Gram-negative bakterier

Gram-negative bakterier (betegnet Gram (-)) er bakterier , der ikke farves med krystalviolet ved brug af Gram-farvede mikroorganismer [1] . I modsætning til grampositive bakterier , som bevarer deres lilla farve selv efter vask med et affarvningsmiddel ( alkohol ), affarves gramnegative bakterier fuldstændigt. Efter vask med opløsningsmiddel tilføjer Gram-farven en modfarvning (normalt safranin ), som farver alle Gram-negative bakterier røde eller lyserøde. Dette skyldes tilstedeværelsen af ​​en ydre membran, der forhindrer farvestoffets indtrængning i cellen. Selve testen er nyttig til at klassificere bakterier og adskille dem i to grupper med hensyn til deres cellevægsstruktur . På grund af deres kraftigere og uigennemtrængelige cellevæg er gramnegative bakterier mere modstandsdygtige over for antistoffer end grampositive.

Normalt er patogeniciteten af ​​gram-negative bakterier forbundet med visse komponenter i deres cellevægge, nemlig med lipopolysaccharidlaget (LPS eller endotoksisk lag) [1] . I den menneskelige krop inducerer LPS et immunrespons karakteriseret ved cytokinsyntese og aktivering af immunsystemet . En almindelig reaktion på cytokinsyntese er inflammation , som også kan føre til en stigning i giftige stoffer i værten.

Karakteristika

Fælles træk, der er fælles for de fleste gramnegative bakterier:

  1. Tilstedeværelsen af ​​to membraner, mellem hvilke der er en cellevæg og periplasmatisk rum .
  2. Tyndere, sammenlignet med gram-positive bakterier , peptidoglycan lag.
  3. Den ydre membran indeholder lipopolysaccharider (består af lipid A , polysaccharidkerne og antigen O på ydersiden og fosfolipider på indersiden).
  4. Den ydre membran indeholder poriner , der fungerer som porer for visse molekyler.
  5. S-laget er knyttet til den ydre membran og ikke til peptidoglycanlaget.
  6. Hvis der er en flagel , har den fire støtteringe i stedet for to.
  7. Teichoic og lipoteichoic syrer er fraværende .
  8. De danner normalt ikke sporer (en bemærkelsesværdig undtagelse er Coxiella burnetii , som danner sporelignende strukturer).
  9. Lipoproteiner er knyttet direkte til polysaccharid-rygraden.
  10. De fleste indeholder Browns lipoprotein , som forbinder den ydre membran og peptidoglucankæder ved kovalent binding.

Kemisk sammensætning og struktur af cellemembraner

Dernæst betragtes lagene af celledæksler af gramnegative prokaryoter, startende fra det inderste:

Cellevæg

Gram -negative eubakterier har en meget mere kompleks cellevægsstruktur end Gram-positive. Det indeholder et meget større antal makromolekyler af forskellige kemiske typer. Peptidoglycan danner kun det indre lag af cellevæggen og klæber løst til CPM . For forskellige typer af Gram-negative eubakterier varierer indholdet af denne heteropolymer meget. I de fleste arter danner den en et- eller tolagsstruktur, karakteriseret ved meget sjældne tværbindinger mellem heteropolymerkæder.

Nogle glidende bakterier ( myxobacteria , flexibacteria ) er i stand til periodisk at ændre formen af ​​celler i processen med at bevæge sig langs et fast substrat, for eksempel ved at bøje, hvilket indikerer elasticiteten af ​​deres cellevæg og primært dets peptidoglycanlag. Elektronmikroskopisk undersøgelse afslørede imidlertid, at de havde en cellevæg, der er typisk for Gram-negative eubakterier. Den mest sandsynlige forklaring på fleksibiliteten af ​​cellevæggen af ​​disse bakterier er den ekstremt lave tværbinding af dens peptidoglycan-komponent [2] .

Periplasmatisk rum

Forekomsten i gram-negative eubakterier af en ekstra membran som en del af cellevæggen førte faktisk til skabelsen af ​​et separat hulrum (periplasmatisk rum), afgrænset fra cytoplasmaet og det ydre miljø af specifikke membraner og bærer en vigtig funktionel belastning [2 ] .

Det periplasmatiske rum , hvor peptidoglycanlaget er nedsænket, er fyldt med en opløsning, der omfatter specifikke proteiner , oligosaccharider og uorganiske molekyler. Der er to typer periplasmatiske proteiner: transportproteiner og hydrolytiske enzymer .


Det blev også fundet, at mange bakterier er i stand til at producere store mængder enzymer ( glycosidaser , proteaser , lipaser osv.), der hydrolyserer alle typer polymermolekyler. Sidstnævnte kan enten være molekyler syntetiseret af cellen selv eller fremmede, der er kommet ind i cellen udefra. De negative konsekvenser af hydrolysen af ​​ens egne molekyler (selvfordøjelse) er åbenlyse. Samtidig har prokaryoter brug for hydrolytiske enzymer, da dette udvider rækken af ​​stoffer, de bruger, herunder forskellige typer polymerer. Det bliver klart behovet for at isolere disse enzymer fra det cytoplasmatiske indhold. Gram -positive eubakterier udskiller hydrolytiske enzymer i det ydre miljø, mens de i gram-negative eubakterier er lokaliseret i det periplasmatiske rum.

Ydermembran

Uden for peptidoglycanen er der et ekstra lag af cellevæggen - den ydre membran. Den består af fosfolipider, der er typiske for elementære membraner, proteiner, lipoprotein og lipopolysaccharid. En specifik komponent af den ydre membran er lipopolysaccharid af en kompleks molekylær struktur, som optager omkring 30-40% af dens overflade og er lokaliseret i det ydre lag.

De ydre membranproteiner kan opdeles i major og minor. Basisproteiner er repræsenteret af et lille antal forskellige arter, men udgør næsten 80 % af alle ydre membranproteiner. En af funktionerne af disse proteiner er dannelsen af ​​hydrofile porer i membranen med en diameter på ca. 1-15 nm og en længde på 50-70 nm , skrånende til overfladen af ​​cellevæggen i en vinkel på 30-40° . Gennem dem udføres uspecifik diffusion af molekyler med en masse på op til 600-900 Da . Det betyder, at sukkerarter , aminosyrer , små oligosaccharider og peptider kan passere gennem sådanne porer . Proteiner, der trænger igennem den ydre membran og danner hydrofile porer, kaldes poriner. Mindre proteiner i den ydre membran er repræsenteret af et meget større antal arter. Deres hovedfunktion er transport og receptor. Et eksempel på mindre proteiner er proteiner, der er ansvarlige for den specifikke transport af jernholdige forbindelser ind i cellen.

En række funktioner udføres af makromolekyler lokaliseret delvist eller fuldstændigt på ydersiden af ​​cellevæggen i kontakt med miljøet; disse er specifikke receptorer for fager og coliciner ; antigener ; makromolekyler, der giver intercellulære interaktioner under konjugation , såvel som mellem patogene bakterier og væv fra højere organismer.

S-lag og oscilin fibriller

S-laget eller takket lag  er et lag af tætpakkede proteiner, der beklæder den ydre overflade af cellen og giver beskyttelse mod pludselige ændringer i pH eller koncentrationer af eventuelle ioner. På toppen af ​​dette lag er et lag af hårlignende fibriller, placeret uden for den ydre membran af cyanobakterier , der er i stand til at glide. Ligesom hår består de øverste lag fibriller af et stavlignende glykoprotein kaldet oscillin .

Gliding sker gennem sekretion af slim gennem porerne til ydersiden af ​​cellemembranerne [3] . Slim passerer langs overfladen af ​​oscillinfibrillerne i det ydre lag af cellen og langs det tilstødende substrat og bevæger fibrillerne fremad. Samlingen af ​​organiserede hårlignende fibriller fungerer således som en passiv skrue, mens slimet passerer over deres overflade i en glideproces [4] .

Klassifikation

Sammen med celleformanalyse er Gram-farvning en hurtig diagnostisk teknik, der tidligere er blevet brugt til at gruppere bakteriearter i underafdelinger.

Baseret på Gram-farve er det nu uddøde kongerige Monera blevet opdelt i fire divisioner : Firmacutes (+), Graclicutes (-), Mollicutes (0) og Mendocutes (var.) [5] . Men siden 1987 er monofylien af ​​gram-negative bakterier blevet stillet spørgsmålstegn ved og senere fuldstændigt tilbagevist af bimolekylære undersøgelser [6] . Nogle forfattere, såsom T. Cavalier-Smith , betragter dem dog stadig som en monofyletisk klade og tildeler dem underkongeriget Negibacteria [7] .

Strukturen af ​​den ydre cellemembran og klassificeringen af ​​bakterier

Det er vigtigt at påpege, at selvom bakterier traditionelt er opdelt i to hovedgrupper, Gram-positive og Gram-negative, er denne klassifikation tvetydig og vilkårlig, da den kan referere til tre helt forskellige aspekter (farvningsresultat, organisering af celledæksler, taksonomisk gruppe), som ikke nødvendigvis er ens for alle typer bakterier [8] [9] [10] [11] . Farvningsreaktionen af ​​gram-positive og gram-negative bakterier er ikke en pålidelig karakterisering, også fordi de to bakteriearter ikke danner en fylogenetisk forenet gruppe [8] . Hvorom alting er, selvom Gramfarvning er et empirisk kriterium, er det baseret på tydelige forskelle i ultrastrukturen og den kemiske sammensætning af de to hovedtyper af prokaryote cellevægge, der findes i naturen. Begge disse typer cellevægge adskiller sig fra hinanden ved tilstedeværelse eller fravær af en ydre lipidmembran, hvilket er en mere pålidelig og fundamental karakteristik af bakterieceller [8] [12] . Alle gram-positive bakterier er omgivet af et enkelt lag af en fosfolipidmembran og har normalt et tykt lag ( 20-80 nm ) af peptidoglycaner ( murein , etc.), som bevarer Gram-farven. En række andre bakterier omgivet af en enkelt membran, men farvende gramnegative på grund af manglen på et peptidoglycan-lag (se mycoplasmas ) eller deres manglende evne til at bevare Gram-farven på grund af cellevæggens specifikke sammensætning, er også nært beslægtede til gram-positive bakterier. For bakterieceller omgivet af en enkelt cellemembran er udtrykket monodermiske bakterier eller monodermale prokaryoter blevet foreslået [8] [8] [12] . I modsætning til gram-positive bakterier er alle arketypiske gram-negative bakterier, udover den cytoplasmatiske membran, også omgivet af en ydre cellemembran og indeholder et ekstremt tyndt lag af peptidoglycaner ( 2-3 nm ) imellem sig. Tilstedeværelsen af ​​indre og ydre membraner giver anledning til et nyt cellulært rum, det periplasmatiske rum . Sådanne bakterier/prokaryoter er blevet betegnet som didermale bakterier [8] [8] [12] .

En anden vigtig forskel mellem monodermiske og didermale prokaryoter er det bevarede sæt af deletioner i en række vigtige proteiner (se DnaK , GroEL ) [8] [9] [12] [13] . Af de to strukturelt adskilte grupper af prokaryote organismer anses monodermiske bakterier for at være stamgruppen af ​​didermiske bakterier. Baseret på en række observationer, herunder det faktum, at Gram-positive bakterier overvejende er antibiotika-producenter, mens Gram-negative bakterier generelt er resistente over for antibiotika, er det blevet foreslået, at der er en beskyttelsesmekanisme i den ydre cellemembran af Gram-negative. bakterier mod den selektive virkning af antibiotika [8] [9] [12] [13] . Nogle bakterier, såsom Deinococcus , farver gram-positive på grund af det tykke peptidoglycan-lag, men har en ydre cellemembran og betragtes som et mellemled mellem monodermer (gram-positive) og diderms (gram-negative) [8] [13] . Didermiske bakterier kan til gengæld opdeles i simple didermer , som ikke har et lag af liposaccharider, arketypiske didermer , hvis ydre cellemembran indeholder lipopolysaccharider, og didermer , hvis ydre membran består af mycolsyre [10] [11 ] 13] [14] .

Derudover udviser mange bakterielle taxa (se Negativicutes , Fusobacteria , Synergistetes og Elusimicrobia ), der er en del af phylum Firmicutes eller en nært beslægtet gren af ​​den, også en didermisk cellestruktur [11] [13] [14] . En konserveret deletion (CSI) i HSP60 -proteinet ( GroEL ) tjener imidlertid som kendetegn for alle traditionelle typer af gramnegative bakterier (dvs. Proteobacteria , Aquificae , Chlamydiae , Bacteroidetes , Chlorobi , Cyanobacteria , Fibrocombacteres , Spiicroche , Verbrocomacteres , Fiberbakterien ) . Acidobakterier , etc.) fra atypiske didermer og andre typer af monodermiske bakterier (såsom Actinobacteria , Firmicutes , Thermotogae , Chloroflexi , etc.) [13] . Tilstedeværelsen af ​​CSI i alle sekventerede arter fra almindelige LPS-holdige Gram-negative bakterielle phyla indikerer, at denne bakterielle phylum danner en monofyletisk klade og antyder, at der ikke er sket noget ydre membrantab i nogen art i denne gruppe. Disse data taler imod hypotesen om oprindelsen af ​​monodermiske prokaryoter fra didermale ved tab af den ydre membran [13] .

Se eksempler

Proteobakterier  er en stor gruppe af gram-negative bakterier, herunder Escherichia coli ( E. coli ), Salmonella , Shigella og andre Enterobacteriaceae , Pseudomonas , Moraxella , Helicobacter , Stenotrophomonas , Bdellovibrio , eddikesyrebakterier og mange andre , Legionella . Andre bemærkelsesværdige grupper af gram-negative bakterier omfatter cyanobakterier , spirochetes , grønne grå og ikke-svovlbakterier .

Medicinsk associerede Gram-negative kokker omfatter tre organismer, der forårsager seksuelt overførte sygdomme ( Neisseria gonorrhoeae ), meningitis ( Neisseria meningitidis ) og luftvejssymptomer ( Moraxella catarrhalis ).

Blandt bacillerne er der et stort antal medicinsk vigtige arter. Nogle af dem forårsager primært luftvejssygdomme, såsom ( Hemophilus influenzae , Klebsiella pneumoniae , Legionella pneumophila , Pseudomonas aeruginosa ) , udskillelse ( Escherichia coli , Proteus mirabilis , Enterobacter cloacae . .

En række gramnegative bakterier er forbundet med nosokomielle infektioner . Disse omfatter Acinetobacter baumannii , som forårsager bakteriæmi, sekundær meningitis og ventilator-lungebetændelse hos patienter på intensivafdelinger.

Betydning for medicin

En af flere unikke egenskaber ved Gram-negative bakterier er strukturen af ​​den ydre cellemembran. Det ydre lag af membranen omfatter et kompleks af lipopolysaccharider , hvis lipiddele fungerer som endotoksiner . Hvis endotoksiner kommer ind i transportsystemet, opstår der forgiftning efterfulgt af en stigning i temperaturen, en stigning i respirationsfrekvensen og et fald i blodtrykket. Alt dette kan føre til toksisk chok og efterfølgende død.

Denne ydre membran beskytter bakterien mod visse antibiotika , farvestoffer og rengøringsmidler , der normalt beskadiger den indre membran eller cellevæg. Denne beskyttelse gør bakterien modstandsdygtig over for lysozym og penicillin . Der er imidlertid udviklet alternative terapier, såsom lysozym med EDTA og antibiotikummet ampicillin , der er i stand til at overvinde den beskyttende ydre membran af nogle patogene gramnegative organismer. Andre lægemidler kan bruges til samme formål, hvoraf de mest effektive er chloramphenicol , streptomycin og nalidixinsyre .

Se også

Kilder

  1. ↑ 1 2 3 '' Salton MRJ, Kim KS . struktur. i: Baron's Medical Microbiology (Baron S. et al. , red.) . — 4. - Univ of Texas Medical Branch, 1996. - ISBN 0-9631172-1-1 . Arkiveret 9. februar 2009 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Gusev M. V., Mineeva L. A. Mikrobiologi: Lærebog. - 2003. - 464 s.
  3. ↑ (Hoiczyk og Baumeister, 1998; Hoiczyk, 2000)
  4. ↑ Lee RE Physiology. — 4. Udg. - Colorado State University, USA.
  5. ↑ Gibbons, N.E.; Murray, RGE- forslag vedrørende den højere taksa af bakterier  // International  Journal of Systematic Bacteriology : journal. - 1978. - Bd. 28 , nr. 1 . - S. 1-6 . - doi : 10.1099/00207713-28-1-1 .
  6. ↑ Ve CR Bakterieudvikling.  (engelsk)  // Mikrobiologiske anmeldelser. - 1987. - Bd. 51, nr. 2 . - S. 221-271. — PMID 2439888 .
  7. ↑ Cavalier-Smith T. Roder livets træ ved hjælp af overgangsanalyser   // Biol . direkte : journal. - 2006. - Bd. 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 og signatursekvenser: En genvurdering af evolutionære forhold mellem arkæbakterier, eubakterier og eukaryoter. mikrobiol. Mol. Biol. Rev. 62: 1435-1491.
  9. ↑ 1 2 3 Gupta RS (2000) De naturlige evolutionære forhold mellem prokaryoter. Crit. Rev. mikrobiol. 26:111-131.
  10. ↑ 1 2 Desvaux Mickaël , Hébraud Michel , Talon Régine , Henderson Ian R. Sekretion og subcellulære lokaliseringer af bakterielle proteiner: et semantisk bevidsthedsproblem  // Trends in Microbiology. - 2009. - April ( bind 17 , nr. 4 ). - S. 139-145 . — ISSN 0966-842X . - doi : 10.1016/j.tim.2009.01.004 .
  11. ↑ 1 2 3 Sutcliffe Iain C. Et perspektiv på filumniveau på bakteriel cellekappearkitektur  // Trends in Microbiology. - 2010. - Oktober ( bind 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). Hvad er arkæbakterier: livets tredje domæne eller monoderme prokaryoter relateret til gram-positive bakterier? Et nyt forslag til klassificering af prokaryote organismer. Molekylær mikrobiologi. 29(3):695-707.
  13. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gupta RS (2011). Oprindelse af diderm (Gram-negative) bakterier: Antibiotisk selektionstryk snarere end endosymbiose førte sandsynligvis til udviklingen af ​​bakterieceller med to membraner. 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 gen. nov., sp. nov., isoleret fra humane kliniske prøver, ændret beskrivelse af familien Veillonellaceae og beskrivelse af Negativicutes classis nov., Selenomonadales ord. nov. og Acidaminococcaceae fam. nov. i bakteriefylum Firmicutes.  (engelsk)  // Internationalt tidsskrift for systematisk og evolutionær mikrobiologi. - 2010. - Bd. 60, nr. Pt 6 . - S. 1271-1279. - doi : 10.1099/ijs.0.013102-0 . — PMID 19667386 .
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger