Informace

3.4.3: Grampozitivní buněčná obálka - biologie


Grampozitivní bakterie mají buněčné obaly vyrobené ze silné vrstvy peptidoglykanů.

Učební cíle

  • Porovnejte a porovnejte grampozitivní a negativní skvrnu

Klíčové body

  • Grampozitivní bakterie barví fialově podle Gramova barvení v důsledku přítomnosti peptidoglykanu v jejich buněčné stěně.
  • Peptidoglykany jsou připojeny k negativně nabitým monomerům kyseliny lipoteichoové důležitým pro směr a adherenci buněk.
  • Lipoteichoové kyseliny jsou kovalentně spojeny s lipidy v cytoplazmatické membráně, čímž spojují peptidoglykany s buněčnou cytoplazmou.

Klíčové výrazy

  • Gramovo barvení: Metoda rozlišení bakteriálních druhů na dvě velké skupiny (grampozitivní a gramnegativní).

Gram-pozitivní bakterie jsou obarveny tmavě modře nebo fialově pomocí Gramova barvení. Přestože je barvení Gramem cenným diagnostickým nástrojem v klinickém i výzkumném prostředí, ne všechny bakterie lze touto technikou s konečnou platností klasifikovat, čímž se vytvoří také gram-variabilní a gram-neurčité skupiny.

Je založen na chemických a fyzikálních vlastnostech jejich buněčných stěn. Primárně detekuje peptidoglykan, který je přítomen v silné vrstvě u grampozitivních bakterií. Grampozitivní výsledky mají purpurovou/modrou barvu, zatímco gramnegativní výsledky mají růžovou/červenou barvu. Gramovo barvení je téměř vždy prvním krokem při identifikaci bakteriálního organismu a je výchozím barvením prováděným laboratořemi nad vzorkem, pokud není uvedena žádná specifická kultura.

U grampozitivních bakterií je buněčná stěna silná (15–80 nanometrů) a skládá se z několika vrstev peptidoglykanu. Postrádají vnější obal membrány nacházející se v gramnegativních bakteriích. Kolmo na listy peptidoglykanů probíhá skupina molekul nazývaných kyseliny teichoové, které jsou jedinečné pro grampozitivní buněčnou stěnu. Kyseliny teichoové jsou lineární polymery polyglycerolu nebo polyribitolu substituované fosfáty a několika aminokyselinami a cukry.

Polymery kyseliny teichoové jsou příležitostně ukotveny k plazmatické membráně (nazývané kyselina lipoteichoová, LTA) a zjevně směřují ven v pravém úhlu k vrstvám peptidoglykanu. Kyseliny teichoové dávají grampozitivní buněčné stěně celkový negativní náboj v důsledku přítomnosti fosfodiesterových vazeb mezi monomery kyseliny teichoové. Funkce kyseliny teichoové nejsou zcela známy, ale věří se, že slouží jako chelatační činidlo a prostředek pro adherenci bakterií. Ty jsou zásadní pro životaschopnost grampozitivních bakterií v životním prostředí a poskytují chemickou a fyzickou ochranu.

Jedna myšlenka je, že poskytují kanál pravidelně orientovaných negativních nábojů pro navlékání pozitivně nabitých látek komplikovanou sítí peptidoglykanů. Další teorie je, že kyseliny teichoové se nějakým způsobem podílejí na regulaci a sestavování podjednotek kyseliny muramové na vnější straně plazmatické membrány.

Existují případy, zejména u streptokoků, kde se kyseliny teichoové podílejí na adherenci bakterií k povrchům tkání a předpokládá se, že přispívají k patogenitě grampozitivních bakterií.


Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Katedra biochemie a molekulární biologie, Pensylvánská státní univerzita, University Park, PA, 16802

Eunice Kennedy Shriver Institute of Child Health and Human Development, Bethesda, Maryland

Freie Universität Berlin, Berlín, Německo

Souhrn

Tato kapitola se zaměřuje na reakce obalu na stres gramnegativních a grampozitivních bakterií. K dnešnímu dni bylo identifikováno pět hlavních reakcí na stres buněčného obalu Escherichia coli: reakce s E, Cpx, Rcs, fágového šoku (Psp) a Bae. Mnoho stresových reakcí u grampozitivních bakterií spadá do dvou hlavních kategorií: ty, které jsou aktivovány přímou vazbou antibiotika, a ty, které jsou vyvolány signálem generovaným antibiotickým působením. Obecně platí, že reakce v první třídě mají malé geny kódující regulon, které detoxikují antibiotikum jeho odčerpáním z buňky nebo úpravou. Tento přehled se zaměřuje na druhou třídu, protože je lze jasně definovat jako stresové reakce obálky, snímání defektů v obálce a regulaci genů, které mění fyziologii obálky, aby se zlepšilo přežití. I když Bacillus subtilis Systém LiaRS je indukován mnoha obalovými napětími, mutanty liaRS nejsou náchylnější k vyvolávání napětí. σ E z S. coelicolor, jeden ze zakládajících členů rodiny faktorů σ extracytoplazmatické funkce (ECF), je jedním z přibližně 50 předpokládaných faktorů σ σ v bakterii. Reakce na stres buněčného obalu jsou rozšířené v celém bakteriálním světě, ale byly nejintenzivněji zkoumány v B. subtilis, E. colia jejich blízkých příbuzných. Regulační interakce mezi klíčovými hráči v odezvě, tj. V párech faktoru σ/anti-σ a senzorové kinázy/odezvy, jsou vysoce konzervativní.


Prolomení bariéry buněčné obálky grampozitivních a houbových mikrobů sekrečním systémem typu VI v Acidovorax citrulli

Sekreční systém typu VI (T6SS) je nanomachin s dvojitou tubulární injekcí toxinu, který se široce vyskytuje v gramnegativních lidských a rostlinných patogenech. Současný model ukazuje, že trubice Hcp podobná T6SS oštěpu je napájena stahováním vnějšího pláště, aby se provrtala obálka sousední buňky, čímž se dosáhne dodání cytosolu na cytosol. Zdá se však, že grampozitivní bakterie jsou pro takové působení T6SS neproniknutelné. Zde uvádíme, že jde o rostlinný patogen Acidovorax citrulli (AC) nasazuje vysoce účinný T6SS k ničení řady bakterií, včetně Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis, a Mycobacterium smegmatis stejně jako druhy hub včetně Candida albicans a Pichia pastoris. Pomocí bioinformatických a biochemických testů jsme identifikovali skupinu efektorů T6SS a charakterizovali jeden efektor RhsB, který je rozhodující pro mezidruhovou interakci. Uvádíme, že RhsB obsahuje konzervovanou doménu opakování YD a C-koncovou nukleázovou doménu. Toxicita RhsB byla neutralizována jeho downstream imunitními proteiny přímou interakcí. RhsB byl štěpen na C-koncovém konci a katalytická mutace ve vnitřní aspartátové proteáze takové štěpení zrušila. Souhrnně T6SS AC zobrazuje účinné aktivity k proniknutí do buněčných obalových bariér grampozitivních a houbových druhů, což zdůrazňuje značně rozšířené schopnosti T6SS v modulaci mikrobiomových kompozic ve složitých prostředích.


Architektura grampozitivní bakteriální buněčné stěny

Primární strukturní složkou bakteriální buněčné stěny je peptidoglykan, který je nezbytný pro životaschopnost a jehož syntéza je cílem zásadních antibiotik 1,2. Peptidoglykan je jediná makromolekula vyrobená z glykanových řetězců zesíťovaných bočními větvemi peptidu, která obklopuje buňku, působí jako omezení vnitřního turgoru 1,3. U grampozitivních bakterií má peptidoglykan tloušťku desítek nanometrů, obvykle je zobrazován jako homogenní struktura, která poskytuje mechanickou pevnost 4-6. Zde jsme použili mikroskopii atomové síly 7-12 k výslechu morfologicky odlišných druhů Staphylococcus aureus a Bacillus subtilis za použití živých buněk a purifikovaného peptidoglykanu. Zralý povrch živých buněk je charakterizován krajinou velkých (až 60 nm v průměru), hlubokých (až 23 nm) pórů tvořících neuspořádaný gel peptidoglykanu. Vnitřní povrch peptidoglykanu, který se skládá z více rodícího se materiálu, je mnohem hustší a rozteč vláken glykanů je typicky menší než 7 nm. Architektura vnitřního povrchu je závislá na poloze, válec B. subtilis má hustou obvodovou orientaci, zatímco v S. aureus a divizních septách pro oba druhy je peptidoglykan hustý, ale náhodně orientovaný. Odhalení molekulární architektury buněčné obálky rámuje naše chápání jejích mechanických vlastností a role environmentálního rozhraní 13,14, které poskytuje informace doplňující tradiční přístupy strukturální biologie.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři neprohlašují žádné finanční ani nefinanční konkurenční zájmy.

Obrázky

Rozšířená data Obrázek 1. S. aureus buňky…

Rozšířená data Obrázek 1. S. aureus buňky a vaky: jemná struktura buněčné stěny a další…

Rozšířená data Obrázek 2. S. aureus žít…

Rozšířená data Obrázek 2. S. aureus architektura živých buněk.

Rozšířené údaje Obrázek 3. Mechanický pohled na…

Rozšířená data Obrázek 3. Mechanický pohled na hydrolýzu a syntézu peptidoglykanu.

Rozšířená data Obrázek 4. S. aureus sacculi.

Rozšířená data Obrázek 4. S. aureus sacculi.

0,1, protože tato podmínka poskytla vyšší počet částečně vytvořených sept ve vzorku. k, Obrázek ve vyšším rozlišení od A vnitřní struktury S. aureus buněčná stěna, zobrazující náhodně orientovanou hustou síť. DS = 10 nm.

Rozšířený údaj Obrázek 5. Kvantitativní analýza…

Rozšířená data Obrázek 5. Kvantitativní analýza pórů.

Rozšířené údaje Obrázek 6. Tomogram vyčištěného…

Rozšířené údaje Obrázek 6. Tomogram čištěného zmrazeného hydratovaného S. aureus sacculus.

Rozšířené údaje Obrázek 7. B. subtilis žít…

Rozšířené údaje Obrázek 7. B. subtilis živé buňky a vaky.

Rozšířené údaje Obrázek 8. B. subtilis pramen…

Rozšířené údaje Obrázek 8. B. subtilis analýza orientace vlákna a mechanistické pohledy

70% čar a určovalo jejich orientaci. d, Mutace rodiny MreB, zobrazené v a-c, byl vytvořen v B. subtilis rsgI kmen na pozadí. Připravili jsme z toho vyčištěný vzorek B. subtilis rsgI mutant jako kontrola. Tento obrázek odpovídá vnitřní struktuře CW. DS = 76 nm. E, Obraz s vyšším rozlišením zevnitř d ukazující orientaci řetězce glykanu podél krátké osy tyčinkové morfologie bakterií (přerušovaná červená šipka a vložka, I). Tento vzorek měl stejné vlastnosti a struktury jako kmen WT. DS = 23 nm. F„Data použitá k vykreslení distribuce orientace vzrostla z vložky E. G, Jako další kontrola, vzorek vaku B. subtilis WT byla pěstována jako mutanti. Tento obrázek ukazuje další vnitřní strukturu CW ze zlomeného sacculus. DS = 125 nm. h, Obraz s vyšším rozlišením zevnitř G ukazující orientaci glykanových vláken válcovitou podél krátké osy tyčinkové morfologie bakterií (viz přerušovaná červená šipka a vložka, I). DS = 16 nm. , Analýza orientace stejného vlákna jako na obrázku h byl aplikován na vnější povrch B. subtilis buňky (obr. 3c v hlavním textu), distribuce úhlu je široká (vložka, I), což naznačuje, že řetězce glykanů na vnějším povrchu nemají převládající orientaci na rozdíl od vnitřního povrchu. j„Data použitá k vykreslení distribuce orientace vzrostla z vložky v , použitím stejného postupu jako C a F. Tento experiment poskytuje mechanistický pohled na válcovou orientační architekturu uvnitř tyčinkového grampozitivního druhu B. subtilis. Proteinový komplex MreB, Mbl a MBH je životně důležitý pro syntézu peptidoglykanu v této válcové architektuře -.

Rozšířené údaje Obrázek 9. B. subtilis septa.

Rozšířené údaje Obrázek 9. B. subtilis septa.

Tento obrázek porovnává obrázky B. subtilis buňka…

Rozšířené údaje Obrázek 10. Grampozitivní bakteriální…

Rozšířená data Obrázek 10. Schéma molekulární architektury grampozitivní bakteriální buněčné stěny

Schematický diagram zobrazující…

AFM obrázky peptidoglykanu v…

AFM obrazy peptidoglykanu v životě S. aureus . A , Celá buňka,…

AFM obrázky peptidoglykanu z…

AFM obrázky živého peptidoglykanu B. subtilis a extrahované sakculi. A ,…


Obal bakteriální buňky

Antonie van Leeuwenhoek, draper z Delftu, pomocí malého domácího mikroskopu nejprve popsal mikroby nebo „zvířecí kulky“ v řadě dopisů Královské společnosti. Písmena konkrétně popisují „zvířecí kostky“ v pepřové vodě v roce 1676 (publikováno 1677). Slavná kresba plaveckého zvířecího zvířete ze škrábání zubů byla v dopise z roku 1684 (odkaz [1] je původní dopis, zatímco odkaz [2] používá replikační mikroskopy k interpretaci písmen a odkaz [3] je nedávný článek výstižně uvedení této rané práce do kontextu). Tyto „zvířecí kulky“ byly identifikovány jako živé, protože se pohybovaly, a některé byly téměř jistě bakteriemi kvůli jejich vypočítané velikosti a plaveckému vzoru „… zatímco úhoř vždy plave hlavou jako první, tyto zvířecí plave plavaly dozadu i dopředu“. Bez ohledu na počáteční skepsi Královské společnosti, včetně uvažování o tom, zda byl van Leeuwenhoek v době svých pozorování opilý, následné ověření Robertem Hookem jednoznačně prokázalo existenci živých mikroskopických organismů, které jsou pouhým okem neviditelné. van Leeuwenhoek byl důmyslný v používání každodenních předmětů (zrnka písku, vlasy blechy), aby odhadl velikost svých zvířecích pouzder (přibližně 3 µm), ačkoli jeho strach z nevěření způsobil, že podcenil počet těchto organismů v kapka vody v jeho korespondenci s Královskou společností.

van Leeuwenhoek pomocí svého mikroskopu s jedním objektivem změnil vnímání našeho světa. Během uplynulých 350 let se naše znalosti o těchto zvířecích kulkách (bakteriích) podobně transformovaly. Zejména velký technický pokrok v mikroskopii a nástup genetických, biofyzikálních, biochemických a strukturálních přístupů nám přinesl bezkonkurenční pohled na tyto mikroskopické organismy. Nyní také mnohem lépe chápeme jejich ústřední význam pro lidské zdraví a nemoci a pro globální životní prostředí. V tomto vydání se zaměřujeme na oblast bakterií, buněčný obal, který ve většině bakterií tvoří pouze 10% objemu buněk, ale kterému organismus obvykle věnuje čtvrtinu svého genomu.

Buněčný obal dává bakteriím tvar, poskytuje prostředky, kterými generují použitelné formy energie pro růst a dělení, chrání organismus před imunitními reakcemi hostitele, podporuje patogenezi, je nedílnou součástí horizontálního přenosu plazmidů a dalších mobilních prvků a tvoří potrubí, jehož prostřednictvím se bakterie stýkají se svým okolím. Základní povaha buněčného obalu způsobuje, že je citlivý na malé molekuly, které bakterie nasazují, když soutěží o zdroje, což je dnes základem antibiotické terapie. Kromě toho zůstává buněčný obal oblíbeným cílem při hledání nových antibiotik pro boj se vzestupem rezistence vůči více léčivům. Všechny komplexní funkce prováděné bakteriemi vyžadují vysoký stupeň organizace a velká část nedávného vzrušení ohledně biologie obálky pochází z našeho nově vytvořeného ocenění této organizace. Recenze publikované v této sbírce odrážejí některé z hlavních pokroků v oblasti v posledních letech od lídrů v jejich příslušných oborech. I když jsme se snažili zachytit vše, co je nové a inovativní v biologii obalů bakteriálních buněk, nevyhnutelně chybí některé oblasti, za které se redaktoři omlouvají. Je toho tolik, co můžete udělat (nebo skutečně prosit).

Obecně platí, že obal bakteriálních buněk je dvou typů: obal gramnegativních bakterií, které mají dvě membrány, cytoplazmatickou a vnější membránu oddělenou periplazmou, ve které je tenká buněčná stěna tvořená peptidoglykanem, a grampozitivní bakterie, které mají pouze cytoplazmatickou membránu obklopenou mnohem silnější vrstvou peptidoglykanu. Struktury a procesy popsané v tomto tématu vycházejí z cytoplazmatické membrány a pokrývají celou buněčnou obálku a zahrnují studie grampozitivních i gramnegativních mikroorganismů.

Edice začíná klíčovým problémem, kterému čelí jednobuněčné organismy, identifikací jejich středu ve správný čas, aby byla zajištěna rovnoměrná segregace genetického a buněčného materiálu při buněčném dělení [4]. Následující článek pojednává o tom, jak se proteiny pohybují přes cytoplazmatickou membránu, aby bylo možné vytvořit buněčný obal [5]. Složení a sestava buněčné stěny peptidoglykanu se pak zabývá dvěma následujícími recenzemi [6,7]. Dalších pět článků se zabývá problémy spojenými s budováním vnější membrány. Na rozdíl od cytoplazmatické membrány je vnější membrána asymetrická, složená z vnitřního letáku fosfolipidů a vnějšího listu lipopolysacharidu (LPS). Dalším klíčovým rozdílem je skutečnost, že vnější membrána neobsahuje zdroj energie. Všechny tyto funkce znamenají, že budování a údržba vnější membrány byla až donedávna hádankou. Pět recenzí v rámci tematického tématu odráží obrovské pokroky, kterých bylo dosaženo, a řešení doplňujících aspektů tohoto problému: mezi ně patří vybudování LPS na cytoplazmatické membráně a její transport přes periplasmu a její vložení do vnější membrány [8,9. ] následující dva články se zabývají skládáním a inzercí hlavních proteinů ve vnější membráně, což jsou téměř všechny β-sudy [10,11]. Další hlavní proteinovou složkou ve vnější membráně je lipoprotein, o kterém pojednává následující přehled [12]. Autoři zdůrazňují, jak mohou být lipoproteiny zobrazeny na povrchu bakterií. Nakonec se zabýváme strukturami, které pokrývají buněčnou obálku, včetně rotačního motoru bakteriálního bičíku a souvisejícího injektizomu sekrečního systému typu III [13] a sekrečního systému typu VI používaného bakteriemi k vzájemnému zabíjení během inter- a vnitrodruhová konkurence [14].

Vzhledem k rychlosti pokroku v chápání obálky bakteriálních buněk od van Leeuwenhoekových časů si můžeme jen představit, co přinese dalších 350 let. Jednotlivé ribozomy lze již v bakteriích rozdělit téměř na atomové rozlišení! Nadcházející desetiletí nám nepochybně poskytnou stále podrobnější znalosti o tom, jak jsou struktury buněčného obalu budovány, udržovány a regulovány, což nakonec umožní jejich využití jako tolik potřebné nové cíle pro antibiotickou terapii a biomateriály.


Obsah

Část 1: Grampozitivní buněčná zeď
Vincent A. Fischetti

1 Grampozitivní buněčná zeď
Manfred Rohde

2 povrchové proteiny na grampozitivních bakteriích
Vincent A. Fischetti

Část 2: Streptococcus
Vincent A. Fischetti a Joseph J. Ferretti

3 Intracelulární invaze Streptococcus pyogenes: Invasiny, hostitelské receptory a význam pro lidskou nemoc
Beinan Wang a P. Patrick Cleary

4 Kapsulární polysacharid streptokoků skupiny A.
Michael Wessels

5 Toxiny a superantigeny streptokoků skupiny A.
Blake A. Shannon, John K. McCormick a Patrick M. Schlievert

6 Genetika streptokoků skupiny A
Kyu Hong Cho, Gary Port a Michael Caparon

7 Molekulární mimikry, autoimunita a infekce: zkříženě reagující antigeny streptokoků skupiny A a jejich následky
Madeline W. Cunningham

8 Interakce s extracelulární matricí s grampozitivními patogeny
Sven Hammerschmidt, Manfred Rohde a Klaus T. Preissner

9 Signalizace hostitelské buňky zprostředkovaná streptokokem
Vijay Pancholi

10 přístupů očkování k ochraně proti streptokokové faryngitidě skupiny A.
Vincent Fischetti

11 Bakteriofágy streptokoků skupiny A
W. Michael McShan

12 Molekulární epidemiologie, ekologie a vývoj streptokoků skupiny A.
Debra E. Bessen, Pierre R. Smeesters a Bernard W. Beall

Streptokoky skupiny B.

13 Povrchové struktury streptokoků skupiny B důležité pro lidskou imunitu
Lawrence Paoletti a Dennis Kasper

14 Epidemiologie streptokokových infekcí skupiny B
Vanessa N.Raabe a Andi L. Shane

Streptokoky skupiny C a G

15 Faktory genetiky a patogenity streptokoků skupiny C a G
Horst Malke

16 Faktory patogenity u streptokoků skupiny C a G
Claire E. Turner, Laura Bubba a Androulla Efstratiou

17 Infekce způsobené streptokoky skupiny C a G (Streptococcus dysgalactiae subsp. Equisimilis a další): Epidemiologické a klinické aspekty
Gio Baracco

Streptococcus pneumoniae

18 Buněčná stěna Streptococcus pneumoniae
Waldemar Vollmer, Orietta Massidda a Alexander Tomasz

19 Streptococcus pneumoniae kapsulární polysacharid
James Paton a Judy Morona

20 Streptococcus pneumoniae: Invaze a zánět
Allister J. Loughran, Carlos J. Orihuela a Elaine I. Tuomanen

21 Fázová variace Streptococcus pneumoniae
Jing Li a Jing-Ren Zhang

22 Genetika Streptococcus pneumoniae
Francesco Santoro, Francesco Iannelli a Gianni Pozzi

23 Pneumokokové vakcíny
David E. Briles, James C. Paton, Reshmi Mukerji, Edward Swiatlo a Marilyn J. Crain

Enterokoky

24 Patogenita enterokoků
Elizabeth M. Selleck, Daria Van Tyne a Michael S. Gilmore

25 Enterokoková genetika
Keith E. Weaver

Orální streptokoky

26 Biologie orálních streptokoků
J. Abranches, L. Zeng, J. K. Kajfasz, S. R. Palmer, B. Chakraborty, Z. T. Wen, V. P. Richards, L. J. Brady a J. A. Lemos

27 Biologie Streptococcus mutans
J. A. Lemos

28 Genetika streptokoků skupiny sanguinis ve zdraví a nemoci
Angela Nobbs a Jens Kreth

Laktokoky

29 Genetika laktokoků
Philippe Gaudu, Yuji Yamamoto, Peter Ruhdal Jensen, Karin Hammer, Delphine Lechardeur a Alexandra Gruss

Část 3: Stafylokok
Richard P. Novick

30 Vyvíjející se genom
Jodi Lindsay

31 Plazmidy a transponovatelné a integrační prvky
Neville Firth, Slade O. Jensen, Stephen M. Kwong, Ronald A. Skurray a Joshua P. Ramsay

32 mírných fágů Staphylococcus aureus
Hanne Ingmer, David Gerlach a Christine Wolz

33 Ostrovy patogenity a jejich role v stafylokokové biologii
Richard Novick

34 Dýchání a malé kolonie Varianty Staphylococcus aureus
Richard Proctor

35 nekódující RNA
Emma Desgranges, Stefano Marzi, Karen Moreau, Pascale Romby a Isabelle Caldelari

36 Stafylokoková buněčná stěna
Rita Sobral a Alexander Tomasz

37 Sestava sekrece a obálky stafylokokového proteinu
Olaf Schneewind a Dominique M. Missiakas

Pro adhezi a invazi je zapotřebí 38 povrchových proteinů
Timothy J. Foster

39 Imunitní únik Staphylococcus aureus
Nienke W. M. de Jong, Kok P. M. van Kessel a Jos A. G. van Strijp

40 Staphylococcus aureus vylučované toxiny a extracelulární enzymy
Victor J. Torres

41 Regulace virulence Staphylococcus aureus
Christian Jenul a Alexander R. Horswill

42 Virulence a metabolismus
Anthony R. Richardson

43 Stafylokokové biofilmy
Michael Otto

44 Fulminantní stafylokokové infekce
Yves Gillet, Thomas Henry a Fran & ccedilios Vandenesch

45 Kolonizace lidského nosu Staphylococcus aureus a interakce s jinými členy mikrobiomu
Claudia Laux, Andreas Peschel a Bernhard Krismer

46 Staphylococcus aureus u zvířat
Andreas F. Haag, J. Ross Fitzgerald a Jos & eacute R. Penad & eacutes

47 Antibiotická rezistence a problém MRSA
Martin Vestergaard, Dorte Frees a Hanne Ingmer

48 Imunita vůči Staphylococcus aureus: Důsledky pro vývoj vakcíny
Richard A. Proctor

49 Nekonvenční terapeutika proti Staphylococcus aureus
Eric Skaar

Část 4: Listeriae
Daniel A. Portnoy

50 Epidemiologie a klinické projevy infekce Listeria monocytogenes
Walter F. Schlech III

51 Vrozené a adaptivní imunitní reakce během infekce Listeria monocytogenes
Sarah E. F. D'Orazio

52 Regulace virulence Listeria monocytogenes
J & oumlrgen Johannson a Nancy E. Freitag

53 Buněčná biologie invaze a intracelulárního růstu Listeria monocytogenes
Javier Pizarro-Cerd & aacute a Pascale Cossart

54 Metabolismus grampozitivního bakteriálního patogenu Listeria monocytogenes
John-Demian Sauer, Anat A. Herskovits a Mary X. D. O & rsquoRiordan

Část 5: Patogeny tvořící spory
Julian I. Rood

55 Skupina Bacillus cereus: Druhy Bacillus s patogenním potenciálem
Monika Ehling-Sculz, Theresa M. Koehler a Didier Lereclus

56 Sporulace a klíčení u klostridiálních patogenů
Aimee Shen, Adrianne N.Edwards, Mahfuzur R. Sarker a Daniel Paredes-Sabja

57 Klostridiální genetika: Genetická manipulace patogenních klostridií
Sarah A. Kuehne, Julian I. Rood a Dena Lyras

58 Genomika patogenních klostridií
Robert J. Moore a Jake A. Lacey

59 Virulenční plazmidy patogenních klostridií
Sarah A. Revitt-Mills, Callum J. Vidor, Thomas D. Watts, Dena Lyras, Julian I. Rood a Vicki Adams

60 Enterotoxické klostridie: Clostridium perfringens Enterická onemocnění
Archana Shrestha, Francisco A. Uzal a Bruce A. McClane

61 Enterotoxické klostridie: Clostridioides difficile Infekce
S. Mileto, A. Das a Dena Lyras

62 Histotoxické klostridiální infekce
Mashahiro Nagahama, Masaya Takehara a Julian I. Rood

63 Neurotoxigenní klostridie
Eric A. Johnson

Oddíl 6: Mykobakterie a korynebakterie
Miriam Braunstein

64 mykobakteriofágů
Graham F. Hatfull

65 Imunologie infekcí Mycobacterium tuberculosis
Jonathan Kevin Sia a Jyothi Rengarajan

66 Odhalení struktury mykobakteriální obálky
Mamadou Daff & eacute a Hedia Marrakchi

67 Sen o Mycobacterium
Catherine Baranowski, E. Hesper Rego a Eric J. Rubin

68 Metabolismus Mycobacterium tuberculosis
Gabriel T. Mashabela1, Timothy J. de Wet a Digby F. Warner

69 Export bílkovin do a přes atypickou obálku buněk Diderm Cell of Mycobacteria
Vincent J.C. van Winden, Edith N.G. Houben a Miriam Braunstein

70 Corynebacterium diphtheriae: Železem zprostředkovaná aktivace dtxR a regulace exprese toxinu záškrtu
Sadiya Parveen, William R. Bishai a John R. Murphy

Index


Gram negativní bakterie

Stejně jako grampozitivní bakterie, Gram negativní bakteriální buněčná stěna je složena z peptidoglykanu. Peptidoglykan je však jedna tenká vrstva ve srovnání se silnými vrstvami v grampozitivních buňkách. Tato tenká vrstva nezachovává počáteční krystalově fialové barvivo, ale během Gramova barvení nabírá růžovou barvu kontrastního barviva. Struktura buněčné stěny gramnegativních bakterií je složitější než u grampozitivních bakterií. Mezi plazmatickou membránou a tenkou vrstvou peptidoglykanu se nachází gelovitá matrice nazývaná periplazmatický prostor. Na rozdíl od grampozitivních bakterií mají gramnegativní bakterie an vnější membrána vrstva, která je vnější vůči buněčné stěně peptidoglykanu. Membránové proteiny, mureinové lipoproteiny, připevňují vnější membránu k buněčné stěně.

Další jedinečnou vlastností gramnegativních bakterií je přítomnost lipopolysacharid (LPS) molekuly na vnější membráně. LPS je velký glykolipidový komplex, který chrání bakterie před škodlivými látkami v jejich prostředí. Je to také bakteriální toxin (endotoxin), který může u lidí způsobit zánět a septický šok, pokud se dostane do krve. Existují tři složky LPS: lipid A, polysacharid jádra a O antigen. The lipid A. komponenta připevňuje LPS k vnější membráně. K lipidu je připojen A polyssacharid jádra. Nachází se mezi složkou lipidu A a O antigenem. The O antigen složka je připojena k polysacharidu jádra a liší se mezi bakteriálními druhy. Lze jej použít k identifikaci konkrétních kmenů škodlivých bakterií.


Proniká přes obal bakteriální buňky: vidět znamená věřit

Jedinečným rysem všech prokaryotických buněk je přítomnost buněčného obalu složeného z cytoplazmatické membrány a buněčné stěny. Zavedení technik frakcionace bakteriálních buněk v 50. a 60. letech 20. století spolu s vývojem postupů pro elektronovou mikroskopii otevřelo okno k porozumění chemickému složení a architektuře buněčného obalu. Tato recenze sleduje přínos Terryho Beveridge v těchto snahách, počínaje jeho doktorskými studiemi v 70. letech 20. století o struktuře parakrystalických povrchových polí (S-vrstvy), po nichž následuje zkoumání kryogenních metod pro zachování bakterií pro ultrastrukturální analýzy. Jeho poznatky se odrážejí v aktuálním příkladu příspěvku kryo-elektronové mikroskopie ke studiím S-vrstvy-struktuře a sestavení povrchového pole Caulobacter crescentus. Přehled se poté zaměřuje na Terryho příspěvky k zobrazování ultrastruktury obalů bakteriálních buněk a k vývoji technik kryo-elektronové mikroskopie, včetně použití CEMOVIS (kryo-elektronová mikroskopie skelných řezů) k „vidění“ ultrastruktury Gram- pozitivní buněčná obálka - jeho poslední vědecké úsilí.

Klíčová slova: CEMOVIS Terry J. Beveridge buněčné obálky lehkých povrchových kryo-elektronových mikroskopů cryomicroscopie électronique obalové cellulaire povrchové vrstvy.


Obálka buňky

Povrch (nebo obal) bakteriální buňky se může ve své struktuře značně lišit a hraje ústřední roli ve vlastnostech a schopnostech buňky. Jediným rysem přítomným ve všech buňkách je cytoplazmatická membrána, která odděluje vnitřek buňky od vnějšího prostředí, reguluje tok živin, udržuje správné intracelulární prostředí a zabraňuje ztrátě obsahu buňky. Cytoplazmatická membrána plní mnoho nezbytných buněčných funkcí, včetně generování energie, sekrece bílkovin, segregace chromozomů a účinného aktivního transportu živin. Je to typická jednotková membrána složená z proteinů a lipidů, v zásadě podobná membráně, která obklopuje všechny eukaryotické buňky. V elektronových mikrografech se objevuje jako trojvrstvá struktura lipidů a proteinů, které zcela obklopují cytoplazmu.

Ležící mimo tuto membránu je tuhá stěna, která určuje tvar bakteriální buňky. Stěna je vyrobena z obrovské molekuly zvané peptidoglykan (nebo murein). U grampozitivních bakterií tvoří peptidoglykan tlustou vrstvu podobnou síťce, která zadržuje modré barvivo podle Gramova barviva tím, že je zachycuje v buňce. Naproti tomu u gramnegativních bakterií je vrstva peptidoglykanu velmi tenká (hluboká pouze jedna nebo dvě molekuly) a modré barvivo je z buňky snadno vyplaveno.

Peptidoglykan se vyskytuje pouze v bakteriích (kromě těch bez buněčné stěny, jako např Mykoplazma). Peptidoglykan je polymer s dlouhými řetězci dvou opakujících se cukrů (n -acetylglukosamin a kyselina n -acetyl muramová), ve kterém jsou sousední cukerné řetězce navzájem spojeny peptidovými můstky, které zajišťují tuhou stabilitu. Povaha peptidových můstků se mezi druhy bakterií značně liší, ale obecně se skládá ze čtyř aminokyselin: l -alaninu spojeného s kyselinou d -glutamovou, spojeného buď s kyselinou diaminopimelovou u gramnegativních bakterií, nebo l -lysinu, l -ornithinu, nebo kyselina diaminopimelová v grampozitivních bakteriích, která je nakonec spojena s d -alaninem. U gramnegativních bakterií spojují peptidové můstky d -alanin na jednom řetězci s kyselinou diaminopimelovou v jiném řetězci. U grampozitivních bakterií může existovat další peptidový řetězec, který prodlužuje dosah zesíťování, například existuje další můstek pěti glycinů v Staphylococcus aureus.

Syntéza peptidoglykanu je cílem mnoha užitečných antimikrobiálních látek, včetně beta-laktamových antibiotik (např. Penicilin), které blokují zesíťování peptidových můstků. Některé z proteinů, které zvířata syntetizují jako přirozené antibakteriální obranné faktory, napadají buněčné stěny bakterií. Například enzym zvaný lysozym rozděluje cukerné řetězce, které jsou páteří molekul peptidoglykanu. The action of any of these agents weakens the cell wall and disrupts the bacterium.

In gram-positive bacteria the cell wall is composed mainly of a thick peptidoglycan meshwork interwoven with other polymers called teichoic acids (from the Greek word teichos, meaning “wall”) and some proteins or lipids. In contrast, gram-negative bacteria have a complex cell wall that is composed of multiple layers in which an outer membrane layer lies on top of a thin peptidoglycan layer. This outer membrane is composed of phospholipids, which are complex lipids that contain molecules of phosphate, and lipopolysaccharides, which are complex lipids that are anchored in the outer membrane of cells by their lipid end and have a long chain of sugars extending away from the cell into the medium. Lipopolysaccharides, often called endotoxins, are toxic to animals and humans their presence in the bloodstream can cause fever, shock, and even death. For most gram-negative bacteria, the outer membrane forms a barrier to the passage of many chemicals that would be harmful to the bacterium, such as dyes and detergents that normally dissolve cellular membranes. Impermeability to oil-soluble compounds is not seen in other biological membranes and results from the presence of lipopolysaccharides in the membrane and from the unusual character of the outer membrane proteins. As evidence of the ability of the outer membrane to confer resistance to harsh environmental conditions, some gram-negative bacteria grow well in oil slicks, jet fuel tanks, acid mine drainage, and even bottles of disinfectants.

The Archaea have markedly different surface structures from the Bacteria. They do not have peptidoglycan instead, their membrane lipids are made up of branched isoprenoids linked to glycerol by ether bonds. Some archaea have a wall material that is similar to peptidoglycan, except that the specific sugar linked to the amino acid bridges is not muramic acid but talosaminuronic acid. Many other archaeal species use proteins as the basic constituent of their walls, and some lack a rigid wall.


Peptidoglykan

Covalent Attachment of Secondary Cell Wall Polymers to Peptidoglycan

Gram-positive bacteria contain abundant secondary cell wall polymers, like wall teichoic acid, capsular polysaccharides and/or arabinogalactan, which can account for more than 50% of the total cell wall material ( Fig. 6.4 ) [3,6] . Wall teichoic acids are present in most Gram-positive species and are anionic polymers made of glycerol phosphate or ribitol phosphate repeating units. Capsular polysaccharides often form the outer layer in the cell envelope and protect the cell from opsonization by factors of the immune system. Arabinogalactans are complex, branched polysaccharides present in the cell envelope of Mycobacterium, Corynebacterium a Nocardia species [108] . These secondary cell surface polymers are covalently linked to peptidoglycan via a phosphodiester bond to C6-OH of MurN.Ac. Although linking the various polymers to the peptidoglycan is the final, and a crucial, step in the assembly of the cell wall of Gram-positive bacteria, the enzymes responsible for the reaction have long remained elusive. Recently, the LytR-CpsA-Psr (LCP) family of phosphotransferases have been shown to catalyse the attachment of teichoic acids or capsular polysaccharides to peptidoglycan [109] . Both, B. subtilis a S. pneumoniae have three LCP phosphotransferases, which localize to cell wall growth sites and may have redundant roles in the attachment of different cell wall polymers. Depletion of the corresponding genes results in a reduced amount of secondary cell wall polymers or their release from the cell surface into the culture supernatant [109,110] . Certain combinations of double or triple gene deletions result in severe growth or cell shape defects, or are lethal, demonstrating the importance of these enzymes.

Figure 6.4 . Covalent attachment of proteins and anionic surface polymers to peptidoglycan. (A) E-coli attaches the outer-membrane anchored Braun’s lipoprotein (Lpp) via its C-terminal lysine residue to the meso-A2pm residue of the peptide. FA, fatty acid residues. (b) Many Gram-positive bacteria anchor cell wall proteins to position 3 of the peptide or, if present, to the peptide branch. This example shows how proteins are anchored to the peptidoglycan in S. aureus. aa, any amino acid. (c) Gram-positive species bind anionic surface polymers like teichoic acids or capsular polysaccharides to MurN.Ac residues via a phosphodiester bond and a linkage unit (LU). RU, repeating unit.

Remarkably, the crystal structures of S. pneumoniae Cps2A, which is involved with the attachment of type 2 capsule, contains the polyprenyl phosphate or pyrophosphate transport lipid, which are the product or substrate mimics of the phosphotransferase reaction. Hence, these enzymes transfer the nascent chains of cell wall polymers from their precursors linked to the undecaprenol pyrophosphate transport lipid to peptidoglycan [109,110] .


Difference Between Gram Positive and Gram Negative Bacteria

Gram Staining

Gram Positive Bacteria: Gram positive bacteria retain the crystal violet stain during gram staining, giving the positive result.

Gram Negative Bacteria: Gram negative bacteria do not retain the crystal violet stain during gram staining, giving the negative result.

Appearance under Microscope

Gram Positive Bacteria: Gram positive bacteria appear in purple color under the microscope.

Gram Negative Bacteria: Gram negative bacteria appear in pink by retaining the counterstain safranin.

Outer Membrane

Gram Positive Bacteria: The outer membrane is present in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: The outer layer is absent in gram negative bacteria.

Peptidoglycan Layer

Gram Positive Bacteria: The peptidoglycan layer is thick and multilayered.

Gram Negative Bacteria: The peptidoglycan layer is thin and single-layered.

Periplasmic Space

Gram Positive Bacteria: The periplasmic space is absent in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: The periplasmic space is present in gram negative bacteria.

Thickness of the Cell Wall

Gram Positive Bacteria: The thickness of the cell wall in gram positive bacteria is around 20-80 nm.

Gram Negative Bacteria: The cell wall of gram negative bacteria is around 5-10 nm thick.

Texture of the Cell Wall

Gram Positive Bacteria: The cell wall of gram positive bacteria is smooth.

Gram Negative Bacteria: The cell wall of gram negative bacteria is wavy.

Lipopolysaccharide (LPS) Content in the Wall

Gram Positive Bacteria: The cell wall of gram positive bacteria contains virtually none lipopolysaccharide content.

Gram Negative Bacteria: Gram negative bacteria contain high lipopolysaccharide content in their cell wall.

Lipid and Lipoprotein Content

Gram Positive Bacteria: Lipid and lipoprotein content is low in the cell wall of gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Lipid and lipoprotein content is high in the cell wall of gram negative bacteria.

Murein

Gram Positive Bacteria: The cell wall of gram positive bacteria contains 70-80% murein.

Gram Negative Bacteria: The cell wall of the gram negative bacteria contains 10-20% murein.

Pores on the Outer Membrane

Gram Positive Bacteria: Porins are absent in the outer membrane of gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Porins or hydrophilic channels are present in the outer membrane of gram negative bacteria.

Teichoic Acid

Gram Positive Bacteria: Teichoic acid is present in the membrane of gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Teichoic acid is absent in the membrane of gram negative bacteria.

Basal Body of the Flagellum

Gram Positive Bacteria: The basal body of the flagellum contains two rings in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: The basal body of the flagellum contains four rings in gram negative bacteria.

Gram Positive Bacteria: Gram positive bacteria do not contain pili.

Gram Negative Bacteria: Gram negative bacteria contain pili.

Prominent Mesosomes

Gram Positive Bacteria: Mesosomes are more prominent in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Mesosomes are less prominent in gram negative bacteria.

Resistance to Physical Disruption, Sodium Azide, and Drying

Gram Positive Bacteria: The resistance to physical disruption, sodium azide, and drying is high in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: The resistance to physical disruption, sodium azide, and drying is low in gram negative bacteria.

Susceptibility to Anionic Detergents

Gram Positive Bacteria: Susceptibility to anionic detergents is high in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Susceptibility to anionic detergents is low in gram negative bacteria.

Inhibition by Basic Dyes

Gram Positive Bacteria: Inhibition by basic dyes is high in gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Inhibition by basic dyes is low in gram negative bacteria

Cell Wall Disruption by Lysozyme

Gram Positive Bacteria: The cell wall of the gram positive bacteria is more prone to disruption by lysozyme.

Gram Negative Bacteria: The cell wall of the gram negative bacteria is less prone to disruption by lysozyme.

Pathogenicity

Gram Positive Bacteria: A few types of pathogenic bacteria are to gram positive.

Gram Negative Bacteria: Most pathogenic bacteria are gram negative.

Toxiny

Gram Positive Bacteria: Exotoxins are produced by gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Either endotoxins or exotoxins are produced by gram negative bacteria.

Antibiotic Resistance

Gram Positive Bacteria: Gram positive bacteria are more susceptible to antibiotics like Penicillin and Sulfonamide.

Gram Negative Bacteria: Gram negative bacteria are more resistance to antibiotics. But, they are susceptible to Streptomycin, Chloramphenicol, and Tetracycline.

Příklady

Gram Positive Bacteria: Lactobacillus, Actinomyces, Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, Staphylococci, and Streptococci are examples for gram positive bacteria.

Gram Negative Bacteria: Acetobacter, Chlamydia, Borrelia, Bortadella, Burkholderia, Enterobacter, Escherichia, Helicobacter, Klebsiella and Neisseria are examples for gram negative bacteria.

Závěr

Gram positive and gram negative are two differentiations found in bacteria, which can be used to classify bacteria. The differentiation is based on the thickness of the peptidoglycan layer, which is found in the cell wall. Peptidoglycan is found in both gram positive and gram negative bacteria. It provides mechanical support and the characteristic shape to the bacteria. Peptidoglycan layer of gram positive bacteria is multilayered. But, it is a monolayer in gram negative bacteria. Due to the thickness of the peptidoglycan layer, gram positive bacteria is capable of retaining the gram stain, crystal violet-Iodine complex, inside the cell wall. Hence, they can be visualized under the microscope in purple color. However, gram negative bacteria are unable to retain the gram stain and they can be stained by the counter stain safranin. On the other hand, gram negative bacteria contains an outer membrane, which gives the antibiotic resistance to the bacteria. Some bacteria like Mykoplazma species lack peptidoglycans in the cell wall and are unable to be distinguished as gram positive or gram negative. These species bear some membrane structures of both gram positive and gram negative bacteria. The main difference between gram positive and gram negative bacteria is the thickness of cell wall peptidoglycan layer present in each bacteria.

Odkaz:
1. Salton, Milton R.J. “Structure.” Medical Microbiology. 4. vydání. U.S. National Library of Medicine, 01 Jan. 1996. Web. 30 Mar. 2017.
2. “List of Gram positive and Gram Negative Bacteria.” List of Gram positive and Gram Negative Bacteria Flashcards | Quizlet. N.p., n.d. Web. 30 Mar. 2017.

Obrázek s laskavým svolením:
1. “Bacillus species”By Dr. Sahay – Own work (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
2. “Gram-positive cellwall-schematic” By Twooars at the English language Wikipedia (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. “Gram stain 01” By Y tambe – Y tambe’s file (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
4. “Gram negative cell wall” By Jeff Dahl – Own work (GFDL) via Commons Wikimedia


Podívejte se na video: Metabolismus o přeměně látek NEZkreslená věda III (Listopad 2021).