensamma egenskaper som är gemensamma för de flesta gramnegativa bakterier:

  1. Närvaron av två membran, mellan vilka det finns en cellvägg och periplasmatiskt utrymme .
  2. Tunnare, jämfört med grampositiva bakterier , peptidoglykanskikt .
  3. Det yttre membranet innehåller lipopolysackarider (består av lipid A , polysackaridkärna och antigen O på utsidan och fosfolipider på insidan).
  4. Det yttre membranet innehåller poriner , som fungerar som porer för vissa molekyler.
  5. S-skiktet är fäst vid det yttre membranet och inte till peptidoglykanskiktet.
  6. Om det finns ett flagellum har det fyra stödringar istället för två.
  7. Teichoic och lipoteichoic syror saknas .
  8. De bildar vanligtvis inte sporer (ett anmärkningsvärt undantag är Coxiella burnetii , som bildar sporliknande strukturer).
  9. Lipoproteiner är fästa direkt till polysackaridryggraden.
  10. De flesta innehåller Browns lipoprotein , som länkar det yttre membranet och peptidoglukankedjorna genom kovalent bindning.

Kemisk sammansättning och struktur av cellmembran

Därefter betraktas lagren av cellhöljen av gramnegativa prokaryoter, med början från det innersta:

Cellvägg

Gramnegativa eubakterier har en mycket mer komplex cellväggsstruktur än grampositiva. Den innehåller ett mycket större antal makromolekyler av olika kemiska typer. Peptidoglykan bildar endast det inre lagret av cellväggen, löst vidhäftande till CPM . För olika typer av gramnegativa eubakterier varierar innehållet av denna heteropolymer kraftigt. I de flesta arter bildar den en en- eller tvåskiktsstruktur, kännetecknad av mycket sällsynta tvärbindningar mellan heteropolymerkedjor.

Vissa glidande bakterier ( myxobacteria , flexibacteria ) kan periodiskt ändra formen på celler i processen att röra sig längs ett fast substrat, till exempel genom att böjas, vilket indikerar elasticiteten hos deras cellvägg, och i första hand dess peptidoglykanskikt. Elektronmikroskopisk undersökning visade dock att de hade en cellvägg som är typisk för gramnegativa eubakterier. Den mest troliga förklaringen till flexibiliteten hos cellväggen hos dessa bakterier är den extremt låga tvärbindningen av dess peptidoglykankomponent [2] .

Periplasmatiskt utrymme

Uppkomsten i gramnegativa eubakterier av ytterligare ett membran som en del av cellväggen ledde faktiskt till skapandet av en separat hålighet (periplasmatiskt utrymme), avgränsad från cytoplasman och den yttre miljön av specifika membran och som bär en viktig funktionell belastning [2 ] .

Det periplasmatiska utrymmet , där peptidoglykanskiktet är nedsänkt, är fyllt med en lösning som innehåller specifika proteiner , oligosackarider och oorganiska molekyler. Det finns två typer av periplasmatiska proteiner: transportproteiner och hydrolytiska enzymer .


Man fann också att många bakterier kan producera stora mängder enzymer ( glykosidaser , proteaser , lipaser , etc.) som hydrolyserar alla typer av polymermolekyler. De senare kan antingen vara molekyler som syntetiseras av cellen själv eller främmande som har kommit in i cellen utifrån. De negativa konsekvenserna av hydrolysen av de egna molekylerna (självsmältningen) är uppenbara. Samtidigt behöver prokaryoter hydrolytiska enzymer, eftersom detta utökar utbudet av ämnen de använder, inklusive olika typer av polymerer. Det blir tydligt behovet av att isolera dessa enzymer från det cytoplasmatiska innehållet. Gram -positiva eubakterier utsöndrar hydrolytiska enzymer i den yttre miljön, medan de i gramnegativa eubakterier är lokaliserade i det periplasmatiska utrymmet.

Yttre membran

Utanför peptidoglykanen finns ytterligare ett lager av cellväggen - det yttre membranet. Den består av fosfolipider som är typiska för elementära membran, proteiner, lipoprotein och lipopolysackarid. En specifik komponent i det yttre membranet är lipopolysackarid av en komplex molekylstruktur, som upptar cirka 30-40% av dess yta och är lokaliserad i det yttre lagret.

De yttre membranproteinerna kan delas in i major och minor. Grundläggande proteiner representeras av ett litet antal olika arter, men står för nästan 80 % av alla yttre membranproteiner. En av funktionerna hos dessa proteiner är bildandet av hydrofila porer i membranet med en diameter på cirka 1–15 nm och en längd av 50–70 nm , lutande mot cellväggens yta i en vinkel av 30–40° . Genom dem utförs ospecifik diffusion av molekyler med en massa på upp till 600-900 Da . Detta innebär att sockerarter , aminosyror , små oligosackarider och peptider kan passera genom sådana porer . Proteiner som tränger igenom det yttre membranet och bildar hydrofila porer kallas poriner. Mindre proteiner i det yttre membranet representeras av ett mycket större antal arter. Deras huvudsakliga funktion är transport och receptor. Ett exempel på mindre proteiner är proteiner som ansvarar för den specifika transporten av järnhaltiga föreningar in i cellen.

En mängd olika funktioner utförs av makromolekyler lokaliserade delvis eller helt på utsidan av cellväggen i kontakt med omgivningen; dessa är specifika receptorer för fager och koliciner ; antigener ; makromolekyler som tillhandahåller intercellulära interaktioner under konjugation , såväl som mellan patogena bakterier och vävnader från högre organismer.

S-lager och oscilinfibriller

S-skiktet eller det tandade skiktet  är ett skikt av tätt packade proteiner som kantar cellens yttre yta och ger skydd mot plötsliga förändringar i pH eller koncentrationer av eventuella joner. Ovanpå detta lager finns ett lager hårliknande fibriller, som ligger utanför det yttre membranet av cyanobakterier , som kan glida. Liksom hårstrån består de övre fibrillerna av ett stavliknande glykoprotein som kallas oscillin .

Glidning sker genom utsöndring av slem genom porerna till utsidan av cellmembranen [3] . Slem passerar längs ytan av oscillinfibrillerna i det yttre lagret av cellen och längs det intilliggande substratet, och för fibrillerna framåt. Samlingen av organiserade hårliknande fibriller fungerar alltså som en passiv skruv medan slemmet passerar över deras yta i en glidprocess [4] .

Klassificering

Tillsammans med cellformsanalys är Gram-färgning en snabb diagnostisk teknik som tidigare har använts för att gruppera bakteriearter i underavdelningar.

Baserat på Gram-färgning har det nu utdöda kungariket Monera delats upp i fyra divisioner : Firmacutes (+), Gracillicutes (-), Mollicutes (0) och Mendocutes (var.) [5] . Men sedan 1987 har monofylin hos gramnegativa bakterier ifrågasatts, och senare helt vederlagd av bimolekylära studier [6] . Men vissa författare, såsom T. Cavalier-Smith , anser dem fortfarande vara en monofyletisk klad och tilldelar dem underriket Negibacteria [7] .

Strukturen av det yttre cellmembranet och klassificeringen av bakterier

Det är viktigt att påpeka att även om bakterier traditionellt delas in i två huvudgrupper, Gram-positiva och Gram-negativa, är denna klassificering tvetydig och godtycklig, eftersom den kan hänvisa till tre helt olika aspekter (färgningsresultat, organisering av cellhöljen, taxonomisk grupp), som inte nödvändigtvis är samma för alla typer av bakterier [8] [9] [10] [11] . Färgningssvaret för grampositiva och gramnegativa bakterier är inte en tillförlitlig karakterisering också eftersom de två bakteriearterna inte bildar en fylogenetiskt enhetlig grupp [8] . Hur som helst, även om Gram-färgning är ett empiriskt kriterium, är det baserat på distinkta skillnader i ultrastrukturen och den kemiska sammansättningen av de två huvudtyperna av prokaryota cellväggar som finns i naturen. Båda dessa typer av cellväggar skiljer sig från varandra i närvaro eller frånvaro av ett yttre lipidmembran, vilket är en mer pålitlig och grundläggande egenskap hos bakterieceller [8] [12] . Alla grampositiva bakterier är omgivna av ett enda lager av ett fosfolipidmembran och har vanligtvis ett tjockt lager ( 20-80 nm ) av peptidoglykaner ( murein , etc.), som behåller Gram-färgningen. Ett antal andra bakterier omgivna av ett enda membran, men som färgar gramnegativa på grund av avsaknaden av ett peptidoglykanlager (se mykoplasma ) eller deras oförmåga att behålla Gram-färgningen på grund av cellväggens specifika sammansättning, är också nära besläktade till grampositiva bakterier. För bakterieceller omgivna av ett enda cellmembran har termen monodermiska bakterier eller monodermala prokaryoter föreslagits [8] [8] [12] . Till skillnad från grampositiva bakterier är alla arketypiska gramnegativa bakterier, förutom cytoplasmamembranet, även omgivna av ett yttre cellmembran och innehåller ett extremt tunt lager av peptidoglykaner ( 2–3 nm ) mellan sig. Närvaron av inre och yttre membran ger upphov till ett nytt cellulärt fack, det periplasmatiska utrymmet . Sådana bakterier/prokaryoter har betecknats som didermala bakterier [8] [8] [12] .

En annan viktig skillnad mellan monodermiska och didermala prokaryoter är den konserverade uppsättningen av deletioner i ett antal viktiga proteiner (se DnaK , GroEL ) [8] [9] [12] [13] . Av de två strukturellt distinkta grupperna av prokaryota organismer anses monodermiska bakterier vara förfädernas grupp av didermiska bakterier. Baserat på ett antal observationer, inklusive det faktum att grampositiva bakterier övervägande är antibiotikaproducenter, medan gramnegativa bakterier i allmänhet är resistenta mot antibiotika, har det föreslagits att det finns en skyddsmekanism i det yttre cellmembranet hos gramnegativa. bakterier mot antibiotikas selektiva verkan [8] [9] [12] [13] . Vissa bakterier, som Deinococcus , färgar grampositiva på grund av det tjocka peptidoglykanlagret, men har ett yttre cellmembran och anses vara en mellanliggande mellanhud (grampositiv) och diderm (gramnegativ) [8] [13] . Didermiska bakterier i sin tur kan delas in i enkla didermer , som inte har ett lager av liposackarider, arketypiska didermer , vars yttre cellmembran innehåller lipopolysackarider, och didermer , vars yttre membran består av mykolsyra [10] [11] [ 13] [14] .

Dessutom uppvisar många bakteriella taxa (se Negativicutes , Fusobacteria , Synergistetes och Elusimicrobia ) som är en del av filum Firmicutes eller en närbesläktad gren av den också en didermisk cellstruktur [11] [13] [14] . En konserverad deletion (CSI) i HSP60 -proteinet ( GroEL ) fungerar emellertid som kännetecknet för alla traditionella typer av gramnegativa bakterier (d.v.s. Proteobacteria , Aquificae , Chlamydiae , Bacteroidetes , Chlorobi , Cyanobacteria , Fiberobacteria , Spiicrobia , Verbrocomacteres , Spiicroche , Verbrocomacteres , Acidobakterier , etc.) från atypiska didermer och andra typer av monodermiska bakterier (som Actinobacteria , Firmicutes , Thermotogae , Chloroflexi , etc.) [13] . Närvaron av CSI i alla sekvenserade arter från vanliga LPS-innehållande Gram-negativ bakteriefylum indikerar att denna bakteriefilum bildar en monofyletisk kladd och antyder att ingen yttre membranförlust har inträffat hos någon art i denna grupp. Dessa data talar emot hypotesen om ursprunget till monodermiska prokaryoter från didermala genom förlust av det yttre membranet [13] .

Visa exempel

Proteobakterier  är en stor grupp gramnegativa bakterier, inklusive Escherichia coli ( E. coli ), Salmonella , Shigella och andra Enterobacteriaceae , Pseudomonas , Moraxella , Helicobacter , Stenotrophomonas , Bdellovibrio , ättiksyrabakterier och många andra , Legionella . Andra anmärkningsvärda grupper av gram-negativa bakterier inkluderar cyanobakterier , spirochetes , gröna grå och icke-svavelbakterier .

Medicinskt associerade gramnegativa kocker inkluderar tre organismer som orsakar sexuellt överförbara sjukdomar ( Neisseria gonorrhoeae ), meningit ( Neisseria meningitidis ) och luftvägssymtom ( Moraxella catarrhalis ).

Bland bacillerna finns ett stort antal medicinskt viktiga arter. Vissa av dem orsakar främst luftvägssjukdomar, såsom ( Hemophilus influenzae , Klebsiella pneumoniae , Legionella pneumophila , Pseudomonas aeruginosa ), utsöndring ( Escherichia coli , Proteus mirabilis , Enterobacter cloacae , Enterobacter cloacae digescion , Salmon typens, Serrat, Helia pyler , Serrat, Helia Pylact och Serrat . .

Ett antal gramnegativa bakterier är associerade med nosokomiala infektioner . Dessa inkluderar Acinetobacter baumannii , som orsakar bakteriemi, sekundär meningit och respiratorpneumoni hos patienter på intensivvårdsavdelningar.

Betydelse för medicin

En av flera unika egenskaper hos gramnegativa bakterier är strukturen hos det yttre cellmembranet. Det yttre skiktet av membranet innehåller ett komplex av lipopolysackarider , vars lipiddelar fungerar som endotoxiner . Om endotoxiner kommer in i transportsystemet uppstår förgiftning, följt av en ökning av temperaturen, en ökning av andningsfrekvensen och en minskning av blodtrycket. Allt detta kan leda till giftig chock och efterföljande död.

Detta yttre membran skyddar bakterien från vissa antibiotika , färgämnen och rengöringsmedel som normalt skadar det inre membranet eller cellväggen. Detta skydd gör bakterien resistent mot lysozym och penicillin . Alternativa terapier har emellertid utvecklats, såsom lysozym med EDTA och antibiotikumet ampicillin , som kan övervinna det skyddande yttre membranet hos vissa patogena gramnegativa organismer. Andra läkemedel kan användas för samma ändamål, de mest effektiva är kloramfenikol , streptomycin och nalidixinsyra .

Se även

Källor

  1. ↑ 1 2 3 '' Salton MRJ, Kim KS . strukturera. i: Baron's Medical Microbiology (Baron S. et al. , red.) . — 4:a. - Univ of Texas Medical Branch, 1996. - ISBN 0-9631172-1-1 . Arkiverad 9 februari 2009 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Gusev M. V., Mineeva L. A. Mikrobiologi: Lärobok. - 2003. - 464 sid.
  3. ↑ (Hoiczyk och Baumeister, 1998; Hoiczyk, 2000)
  4. ↑ Lee RE Physiology. — 4:e uppl. — Colorado State University, USA.
  5. ↑ Gibbons, N.E.; Murray, RGE Proposals Concerning the Higher Taxa of Bacteria  // International  Journal of Systematic Bacteriology : journal. - 1978. - Vol. 28 , nr. 1 . - S. 1-6 . - doi : 10.1099/00207713-28-1-1 .
  6. ↑ Ve CR Bakteriell evolution.  (engelska)  // Mikrobiologiska recensioner. - 1987. - Vol. 51, nr. 2 . - S. 221-271. — PMID 2439888 .
  7. ↑ Cavalier-Smith T. Rotar livets träd genom övergångsanalyser   // Biol . direkt : journal. - 2006. - Vol. 1 . — S. 19 . - doi : 10.1186/1745-6150-1-19 . — PMID 16834776 .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gupta RS (1998) Proteinfylogenier och signatursekvenser: En omvärdering av evolutionära relationer mellan arkebakterier, eubakterier och eukaryoter. mikrobiol. Mol. Biol. Varv. 62: 1435-1491.
  9. ↑ 1 2 3 Gupta RS (2000) De naturliga evolutionära förhållandena bland prokaryoter. Crit. Varv. mikrobiol. 26:111-131.
  10. ↑ 1 2 Desvaux Mickaël , Hébraud Michel , Talon Régine , Henderson Ian R. Sekretion och subcellulära lokaliseringar av bakteriella proteiner: en semantisk medvetenhetsfråga  // Trends in Microbiology. - 2009. - April ( vol. 17 , nr 4 ). - S. 139-145 . — ISSN 0966-842X . - doi : 10.1016/j.tim.2009.01.004 .
  11. ↑ 1 2 3 Sutcliffe Iain C. Ett perspektiv på filumnivå på bakteriecellhöljesarkitektur  // Trends in Microbiology. - 2010. - Oktober ( vol. 18 , nr 10 ). - S. 464-470 . — ISSN 0966-842X . - doi : 10.1016/j.tim.2010.06.005 .
  12. ↑ 1 2 3 4 5 Gupta RS (1998). Vad är arkebakterier: livets tredje domän eller monoderma prokaryoter relaterade till grampositiva bakterier? Ett nytt förslag för klassificering av prokaryota organismer. Molekylär mikrobiologi. 29(3):695-707.
  13. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gupta RS (2011). Ursprunget för diderm (Gram-negativa) bakterier: antibiotikaselektionstryck snarare än endosymbios ledde sannolikt till utvecklingen av bakterieceller med två membran. Antonie van Leeuwenhoek. 100:171-182.
  14. ↑ 1 2 Marchandin H. , Teyssier C. , Campos J. , Jean-Pierre H. , Roger F. , Gay B. , Carlier JP , Jumas-Bilak E. Negativicoccus succinicivorans allm. nov., sp. nov., isolerad från humana kliniska prover, ändrad beskrivning av familjen Veillonellaceae och beskrivning av Negativicutes classis nov., Selenomonadales ord. nov. och Acidaminococcaceae fam. nov. i bakteriefilumen Firmicutes.  (engelska)  // Internationell tidskrift för systematisk och evolutionär mikrobiologi. - 2010. - Vol. 60, nej. Pt 6 . - P. 1271-1279. - doi : 10.1099/ijs.0.013102-0 . — PMID 19667386 .
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger