Клеточная стенка прокариотных клеток: общие сведения
Клеточная стенка - важный и обязательный структурный элемент подавляющего большинства прокариотных клеток, располагающийся под капсулой или слизистым чехлом или же непосредственно контактирующий с окружающей средой (у клеток, не содержащих этих слоев клеточной оболочки ). На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки. Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную, присущую им форму. Концентрация солей в клетке, как правило, намного выше, чем в окружающей среде, и поэтому между ними существует большое различие в осмотическом давлении. Клеточная стенка чисто механически защищает клетку от проникновения в нее избытка воды.
По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой клеточной стенки эукариотных организмов . В ее состав входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других клеточных структурах.
В отличие от животных клеток, бактериальная клетка окружена не только цитоплазматической мембраной, но и плотной клеточной стенкой, которая придает бактериям характерную форму и позволяет им существовать в условиях трансмембранного градиента осмотического давления. Клетки большинства бактерий покрыты оболочкой - полимерной субстанцией, которая имеет множество свойств и функций. Эта оболочка, или капсула, отлична от двухслойной мембраны и располагается над ней ( Whitfield, 1988 ). У бактерий термин "капсула" используется для определения высокомолекулярных полимеров, которые "прикрепляются" к поверхности бактерий. Кроме того, клетки большинства прокариот окружены мономолекулярным экстраклеточным полимером, который обеспечивает поддержание формы микроорганизма ( Weidel, Pelzer, 1964 ). Эта структура, называемая клеточной стенкой, состоит из пептидогликана .
У бактерий для синтеза капсулярного полисахарида требуется несколько ферментов. Так, для синтеза капсулы у Escherichia coli необходимо 12 белков, информация о которых содержится в 15 т. п. о. геномной ДНК ( Silver et al., 1984 ). Капсулы стрептококков группы В содержат 4 различных моносахарида с повторяющимися единицами, а для кодирования необходимых белков требуется более 30 т. п. о. геномной ДНК ( Kuypers et al., 1989 ).
С наличием капсул связаны некоторые патогенные свойства бактерий. Капсулярные полисахариды бактерий могут необратимо связываться с отрицательно заряженными поверхностями ( Robb, 1984 ). Известно, что капсулярные полисахариды способствуют персистенции бактерий. Они обладают антифагоцитарными свойствами, так как способны неспецифически связывать фактор H , в норме являющийся ингибитором альтернативного пути активации комплемента . Кроме того, капсулы предотвращают неспецифическое отложение IgG на поверхности бактерий. Дополнительная защита от фагоцитоза усиливается образованием микроколоний, окруженных гликокаликсом из присоединившихся экзополисахаридов, которые оказываются устойчивыми к перевариванию ферментами ( Kasper, 1986 ).
Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком.
В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям , делятся на две большие группы. Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой, и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных видов, наоборот, окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. (Этот способ был впервые предложен в 1884 г. датским ученым Х.Грамом (Ch.Gram), занимавшимся окрашиванием тканей. Позднее он был использован для бактерий).
У некоторых эубактерий положительная реакция при окрашивании описанным выше способом свойственна только клеткам, находящимся в стадии активного роста. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протопласте , но его удерживание клеткой или вымывание из нее при последующей обработке спиртом определяются особенностями строения клеточной стенки.
Клеточные стенки грамположительных эубактерий и грамотрицательных эубактерий резко различаются как по химическому составу ( табл. 3 ), так и по ультраструктуре ( рис. 5 ).
В состав клеточной стенки эубактерий входят семь различных групп химических веществ, при этом пептидогликан присутствует только в клеточной стенке. У грамположительных эубактерий он составляет основную массу вещества клеточной стенки (от 40 до 90%), у грамотрицательных - содержание пептидогликана значительно меньше (1-10%). Клеточная стенка цианобактерий , сходная с таковой грамотрицательных эубактерий, содержит от 20 до 50% этого гетерополимера.
Под электронным микроскопом клеточная стенка грамположительных эубактерий выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется для разных видов от 20 до 80 нм. У грамотрицательных эубактерий обнаружена многослойная клеточная стенка. Внутренний электронно-плотный слой толщиной порядка 2-3 нм состоит из пептидогликана. Снаружи к нему прилегает, как правило, волнистый слой (8-10 нм), имеющий характерное строение: две электронно-плотные полосы, разделенные электронно-прозрачным промежутком. Такой вид характерен для элементарных мембран. Поэтому трехконтурный внешний компонент клеточной стенки грамотрицательных эубактерий получил название наружной мембраны .
Клеточная стенка грамположительных эубактерий плотно прилегает к ЦПМ в отличие от клеточной стенки грамотрицательных видов, компоненты которой (пептидогликановый слой и наружная мембрана) разделены электронно-прозрачным промежутком и четко отделены аналогичным образом от ЦПМ. Пространство между цитоплазматической и наружной мембранами получило название периплазматического . Оно, как можно видеть из строения клеточных стенок обеих групп эубактерий, характерно только для грамотрицательных форм.
