• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

МЕМБРАНИ МІКРОБНИХ КЛІТИН. Цитоплазматична мембрана.

Фарбування за Грамом.Диференційоване фарбування бактерій генціанвіолетом було запропоновано у 1884 р. датськиі фармакологом Г.Х. Грамом. У мікробіології забарвлення за Грамом є важливою таксономічною ознакою, з якою корелюють інши властивості бактерій. Суть методу полягає в тому, що при фарбуванні бактерій генціанвіолетом (кристалвіолетом, метилвіо летом) фарба з йодом утворюють сполуку, що утримується клітинами при обробці їх спиртом. Такі бактерії забарвлені в синьофіолетовий колір і їх називають грампозитивними.

Будова і хімічний склад клітинних стінок прокаріот.

Хімічний склад клітинних стінок мікроорганізмів спочат­ку привертав увагу дослідників у галузі систематики. Основою тому були дані про якісні відмінності у складі клітинних стінок між еукаріотними та прокаріотними мікроорганізмами, а також серед прокаріотів — між грампозитивними та грамнегативними бактеріями.

Бактерії, які знебарвлюються при обробці спиртом, називаються грамнегативними. їх потім дофарбовують контрастною фарбою (фуксином).

У 1978 р. Н.Е.Гіббонс та Р.Г.Е.Муррей запропонували грамнегативні істинні бактерії (еубактерії) виділити у відді Грацилікутних (Gracilicutes), а грампозитивні — у відділ Фірмікутних (Firmicutes). Але терміни "фірмікутні", "грацилікутні" бактерії не мають широкого використання в мікробіології.

Пептидоглікан (глікопептид, мукопептид, муреїн).Основним компонентом клітинної стінки бактерій є пептидогліка (глікопептид, мукопептид, муреїн). Пептидоглікан виявлен тільки у прокаріот. Винятком є еубактерії, що не мають клітинної стінки (мікоплазми, L-форми), та архебактерії — деякі метанеутворювальні та галофіли (Halobacterium, Halococcus). Для гало-

фільних бактерій наявність міцної клітинної стінки не обов'яз­кова, оскільки вміст їх клітин є ізоосмотичним з навколишнім середовищем.

Специфічний гетерололімер пептидоглікан складається: із залишків N -ацетилглюкозаміну та N-ацетилмурамової кислоти, з'єднаних між собою в-1,4-глікозидними зв'язками. N-ацетилглюкозамін є похідною сполукою глюкози, в якій гідро­ксильна група при другому атомі вуглецю заміщена на аміно­групу. N-ацетилмурамова кислота — це ефір N-ацетилглюкозаміну та .D-молочної кислоти {рис. 2.3);

із діамінокислот, з яких найчастіше зустрічаються мезо-діамінопімелінова кислота, LL-діамінопімелінова кислота, лізин, орнітин. Наявність таких амінокислот з двома аміногрупами має принципове значення для просторової організації пептидоглікану. Вони забезпечують утворення двох пептидних зв'язків між пептидними угрупованнями в молекулі;

Рис.2.3.Основні складові гетерополімеру пептидоглікану

з інших амінокислот (D- та L-аланін, D-глутамінова кис­лота, L-серин, гліцин).

Фрагмент пептидоглікану показано на рис.2.4.. За допомо­гою пептидних місточків гетерополімерні ланцюги зв'язані між собою в мішкоподібну гігантську молекулу — муреїновий мішок (муреїнова сітка).

Муреїновий мішок виконує функцію опорного каркаса клі­тинної стінки. За будовою цього каркаса, а також за вмістом інших речовин у клітинній стінці грампозитивні бактерії відріз­няються від грамнегативних.. Клітинна стінка грампозитивних бактерій.У грампозитивних бактерій частка муреїнової сітки становить 30-70 % сухої маси клітинної стінки (завтовшки 40 шарів). Замість мезо-діамінопімелінової кислоти часто міститься LL-діамінопімелінова кислота або лізин. У клітинній стінці грампозитивних бак­терій полісахариди, якщо вони є, зв'язані між собою ковалент­но. Вміст ліпідів і білків невисокий. У білках клітинних стінок грампозитивних бактерій набір амінокислот менший (4-12), ніж у грамнегативних (містяться практично всі амінокислоти, з яких складаються білки).

Рис. 2.4.Структура пептидоглікану Escherichia coli:

N-АцМур — N-ацетилмурамова кислота; N-АцГлю — N-ацетилглюкозамін; Ала — аланін; Глу — глутамінова кислота; m-Дпм — мезо-діамінопімелінова кислота; ▼ — лізоцим

Характерною особливістю грампозитивних бактерій є наяв­ність у клітинній стінці тейхоєвих кислот. Тейхоєві кислоти — це ланцюги, які складаються з 8-50 залишків гліцерину чи рибітолу, зв'язаних між собою фосфатними місточками. У молекулі тейхоєвої кислоти поліол може містити моносахариди як заміс­ники. Деякі з тейхоєвих кислот містять еритритол чи маніт. Припускається, що тейхоєві кислоти зв'язані з муреїном через фосфат за типом аміду. У складі тейхоєвих кислот деяких грам­позитивних бактерій містяться жирні кислоти, які утворюють ефірні зв'язки з гліцериновими залишками. їх називають л і п о ­т е й х о є в и м и кислотами. Тейхоєві кислоти містяться в клітинах у значних кількостях. У деяких бактерій вони ста­новлять більше половини маси клітинної стінки.

Функції тейхоєвих кислот:

фосфатні групи тейхоєвих кислот є місцем зв'язування катіо­нів магнію, необхідного для багатьох ензиматичних і фізико-хімічних процесів, що проходять на цитоплазматичній мембрані;

тейхоєві кислоти беруть участь у регуляції активності авто-літичних ферментів;

було показано, що цукрові компоненти тейхоєвих кислот є від­повідальними за зв'язування фатів з клітинною стінкою. Якщо тейхоєва кислота з будь-яких причин втрачає глікозильні замісники, то бактеріальна клітина стає фагорезистентною (фагостійкою);

ліпотейхоєві кислоти беруть участь в імунологічних реакціях.

Клітинна стінка грамнегативних бактерій.У грамнегатив­них бактерій муреїнова сітка є одношаровою і становить мен­ше 10 % сухої маси клітинної стінки. Муреїн містить тільки .мезо-діамінопімелінову кислоту і не містить лізину. У складі клітинних стінок грамнегативних бактерій тейхоєві кислоти не виявлено.

У всіх грамнегативних бактерій зверху одношарового чи най­більше двошарового муреїнового мішка розміщується зовнішній шар клітинної стінки. Це так звана зовнішня мембрана, що скла­дається з білків, фосфоліпідів і ліпополісахаридів (ЛПС) (рис.2.5).

З муреїном, очевидно, ковалентно через діамінопімелінову кислоту зв'язані ліпопротеїни. Вони орієнтовані своїми ліпофільними кінцями назовні і таким чином закріплені в ліпофільному подвійному шарі (завдяки гідрофобній взаємодії). У цьо­му ж шарі містяться фосфоліпіди та гідрофобні кінці ліпополі­сахаридів. Гідрофільні кінці ЛПС орієнтовані назовні.

Ліпополісахариди — складні молекули з молекулярною масою більш як 10 000. Вони складаються з трьох частин — ліпі­ду А, ядра {кор, серцевинна зона) таО-специфічного бокового ланцюга. ЛПС Salmonella typhimurium та інших ентеробактерій досліджені досить повно.

Рис. 2.5. Модель будови клітинної стінки грамнегативних бактерій:

Праворуч — ліпополісахаридна молекула; Глю — глюкоза; Глю-N — глюко-

замін; NA=N-AцГлю — N-ацетилглкжозамін; Гал — галактоза; Геп — гепто-

за; КДО — 2-кето-З-дезоксиоктонова кислота; М — муреїн; ЗМ — зовнішня

мембрана; ПМ — плазматична мембрана;ПП — периплазматичний простір

Ліпід А складається з глюкозаміндисахариду, до гідроксиль­них груп якого ефірними зв'язками приєднані жирні кислоти (С₁₂, С₁₄, С₁₆), Ця частина молекули має гідрофобні властивості. Далі міститься R-серцевинна зона— трисахарид, що склада­ється з трьох залишків 2-кето-З-дезоксиоктонової кислоти (КДО) і який зв 'язаний також з фосфоетаноламіном. Далі йдуть дві моле­кули гептози і зовнішня серцевинна зона. Остання складаєть­ся з розгалуженого ланцюга, що містить глюкозу, галактозу і N-ацетилглюкозамін. Ця базова структура є однаковою у всіх сальмонел. До серцевинної зони прилягає О-специфічний боко­вий ланцюг. Це довгі ланцюги, що складаються з повторюва­них олігосахаридів, які можуть містити галактозу, манозу, рам­нозу, абеквозу, фукозу та інші моносахариди у послідовності, що варіює від штаму до штаму.

ЛПС набули великого значення в бактеріологічній діагнос­тиці і розпізнаванні епідемій. Виявилось, що збудники різних захворювань відрізняються один від одного О-специфічними боковими ланцюгами. Незначні відмінності в їх складі можуть бути виявлені за допомогою імунологічних методів. За серологіч­ними реакціями у роді Salmonella вдалося виділити понад тися­чу видів і штамів. Є так звані місцеві раси сальмонел, які мож­на ідентифікувати за імунохімічними особливостями. Це часто дає можливість встановити, де відбулося зараження хворого чи звідки почала поширюватися епідемія. Наприклад, можна встановити, де хворий отримав інфекцію — у південно-амери­канському чи східно-азіатському регіоні.

Функції зовнішньої мембрани. Зовнішня мембрана грамнегативних бактерій виконує не тільки механічні, а й важливі фізіо­логічні функції. В її подвійний ліпідний шар, що складається з ліпі­ду А, полісахаридів і фосфоліпідів вбудовані білки, які пронизу­ють цей шар наскрізь. Ці трансмембранні білки називаються п о р и н а м и. Порини пропускають через мембрану гідрофільні низько­молекулярні речовини (до молекулярної маси близько 6 000).

Зовнішня мембрана прилягає до муреїнового шару і зв'яза­на з ним ліпопротеїнами. Очевидно, муреїновий шар є проник­ним для різних сполук. Проміжок між муреїном і плазматичною мембраною називають л ер ця л а з мати ч ним простором. У ньому містяться ферменти, в тому числі і деполімерази (протеїнази, нуклеази), периферійні білки і так звані зв'язувальні біл­ки. Останні беруть участь у перенесенні деяких субстратів у цитоплазму і є рецепторами хемотаксичних сигналів. Периплазматичний простір, очевидно, відіграє певну роль в осморегуляції.

Дія лізоциму та пеніциліну.Структура клітинної стінки та муреїну була встановлена у зв'язку з вивченням дії лізоциму та пеніциліну на бактерії. Відкритий англійським мікробіоло­гом А. Флемінгом у 1922 р. лізоцим є бактерицидним фермен­том, що міститься в яєчному білку, носовому слизі, в сльозовій рідині. Лізоцим виділили також з бактерій {Е. coli, Streptomyces) і бактеріофагів. При дії лізоциму на суспензію грампозитивних бактерій спостерігали швидке її просвітлення. Так, Mіcrococcus luteus лізується (розчиняється) вже у концентрації 1 мкг лізо­циму на 1 мл. Для лізису клітин Bacillus megaterlum необхід­ною є концентрація 50 мкг/мл, а грамнегативні бактерії розчи­няються тільки за наявності в суспензії ЕДТА.

Лізоцим розриває в муреїні глікозидний зв'язок між пер­шим вуглецевим атомом N-ацетилмурамової кислоти і четвер­тим вуглецевим атомом N-ацетилглюкозаміну . При цьому полісахаридні ланцюги розщеплюються до дисахаридних фрагментів. Отже, лізоцим є N-ацетилмурамідазою.

Слід зазначити, що повному руйнуванню бактеріальних клітин можна запобігти, здійснюючи лізис в ізотонічному чи слабкогіпертонічному розчині (0,1-0,2 М сахарози). У цих умо­вах під дією лізоциму з клітин утворюються надзвичайно чут­ливі до осмотичних умов округлі протопласти. У гіпертоніч­них та ізотонічних розчинах протопласти стабільні, у гіпотоніч­них — лопаються. Протопластами слід називати тільки такі округлі клітини, в яких немає ніяких залишків клітинної стін­ки, тобто не можна виявити ні мурамової кислоти, ні специфіч­ної для клітинної стінки діамінопімелінової кислоти. Лізис клі­тинної стінки не супроводжується порушеннями метаболізму.

Крім лізоциму, є ряд інших ферментів, що руйнують муреїновий каркас, наприклад, муроендопептидази.

Антибіотик пеніцилін діє переважно на грампозитивні бак­терії (пневмококи та стафілококи), а також на деякі грамнега­тивні (гонококи, менінгококи, ентеробактерії), вбиваючи їх. Але бактерицидній дії піддаються тільки клітини, які ростуть. Клі­тини, що перебувають у стані спокою, залишаються живими. Найцікавіший феномен, який спостерігається під дією пеніци­ліну, — це поява так званих L - ф о р м, які утворюються з нормаль­них бактеріальних клітин у результаті незбалансованого росту в довжину та ширину. При цьому вихідні палички збільшують­ся в об'ємі в багато разів. Якщо діяти пеніциліном на клітини, що ростуть, у гіпотонічному розчині вони лопаються, В ізо- та гіпертонічних розчинах палички перетворюються на шароподібні утворення, які називаються L-формами або сферопластами. Від протопластів вони відрізняються тим, що збе­рігають залишки клітинної стінки. Пеніцилін порушує процес утворення клітинної стінки.

Клітина будь-якого організму містить різні мембрани, що розрізняються морфологічно та функціонально. Безпосередньо під клітинною стінкою розміщена цитоплазматична мембра­на {плазматична мембрана, плазмалема).

Ця мембрана покриває цитоплазму. У житті клітини вона має велике значення, виконуючи роль не тільки структурного морфологічного компонента. Мембрана є осмотичним бар'єром організму, який регулює осмотичний тиск всередині клітини. Через мембрану здійснюється вибірковий транспорт поживних речовин із середовища в клітину та вихід із неї продуктів обмі­ну — метаболітів. Мембрана є місцем, де відбувається синтез дея­ких клітинних структур, зокрема клітинної стінки та капсули. У мембрані локалізований і з мембраною асоційований ряд фер­ментів (ферменти перенесення електронів та окисного фосфорилювання, які в еукаріот містяться в мітохондріях, у бактерій лока­лізовані всередині чи на поверхні плазматичної мембрани; ком­поненти електрон-транспортного ланцюга — дихального ланцю­га — містяться тільки в мембранах). У мембрані міститься весь фотосинтетичний апарат у пурпурових бактерій. Цілком можли­во, що на мембрані локалізується центр реплікації ДНК.

Мембрани можна виділити, якщо піддати осмотичному тиску протопласти, одержані за допомогою лізоциму. Мембра­на багата на ліпіди, особливо фосфоліпіди (табл. 2.1.). Маючи у складі всього 8-15 % сухої речовини клітини, мембрани міс­тять 70-90 % усіх її ліпідів. За своєю будовою мембрани мікробних, рослинних і тва­ринних клітин дуже подібні. Це дає підставу говорити про уні­версальну "елементарну мембрану".

Класичною, однією з перших моделей будови мембран, була модель Даніеллі—Даусона—Робертсона. Мембра­на складається з подвійного шару ліпідів, що міститься між тон­кими шарами білка. Внутрішній шар мембрани складається з ліпі­дів, у яких, як відомо, є полярний кінець (гідрофільний), здат­ний до іонізації, та неполярний (гідрофобний), що за своєю хіміч­ною природою являє собою вуглеводневий ланцюг. Ліпіди в мемб­рані орієнтовані вуглеводневими кінцями один до одного, поляр­ними кінцями — назовні, тобто утворюють подвійний шар (бімоле-

кулярний шар). З полярними кінцями стикується мономоле­кулярний шар неліпідної природи. Здебільшого це білок.

Вперше припущення про те, що в мембрані присутні біл­ки, було висловлено англійськими вченими Дж.Ф. Даніеллі та X. Даусоном у 1935 р. для пояснення низького поверхневого натягу клітинних мембран. Оскільки на межі поділу масло— вода повинен виникати великий поверхневий натяг, ці вчені прийшли до висновку, що гідрофобність ліпідних компонентів повинна компенсуватись якимсь гідрофільним білком. У 1959 р. на основі робіт американського вченого Дж. Д. Робертсона (за допо­могою електронної мікроскопії було виявлено два електронощільних шари мембрани, розділених менш щільною ділянкою) була сформульована гіпотеза елементарної мембрани. Наявність електронощільних зовнішніх шарів мембрани

Таблиця 2.1. Склад мембран деяких бактерій

пояснювалась тим, що з гідрофільними поверхнями, що утворюються ліпідними моле­кулами, зв'язаний білок. Але проти цієї моделі свідчили резуль­тати електронно-мікроскопічних досліджень препаратів мем­бран, які були одержані методом заморожування-сколювання: виявилось, що білкові молекули розміщуються не тільки на поверх­ні мембрани, а є і такі, що пронизують її наскрізь. Рідинно моза­їчна модельструктури мембрани була запропонована у 1972 р.

Г. Ніколсоном та С.Д. Сінгером (рис. 2.6). Згідно з цією модел­лю, що

отримала в наш час загальне визнання, білки можна уявити як айсберги, що плавають у ліпідному морі.

Рис. 2.6.Рідинно-мозаїчна модель плазматичної мембрани Ніколсона—Сінгера.

У подвійний шар ліпідів занурені інтегральні білки. Перифе­рійні білки розміщені на поверхні мембрани

Мембранні білки.Існують два типи мембранних білків: Інтегральні та периферійні (див. рис. 2.6).

Периферійні білки легко вимиваються з мембрани м'яки­ми детергентами або навіть дистильованою водою, вони зв'язані з поверхнею мембрани. На відміну від периферійних інтегральні білки пронизують товщу мембрани наскрізь. Як правило, інтег­ральні білки перебувають у комплексі з ліпідами. Білки цих двох типів повинні різнитись між собою за розміщенням гідрофоб­них амінокислотних залишків. Поверхня периферійних білків гідрофільна (ці білки розчинні у воді), а гідрофобні амінокис­лотні залишки занурені всередину білкової глобули. В інтеграль­них білках гідрофобні залишки локалізовані на поверхні, забез­печуючи максимальну взаємодію з неполярним середовищем всередині мембрани. Проте у деяких інтегральних білків полярні групи теж розміщені на поверхні і взаємодіють з полярними групами ліпідів і з периферійними білками.

За біологічними функціямимембранні білки умовно поді­ляються на три групи:

з притаманною ферментативною активністю;

специфічно зв'язують різні речовини, необхідні для клі­тини, тобто білки, яким притаманна рецепторна функція (білки-пермеази);

структурні, але вони хімічно мало досліджені. Відомо, що всі вони слабкорозчинні у воді із-за наявності великих гідрофоб­них ділянок. Це створює умови для утворення міцних структур з ліпідами — ліпопротеїдів.

Мембранні вуглеводи. Вільних вуглеводів у клітинних мемб­ранах мало, більшість вуглеводних залишків входить до складу гліколіпідів і глікопротеїдів. В їх складі виявлені одні й ті самі моносахариди: галактоза, глюкоза, N-ацетилглюкозамін, N-ацетилгалактозамін, фукоза, маноза, ксилоза.

Ліпіди мембран. Ліпіди представлені в основному фосфоліпідами та гліколіпідами. З фосфоліпідів найчастіше у бакте­рій зустрічаються фосфатидилгліцерин і фосфатидилетаноламін. Фосфатидилхолін, фосфатидилінозит зустрічаються рідше. Фосфоліпіди містять у своїй молекулі фосфор, зв'язаний двома ефір­ними зв'язками. До складу фосфоліпідів входить один спільний компонент — гліцерин, з яким з'єднані ефірним зв 'язком дві жир­ні кислоти з довгим ланцюгом, а також фосфорвмісна сполука. Наявність двох неполярних залишків жирних кислот у складі мембранних структур є їх характерною особливістю. У бактері­альних культур ліпіди, у тому числі й фосфоліпіди, містять пере­важно насичені жирні кислоти (хоча є і ненасичені). Присутні в мембранах і жирні кислоти з розгалуженим ланцюгом (особ­ливо у сарцин і мікрококів).

Вважається, що однією з ознак, які відрізняють бактері­альні ліпіди від ліпідів інших мікроорганізмів, є відсутність сте­ринів у бактерій.

Крім ліпідів, що містять гліцерин, у деяких сполуках присут­ній етиленгліколь. Такі ліпіди називають диольними. У великих концентраціях диольні ліпіди руйнують мембрани. Але в дуже обмежених кількостях вони лише змінюють їх властивості, наприк­лад, підвищують проникність для невеликих іонів і молекул. Оче­видно, клітини використовують цю властивість. Так, у період швид­кого росту вони інтенсивно синтезують диольні ліпіди. Коли ріст сповільнюється, синтез диольних ліпідів припиняється.

Гліколіпіди є вуглеводними похідними ліпідів.

У структуру мембран входять також іони двовалентних металів. Передбачається, що вони утворюють з фосфоліпідами хелатні комплекси і тим самим надають мембрані необхідної міцності за рахунок більшої компактності.

Читайте також:

1. Б- не збуджена ділянка мембрани , на яку діють електричні струми збудженої ділянки. Стрілками показано напрям струмів, кружечками – дійсне переміщення іонів.
2. Модельні ліпідні мембрани
3. Рідинні мембрани.
4. Тема: Вступ. Предмет, методи і завдання патоморфології та патофізіології. Ушкодження клітин.
5. Тотіпотентність рослинних клітин. Тотіпотентність тваринних клітин раннього зародку.
6. Трансплантація ядер і реконструювання клітин.
7. Транспорт іонів та інших речовин через мембрани, його види, механізм реалізації.
8. Цитоплазматична чоловіча стерильність.
9. ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ

Переглядів: 4138