Buněčná stěna a cytoplasmatická membrána
| Stránky: | Moodle Veterinární univerzita Brno |
| Kurz: | Mikrobiologie potravin a mikrobiologické laboratorní metody 1 |
| Kniha: | Buněčná stěna a cytoplasmatická membrána |
| Vytiskl(a): | Nepřihlášený host |
| Datum: | pátek, 10. května 2024, 08.43 |
Popis
Kapitola uvádí informace o stavbě buněčné stěny a cytoplasmatické membrány bakterií.
Buněčná stěna
Buněčná stěna je rozkládána pomocí enzymu lysozymu, který ji hydrolyzuje; penicilin a další β-laktamová antibiotika blokují její syntézu. Rozrušíme-li buněčnou stěnu, dostaneme okrouhlé útvary ohraničené cytoplasmatickou membránou – tzv. protoplasty u grampozitivních bakterií (zcela bez buněčné stěny) či sféroplasty v případě gramnegativních bakterií (zbytky stěny na povrchu buňky). Tyto útvary jsou vždy kulovitého tvaru a musí být udržovány v hypertonickém prostředí. Některé patogenní bakterie mohou i v makroorganismu tvořit tzv. L-formy (buňky, které ztratily buněčnou stěnu např. vlivem antimikrobiálních látek), které mohou v prostředí o vhodném osmotickém tlaku přežívat, příp. se i množit.
Peptidoglykan
Unikátní složkou buněčné stěny bakterií je peptidoglykan (mukopeptid, murein).
Peptidoglykan je polysacharid, tedy lineární polymer dvou pravidelně se střídajících aminocukrů: N-acetylglukosaminu a kyseliny N-acetylmuramové, které jsou navzájem spojeny β-1-4-vazbami. Tyto vazby jsou hydrolyzovány lysozymem.
Na karboxylovou skupinu kyseliny N-acetylmuramové jsou napojeny tetrapeptidové postranní řetězce. Typickou kombinací tetrapeptidů je L-alanin-D-glutamová kyselina-variabilní aminokyselina-D-alanin. Variabilní aminokyselinou je nejčastěji L-lysin u grampozitivních bakterií nebo L,L-diaminopimelová kyselina (DAP) u gramnegativních bakterií.
Jednotlivé tetrapeptidové řetízky jsou vzájemně propojeny, a to dvojím způsobem (jedná se o tzv. transpeptidaci). U gramnegativních bakterií a některých grampozitivních bacilů je přímo spojen koncový D-alanin jednoho tetrapeptidu s předposlední DAP druhého tetrapeptidu. V případě ostatních grampozitivních bakterií je spojení umožněno obvykle pentapeptidovým řetězcem (tzv. příčné můstky).
Peptidoglykan
(upraveno podle: KUMAR, S. Textbook of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Jaypee Brothers Medical Publisher (P) Ltd. 2012. 784 p.)
Syntéza peptidoglykanu
Syntéza peptidoglykanu probíhá ve třech etapách:
1) syntéza prekurzorů buněčné stěny enzymy přítomnými v cytoplasmě;
2) transport prekurzorů přes hydrofobní vrstvu cytoplasmatické membrány v tucích rozpustným přenašečem;
3) připojení k peptidoglykanu v místě, kde jeho růst probíhá a tvorba peptidové vazby příčného propojení.
Rozdíly ve stavbě buněčné stěny
Buněčná stěna grampozitivních a gramnegativních bakterií má velmi odlišnou stavbu, základní rozdíly jsou uvedeny v následující tabulce.
(zpracováno podle: KAPRÁLEK, F. Základy bakteriologie. 1. vyd. Praha, ČR: Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum. 2000. 241 p.; KUMAR, S. Textbook of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Jaypee Brothers Medical Publisher (P) Ltd. 2012. 784 p.; MEHROTRA, R.S., SUMBALI, G. Principles of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Education. 2009. 924 p.)
Buněčná stěna grampozitivních bakterií
(upraveno podle: KUMAR, S. Textbook of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Jaypee Brothers Medical Publisher (P) Ltd. 2012. 784 p.)
U grampozitivních bakterií je buněčná stěna silnější (více než 20 nm) a tvoří ji mohutná vrstva peptidoglykanu, v níž jsou polysacharidové řetězce uloženy v mnoha vrstvách nad sebou. Na rozdíl od gramnegativních bakterií jsou jednotlivá vlákna peptidoglykanu mnohem více zesíťována příčnými pentapeptidovými můstky.
Peptidoglykanovou vrstvou probíhají kolmo k povrchu buňky lineární řetězce teichoových kyselin (kyselé polysacharidy tvořené opakujícími se jednotkami glycerolfosfátu nebo ribitolfosfátu s glykosidicky navázanými cukry). Teichoové kyseliny se nepodílí na pevnosti buněčné stěny, jejich hlavní úlohou je zřejmě vazba kationtů (např. Ca2+ a Mg2+) a jsou hlavním povrchovým antigenem grampozitivních bakterií.
Rozeznáváme dva typy teichoových kyselin: a) stěnové teichoové kyseliny kovalentně vázané k peptidoglykanu; a b) membránové teichoové kyseliny (lipoteichoové kyseliny), které jsou kovalentně vázané k membránovým glykolipidům a jsou soustředěné hlavně v oblasti mesosomů.
Buněčná stěna grampozitivních bakterií neobsahuje lipidy (výjimka – vosky a lipidy u mykobakterií či korynebakterií) ani proteiny (výjimka – povrchová bílkovinná vrstva streptokoků udělující jim specifické antigenní vlastnosti). Periplasmatický prostor mezi stěnou a cytoplasmatickou membránou je velmi malý.
Buněčná stěna gramnegativních bakterií
(upraveno podle: KUMAR, S. Textbook of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Jaypee Brothers Medical Publisher (P) Ltd. 2012. 784 p.)
Buněčná stěna gramnegativních bakterií je sice tenčí (asi 15 nm), má však mnohem složitější stavbu.
Nad tenkou vrstvou peptidoglykanu (obvykle pouze jedna vrstva) je tzv. vnější membrána, která je jako jiné biologické membrány tvořena dvojitou vrstvou fosfolipidů a navázaných bílkovin. Relativní obsah fosfolipidů je však menší než v cytoplasmatické membráně, proto jsou fosfolipidy umístěny především ve vnitřní vrstvě vnější membrány. Ve vnější vrstvě jsou nahrazeny molekulami lipopolysacharidů.
Nejvýznamnější bílkoviny zevní membrány jsou tzv. poriny, jedná se o trimery umožňující neselektivní průnik malých hydrofilních molekul skrz vnější membránu. Zakotvení vnější membrány k peptidoglykanu umožňují lipoproteiny.
Prostor mezi oběma membránami se označuje jako periplasmatický prostor, nachází se zde řada molekul – živiny, metabolity, hydrolytické enzymy, enzymy schopné inaktivovat antibiotika (např. β-laktamasy), atd.
Buněčná stěna gramnegativních bakterií
(upraveno podle: KUMAR, S. Textbook of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Jaypee Brothers Medical Publisher (P) Ltd. 2012. 784 p.)
Lipopolysacharidy (LPS) jsou unikátní molekuly, které se vyskytují pouze ve vnější membráně gramnegativních bakterií. LPS se skládá se ze tří částí – lipidu A, základního polysacharidu a specifického polysacharidu.
Lipid A, složený z disacharidu a mastných kyselin, je společný pro všechny LPS a zakotvuje je hydrofobními a hydrofilními silami do lipidové dvojvrstvy vnější membrány. Lipid A je toxický pro vnímavé živočišné buňky a bývá proto označován jako tzv. endotoxin.
Na lipid A je navázán základní polysacharid, který je společný všem příbuzným druhům bakterií. Na něj potom navazuje specifický polysacharid – somatický O antigen gramnegativních bakterií, který je velmi dlouhý a vyčnívá ven do prostředí (O antigen je druhově i kmenově úzce specifický).
Mezi vnější a vnitřní membránou existují četná spojení – tzv. adhezivní místa, která umožňují pohyb molekul různých látek z jedné membrány do druhé. V tomto místě, mimo jiné, řada bakteriofágů vpravuje svou nukleovou kyselinu do bakteriální buňky.
Zevní membrána umožňuje prostup živin, ale současně brání průniku řady molekul (některá barviva - krystalová violeť, antibiotika či soli žlučových kyselin).
Cytoplasmatická membrána
Pod buněčnou stěnou se nachází cytoplasmatická membrána, tenká (asi 5 – 10 nm), obvykle hladká a napjatá membrána obdávající povrch bakteriální cytoplasmy a vytvářející uvnitř bakteriální buňky jediný nedělený prostor. Je viditelná pouze v elektronovém mikroskopu.
Protože je to u bakterií jediná vnitřní biologická membrána, probíhají na ní všechny buněčné funkce a děje, které nemohou probíhat v roztoku a jsou vázány na membrány (např. oxidativní fosforylace, respirační řetězec).
U řady bakterií pozorujeme různě velké invaginace (výchlipky) cytoplasmatické membrány, často označované jako mesosomy. V místě invaginací jsou výrazně zmnoženy potřebné enzymové systémy. Mesosomy hrají roli i při dělení bakteriální buňky (vznik přepážky).
Cytoplasmatická membrána je typická biologická membrána tvořená dvojvrstvou fosfolipidů a vmezeřenými proteiny. Fosfolipidy vytváří vnitřní hydrofobní a vnější polární (hydrofilní) část, ve které jsou částečně či zcela ponořeny a hydrofobní silou poutány molekuly bílkovin (celou membránou pronikají integrální proteiny). Část bílkovin je elektrostatickými silami slabě poutána k povrchové hydrofilní části (periferní proteiny). Fosfolipidová dvojvrstva je tekutá (fluidní), molekuly fosfolipidů i bílkovin mají volnost rotačního i laterálního pohybu. Hovoříme o tzv. modelu tekuté mozaiky.
(upraveno podle: MEHROTRA, R.S., SUMBALI, G. Principles of Microbiology. 1st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Education. 2009. 924 p.)
Cytoplasmatická membrána
Chemické složení cytoplasmatické membrány kolísá v závislosti na druhu bakterie a kultivačních podmínkách. Nejčastěji jsou zastoupeny fosfatidylglycerol a fosfatidylethanolamin, cholesterol a další steroly zcela chybí (výjimkou jsou mykoplasmata). Poměr nasycených a nenasycených mastných kyselin se mění v závislosti na kultivační teplotě tak, aby byla zachována potřebná tekutost membrány (nižší teplota – více nenasycených mastných kyselin). Lipidy cytoplasmatické membrány mají mezi glycerolem a vyššími mastnými kyselinami esterovou vazbu, tím se bakterie liší od domény Archaea, kde je tato vazba etherová.
Cytoplasmatická membrána bakterií je stavebně i funkčně asymetrická (většina membránových proteinů je na její vnitřní straně). Nikdy se netvoří de novo, ale roste jedině insercí nového materiálu do stávající membrány, což umožňuje správné uspořádání nových membránových molekul.
Hlavní funkce cytoplasmatické membrány bakterií:
- semipermeabilita – regulované a selektivní proudění látek dovnitř bakteriální buňky a jejich vylučování do vnějšího prostředí; malé molekuly (např. voda, O2, CO2, jednoduché cukry) membránou volně pronikají (difundují), oproti tomu větší molekuly jsou transportovány pouze pomocí specifických transportních systémů – permeas;
- osmotická bariéra – udržuje příznivý osmotický tlak uvnitř bakteriální buňky;
- transformace energie – fotosyntetizující bakterie transformují světelnou energii v energii protonového gradientu; chemotrofní bakterie získávají energii oxidací redukované látky kyslíkem či jiným akceptorem elektronů prostřednictvím respiračního řetězce vytvářejícího protonový gradient; oba tyto systémy jsou lokalizovány na membráně;
- místo lokalizace dalších enzymových systémů – na cytoplasmatické membráně jsou lokalizovány např. enzymy řídící syntézu a hydrolýzu fosfolipidů či syntézu složek buněčné stěny a pouzdrových obalů;
- separace molekul DNA – cytoplasmatická membrána hraje roli také při replikaci DNA, která je připojená k membráně v místě mesosomů; po replikaci jsou dvě nové molekuly DNA fyzicky separovány syntézou nové cytoplasmatické membrány (dělení bakterií, tvorba spor);