Клеточная мембрана у бактерий: Клеточная стенка бактерии

Содержание

Клеточная мембрана бактерий — Справочник химика 21

У всех фотосинтезирующих организмов, включая высшие растения, фотосинтез протекает в мембранных структурах. У пурпурных бактерий поглощающие свет пигменты (бактериальные хлорофиллы и каротины) встроены в мембраны, которые представляют собой складки наружной клеточной мембраны. Эти участки имеют характерную структуру и называются хроматофорами. Они состоят из соединяющихся между собой полых пузырьков, параллельно расположенных трубочек или параллельных пластинок (ламелл) диаметр всей структуры — 50—100 нм. У зеленых бактерий пигменты выстилают внутриклеточные пузырьки. В настоящее время фотосинтезирующие бактерии обитают только в серных источниках и глубоких озерах, но когда-то они были, вероятно, распространены гораздо более широко и являлись единственными фотосинтезирующими организмами на Земле. [c.25]
Антибиотики широко используют в качестве молекулярных инструментов при исследовании фундаментальных проблем биологии, таких, как расшифровка тончайших механизмов биосинтеза белка, нуклеиновых кислот и структуры клеточных стенок бактерий, создание моделей транспорта ионов через биологические мембраны и др. [c.64]

Полисахариды играют важную роль в наружных мембранах некоторых клеток, участвуют в образовании клеточных оболочек бактерий многих видов. В мембранах полисахариды находятся в комплексах с белками и липидами — жировыми веществами, неизменно присутствующими в наружных и внутренних мембранах. Мембраны образованы комплексами белков с липидами и в ряде случаев с полисахаридами. [c.92]

Мембраны бактерий. Протопласт снаружи окружает цитоплазматическая мембрана — плазмалемма, прилегающая непосредственно к оболочке. Мембраны составляют 40—90% всей массы клетки. Длительно существовало ошибочное представление, что периферическая плазмалемма бактериального протопласта является единственной мембранной структурой бактериальной клетки. Сейчас известно, что периферическая мембрана образует инвагинации, составляющие внутриклеточные мембранные структуры. Различными методами показано, что мембраны трехслойные и достигают 8,5 нм в толщину. У всех исследованных бактерий мембраны могут быть причислены к обязательным компонентам бактериальной клетки [63, 126]. В. И. Бирюзовой [23] собрана большая литература о молекулярной организации плазмалеммы. Ее наружная поверхность, обращенная к клеточной оболочке, состоит из субъединиц грибовидной формы с размером головки 8—12 нм. Часть этих субъединиц, по-видимому, является ферментативными белками, другая часть — белково-липидными структурами.

[c.25]

Как и все прокариоты, Е. соИ имеет клеточную стенку, к которой с внутренней стороны примыкает клеточная мембрана. Кроме большой двухцепочечной ДНК, локализованной в нуклеоиде, Е. соН, подобно другим прокариотам, содержит несколько мелких кольцевых ДНК, которые называются плазмидами. Бактерии способны передвигаться в водной среде при помощи мембранных структур, называемых жгутиками. Важнейшая роль цитоплазматической мембраны заключается в избирательном транспорте питательных веществ в клетку и продуктов метаболизма из клетки. В цитоплазме Е. соИ локализованы рибосомы, секреторные гранулы, а также запасники питательных веществ — жиров или углеводов. Для прокариотических клеток характерно образование нитевидных ассоциатов, которые в определенных условиях могут диссоциировать на отдельные клетки.

[c.12]

Мембраны, в которых локализованы ферменты дыхательной цепи и окислительного фосфорилирования, называют сопрягающими мембранами. Примерами таких мембран являются внутренняя мембрана митохондрий, клеточная мембрана аэробных бактерий с дыхательным типом энергетики, хроматофоры фотосинтезирующих бактерий и мембраны тилакоидов хлоропластов зеленых растений. Отличительным признаком сопрягающих мембран является их способность образовывать АТФ за счет энергии внешних ресурсов.

[c.398]

РИС. 5-8. Строение клеточной оболочки бактерий. Схема плазматической мембраны и стенки грамотрицательной бактерии (см. S haitman С., J Ba teriol., 108, 553—563, [c.388]

Важный фактор, обеспечивающий в культуральной среде высокие концентрации аминокислоты, синтезированной внутри клетки, — проницаемость клеточных мембран. Проницаемость клеточной мембраны увеличивают либо с помощью мутаций, либо путем изменения состава питательной среды. В последнем случае в культуральной среде создают дефицит биотина (1 — 5 мкл/л), добавляют пенициллин (2—4 мкг/л), детергенты (твин-40 и твин-60) или производные высших жирных кислот (пальмитаты, стеараты). Биотин контролирует содержание в клеточной мембране фосфолипидов, а пенициллин нарушает биосинтез клеточных стенок бактерий, что повышает вьщеление аминокислот в среду. [c.45]

Полезно сравнить эти размеры с размерами самых мелких клеточных структур например, жгутик бактерии имеет диаметр 13 нм, а толщина клеточной мембраны составляет — 8—10 нм. Из кирпичиков, эквивалентных по размеру цепи из 300 остатков, могут быть построены жгутики бактерий или микротрубочки эукариот. а-Спиральный полипептид может пройти сквозь клеточную мембрану, выступая с обеих сторон, тогда как глобулярный белок с той же длиной цепи целиком уместится внутри мембраны.

[c.103]

Бактерии разрушают древесину ограниченно, поскольку они, размножаясь делением клеток, не могут продвигаться в древесине, за исключением той, которая находится под водой. Бактерии имеют тенденцию создавать колонии в паренхимных клетках, используя белки в качестве источника питания, а также в камерах пор, где они растворяют поровые мембраны. Бактерии могут также поражать клеточные стенки, так как они способны разрушать полисахариды и лигнин, хотя и в ограниченной степени. [c.299]

Даже у простой бактерии мы видим примитивное разделение труда внутри клетки. Клеточная стенка служит пограничным барьером, обеспечивающим защиту клетки. Клеточная мембрана транспортирует питательные вещества внутрь клетки и ненужные продукты из нее наружу, а также запасает химическую энергию в виде АТР. В цитоплазме протекает целый ряд ферментативных реакций, приводящих к образованию многих компонентов клетки рибосомы производят белки, а ядерное тельце участвует в сохранении и передаче генетической информации. [c.32]

Оба процесса трансформации энергии (окисление и фосфорилирование) протекают в так называемых сопрягающих мембранах (внутренние мембраны митохондрий и хлоропластов зеленых растений, хроматофоров фотосинтезирующих бактерий, клеточная мембрана аэробных бактерий с дыхательным типом энергетики), где сосредоточены окислительновосстановительные ферменты и коферменты, катализирующие эти процессы [8, 9, 14] (см. т. I, стр. 247).

[c.408]

Как видно на фиг. 102, в первые 20 мин после образования дочерних бактерий репликация частично реплицированных кольцевых молекул ДНК завершается. Тем временем синтез нового мембранного материала между точкой прикрепления ДНК и перегородкой, рост которой в предшествующий период генерации разделил родительскую клетку, отодвигает точку прикрепления ДНК к центру дочерней клетки. Два только что завершивших репликацию кольца теперь приобретают отдельные точки прикрепления (а следовательно, и отдельные репликационные Y-вилки), расположенные на ограниченных зонах роста клеточной мембраны. По истечении следующих 15 мин период генерации бактерии приближается к своему концу. Обе кольцевые ДНК-реплики уже частично реплицировались, а их точки прикрепления отошли друг от друга в результате роста нового мембранного материала между ними. Тем временем уже началось образование перегородки между точками прикрепления. Наконец, по истечении 40-минутного периода генерации бактерия делится, давая начало двум дочерним клеткам, каждая из которых получает частично реплицированную кольцевую молекулу ДНК.

[c.207]

Простейшие клеточные организмы-это прокариоты (буквально предъядерные ). К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Диаметр самых мелких бактерий составляет около 0,1 мкм (100 нм), т.е. они меньше наиболее крупных вирусов, однако крупные бактерии, имеющие форму палочки, достигают длины 60 мкм при поперечном диаметре 6 мкм. Бактерии могут иметь сферическую форму, форму палочек или спиралей (рис. 1.4). Клеточная мембрана бактерий окружена прочной клеточной стенкой. Их наследственное вещество заключено в единственной хромосоме, однако ядерной мембраны, отделяющей хромосому от остальной клетки, у бактерий нет (почему они и названы прокариотами). У бактерий нет также митохондрий и некоторых других органелл, характерных для цитоплазмы высших (эукариотических) клеток. [c.17]

Модификация молекулы цефалоспорина приводит к существенным изменениям антимикробных свойств, отнощению к (З-лакта-мазам и других свойств. Это зависит от того, в каком положении цефемового ядра изменяется структура. Так, замена серы в положении 1 кислородом приводит к повыщению антибиотической активности препарата в отнощении грамотрицательных бактерий, и в первую очередь тех, которые не образуют 3-лактамазы. Это, по-видимому, связано с тем, что подобные препараты быстрее проникают через клеточные мембраны бактерий. Вместе с тем Препараты, содержащие кислород вместо серы, менее активны в

[c.371]

Эта кислота также содержит лактамное ядро и подвергается действию бактериальных р-лактамаз, хотя в несколько меньшей степени, чем лактамное ядро 6-аминопенициллановой кислоты. Действуют цефалоспорины бактерицидно. Подобно пеницилли-нам, они угнетают образование клеточной мембраны бактерий, что связано с торможением активности фермента транспептидазы, участвующего в биосинтезе мембраны.

[c.86]

Н. действует против патогенных грибов, особенно грибов рода andida. В отношении бактерА неактивен. Механизм противогрибкового действия И. объясняется избират. гидрофобным связыванием со стеринами мембран грибковых клеток. Это сопровождается нарушением мембранной проницаемости, потерей клеткой низкомол. в-в (в Частности, коферментов) и белков, что приводит к йарушенню процессов синтеза в клетке и ее гибели. Избирательность действия полиеновых антибиотиков связывают с тем, что клеточные мембраны грибов, в отличие от клеточных мембран млекопитающих, содержат преим. эргостерин, а не холестерин. [c.254]

Предприняты попытки встраивания молекул пигмента в искусственные системы и повыщения эффективности их использования. В частности, растущие бактерии Н. каЬЫит переносят в мелкие водоемы с высокой концентрацией КаС1 и других минеральных солей, в которых исключается загрязнение. У некоторых щтаммов половина клеточной мембраны покрыта пурпурным пигментом, и из 10 л бактериальной культуры можно получить 0,5 г пурпурных мембран. В таких биомембранах содержится до 100000 молекул родопсина. Биомембраны фиксируют на особой подложке, которая должна обладать всеми свойствами, необходимыми для обеспечения тока протонов, а не других ионов. В частности, для этих целей вполне пригодны пористые подложки, пропитанные липидами, которые, сливаясь с мембраной, сплощным слоем покрывают поверхность фильтра. Мембранные фрагменты можно смещивать и с акриламидом с образованием геля. Вместо создания плотных слоев молекул бактериородопсин и липиды могут создавать протеолипосомы, которые встраивают в структуры, обеспечивающие эффективное перекачивание протонов.

[c.27]

Клеточная мембрана — это не просто мешок. Она регулирует перенос низкомолекулярных веществ в клетку и из клетки. У бактерий с внутренней поверхностью мембраны связаны ферменты, катализирующие процессы окисления. Нередко бактериальные мембраны образуют складчатые участки, имеющие в разрезе вид многослойных структур это так называемые мезосомы (рис. 1-1 и 1-2, Г). Предполагается, что в мезосомах протекают специализированные процессы обмена веществ и репликация ДНК. В клетках Е. oli мезосомы выявляются не всегда, и все же, видимо, репликация ДНК у этого организма происходит на определенных участках поверхности мембраны и регулируется связанными с мембраной ферментами. Образование новой мембраны (перегородки) между делящимися клетками происходит синхронно с синтезом ДНК. [c.21]

Среди множества очень мелких вирусов имеются спиральные бактериофаги, например fd, fl и М-13 (рис. 4-8), которые напоминают пили бактерий. Эти вирусы, содержащие молекулы одноцепочечной кольцевой ДНК с мол. весом — 2-10 , прикрепляются к половым пилям бактерий мужского пола (например, Е. соИ) и могут вводить через них свою ДНК внутрь бактерии (гл. 15, разд. А.1). Бактериофаг 0X174 представляет собой икосаэдрический ДНК-содержащий вирус диаметром 25 нм, что всего в три раза толще самой тонкой клеточной мембраны . Его одноцепочечная ДНК состоит только из 5000 нуклеотидов число генов, по-видимому, не превышает Э . Интересно, что такой мельчайший вирус способен нарушать нормальный метабо- [c.286]

Электронномикроскопические исследования показывают, что в основе клеточных и внутриклеточных мембран лежит структура единичной мембраны толщиной 75—95 А, состоящая из двух слоев липида и двух слоев нелипидного материала . В настоящее время имеются данные, указывающие на присутствие углеводсодержащих биополимеров во внешнем слое клеточной мембраны . При биохимическом исследовании субклеточных частиц из клеток печени крыс было обнаружено высокое содержание гексозаминов и сиаловых кислот — специфических компонентов смешанных углеводсодержащих биополимеров во фракции гладких микро-сом , возникающих из гладкой эндоплазматической сети . Экспериментально доказано присутствие гликолипидов в клеточной мембране Mi ro o us lysodeikti us и других грамположительных бактерий . [c.600]

Рибосомы, как и РНК-полимеразы, являются точками приложения действия ряда антибиотиков, в том числе таких широко используемых в медицинской практике как стрептомицин, хлорамфеникол и тетрациклин, структуры которых приведены в 2.5, Бактерицидное действие первых двух связано с их способностью специфично взаимодействовать только с прокариотическими рибосомами. Стрептомицин связывается с малой субъединицей, хлорамфеникол — с большой субъединицей вблизи пептидилтрансферазного центра рибосомы, подавляя тем самым биосинтез белков у бактерий и- не затрагивая биосинтез зараженного человека или животного. Тетрациклин обладает способностью взаимодействовать с малыми субъединицами в А-участках как прокариотических, так и эукариотических рибосом. Этим он препятствует отбору аминоацил-тРНК в А-участке и блокирует белковый синтез. Однако клеточные мембраны животных для него непроницаемы, и при введении его в живой организм избирательно подавляется именно биосинтез у бактерий. [c.193]

У грамположительных бактерий экзоферменты топологически могут быть строго внеклеточными (многие протеазы, гликозидазы и др) и локализованными с наружной стороны клеточной мембраны, например, а-глюкозидаза у Вас h henifonms (это можно доказать при протопластировании клеток, когда ферменты переходят в окружающую среду после удаления клеточной стенки) Грибы в отношении секреции экзоферментов уподобляют грам-положительным бактериям У грамотрицательных бактерий экзоферменты дополнительно могут находиться в периплазматическом пространстве Казалось бы, что такие ферменты должны рассматриваться внутриклеточными, однако они достаточно легко освобождаются при осмотическом шоке или в результате протоп-ластирования клеток [c.56]

Общей причиной автолиза для микроорганизмов любого таксона является исчерпание источников питания и энергии. Другая общая причина — накопление в среде роста продуктов метаболизма, токсичных для клетки. Но бывают ситуации, когда культура имеет достаток питания и клетки не выделяют токсичных веществ. Например, этот тип обмена характерен для автотрофно растущих водородокисляющих бактерий. Однако цикл развития их культур также завершается автолизом клеток. Побудительной причиной автолиза в этом случае является пороговое повышение уровня внеклеточных ауторегуляторов с функциями аутоиндукторов автолиза. К ним относятся факторы da бактерий и дрожжей и факторы AMI миксобактерий. Действующим началом тех и других являются свободные ненасыщенные жирные кислоты, которые дестабилизируют клеточные мембраны. [c.76]

Виды Rhizobium заражают корни бобовых и вызывают образование клубеньков, внутри которых они развиваются как внутриклеточные симбионты и фиксируют атмосферный азот. Клетки бактерий проникают в корневые волоски бобовых и передвигаются внутрь корня по специальной трубочке, инфекционной нити . Эта нить, как считают, образуется за счет инвагинации клеточной мембраны, откуда она продолжается до кортекса корня. Здесь ризобактерии заражают клетки и стимулируют их деление для образования молодых клубеньков. Когда-то считалось, что инвазия имеет место только в тетраплоидных клетках, но некоторые данные позволяют думать, что это не единственный случай [551]. Деление происходит также в клетках перед проникновением инфекционной нити. В молодых клубеньках бактерии выглядят преимущественно как палочки, но позднее образуют различные формы, становясь сферическими, ветвистыми или булавообразными такие формы известны как бактероиды [552]. Эти бактероиды собираются в группы и окружаются мембраной хозяина, образуя клубенек. Когда клубеньки образованы большим числом специфических ризо-бактерий, присутствующих в растении-хозяине, происходит деформация корневых волосков с их последующим ветвлением , или завиванием [553]. [c.277]

Цитоплазматическая мембрана непосредственно прилегает к клеточной стенке. Но у некоторых бактерий между ними есть пространство, которое можно с некоторым допущением назвать периплазматическим. Здесь, по-видимому, сосредоточиваются гидролитические ферменты и вещества, транспортируемые внутрь клетки и за ее пределы. Цитоплазматическая мембрана бактерий представляет собой липопротеидную трехслойную мембрану (липидный слой покрыт с двух сторон белковым слоем). Толщина мембраны около 7,5 нм. Она является главным осмотичёским барьером клетки, ею контролируются поступление и выброс веществ, водный и солевой обмены. Цитоплазматическая мембрана имеет многочисленные выпячивания (инвагинации). Внутри них находятся пузырьки и канальца, организованные в трубчатые и пластинчатые тилакоиды, бухтоообразные и спиралевидно закрученные тельца — мезосомы. Предполагают, что одни из них выполняют функции митохондрий, другие —эндоплазматического ретикулума, третьи — аппарата Гольджи и т.д. Но это пока недостаточно четко подтверждено экспериментально. Очевидно только, что в цитоплазматической мембране происходят важнейшие биохимические превращения с участием различных ферментов, осуществляется синтез некоторых компонентов клеточной стенки и капсулы. С мембраной частично связаны рибосомы клетки. Цитоплазматическая мембрана составляет около 20% сухой массы клетки. [c.32]

Иными словами, мы живем в среде, изобилующей макромолекулами, которые с пищей, водой, воздухом могут попадать в организм. Легче всего это происходит у сапротрофных организмов, питающихся органическими остатками, поглощая их через поверхность тела (высшие грибы), клеточные оболочки (сапротрофные простейшие) и мембраны (бактерии). Горизонтальный перенос путем захвата фрагментов чужих геномов особенно вероятен для бактерий. [c.92]

Можно видеть, что бактерия окружена клеточной стенкой, представляющей собой жесткую структуру, довольно сложную по своему химическому составу и содержащую полисахариды, белки и липиды. Точное строение этих компонентов клеточной стенки различно у разных типов бактерий, что сообщает бактериальным клеткам сильную поверхностную специфичность. Клеточная стенка обусловливает характерную для данной бактерии форму (сферическую, форму прямой или изогнутой палочки) и обеспечивает прочность, необходимую для того, чтобы клетка не лопну ла поддействием внутреннего осмотического давления. К внутренней сто роне клеточной стенки плотно прилегает тонкая клеточная мембрана играющая у бактерии роль барьера проницаемости. Мембрана окружает протопласт, т. е. всю остальную часть прокариотической клетки Как видно на электронной микрофотографии, приведенной на фиг. 22 ядро бактерии (т. е. ее ДНК) связано с клеточной мембраной. [c.48]

Впоследствии Жакоб и сотрудники доказали правильность этой гипотезы. Во-первых, разделив бактерию продольно на шесть-семь частей н затем просмотрев эти части серийно нод электронным микроскопом, они нашли, что бактериальная ДНК действительно прикреплена к мембране клетки. На фиг. 22 показана электронно-микроскопическая фотография такой части клетки Е. oli, в которой клеточная мембрана вытянута в [c.207]

Клеточная стенка

Клеточная стенка – прочная, упругая структура, придающая бактерии определенную форму и вместе с подлежащей цитоплазматической мембраной «сдерживающая» высокое осмотическое давление в бактериальной клетке. Она участвует в процессе деления клетки и транспорте метаболитов. Структура и состав элементов клеточной стенки определяют способность воспринимать красители, т.е. их тинкториальные свойства. В зависимости от строения клеточной стенки все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные (по методу Грама, выявляющему эти различия).

Основу клеточной стенки всех бактерий составляет пептидогликан (муреин, мукопептид), обеспечивающий ригидность и эластичность клеточной стенки. Пептидогликан представлен параллельно расположенными молекулами гликана, состоящего из повторяющихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных гликозидной связью. В грамположительных бактериях пептидогликана больше (30-90% сухой массы клеточной стенки) чем в грамотрицательных (около 10% сухой массы клеточной стенки).

При нарушении синтеза клеточной стенки бактерий под влиянием лизоцима, пенициллина, защитных факторов организма образуются клетки с измененной (часто шаровидной) формой, лишенные клеточной стенки: протопласты – бактерии, полностью лишенные клеточной стенки; сферопласты – бактерии с частично сохранившейся клеточной стенкой. Бактерии сферо- или протопластного типа, утратившие способность к синтезу пептидогликана и способные размножаться, называются L-формами (от названия института им. Листера, Англия, в котором они были впервые выделены). L-формы могут возникать в организме человека в результате длительного лечения антибиотиками, угнетающими синтез клеточной стенки (пенициллины, цефалоспорины). Они представляют собой осмотически чувствительные, шаровидные, колбовидные клетки различной величины, в том числе и проходящие через бактериальные фильтры. Выявляются L-формы при фазовоконтрастной микроскопии.

Появление и эволюция клеточной мембраны

У всех современных организмов клеточная мембрана играет принципиальную роль в энергетическом обмене и других биохимических процессах. Новые исследования эволюции мембран позволяют ответить на многие каверзные вопросы: как мембрана появилась у нашего далекого предка LUCA, почему мембраны бактерий и архей так непохожи и каким образом эукариоты обзавелись мембранными органеллами.

Мембрана играет важнейшую роль в нормальном функционировании клетки: она обеспечивает отделение клетки от внешней среды и за счет компартментализации создает необходимую среду для протекания различных биохимических и энергетических процессов. Немало исследований посвящено изучению биохимии и биофизики биомембран [1], но не менее важное значение имеет и изучение их эволюции. Как и при каких обстоятельствах мембрана появилась в эволюции живого впервые? Когда появились первые эукариоты, и каким образом они обзавелись множеством внутренних мембран, которых нет у прокариот? Над этими вопросами ученые ломают головы уже долго, но до недавнего времени они могли оперировать только умозрительными гипотезами. Развитие масштабных методов анализа геномов (и прочих «омов» [2]), биоинформатики и математического моделирования в биологии [3] позволили если и не дать исчерпывающие ответов, то подобраться к ним вплотную.

Происхождение эукариот «наизнанку»

В недавно опубликованной в журнале BMC Biology статье [4] Дэвид и Базз Баумы, основываясь на большом количестве филогенетических данных, выдвинули новую гипотезу происхождения эукариотической клетки. Они называют эту гипотезу «моделью наизнанку» (inside-out, изнутри — наружу), в противовес господствовавшей до сих пор гипотезе «снаружи — внутрь» (outside-in). Согласно традиционной теории мембранные органеллы эукариот появились благодаря «впячиванию» своей наружной мембраны. Митохондрии, например, согласно этой гипотезе, были «проглочены» будущими эукариотами с помощью фагоцитоза. Однако со времени появления этой гипотезы накопилось немало данных, которые ей противоречат и указывают на то, что ситуация была противоположной. Вероятно, новые органеллы появились у будущих эукариот более дружелюбным способом — с помощью объятий. «Модель наизнанку» предполагает, что эукариотическое ядро образовалось из основной части предковой клетки, а цитоплазма с митохондриями и другими мембранными органеллами — из выростов этой клетки, которые по началу просто окружали клетки-симбионты (рис. 1). Новую гипотезу поддерживает множество важных фактов. Например, археи (они и были этими предковыми клетками) могут только выпячивать мембрану, а «впячивать» — нет. Несомненно, эта новая гипотеза требует дальнейшей проработки, но специалисты оценивают ее позитивно: она действительно подтверждается известными данными о морфологии и биохимии прокариот и помогает сделать предсказания, которые можно проверить экспериментально (например, механизмы сборки ядерных пор и филогению белков фагоцитоза).

Рисунок 1. Схема того, как эукариотическая клетка могла возникнуть в соответствии с «моделью наизнанку». Выросты клетки-хозяина окружили клетки-симбионты, постепенно превратив их во внутренние мембранные органеллы.

Математическое моделирование позволило другой группе ученых лучше разобраться с еще одним важным вопросом: какой была мембрана общего предка архей и бактерий, и как ее строение определило эволюцию этих двух групп прокариот. Об этом рассказывается в их недавней статье, вышедшей в журнале PLoS Biology [6].

Бактерии и археи: единство противоположностей

Все современные живые организмы относятся к одному из трех доменов жизни: бактерии, археи и эукариоты. По более-менее общепринятой гипотезе эукариоты происходят от своеобразного «слияния» двух других групп, которые являются гораздо более древними. Бактерии и археи происходят от общего предка — по-английски он называется LUCA (last universal common ancestor, последний универсальный общий предок). Бактерии и археи имеют много общих черт, включая одинаковый генетический код, механизмы транскрипции и рибосомной трансляции, но при этом отличаются в некоторых ключевых моментах. Они имеют разный химический состав клеточных мембран и стенок, по-разному устроенный гликолиз, ионные насосы и даже разные механизмы репликации ДНК.

Возможно, различия в устройстве клеточной мембраны являются ключевыми в этом списке различий (рис. 2) [7]. Мембраны современных бактерий состоят из фосфолипидов: сложных эфиров глицерина, двух остатков жирной кислоты и одного фосфатного остатка, к которому может быть присоединена дополнительная полярная группа. Гидрофобные хвосты жирных кислот образуют средний слой мембраны, а полярные остатки глицерина, фосфата и вспомогательных полярных групп — наружный и внутренний слои. Мембраны архей устроены в принципе похоже, но на другой химической основе. Вместо жирных кислот их липиды содержат терпеновые спирты, углеводородные цепочки которых несут метильные группы через каждые четыре атома. Моделирование молекулярной динамики мембран показало, что благодаря таким метильным «ответвлениям» мембраны становятся очень прочными, но при этом сохраняют гибкость [8], [9]. Терпеновые спирты простыми эфирными связями присоединяются к глицеринфосфату, фосфатный остаток может дополняться другими полярными головками, такими же, как у бактерий. Сам глицеринфосфат архей тоже отличается от бактериального — у архей используется другой его оптический изомер (глицерин-1-фосфат вместо глицерин-3-фосфата). Получается, что мембрана — важнейший элемент, обеспечивающей существование клетки как самостоятельной единицы, — появилась у бактерий и архей независимо. Из этого удивительного наблюдения некоторые ученые даже делают вывод о том, что у LUCA мембраны вообще не было [10]. Но это крайне маловероятно, учитывая, насколько важной для большинства биохимических процессов является мембрана. Сложно представить, что молекулярные механизмы, протекающие одинаково и у бактерий, и у архей, появились и могли функционировать еще до появления мембраны. Значит, какая-то мембрана у LUCA все-таки была. Группа ученых из Университетского Лондонского колледжа с помощью математического моделирования разработала модель, описывающую, как эта мембрана выглядела, и как из нее появились разные мембраны бактерий и архей [6].

Рисунок 2. Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева)

«Протекающая» мембрана

C различным строением мембраны бактерий и архей никак не вязалось то, что производство энергии в клетках обеих групп устроено очень похожим образом. Дело в том, что во всех современных клетках производство энергии (которая запасается в виде молекул АТФ) сопряжено с мембраной. Ключевыми стадиями этого процесса являются создание градиента протонов на мембране (избыток ионов Н⁺ с наружной стороны мембраны по сравнению с внутренней) и работа АТФ-синтазы за счет этого градиента. При этом протоны проходят через канал в АТФ-синтазе, вызывая тем самым механический поворот части АТФ-ситназного комплекса, который, в свою очередь, обеспечивает катализ синтеза АТФ. Согласно филогенетическим исследованиям, АТФ-синтазы всех организмов имеют общее эволюционное происхождение, и предковая молекула была уже у LUCA. У некоторых бактерий и архей вместо градиента протонов используется градиент ионов натрия, а у некоторых — и тот, и другой. Долгое время считалось, что Na⁺ выступает в качестве заменителя H⁺ у организмов, живущих в экстремальных условиях (термальных источниках или в сильнощелочной среде). Однако оказалось, что натрий-специфические ферменты занимают самые нижние ветви филогенетического древа в обоих доменах, что указывает на их древность. Модель функционирования древней мембраны, предложенная британскими учеными, успешно объясняет, как и зачем в процессе эволюции возникла способность АТФ-синтазы использовать ионы натрия. Но, прежде чем ответить на этот вопрос, они должны были разобраться с еще одной проблемой — несмотря на общее происхождение АТФ-синтаз, ионные насосы возникли у бактерий и архей независимо, т.е, вероятно, у LUCA их не было. Как же тогда древняя клетка могла избавляться от протонов, поступающих внутрь при работе АТФ-синтазы, и создавать градиент протонов?

По мнению авторов исследования, единственным объяснением могло быть то, что мембрана LUCA была «протекающей» (leaky), и клетка использовала естественные источники протонного градиента. На основе своих предположений ученые построили математическую модель древней клетки. В этой модели клетка находится на границе между двумя ламинарными потоками — кислотным (pH 5–7) и щелочным (pH 9–10), не смешивающимися за счет неорганического барьера (рис. 3). Подобные условия могли существовать в древнем океане рядом с подводными щелочными источниками (сама морская вода имела кислую реакцию). При этом мембрана клетки была полупроницаемой («протекающей») и свободно пропускала ионы H⁺с одной стороны клетки и ионы OH⁻ с другой стороны. Эти ионы могут также свободно выходить через мембрану или взаимно нейтрализоваться внутри клетки с образованием воды. Молекула, способная к синтезу АТФ (древняя АТФ-синтаза), находится на «кислотной» стороне клетки и использует градиент протонов на этой мембране для своей работы. Согласно расчетам исследователей, разница pH в три единицы (т.е. тысячекратная разница в концентрации протонов) между щелочной и кислотной средами и молекулы АТФ-синтазы, занимающие 1% поверхности клетки, — это условия, необходимые и достаточные для того, чтобы клетка могла синтезировать необходимое количество АТФ для поддержания углеродного и энергетического метаболизма.

Рисунок 3. Условия с естественным градиентом протонов, в которых должна была обитать древняя клетка

По мнению ученых, такая «протекающая» мембрана могла состоять из смеси амфифильных молекул, включая жирные кислоты и изопрены, но никак не могла содержать фосфолипиды, свойственные современным мембранам. Добавление фосфолипидов приводит к снижению проницаемости мембраны для ионов, так как полярные группы не могу проходить через неполярную внутреннюю часть мембраны. Такая мембрана не позволяла бы поддерживать градиент протонов, а значит, и работу АТФ-синтазы. Получается, что для клеток с «протекающей» мембраной не нужны ни фосфолипиды, ни ионные насосы (они никак не буду способствовать более эффективной работе АТФ-синтазы, т.к. все «накачанные» ионы будут утекать через мембрану). Чтобы понять, как произошел переход от «протекающей» мембраны к современным мембранам с ионными насосами, ученые обратились к уже упомянутому факту: некоторые АТФ-синтазы могут использовать не только протоны, но и ионы натрия.

Исследователи предположили, что необходимым шагом для перехода к современной мембране было появление способности использовать для создания энергии градиента ионов натрия. Создавать такой градиент могла бы молекула SPAP (sodium-proton antiporter, антипорт для ионов натрия и протонов), которая переносит один ион натрия в обмен на один протон. SPAP есть у многих представителей как архей, так и бактерий. Именно эта молекула могла бы использовать естественный градиент протонов для создания градиентов ионов натрия. Даже «протекающая» мембрана в шесть раз менее проницаема для ионов натри, чем для протонов, поэтому градиент ионов натрия гораздо более долговечен в таких условиях. Если АТФ-синтаза сможет использовать для производства АТФ и протоны, и ионы натрия, клетка, согласно подсчетам, сможет создавать на 60% больше энергии. Как уже было отмечено, некоторые современные АТФ-синтазы действительно способны использовать оба вида ионов. Другие используют только один тип ионов, но при этом все они отличаются только парой аминокислотных замен (вероятно, это связано со схожестью ионного радиуса и заряда ионов Na⁺ и H₃O⁺ — форм, в которые этих ионы обычно транспортируются ионными каналами). Получившийся благодаря SPAP и смешанной работе АТФ-синтаз выигрыш в энергии клетки смогли бы использовать для того, чтобы начать занимать новые экологические ниши, в которых естественный градиент протонов был гораздо ниже (до 50 раз ниже) или был непостоянным. Кроме того, наличие SPAP делает выгодным наличие в клетке ионных насосов. Согласно расчетам модели, преимущество в использовании насосов возрастает со снижением проницаемости мембраны, вплоть до значений проницаемости, характерных для современных мембран.

Получатся, что SPAP — это та молекула, которая могла бы обеспечить переход от «протекающей» мембраны к почти непроницаемой современной, параллельно позволяя древним клеткам расширять ареал своего обитания. По мере расселения, в разных популяциях LUCA могли возникать различные типы насосов, поэтому в современном мире бактерий и архей мы наблюдаем такое разнообразие молекул, причем не все они имеют общее происхождение. Исследователи смогли ответить и на вопрос, связанный с принципиальным различием мембран бактерий и архей. Моделирование показало, что только после появления в эволюции ионных насосов клеткам стало выгодно снижать проницаемость мембраны за счет присоединения гидрофильных глицерол-фосфатных головок. Из-за того, что такой синтез фосфолипидов может происходить двумя путями, в зависимости от того, с какой стороны происходит нуклеофильная атака на карбонильный центр, появилось два разных хиральных варианта фосфолипидов у бактерий и архей. Получается, что разные популяции получили разные ионные насосы, а потом каждая из них пошла либо по «архейному» пути, либо по «бактериальному», в зависимости от реакции нуклеофильного замещения.

Рисунок 4. Эволюция архей и бактерий от общего предка LUCA. A—E — постепенный переход от «протекающей мембраны» к современной. F — дивергенция двух популяций, давших начало археям и бактериям, за счет эволюции мембраны. На рисунках обозначены АТФ-синтаза (ATPase), архейный и бактериальный ионные насосы (Archaeal pump, Bacterial pump) и SPAP, сыгравшие главные роkи в процессе расхождения архей и бактерий.

Заключение

Изучать появление и эволюцию жизни на самых ранних ее этапах — задача сложная и нетривиальная, требующая работы с большими объемами данных и особенных подходов. В последние годы у ученых в руках появляется все больше инструментов для таких исследований, позволяющих им проверять давно сформулированные гипотезы и выдвигать новые предположения. Иногда результаты удивляют и предполагают отказ от уже устоявшихся и давно вошедших в учебники теорий. Одно из новых исследований, например, показало, что стоит отказаться от теории происхождения мембранных органелл путем фагоцитоза, а обратить внимание на противоположную модель — модель расширения мембраны. Другое описанное в этой статье исследование предлагает еще одну достаточно революционную идею. Согласно математической модели британских ученых мембрана LUCA была «протекающей», а переход к современной мембране стал возможен благодаря антипорту протонов и ионов натрия. Эта модель подразумевает, что мембрана древних клеток состояла из жирных кислот и терпенов, хотя ранее такие мембраны считались неподходящими для производства энергии как раз из-за своей склонности к «протечкам».

Благодаря развитию информационных технологий и растущим объемам биологических баз данных ученые могут, хотя только в компьютерных моделях, заглянуть в далекое прошлое. Являются ли эти модели верными, покажут дальнейшие исследования, но уже сейчас они помогают понять многие критические точки в эволюции жизни на Земле.

Липидный фундамент жизни;
«Омики» — эпоха большой биологии;
Вычислительное будущее биологии;
David A Baum, Buzz Baum. (2014). An inside-out origin for the eukaryotic cell. BMC Biol. 12;
Никитин М. (2014). Выдвинута новая гипотеза происхождения эукариотической клетки. «ПостНаука»;
Víctor Sojo, Andrew Pomiankowski, Nick Lane. (2014). A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria. PLoS Biol. 12, e1001926;
Никитин М. (2013). Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики. «Химия и жизнь». 9;
Чугунов А. (2014). Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей. ИБХ;
Anton O. Chugunov, Pavel E. Volynsky, Nikolay A. Krylov, Ivan A. Boldyrev, Roman G. Efremov. (2015). Liquid but Durable: Molecular Dynamics Simulations Explain the Unique Properties of Archaeal-Like Membranes. Sci Rep. 4;
W. Martin, M. J Russell. (2007). On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 362, 1887-1926;
Richard Robinson. (2014). A Leaky Membrane and a Sodium Transporter at Life’s Great Divergence. PLoS Biol. 12, e1001927.

«Ахиллесова пята бактериальной мембраны» — Пресс-центр

Пресс-центр / новости / Наука /

В мембране бактерий присутствует интересная молекула – липид II, которая не встречается у эукариот. Этот липид служит важным элементом в построении клеточной стенки бактерий. Его считают весьма перспективной мишенью для создания антибиотиков будущего. Сотрудникам лаборатории Моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН Р. Г. Ефремову, А.О. Чугунову и их коллегам при помощи компьютерного моделирования удалось построить карту поверхности участка мембраны, содержащего липид II. Это помогло понять, каким образом антибиотик находит самое уязвимое место мембраны микроорганизмов. Данной работе была посвящена часть доклада А. О. Чугунова на X Молодежной школе-конференции с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии».

липид II, низин, бактериоцины, гидрофобный участок мембраны

Евсеев А.В.

У бактерий есть специальные вещества – бактериоцины, являющиеся разновидностью природных антибиотиков. Прокариоты могут оказывать воздействие друг на друга, используя эти вещества – например, одни бактерии могут убивать других с помощью бактериоцинов или контролировать рост колоний конкурентов. Эти вещества играют важную роль в микробных экосистемах.

Было замечено, что бактериоцины могут быть полезны и для людей. Дело в том, что для нас они совершенно безвредны, поскольку действуют только на бактериальные клетки. Интересно и то, что с их помощью можно бороться с патогенными микроорганизмами, не нанося ущерба при этом симбионтам человеческого организма. Например, бактериоцины, выделяемые симбиотическими лактобактериями (сем. Lactobacillaceae), убивают патогенных микробов, но совершенно не трогают своих соседей. Многие исследователи считают, что использование бактериоцинов поможет выйти из тупика резистентности патогенных микробов к антибиотикам. Поэтому изучение свойств этих веществ является весьма перспективным направлением.

Одним из таких бактериоцинов является низин, который вырабатывает бактерия Streptococcus lactis. Интересно, что это вещество открыли даже раньше, чем первый антибиотик пенициллин. В лекарственных целях его используют редко, в основном это вещество применяют в качестве как пищевой добавки-консерванта (Е234).

Низин

Тем не менее, он эффективно работает в качестве бактерицидного и бактериостатического агента. Причем, как выяснилось, низин целенаправленно воздействует на весьма интересный элемент бактериальных мембран, который называется липид II.

Строение липида II весьма необычно. У него есть терпеновый хвостик, далее расположен пирофосфат, а затем идут два сахара, к одному из которых присоединен пентапептид с необычным строением. Эта оригинальная молекула служит переносчиком фрагмента пептидогликана, строительного материала бактериальной клеточной стенки. Сетка из пептидогликана как бы охватывает бактерию со всех сторон наподобие продуктовой сумки-авоськи, то есть она является очень важным компонентом бактериальной клеточной стенки. Разрушение пептидогликановой сетки обычно приводит к гибели микроорганизма – кроме тех видов (их не так-то и много), у которых такой сетки вообще не образуется.

Таким образом, если липид II каким-нибудь образом «выключить» из этого процесса, то клеточная стенка синтезироваться не будет, и бактерия погибнет. Низин же может «поймать» липид II прямо на бактериальной мембране. Тут возможны два варианта: в первом случае низин просто связывается с молекулой липида II и не дает ей работать, а при втором варианте в мембране формируется пора – низин закрепляется в мембране с помощью липида II и «пробивает» ее. В последнем случае гибель бактерии неизбежна, поскольку происходит рассеивание ионных градиентов.

Липид II

Для того, чтобы создать активные молекулы бактериоцинов, которые могли бы выхватывать из бактериальных мембран липид II и убивать патогенные микроорганизмы, нужно детально изучить все, что происходит на мембране в процессе такого контакта. И вот, сотрудникам лаборатории Моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН Р. Г. Ефремову , А.О. Чугунову и их коллегам удалось смоделировать в компьютерном эксперименте фрагмент мембраны, который содержит липид II. Он встраивается среди обычных бактериальных фосфолипидов – это достаточно сложная система. Расчетное время молекулярной динамики составило 1 мкс (1·10^-6с) Нужно было проделать миллиарды шагов для системы, состоящей из сотен тысяч атомов для того, чтобы осуществить такой расчёт. И хотя пока что нельзя увидеть всего, что происходит на мембране, уже сейчас можно утверждать, что присутствие липида II влияет на ее свойства.

Предполагается, что контакт липида II с низином происходит следующим образом — бактериоцин цепляется к пирофосфату липида, и при этом выстраивается специфический паттерн водородных связей, что приводило к высокоаффинному связыванию. Но каким образом низин находит молекулу, которая встречается в мембране не столь уж часто? Может быть, липид II кардинально изменяет свойства того участка мембраны, где он локализован? Сотрудники лаборатории решили выяснить это, построив при помощи компьютерного моделирования карту участка мембраны, содержащего липид II.

В настоящее время известно, что расхожее мнение о расположении всех гидрофобных участков в билипидном слое мембраны исключительно внутри, а гидрофильных – на поверхности, не соответствует действительности. Согласно компьютерному моделированию и новейшим экспериментальным данным, на поверхности мембраны тоже имеются гидрофобные участки, причем их площадь может быть весьма велика. Так вот, исследователи выяснили, что поверхностные участки мембраны, где находятся молекулы липида II, тоже гидрофобны – они формируют своеобразный «гидрофобный атолл». Более того, эти участки неоднородны по рельефу – из-за молекулы липида II там образуются выступы и впадины.

Расположение липида II в мембране

Происходит это вот почему — пентапептидная головка липида, содержащая «строительный блок» для клеточной стенки, находится снаружи мембраны. Терпеновый хвостик липида II свободно болтается внутри последней, принимая иногда самые необычные положения. Ну а соединяющая обе эти части пирофосфатная группа липида II как бы высовывается из мембраны, и, таким образом, она находится на границе между клеткой и водной средой.

Из-за того, что головка этого липида возвышается над поверхностью мембраны, структура бислоя на этом участке оказывается нарушенной, поскольку над ровным слоем фосфолипидов образуется весьма заметный выступ. Но это еще не все – головка липида II образует водородные связи с полярными головками фосфолипидов. Кроме того, положительно заряженный остаток лизина в головке липида II притягивает отрицательно заряженные фрагменты расположенных рядом липидов при за счет электростатических взаимодействий. В итоге получается, что головка липида II как бы «стягивает» на себя окрестные фосфолипидные молекулы, а его хвост, меняя свое расположение внутри гидрофобного слоя, тем самым нарушает его структуру. Так и происходит формирование вышеописанного «атолла», в центре которого находится островок гидрофильности (вокруг головки липида II), а по краям — подковообразный гидрофобный участок, образованный за счет возмущений центральных областей мембраны, вызываемых движением хвоста липида II.

Гидрофобный участок мембраны вокруг липида II

Исходя из этой картины, исследователи предположили, что липид II «выдает» себя бактериоцину тем, что формирует вокруг себя гидрофобную поверхность. Действительно, молекул этого вещества в клетке очень мало – от одной до двух тысяч (у грамположительных бактерий – около 20 тысяч) на миллионы молекул фосфолипидов. Казалось бы, никакой бактериоцин просто не сможет найти столь редкий элемент прокариотической мембраны среди множества совершенно не интересных ему фосфолипидов. Но антимикробный пептид обладает мембранной активностью, поэтому он сначала находит неоднородный с точки зрения гидрофильности участок в мембране, а потом специфически связывается с пирофосфатом. Правда, как именно он находит эту неоднородность, пока не известно – это требует дальнейшего моделирования и расчётов.

Получается, что в данном случае бактерии сами себя выдают, показывая бактериоцинам свое самое уязвимое место. Все это позволяет рассчитывать на то, что данная мишень весьма перспективна для создания принципиально новых антибиотиков. Не исключено, что в дальнейшем исследователи смогут, опираясь на компьютерные расчёты, предложить другие молекулы, которые будут еще более эффективно атаковать эту «ахиллесову пяту» бактериальных мембран. В таком случае останется только синтезировать эти вещества и испытать их на практике. Правда, сразу нужно отметить, что они вряд ли будут хорошо работать против грамположительных бактерий, поскольку те обладают толстой клеточной стенкой, через которую не так-то легко пробиться. Но есть все основания полагать, что с грамотрицательными микроорганизмами эти агенты справятся достаточно легко.

Литература

1) Anton Chugunov, Darya Pyrkova, Dmitry Nolde et al. Lipid-II forms potential «landing terrain» for lantibiotics in simulated bacterial membrane // Scientific Reports. 2006. V. 3. Article number: 1678.

2) Eefjan Breukink and Ben de Kruijff. Lipid-II as a target for antibiotics // Nature Reviews Drug Discovery. 2006. V. 5. P. 321–323.

6 ноября 2015 года

Прикрепленные файлы:

Kazan medical journalKazan medical journal0368-48142587-9359Eco-Vector237010.17750/KMJ2016-77Original ArticleElectron microscopy study of antibacterial effect of selimakcid against salmonella and escherichiaMurtazinaG [email protected] M-Kazan State Medical UniversityFederal Toxicological, Radiation and Biological Safety Center15012016971778328032016Copyright © 2016, Murtazina G.K., Salnikova M.M.2016Aim. To assess Selimakcid effect on the submicroscopic organization of Salmonella and enteropathogenic Escherichia. Methods. Salmonella enteritidis and enteropathogenic Escherichia coli isolates were used in a study. Their morphological and functional characteristics after Selimakcid exposure were studied using methods of negative staining and ultrathin sections. Selimakcid was taken at 10, 15 and 25 mg/ml concentration in a physiological isotonic sodium chloride solution. Results. Incubation of Salmonella and Escherichia cultures with Selimakcid has no effect on the cells size compared to the control. Ultrastructural picture of Selimakcid post antibiotic effect on the Salmonella enteritidis cells demonstrated the outer membrane vesicles increase and cell wall changes, which can be attributed to the adaptation. In the Escherichia coli culture after incubation in medium containing Selimakcid at 25 mg/ml concentration, the presence of both damaged (with flake-like cytoplasm and plasma membrane ruptures) and lysed (release their content into the environment) cells was observed. Conclusion. The effect of Selimakcid on Salmonella enteritidis cells is characterized by the outer membrane vesicles increase and cell wall changes; in the Escherichia coli culture after Selimakcid exposure the presence of damaged and lysed cells was observed.ultrastructurenegative stainingSelimakcidSalmonellaEscherichiacell wallnucleoidультраструктуранегативное контрастированиеселимакцидсальмонеллыэшерихииклеточная стенкануклеоид1.2.Бухарин О.В., Каган Ю.Д., Бурмистрова А.Л. Сальмонеллы и сальмонеллёзы. Екатеринбург: УрО РАН. 2000; 258 с.3.Иванов А.В., Иванов А.А., Чернов А.Н. и др. Методические рекомендации по электронно-микроскопическим исследованиям биологических объектов. ФГБНУ «Росинформагротех». 2011; 67 с.4.Инфекционные болезни: национальное руководство. Под ред. Н.Д. Ющука, Ю.Я. Венгерова. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2009; 1040 с.5.Кибардин А.М., Грязнов П.И., Лебедев С.Г. и др. Диэтиламмониевая соль n-бензилиденамино-1-фенилметансульфоновой кислоты, обладающая бактерицидной активностью, и способ её получения. Патент на изобретение №2111962 от 21.05.1998.6.Ленгелер Й., Древс Г., Шлегель Г. Общая микробиология: Прокариоты. М.: Мир. 2012; 1: 656 с.7.Лобзин Ю.В., Захаренко С.М. Этиотропная терапия кишечных инфекций. Инфекц. бол. 2009; 7 (3): 62-67.8.Макаев Х.Н., Равилов А.З., Муртазина Г.Х. и др. Новое противомикробное средство при респираторных и желудочно-кишечных заболеваниях. Вет. врач. 2000; (2): 24-26.9.Малеев В.В., Горелов А.В., Усенко Д.В., Кулешов К.В. Актуальные проблемы, итоги и перспективы изучения острых кишечных инфекций. Эпидемиол. и инфекц. бол. Актуальн. вопр. 2014; (1): 4-8.10.Потехина Р.М., Макаев Х.Н., Муртазина Г.Х. Антимикробная активность, токсикологические параметры и возможные отдалённые последствия селимакцида. Вет. врач. 2009; (5): 6-9.11.Практическое руководство по антиинфекционной химиотерапии. Под ред. Л.С. Страчунского, Ю.Б. Белоусова, С.Н. Козлова. М.: Боргес. 2002; 384 с.12.Burt S. Essential oils: their antibacterial properties and potential applications in foods — a review. Intern. J. Food Microbiol. 2004; 94 (3): 223-253. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2004.03.02213.Lu Y., Zhang Y., Zhou H. et al. Combined drug sensitivity test of 50 strains of extensively drug-resistant Acinetobacter baumannii. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao. 2014; 34 (11): 1697-1701.

9. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий. У грамотрицательных бактерий муреиновая сеть однослойная и составляет менее 10% сухой массы клеточной стенки. Муреин содержит только мезодиаминопимелиновую кислоту и не содержит лизина; межпептидные мостики отсутствуют. Строение муреинового мешка у всех грамотрицательных бактерий одинаково.

У грамотрицательных бактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грамположительных. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стенки, неплотно прилегая к ЦПМ. Для разных видов грамотрицательных бактерий содержание этого гетерополимера колеблется в широких пределах. У большинства видов он образует одно- или двухслойную структуру, характеризующуюся весьма редкими поперечными связями между гетерополимерными цепями. Снаружи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки — наружная мембрана. Она состоит из фосфолипидов, типичных для элементарных мембран, белков, липопротеина и липополисахарида. Фосфолипиды клеточной стенки пластичного слоя прикреплены к пептидогликану липопротеинами, пересекающими периплазматическое пространство. Специфическим компонентом наружной мембраны является липополисахарид сложного молекулярного строения, занимающий около 30—40 % ее поверхности и локализованный во внешнем слое.

Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные. Основные белки представлены небольшим числом различных видов, но составляют почти 80 % всех белков наружной мембраны. Одна из функций этих белков — формирование в мембране гидрофильных пор диаметром примерно 1 нм, через которые осуществляется неспецифическая диффузия молекул с массой до 600-900 Да. Это означает, что через такие поры могут проходить сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Белки, пронизывающие наружную мембрану насквозь и образующие гидрофильные поры, называют поринами. Минорные белки наружной мембраны представлены гораздо большим числом видов. Их основная функция — транспортная и рецепторная. Примером минорных белков могут служить белки, ответственные за специфический транспорт в клетку железосодержащих соединений.

Внешняя мембрана не пропускает молекулы с большой молекулярной массой, что можно рассматривать как фактор неспецифической устойчивости бактерий к некоторым антимикробным препаратам.

10. Необычные клеточные стенки прокариот. Прокариоты без клеточной стенки.

Клеточные стенки метанобразующих архебактерий содержат пептидогликан особого химического строения. У других представителей этой группы клеточная стенка состоит исключительно из кислого гетерополисахарида, а у некоторых экстремально галофильных, метанобразующих и ацидотермофильных архебактерий — только из белка.

Архебактерии с клеточной стенкой белковой природы не окрашиваются по Граму, остальные типы архебактериальной клеточной стенки дают грамположительную реакцию.

Прокариоты без клеточной стенки

Прокариоты, не содержащие клеточной стенки относятся к группам микоплазм, сапрофитов и внутриклеточных паразитов растений, животных и человека. В благоприятных условиях они обладают метаболической активностью и способностью к размножению

Это мелкие бактерии не способны синтезировать компоненты клеточной стенки. Протопласт микоплазм окружен цитоплазматической мембраной, клетки осмотически лабильны. При росте на искусственных питательных средах большинство микоплазм нуждается в холестерине и других липидах для построения цитоплазматической мембраны. Это грамотрицательные бактерии спор и капсул не образуют, как правило, неподвижные. Форма клеток у микоплазм может быть сферическая или грушевидная (диаметр 0,3-0,5 мкм), иногда встречаются нитевидные структуры. Размножение микоплазм происходит путем деления, почкования или фрагментации нитевидных элементов на отдельные клетки. Так как у микоплазм нет жесткой клеточной стенки, они могут менять форму и проходить через бактериальные фильтры. Большинство видов факультативные анаэробы. При росте на питательных средах образуют мелкие колонии (менее 1 мм), которые имеют вид яичницы-глазуньи.

Среди микоплазм встречаются сапрофиты. Часть видов патогенна для животных; некоторые способны вызывать заболевания у человека. При этом микоплазмы прикрепляются к эпителиальным клеткам слизистых оболочек и, выделяя определенные метаболиты, поражают клеточные мембраны.

Бактерии — клеточная оболочка

Поверхность бактериальной клетки (или оболочка) может значительно различаться по своей структуре, и она играет центральную роль в свойствах и возможностях клетки. Единственная особенность, присутствующая во всех клетках, — это цитоплазматическаямембрана , которая отделяет внутреннюю часть клетки от внешней среды, регулирует поток питательных веществ, поддерживает надлежащую внутриклеточную среду и предотвращает потерю содержимого клетки. Цитоплазматическая мембрана выполняет множество необходимых клеточных функций, включая выработку энергии, секрецию белка, сегрегацию хромосом и эффективный активный транспорт питательных веществ. Это типичная единичная мембрана, состоящая из белков и липидов, в основном похожая на мембрану, которая окружает все эукариотические клетки. На электронных микрофотографиях он выглядит как трехслойная структура липидов и белков, которые полностью окружают цитоплазму.

пептидогликановый слой Bacillus coagulans
Часть грамположительной бактерии Bacillus coagulans, демонстрирующая толстый слой пептидогликана клеточной стенки, который окружает клеточную мембрану.
Неограниченные визуальные эффекты / © TJ Beveridge
Британская викторина
Вирусы, бактерии и болезни
Если у человека тризм, каким заболеванием он страдает? Узнайте больше о вирусах, бактериях и болезнях от полиомиелита до гриппа в этой викторине.
За пределами этой мембраны лежит жесткий стенка , определяющая форму бактериальной клетки. Стена состоит из огромной молекулы, называемойпептидогликан (или муреин). У грамположительных бактерий пептидогликан образует толстый сетчатый слой, который удерживает синий краситель окраски по Граму, улавливая его в клетке. Напротив, у грамотрицательных бактерий слой пептидогликана очень тонкий (всего одна или две молекулы в глубину), и синий краситель легко вымывается из клетки.
пептидогликановый слой Aquaspirillum serpens
У грамотрицательной бактерии Aquaspirillum serpens есть тонкий слой пептидогликана, который находится между клеточной мембраной и внешней мембраной.
Неограниченные визуальные эффекты / © TJ Beveridge
Пептидогликан встречается только у бактерий (за исключением бактерий без клеточной стенки, таких как микоплазма ). Пептидогликан представляет собой длинноцепочечный полимер из двух повторяющихся сахаров ( н- ацетилглюкозамин и н- ацетилмурамовая кислота), в котором соседние сахарные цепи связаны друг с другом посредствомпептидные мостики, которые придают жесткую стабильность. Природа пептидных мостиков значительно различается у разных видов бактерий, но в целом состоит из четырех аминокислот : l — аланин, связанный с d — глутаминовой кислотой , связанный либо с диаминопимелиновой кислотой у грамотрицательных бактерий, либо с l — лизином , l -орнитином, или диаминопимелиновая кислота у грамположительных бактерий, которая, наконец, связана с d- аланином. У грамотрицательных бактерий пептидные мостики соединяют d-аланин в одной цепи с диаминопимелиновой кислотой в другой цепи. У грамположительных бактерий может быть дополнительная пептидная цепь, которая увеличивает досягаемость поперечной сшивки; например, у золотистого стафилококка есть дополнительный мостик из пяти глицинов .
Синтез пептидогликана является мишенью для многих полезных антимикробных агентов , включая β-лактамные антибиотики (например, пенициллин ), которые блокируют сшивание пептидных мостиков. Некоторые белки, которые животные синтезируют как естественные факторы антибактериальной защиты, атакуют клеточные стенки бактерий. Например, фермент под названием лизоцим расщепляет сахарные цепи, которые составляют основу молекул пептидогликана. Действие любого из этих агентов ослабляет клеточную стенку и разрушает бактерии.
У грамположительных бактерий клеточная стенка состоит в основном из толстой пептидогликановой сети, переплетенной с другими полимерами, называемыми тейхоевыми кислотами (от греческого слова teichos , что означает «стенка»), и некоторыми белками или липидами. Напротив, грамотрицательные бактерии имеют сложную клеточную стенку, которая состоит из нескольких слоев, в которых слой внешней мембраны лежит поверх тонкого слоя пептидогликана. Эта внешняя мембрана состоит из фосфолипидов , которые представляют собой сложные липиды, содержащие молекулы фосфата, илипополисахариды , которые представляют собой сложные липиды, которые прикреплены к внешней мембране клетки своим липидным концом и имеют длинную цепь сахаров, простирающуюся от клетки в среду. Липополисахариды, часто называемыеэндотоксины , токсичны для животных и человека; их присутствие в кровотоке может вызвать жар, шок и даже смерть. Для большинства грамотрицательных бактерий внешняя мембрана образует барьер для прохождения многих химических веществ, которые могут быть вредны для бактерий, таких как красители и детергенты, которые обычно растворяют клеточные мембраны. Непроницаемость для растворимых в масле соединений не наблюдается в других биологических мембранах и является результатом присутствия липополисахаридов в мембране и необычного характера белков внешней мембраны. В качестве доказательства способности внешней мембраны придавать устойчивость к суровым условиям окружающей среды, некоторые грамотрицательные бактерии хорошо растут в нефтяных пятнах, топливных баках для реактивных двигателей, дренаже кислотных шахт и даже в бутылках с дезинфицирующими средствами .
В Структура поверхности архей заметно отличается от структуры поверхности бактерий. В них нет пептидогликана; вместо этого их мембранные липиды состоят из разветвленных изопреноидов, связанных с глицерином эфирными связями. У некоторых архей материал стенок похож на пептидогликан, за исключением того, что специфическим сахаром, связанным с аминокислотными мостиками, является не мурамовая кислота, а талозаминуроновая кислота. Многие другие виды архей используют белки в качестве основного компонента своих стенок, а у некоторых нет жесткой стенки.
Структура и функции бактериальных клеток

Интернет-обзор Интернет-учебника по бактериологии Тодара. «Хорошее, плохое и смертоносное»
Ключевые слова: бактериальная структура, жгутик, жгутики, пилусы, пили, фимбрии, капсула, S-слой, гликокаликс, слой слизи, биопленка, внешняя мембрана, LPS, клеточная стенка, пептидогликан, муреин, тейхоевая кислота, плазматическая мембрана, клеточная мембрана. , фосфолипидный бислой, транспортная система, движущая сила протона, pmf, АТФаза, ДНК, хромосома, нуклеоид, рибосома, субъединица 30S, субъединица 50S, 16S рРНК, включение, PHB, гликоген, карбоксисома, эндоспора, параспоральный кристалл.
Распечатать страницу
Структура и функции бактериальных клеток (страница 7)
(В этой главе 10 страниц)
© Кеннет Тодар, доктор философии
Плазменная мембрана
Плазматическая мембрана , также называется цитоплазматическим мембрана , является наиболее динамичной структурой прокариотической клетки.Его Основная функция — это селективный барьер проницаемости , регулирующий переход веществ внутрь и из клетки. Плазматическая мембрана является определяющей структурой клетки, поскольку она изолирует молекулы жизни в единице, отделяя ее от окружающей среды. Бактериальный мембрана пропускает воду и незаряженные молекулы с массой около 100 мВт. дальтон но не позволяет проходить более крупным молекулам или любым заряженным вещества кроме специальной мембраны транспортировка процессов и транспортировка системы . Бактериальный мембраны состоят из 40 процентов фосфолипидов и 60 процентов белка. Фосфолипиды амфифильный молекулы с полярной гидрофильной глицериновой «головой», присоединенной через сложный эфир связь с двумя неполярными гидрофобными хвостами жирных кислот, которые естественным образом образуют бислой в водных средах.В бислое рассредоточены различный структурные и ферментативные белки, которые выполняют большую часть мембранных функции. Когда-то считалось, что белки аккуратно организованы. вместе внутренняя и внешняя поверхности мембраны, и что это составляло в двухтрековый вид мембраны на электронных микрофотографиях.Тем не мение, теперь известно, что в то время как некоторые мембранные белки расположены и функция на той или иной стороне мембраны большинство белков частично вставлен в мембрану или, возможно, даже проходят через мембрану в виде каналов из снаружи внутрь. Возможно, что белки могут двигаться сбоку вдоль поверхности мембраны, но термодинамически маловероятно что белки могут вращаться внутри мембраны, что рано снижает теории о том, как могут работать транспортные системы.Расположение белков и липиды для формирования мембраны называется жидкой мозаикой , модель , и иллюстрированный на рисунке 20.

Рисунок 20. Модель жидкой мозаики. биологической мембраны. В водных средах мембрана фосфолипиды устраиваются таким образом, что они самопроизвольно образуют жидкость двухслойный.Мембранные белки, которые могут быть структурными или функциональными, могут быть постоянно или временно связанные с одной или другой стороной мембраны, или даже быть постоянно встроенным в бислой, в то время как другие белки охватывают в бислой и могут образовывать транспортные каналы через мембрану.
Мембраны Бактерии находятся структурно похожи на клеточные мембраны эукариот, за исключением того, что бактериальные мембраны состоят из насыщенных или мононенасыщенных жирных кислот (редко, полиненасыщенный жирные кислоты) и обычно не содержат стеринов.В мембраны из архей образуют бислои, функционально эквивалентные бактериальным мембраны, но липиды архей насыщенные, разветвленные, повторяющиеся изопреноиды подразделения которые присоединяются к глицерину через эфирную связь, в отличие от сложного эфира связь содержится в глицеридах липидов мембран эукариот и бактерий (рис. 21).Считается, что структура мембран архей является адаптацией. их существованию и выживанию в экстремальных условиях.

Рисунок 21. Обобщенный состав липидов мембраны. (Топ). Фосфолипид в мембране бактерия Эшерихия coli . Положения R1 и R2 на глицерине заменены на насыщенный или мононенасыщенные жирные кислоты со сложноэфирными связями с глицеридом.В Положение R3 замещено фосфатидилэтаноламином, наиболее общий заместитель в этом положении у бактерий. (Нижний). Архей мембрана липид. В отличие от бактериальных фосфолипидов, которые представляют собой глицерин сложные эфиры жирных кислот липиды в мембранах архей являются диэфирами глицерин и длинноцепочечные, разветвленные, насыщенные углеводороды, называемые изопреноидами или которые состоят из повторяющихся субъединиц C5.Один из основных изопреноиды представляет собой молекулу фитанола С20. Положение R3 глицерина может или может нет быть замененным. Считается, что структура липидов мембран архей быть адаптацией к экстремальным условиям, таким как жаркая и кислая условия где в природе преобладают археи.
Функции цитоплазмы Мембрана
Так как прокариоты лишены любые внутриклеточные органеллы для таких процессов, как дыхание, фотосинтез или секреция, плазма мембрана поглощает эти процессы для клетки и, следовательно, имеет разнообразие функций в выработке энергии и биосинтезе .Для Например, система переноса электронов , которая связывает аэробных дыхание и Синтез АТФ обнаруживается в прокариотической мембране. Фотосинтез хромофоры , которые собирают световую энергию для преобразования в химический энергии находятся в мембране. Следовательно, плазматическая мембрана — это сайт окислительного фосфорилирования и фотофосфорилирования в прокариоты, аналогичные функциям митохондрий и хлоропласты в эукариотических клетках.Помимо транспортных белков , которые избирательно опосредуют проникновение веществ в клетку и из клетки, прокариотические мембраны могут содержать чувствительных белка , которые измеряют концентрации молекул в окружающей среде или связывающих белков , которые перемещать сигналы к генетическим и метаболическим машинам в цитоплазме.Мембраны также содержат фермента, участвуют во многих метаболических процессах, таких как в качестве синтез клеточной стенки, формирование перегородки, мембранный синтез, ДНК репликация CO ₂ фиксация и окисление аммиака. Преобладающий функции прокариотических мембран перечислены в Таблице 7 и обсуждаются ниже.
Таблица 7.Функции прокариотической плазматической мембраны
1. Осмотический или проницаемость барьер
2. Расположение транспорта системы для конкретных растворенных веществ (питательные вещества и ионы)
3. Производство энергии функции, с участием респираторных и фотосинтетических систем транспорта электронов, учреждение протонной движущей силы и трансмембранной АТФ-синтезирующей АТФазы
4.Синтез мембраны липиды (включая липополисахарид в грамотрицательных клетках)
5. Синтез муреина (клеточного стена пептидогликан)
6. Сборка и секреция экстрацитоплазматический белки
7.Координация ДНК репликация и сегрегация с образованием перегородки и делением клеток
8. Хемотаксис (как подвижность на se и сенсорные функции)
9. Расположение специализированных фермент система
продолжение главы
Предыдущая страница
© Кеннет Тодар, доктор наукD. Все права защищены. — www.textbookofbacteriology.net
Бактериальная мембрана — обзор
Бактериальные мембраны, содержащие рецепторы Aer дикого типа или мутировавшие, получают, как опубликовано (Butler and Falke, 1998), с несколькими модификациями.
1.
Засейте 5 мл ночных культур в 250 мл минимальной среды h2. Выращивать при энергичном перемешивании при 30 °, индуцировать 0,6 м M IPTG при OD = 0,4 и выращивать еще 3 часа.
2.
Клетки собирают центрифугированием при 10000 г в течение 10 минут при 4 ° и ресуспендируют в 4 мл малосолевого буфера (100 мл M фосфат натрия, pH 7,0, 10% глицерин, 10%). m M EDTA, 1 m M 1,10-фенантролин, содержащий только что добавленные 50 m M дитиотреитол [DTT] и 2 m M PEFAbloc; Centerchem., Норуолк, Коннектикут).
3.
Разрушьте клетки с помощью трех циклов замораживания-оттаивания и лизируйте ультразвуком (устройство для разрушения клеток Branson Sonifier 200; Дэнбери, Коннектикут) при мощности 60% (три 15-секундных пакета с 45-секундными паузами) в ледяная / соляная ванна.
4.
Центрифуга при 12000 g в течение 20 минут при 4 °. Сохраните супернатант и центрифугируйте при 485000 г в течение 20 минут, чтобы осадить мембраны. Вымойте гранулы трижды следующим образом. Ресуспендируйте мембранную фракцию в высокосолевом буфере 1 (20 m M фосфат натрия, pH 7.0, 2 M KCl, 10% глицерин, 10 мл M EDTA, 1 мл M 1,10-фенантролин, содержащий 5 недавно добавленных M DTT и 2 мл M PEFAbloc) и центрифугируйте. Ресуспендируйте осадок в буфере с высоким содержанием соли 2 (так же, как буфер с высоким содержанием соли 1, за исключением DTT и 1,10-фенантролина). Центрифугируйте, ресуспендируйте в конечном буфере (20 мкл M фосфат натрия, pH 7,0, 10% глицерин, 0,1 мкл M EDTA, 2 м M PEFAbloc), центрифугируйте и ресуспендируйте в 200 мкл л конечной буфер.
5.
Перенесите аликвоты по 10- мкл л в 20 пробирок, заморозьте на бане сухой лед / этанол и храните при -80 °. Измерьте концентрацию белка в мембране с помощью анализа BCA (Pierce Chemical), используя бычий сывороточный альбумин в качестве стандарта. Перед использованием разведите замороженные мембранные препараты до необходимой концентрации конечным буфером.
Бактериальная мембрана — обзор
Бактериальные мембраны, содержащие рецепторы Aer дикого типа или мутантные, получают, как опубликовано (Butler and Falke, 1998), с несколькими модификациями.
1.
Засейте 5 мл ночных культур в 250 мл минимальной среды h2. Выращивать при энергичном перемешивании при 30 °, индуцировать 0,6 м M IPTG при OD = 0,4 и выращивать еще 3 часа.
2.
Клетки собирают центрифугированием при 10000 г в течение 10 минут при 4 ° и ресуспендируют в 4 мл малосолевого буфера (100 мл M фосфат натрия, pH 7,0, 10% глицерин, 10%). m M EDTA, 1 m M 1,10-фенантролин, содержащий только что добавленные 50 m M дитиотреитол [DTT] и 2 m M PEFAbloc; Centerchem., Норуолк, Коннектикут).
3.
Разрушьте клетки с помощью трех циклов замораживания-оттаивания и лизируйте ультразвуком (устройство для разрушения клеток Branson Sonifier 200; Дэнбери, Коннектикут) при мощности 60% (три 15-секундных пакета с 45-секундными паузами) в ледяная / соляная ванна.
4.
Центрифуга при 12000 g в течение 20 минут при 4 °. Сохраните супернатант и центрифугируйте при 485000 г в течение 20 минут, чтобы осадить мембраны. Вымойте гранулы трижды следующим образом. Ресуспендируйте мембранную фракцию в высокосолевом буфере 1 (20 m M фосфат натрия, pH 7.0, 2 M KCl, 10% глицерин, 10 мл M EDTA, 1 мл M 1,10-фенантролин, содержащий 5 недавно добавленных M DTT и 2 мл M PEFAbloc) и центрифугируйте. Ресуспендируйте осадок в буфере с высоким содержанием соли 2 (так же, как буфер с высоким содержанием соли 1, за исключением DTT и 1,10-фенантролина). Центрифугируйте, ресуспендируйте в конечном буфере (20 мкл M фосфат натрия, pH 7,0, 10% глицерин, 0,1 мкл M EDTA, 2 м M PEFAbloc), центрифугируйте и ресуспендируйте в 200 мкл л конечной буфер.
5.
Перенесите аликвоты по 10- мкл л в 20 пробирок, заморозьте на бане сухой лед / этанол и храните при -80 °. Измерьте концентрацию белка в мембране с помощью анализа BCA (Pierce Chemical), используя бычий сывороточный альбумин в качестве стандарта. Перед использованием разведите замороженные мембранные препараты до необходимой концентрации конечным буфером.
Наружная мембрана является важным несущим элементом грамотрицательных бактерий
1.
Згурская, Х.I., Löpez, C. A. & Gnanakaran, S. Барьер проницаемости оболочек грамотрицательных клеток и подходы для его обхода. ACS Infect. Dis . 1 , 512–522 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
2.
Мартин, Х. и Франк, Х. Количественный анализ баустейн-анализа в зельванд-фон Escherichia coli B. Z. Naturforsch. B 17 , 190–196 (1962).
Артикул Google ученый
3.
Deng, Y., Sun, M. & Shaevitz, J. W. Прямое измерение жесткости клеточной стенки при напряжении и тургорного давления в живых бактериальных клетках. Phys. Rev. Lett . 107 , 158101 (2011).
ADS Статья PubMed CAS Google ученый
4.
Höltje, J. V. Рост несущего напряжение и поддерживающего форму murein sacculus Escherichia coli . Microbiol. Мол. Биол. Ред. . 62 , 181–203 (1998).
PubMed PubMed Central Google ученый
5.
Кох, А. Л. Биофизика бактериальных стенок, рассматриваемых как несущая нагрузку ткань. Microbiol. Ред. . 52 , 337–353 (1988).
PubMed PubMed Central CAS Google ученый
6.
Херрманн, М., Шнек, Э., Gutsmann, T., Brandenburg, K. & Tanaka, M. Бактериальные липополисахариды образуют физически сшитые двумерные гели в присутствии двухвалентных катионов. Мягкое вещество 11 , 6037–6044 (2015).
ADS Статья PubMed CAS Google ученый
7.
Rassam, P. et al. Супрамолекулярные ансамбли лежат в основе обмена белков внешней мембраны у бактерий. Природа 523 , 333–336 (2015).
ADS Статья PubMed PubMed Central CAS Google ученый
8.
Ursell, T. S., Trepagnier, E. H., Huang, K. C. & Theriot, J. A. Анализ экспрессии поверхностных белков выявляет характер роста грамотрицательной внешней мембраны. PLOS Comput. Биол . 8 , e1002680 (2012).
ADS Статья PubMed PubMed Central CAS Google ученый
9.
Cayley, D. S., Guttman, H. J. & Record, M. T., Jr. Биофизическая характеристика изменений количества и активности клеток Escherichia coli , а также воды в компартментах и тургорного давления в ответ на осмотический стресс. Biophys. J . 78 , 1748–1764 (2000).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
10.
Рохас Э., Териот Дж. А. и Хуанг К. С. Ответ скорости роста Escherichia coli на осмотический шок. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 7807–7812 (2014).
ADS Статья PubMed CAS Google ученый
11.
de Vries, H. Die Plasmolytische Studien über die Wand Vacuolen (Г. Бернштейн, Берлин, 1885 г.).
Google ученый
12.
Ховатсон А.М. Инженерные таблицы и данные (Springer Science & Business Media, Берлин, 2012).
Google ученый
13.
Tuson, H.H. et al. Измерение жесткости бактериальных клеток по скорости роста в гидрогелях с регулируемой эластичностью. Мол. Микробиол . 84 , 874–891 (2012).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
14.
Кофлин, Р. Т., Петерсон, А. А., Хауг, А., Паунол, Х. Дж. И МакГроарти, Э.J. Исследование pH-титрования ионных мостиков внутри липополисахаридных агрегатов. Biochim. Биофиз. Acta 821 , 404–412 (1985).
Артикул PubMed CAS Google ученый
15.
Broady, K. W., Rietschel, E. T. & Lüderitz, O. Химическая структура липидного компонента липополисахаридов из Vibrio cholerae . Eur. J. Biochem . , 115, , 463–469 (1981).
Артикул PubMed CAS Google ученый
16.
Лейве Л., Шовлин В. К. и Мергенхаген С. Е. Физические, химические и иммунологические свойства липополисахарида, высвобождаемого из Escherichia coli этилендиаминтетраацетатом. J. Biol. Chem . 243 , 6384–6391 (1968).
PubMed CAS Google ученый
17.
Amro, N.A. et al. Исследование внешней мембраны Escherichia coli с помощью атомно-силовой микроскопии с высоким разрешением: структурная основа проницаемости. Langmuir 16 , 2789–2796 (2000).
Артикул CAS Google ученый
18.
Ruiz, N., Falcone, B., Kahne, D. & Silhavy, T. J. Химическая обусловленность: генетическая стратегия для исследования сборки органелл. Cell 121 , 307–317 (2005).
Артикул PubMed CAS Google ученый
19.
Sampson, B.A., Misra, R. & Benson, S.A. Идентификация и характеристика нового гена Escherichia coli K-12, участвующего в проницаемости внешней мембраны. Genetics 122 , 491–501 (1989).
PubMed PubMed Central CAS Google ученый
20.
Амир, А., Бабайпур, Ф., Макинтош, Д. Б., Нельсон, Д. Р. и Джун, С. Изгибающие силы пластически деформируют растущие стенки бактериальных клеток. Proc. Natl Acad. Sci. США 111 , 5778–5783 (2014).
ADS Статья PubMed CAS Google ученый
21.
Auer, G.K. et al. Механическая геномика определяет различные модуляторы жесткости бактериальных клеток. Ячейка системы . 2 , 402–411 (2016).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
22.
Billings, G. et al. De novo Морфогенез в L-формах посредством геометрического контроля роста клеток. Мол. Микробиол . 93 , 883–896 (2014).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
23.
Yao, Z., Kahne, D. & Kishony, R. Отчетливая морфологическая динамика единичных клеток под действием бета-лактамных антибиотиков. Мол. Ячейка 48 , 705–712 (2012).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
24.
Kawai, Y., Mickiewicz, K. & Errington, J. Lysozyme противодействует β-лактамным антибиотикам, способствуя появлению бактерий L-формы. Ячейка 172 , 1038–1049.e10 (2018).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
25.
Рик П. Д., Хаббард Г. Л. и Барр К. Роль гена rfe в синтезе антигена O8 в Escherichia coli K-12. Дж. Бактериол . 176 , 2877–2884 (1994).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
26.
Edelstein, A., Amodaj, N., Hoover, K., Vale, R. & Stuurman, N. Компьютерное управление микроскопами с помощью μManager. Curr. Protoc. Мол. Биол . 92 , 14.20.1–14.20.17 (2010).
Google ученый
27.
Desmarais, S. M. et al. Высокопроизводительный и высокочувствительный анализ бактериального морфогенеза с использованием ультраэффективной жидкостной хроматографии. J. Biol. Chem . 290 , 31090–31100 (2015).
Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый
28.
Glauner, B., Höltje, J. V. & Schwarz, U. Состав муреина Escherichia coli . J. Biol. Chem . 263 , 10088–10095 (1988).
PubMed CAS Google ученый
29.
Глаунер Б. Разделение и количественное определение муропептидов с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Анал. Биохим . 172 , 451–464 (1988).
Артикул PubMed CAS Google ученый
30.
Hutter, J. L. & Bechhoefer, J. Калибровка наконечников атомно-силовых микроскопов. Rev. Sci. Инструмент . 64 , 1868–1873 (1993).
ADS Статья CAS Google ученый
Мембранные органеллы в бактериях — FullText — Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии 2013, Vol. 23, № 1-2
Традиционный взгляд на жизнь на Земле делит живой мир на две основные группы: прокариоты и эукариоты. Первоначально предполагалось, что эти две группы будут различаться в самых основных аспектах.В то время как эукариоты имели сложные клеточные структуры, включая цитоскелет и органеллы, связанные с внутриклеточной мембраной, считалось, что у прокариот они отсутствуют. Фактически, многочисленные учебники и современные источники все еще отмечают это различие и считают его истинным. Например, в книге Campbell’s Biology [Campbell, 1993, p. 515] утверждается без двусмысленности: «У прокариотических клеток отсутствуют заключенные в мембраны органеллы». В «Функциональной анатомии прокариотических и эукариотических клеток» [Tortora et al., 2009, гл.4] аналогичным образом утверждается, что «у прокариот отсутствуют заключенные в мембраны органеллы, специализированные структуры, которые осуществляют различную деятельность». В нынешней Википедии, в разделе «Прокариот» можно найти следующее утверждение: «Прокариоты — это группа организмов, в клетках которых отсутствует клеточное ядро (карион) или какие-либо другие мембраносвязанные органеллы». В том же онлайн-справочнике под заголовком «Органеллы» можно прочитать: «Хотя прокариоты не обладают органеллами как таковыми, некоторые действительно содержат микрокомпартменты на основе белков».Белковые микрокомпартменты будут предметом предстоящего письменного симпозиума Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology , но этот покажет, что эти обобщения, предполагающие отсутствие субклеточной компартментализации у прокариот, явно ошибочны [Murat et al., 2010a] .
Внутриклеточные мембраны
Escherichia coli и другие бактерии
В этом письменном симпозиуме по мембраносвязанным органеллам у бактерий мы рассматриваем многие хорошо изученные внутриклеточные и внеклеточные везикулярные структуры с известной функцией.Начнем с везикулярных структур, обнаруженных у «рабочей лошадки» бактерий, Escherichia coli , . Этот организм можно заставить продуцировать обширные внутриклеточные мембраны (ICM) и везикулы, особенно когда определенные интегральные мембранные белки продуцируются в больших количествах [Arechaga et al., 2000, 2003] (см. Рис. 1 и статью симпозиума, озаглавленную «Мембранные инвагинации в бактерии и митохондрии: общие черты и эволюционные сценарии »Аречаги). Избыточное производство белка с использованием технологий рекомбинантной ДНК часто приводит к образованию телец включения, состоящих в основном из денатурированного или частично денатурированного белка в цитоплазме клетки [Carrio and Villaverde, 2002].Задача ренатурирования полипептидов телец включения в их нативные структуры представляет собой серьезную проблему в биотехнологии, но были достигнуты значительные успехи [Baneres et al., 2011; Шлапши, Скерра, 2011].
Рис. 1
Электронные микрофотографии тонких срезов клеток E. coli , избыточно продуцирующих b-субъединицу АТФазы F-типа. Вверху: через 3 часа после начала перепроизводства при 37 °; внизу: через 3 часа после начала перепроизводства при 25 °. Воспроизведено из Arechaga et al.[2000], с разрешения.
Некоторые избыточно продуцируемые мембранные белки появляются в различных формах в цитоплазме клетки. К ним относятся цитоплазматические мицеллы (CMs) и внутриклеточные мембранные везикулы (ICVs) в дополнение к ICMs [Aboulwafa and Saier, 2011; Аречага и др., 2000; Bogdanov and Dowhan, 2012] (см. Статью на симпозиуме Богданова и др. «Субклеточная локализация интегральных мембранных белков в Escherichia coli »). Мезосомы, внутриклеточные расширения плазматической мембраны, были идентифицированы как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий, хотя наиболее полно они были охарактеризованы в первом организме, где они могут играть роль во «внеклеточном» пищеварении [Cherepova et al., 1986; Гринуолт и Уайтсайд, 1975; Ли и др., 2008; Santhana Raj et al., 2007].
Мезосомы у грамположительных бактерий, по-видимому, возникают в результате инвагинации плазматической мембраны, которая также считается источником ICMs и ICVs в E. coli [Arechaga et al., 2000; Бирюзова и др., 1980; Хирата, 1979]. Возможно, что ICM в E. coli [Bogdanov and Dowhan, 2012] имеет те же функции, структуру и происхождение, что и ранее изученные мезосомы у других бактерий.Более того, предполагается, что хроматофорные ICM фотосинтезирующих бактерий и магнитосомы магнитотактических бактерий происходят из участков инвагинации плазматической мембраны. Возможно, все эти ICM имеют родственные способы биогенеза.
Хроматофоры (ICM) в фотосинтетических бактериях
На протяжении более 60 лет было признано, что многие фотосинтезирующие бактерии обладают внутриклеточными пигментированными мембранными структурами (ICM; рис.2), которые способны катализировать световые реакции, включая протонную движущую силу ( pmf)-управляемый синтез АТФ [Schachman et al., 1952] или фотофосфорилирование [Pardee et al., 1952]. Этот внутриклеточный фотосинтетический аппарат, количественно отличающийся по липидному и белковому составу от цитоплазматических мембран этих организмов, принимает различные морфологические типы, некоторые из которых непрерывны, а другие не связаны с плазматическими мембранами, в зависимости от исследуемого организма. Биогенез этих фотосинтетических мембран продолжает оставаться захватывающей областью исследований с потенциалом выявления новых механизмов дифференцировки мембран.В статье симпозиума Дрюса, озаглавленной «Внутрицитоплазматические мембраны пурпурных бактерий — сборка комплексов, передающих энергию», анализируются и анализируются комплексы, передающие энергию, которые отвечают за управляемый светом поток электронов и фотофосфорилирование. Эта статья посвящена пурпурным видам α-протеобактерий из рода Rhodobacter , в которых ICM содержат светособирающие комплексы, а также реакционные центры, содержащие бактериохлорофилл, в которых инициируется преобразование световой энергии в PMF.
Рис. 2
Электронная микрофотография ICM в отрицательно окрашенных тонких срезах свежей клетки R. sphaeroides . Звездочка указывает гранулу хранения. Воспроизведено с разрешения Adams et al. [2011].
В статье симпозиума Woronowicz et al. озаглавленный «Структурная и функциональная протеомика сборки внутрицитоплазматической мембраны в Rhodobacter sphaeroides », временный и пространственный протеомный подход используется для изучения структуры, функции и сборки фотосинтетической ICM.Как также отмечено в статье Drews, ICM, по-видимому, возникают в результате инвагинации плазматической мембраны, и эти сайты инвагинации, а также везикулы ICM были изолированы и охарактеризованы. Многие из белков, которые составляют эти мембраны и фотосинтетические комплексы, которые они содержат, были идентифицированы, и четыре пигментированные фракции были разделены: ядерный комплекс реакционный центр-сбор света 1 (RC-Lh2), периферическая антенна Lh3 и две фракции с различными ассоциации Lh3 с ядерными комплексами.Соотношения этих различных составляющих комплексов, как оказалось, изменяются по мере развития ICM. Другие белки, многие из которых были идентифицированы, также софракционируют с этими комплексами, обеспечивая функциональное и биогенное понимание. Изменения отслеживались при различных условиях роста, показывая, например, что везикуляция сайтов инициации роста плазматической мембраны с образованием везикулярных ICM быстро прекращается при введении кислородных условий. Экспериментальные подходы, используемые для определения их свойств, кратко представлены в статье симпозиума Woronowicz et al.
Магнитосомы в магнитотактических бактериях
Магнитотактические бактерии и цепочки магнитосом, которые позволяют этим организмам выстраиваться в магнитном поле Земли, является темой обсуждения в статьях Симпозиума Лоуэра и Базилински под названием «Бактериальная магнитосома: уникальная прокариотическая органелла» и Мюрат под названием «Магнитосомы: как они остаются в форме?» Эти связанные с мембраной органеллы встречаются у самых разных бактерий. Эти бактериальные цитоплазматические органеллы содержат Fe ₃ O ₄ (магнетит) или в анаэробных бактериях Fe ₃ S ₄ (грейгит), часто в виде небольших кубооктаэдрических кристаллов.Цепочки магнитов растут за счет осаждения новых заключенных в мембрану магнитов на концах цепей. Механизмы биогенеза и связи обнаружения магнитного поля с реакцией все еще интенсивно изучаются, но уже имеется много информации (см. Статьи на симпозиуме Лоуэра, Базилински и Мурата).
Магнитотаксис хорошо задокументирован для животных, которые используют магнитное поле Земли в целях навигации. Эти животные способны ощущать магнитное поле Земли с помощью магнитов, связанных с нервами [Frankel and Bazylinski, 2006, 2009; Джоглер и Шулер, 2009; Lefevre et al., 2011, 2012]. Это верно для птиц (например, почтовых голубей), пчел (например, для поиска пищи), рыб (например, для миграции) и морских черепах (например, для миграции). Люди также могут реагировать на магнитные поля. У некоторых есть неизменное чувство направления, и клетки культуры тканей человека реагируют на наложенные магнитные поля. Приложение сильных магнитных полей (в 100 раз больше земного) к мозгу больных эпилепсией вызывает 10-кратное увеличение частоты приступов. Кроме того, сообщалось, что постоянное воздействие линий электропередач увеличивает заболеваемость раком у людей.Кристаллы магнетита (Fe ₃ O ₄) были идентифицированы в мозге человека и тканях мозга многих животных с помощью магнитно-резонансной томографии [Wiltschko and Wiltschko, 2012].
В бактериальных магнитосомах кристаллы магнетита или грейгита (а также других сульфидов, таких как пирит) окружены липидной мембраной, аналогичной мембране плазматической мембраны, но содержащей уникальные белки. Магнитные кристаллы выстраиваются в цепочки, создавая большие магнитные моменты. Каждая цепочка содержит до 100 магнитосом на бактерию (рис.3). Они ориентируются в магнитном поле Земли и тем самым позволяют бактериям перемещаться вверх и вниз в толще воды в ответ на геомагнетизм. В северном полушарии они ориентируются на север и плывут к южному полюсу магнита. Обратное верно для жителей южного полушария. Эти два типа бактерий принципиально не отличаются и взаимопревращаются с высокой скоростью по сравнению со скоростью мутаций [Lefevre et al., 2009; Wang et al., 2008].
Рис. 3
Магнитосомные цепочки низкого разрешения ( a ) и вид с высоким разрешением мембранных кристаллов магнетита ( b ) в Magnetospirillum glyphiswaldense , обнаруженных с помощью просвечивающей электронной микроскопии.Воспроизведено из Bazylinski and Schuler [2009] с разрешения.
Магнитотаксические бактерии происходят из нескольких различных бактериальных царств, поэтому магнитотаксис может быть очень старым. Фактически, древние магнитоокаменелости были охарактеризованы (см. Статью Лоуэра и Базилинского на симпозиуме). Мембраны магнитосом, по-видимому, возникают в результате инвагинации плазматической мембраны, но они содержат уникальный набор белков, которые биоминерализуются и образуют цепи [Komeili et al., 2006; Мурат и др., 2010b; Staniland et al., 2007; Tanaka et al., 2006].
Как отмечалось выше, многие кристаллы магнитосом имеют схожие размеры и форму. Возникает вопрос: почему? Если они слишком малы, они не обладают массой, чтобы преодолеть энергию тепловой вибрации для поддержания стабильного движения. Однако кристаллы магнитосом являются однодоменными частицами. Если они слишком большие, отдельные домены ориентируются случайным образом при формировании многодоменных структур (см. Статью Мурата на симпозиуме). Они компенсируют друг друга, давая слабые общие магнитные моменты.Облигатные микроаэрофилы в основном используют кристаллы Fe ₃ O ₄ (магнетит). Однако некоторые бактерии предпочитают находиться в кислородно-бескислородной переходной зоне, где Fe ²⁺ присутствует в растворимой форме. Fe ³⁺ в значительной степени нерастворим в виде оксидов и других солей трехвалентного железа. Некоторые из этих бактерий используют магнитотаксис, чтобы оставаться в области высокой концентрации Fe ²⁺, но с низким натяжением O ₂ (то есть, если они опускаются, Fe ²⁺ больше и меньше O ₂, если они вверх, больше O ₂ и меньше Fe ²⁺).Другие бактерии используют свои магнитосомы для поиска отложений, богатых питательными веществами [Jogler and Schuler, 2009] (см. Также статью на симпозиуме Лоуэра и Базилински).
Анамоксосомы и ядерные оболочки в
Планктомицеты
Планктомицеты представляют собой необычную и относительно недавно обнаруженную группу бактерий, содержащих органеллы, с уникальными свойствами, которые только сейчас начинают цениться и понимать. Эти организмы имеют сложную внутреннюю клеточную структуру.Их самая внешняя мембрана считается цитоплазматической мембраной, хотя она может проявлять некоторые из свойств более типичных наружных мембран грамотрицательных бактерий. У них также есть связанный с мембраной нуклеоид, аналогичный в некоторых отношениях ядрам эукариотических клеток (см. Статью Фурста и Сагуленко на симпозиуме «Вложенные бактериальные боксы: ядерные и другие внутриклеточные компартменты у планктомицетов»). Планктомицеты также имеют производящие энергию митохондриально-подобные органеллы, называемые анаммоксосомами (анаэробные органеллы окисления аммония) с необычно жесткими липидами, называемыми «ладдеранами», из-за их негибких лестничных структур (см. Статью в симпозиуме van Teeseling et al.под названием «Органелла анаммоксосом имеет решающее значение для энергетического метаболизма анаэробных бактерий, окисляющих аммоний»). Эти липиды, вероятно, способствуют сохранению энергии, создавая более герметичную мембрану H ⁺. Такая характеристика может быть важной, поскольку анаммоксосомы, вероятно, генерируют pmf через эту мембрану посредством хинон-зависимого процесса, аналогичного и, возможно, механически аналогичного процессу, катализируемому комплексом цитохрома bc1 мембраны, присутствующим у многих бактерий и эквивалентным комплексу электронного потока. III митохондрий.Созданный таким образом pmf может затем использоваться для производства АТФ через АТФазу F-типа, которая, как было обнаружено, связана с мембраной анаммоксосомы. Поскольку анаммоксосома представляет собой отдельный заключенный в мембрану компартмент с отдельным липидным и белковым составом, выполняющим уникальную функцию, по любому определению она квалифицируется как внутриклеточная органелла.
Анамоксосомы встречаются только у планктомицетов, но не у всех этих организмов. Эти органеллы, возможно, возникли специально для разделения ферментов, катализирующих окисление NH ₄ ⁺, и для производства энергии из первичной реакции, которую они катализируют: анаэробного окисления NH ₄ ⁺.Компартментализация также может потребоваться, поскольку промежуточным продуктом окисления NH ₄ ⁺ является гидразин (H ₂ N-NH ₂), высокореактивное и токсичное вещество, которое может разрушать нуклеиновые кислоты, если эти молекулы вступают в прямой контакт. с ними. Эти убедительные аргументы, изложенные в статье van Teeseling et al. вполне могут послужить основой для их эволюции. Эта логика, по-видимому, в равной степени применима к эволюции других прокариотических органелл, а также эукариотических органелл, которые, вероятно, эволюционировали с помощью совершенно разных механизмов и очень разными путями.
Специальная доставка: перемещение везикул наружной мембраны у прокариот
Хотя наблюдение, что грамотрицательные бактерии отталкивают везикулы наружной мембраны (OMV), высвобождая их во внешнюю среду, было сделано более 40 лет назад, их биологическая роль стала фокус исследования только в течение последних нескольких лет. Недавний прогресс в этой области показал, что бактериальные OMV используются для нескольких процессов, включая: (1) доставку токсинов к эукариотическим клеткам, (2) перенос белков и ДНК между бактериальными клетками, (3) перенос межклеточных сигналов, (4) ) доставка протеаз и антибиотиков и (5) удаление вредных неправильно свернутых белков.Некоторые из этих ролей, по-видимому, распространены среди грамотрицательных бактерий, в то время как другие ограничиваются конкретными видами бактерий [Mashburn-Warren and Whiteley, 2006]. В статье симпозиума Whiteley и соавторов, озаглавленной «Бактериальные везикулы наружной мембраны при транспортировке, коммуникации и взаимодействиях хозяин-патоген», и в статье Мэннинга и Куэна «Функциональные преимущества, предоставляемые везикулами внеклеточных прокариотических мембран» обсуждаются некоторые из этих функций. Кроме того, в статье симпозиума, озаглавленной «Роль мембранных везикул в секреции Lysobacter sp.бактериолитические ферменты », Васильева и др. представляют хорошо охарактеризованный пример использования этих OMV для секреции бактериолитических ферментов, важных для микробных взаимодействий во многих средах.
Многие бактерии используют внеклеточные сигналы для общения и координации социальной активности. Этот процесс называется распознаванием кворума. Некоторые сигналы кворума имеют гидрофобный характер, и то, как эти сигналы передаются между бактериями в популяции, представляет большой интерес. Условно-патогенный микроорганизм человека, Pseudomonas aeruginosa , упаковывает сигнальную молекулу 2-гептил-3-гидрокси-4-хинолон ( Pseudomonas quinolone signal; PQS) в мембранные везикулы, которые служат для передачи этой молекулы в популяции.Удаление этих пузырьков из бактериальной популяции останавливает межклеточную коммуникацию и подавляет поведение группы, контролируемое PQS.
PQS активно осуществляет свою собственную упаковку и упаковку других антимикробных хинолонов, производимых P. aeruginosa , в везикулы. Таким образом, прокариоты обладают системами передачи сигналов с характеристиками, общими с теми, которые используются высшими организмами. Были предложены новые механизмы доставки сигналов, критически важных для координации группового поведения [Mashburn and Whiteley, 2005; Schertzer, Whiteley, 2012].
Внеклеточный матрикс помогает определить архитектуру и инфраструктуру бактериальных биопленок, а также способствует их устойчивости. Как структурные характеристики помогают преодолеть разрыв между химическими и физическими аспектами матрицы в настоящее время критически исследуются. Schooling и Beveridge [2006] показали, что OMV являются частым признаком матрикса биопленок Pseudomonas aeruginosa . Биопленки, выращенные с использованием различных модельных систем и условий роста, содержат OMV при тонких срезах для просвечивающей электронной микроскопии, а механически разрушенные биопленки выявляют OMV в связи с межклеточными материалами.Характеристика OMV, полученных из планктона и биопленок, выявила количественные и качественные различия между ними и обозначила функциональные роли, такие как протеолитическая активность и связывание антибиотиков. Существенная повсеместность OMV подтверждается наблюдениями за биопленками из различных природных сред за пределами лаборатории, и установлено, что OMV являются общими составляющими биопленок. Они, по-видимому, являются важными и относительно неизвестными компонентами в виде частиц матрицы грамотрицательных или смешанных бактериальных биопленок [Schooling and Beveridge, 2006; Чжун, 2011].
OMV, выделяемые патогенными бактериями, могут передавать факторы вирулентности клеткам-хозяевам [Kuehn and Kesty, 2005]. Эти структуры не просто результат нестабильности мембраны, а образуются в результате более направленного процесса. Kuehn and Kesty [2005] и McBroom et al. [2006] показали, что только несколько мутантов с низкой везикуляцией и не было выявлено нулевых мутантов после скрининга таких мутантов, что позволяет предположить, что везикуляция может быть фундаментальной характеристикой роста грамотрицательных бактерий. Были идентифицированы нарушения генов, которые вызвали различия в продукции везикул в диапазоне от 5-кратного снижения до 200-кратного увеличения по сравнению с уровнями дикого типа.Эти нарушения включали локусы, управляющие компонентами внешней мембраны и синтезом пептидогликана, а также составляющие системы стресс-ответа оболочки клетки σ ^E. Чувствительность к детергентам, неплотность и ростовые характеристики новых штаммов мутантных везикуляций не коррелируют с уровнями везикуляции, демонстрируя, что образование везикул не является предиктором нестабильности оболочки [McBroom et al., 2006].
Условия, нарушающие сворачивание белка в оболочке грамотрицательных бактерий, вызывают стресс.Дестабилизирующие эффекты различных типов стресса в этом компартменте распознаются и противодействуются ряду механизмов передачи сигналов [Baumgarten et al., 2012]. Данные, представленные McBroom и Kuehn [2007], показали, что реакция бактериального стресса включает высвобождение OMV. Нативные везикулы состоят из внешней мембраны и периплазматических материалов, и они высвобождаются с бактериальной поверхности без потери целостности мембраны.
Количество высвобождаемых везикул напрямую коррелирует с уровнем накопления белка в клеточной оболочке.Накопление материала происходит при стрессе и усугубляется при нарушении нормального функционирования клетки и механизмов реакции на стресс. Мутации, вызывающие усиление везикуляции, увеличивают выживаемость бактерий при воздействии стрессорных агентов или накопления токсичных неправильно свернутых белков. Предпочтительная упаковка неправильно свернутого белка в везикулы для удаления указывает на то, что процесс везикуляции может выборочно удалить нежелательный материал. Таким образом, продукция бактериальных OMV является независимой общей реакцией оболочки на стресс [Manning and Kuehn, 2011; McBroom and Kuehn, 2007].
Ацидокальцисомы и эволюция внутриклеточной компартментализации
Ацидокальцисомы представляют собой содержащие кальций / полифосфат кислые мембранные органеллы, обнаруженные в организмах, принадлежащих к трем доменам жизни (рис. 4) [Docampo and Moreno, 2011; Ramos et al., 2010]. Их мембраны могут содержать множество транспортных систем, включая аквапорины, АТФазы, перекачивающие ионы, катиониты и пирофосфатазы, перекачивающие H ⁺ [Rohloff et al., 2011; Seufferheld et al., 2011]. Их функции включают хранение катионов и полифосфатов, осмо-, pH- и гомеостаз Ca ²⁺ и энергетический метаболизм [Docampo et al., 2005]. Внешне они напоминают лизосомы эукариот по размеру, кислотным свойствам и содержанию [Moreno, Docampo, 2009].
Рис. 4
Ацидокальцисома в интактной клетке Agrobacterium tumefaciens . Воспроизведено с разрешения Докампо и Морено [2011].
Две статьи на симпозиуме Каэтано-Аноллеса и Зеуфферхельда озаглавлены «Коэволюционные корни биохимии и клеточной организации бросают вызов парадигме мира РНК» и «Филогеномика поддерживает клеточно-структурированный урансистор».В первой из этих двух статей эти авторы исследуют происхождение и эволюцию сложных клеточных структур, используя, среди прочего, филогеномные подходы. Эти исследования позволяют авторам предположить, что последний общий универсальный предок всех существующих на Земле живых организмов, уранцестор, уже имел сложные внутриклеточные структуры. Они выступают за постепенную совместную эволюцию нуклеиновых кислот и белков и отвергают представление о древнем мире РНК. Во второй статье авторы обсуждают внутриклеточные и внеклеточные компартменты, включая ацидокальцисомы и митохондрии.Они рассматривают направление окислительно-восстановительной энергии для удовлетворения метаболических потребностей первых жителей Земли. Таким образом, утверждается, что урансистор был относительно сложным. Авторы представляют молекулярные и микрофоссильные доказательства в поддержку своих утверждений. Они экстраполируют назад на 3,4 миллиарда лет, предполагая, что первобытные микробные сообщества уже существовали в то время. Таким образом, они предполагают, что механизмы компартментализации клеток и взаимопревращения энергии были ранними изобретениями.
Заключительные замечания
Сборник статей, представленных в этом письменном симпозиуме Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology , показывает почти повсеместное распространение внутриклеточных и внеклеточных мембраносвязанных структур, которые выполняют уникальные функции у прокариот.Недавние исследования E. coli и других бактерий показывают, что ICM могут встречаться в большом диапазоне бактерий, которые ранее считались не имеющими таких структур. Точно так же признание того, что OMV у грамотрицательных бактерий выполняют множество интересных функций, дает новый импульс для более подробного изучения этих структур. Недавний вывод о том, что ICM в E. coli , фотосинтетические бактерии и магнитотактические бактерии могут происходить из плазматической мембраны в результате инвагинации, приводит к захватывающей возможности того, что биогенез хроматофоров и магнитосом может иметь общие механистические особенности с образованием ICM в E.coli . Это объединяющее соображение приводит к предположению, что исследования на прокариотической рабочей лошади, E. coli , могут оказаться применимыми к органеллярным явлениям у других прокариот, а также у эукариот.
Недавнее открытие прокариотических органелл, похожих на те, что есть у эукариот (т. Е. Ядерных оболочек, анаммоксосом и ацидокальцисом), привело некоторых исследователей к предположению, что уранцестор трех доменов жизни обладал некоторыми типами органелл. Верно это или нет, но наличие этих структур имеет далеко идущие последствия для нашего понимания сложности прокариот.Также предлагаются новые подходы к изучению биологии органелл. Дифференциация внутриклеточных мембран у бактерий, вероятно, откроет новые объединяющие принципы, применимые ко всем формам жизни на Земле.
Список литературы
Aboulwafa M, Saier MH Jr: биофизические исследования встроенных в мембрану и цитоплазматических форм глюкозо-специфического фермента II E.coli фосфотрансферазная система (PTS). PLoS One 2011; 6: e24088.
Adams PG, Mothersole DJ, Ng IW, Olsen JD, Hunter CN: мономерные ядерные комплексы RC-Lh2 замедляют сборку Lh3 и образование внутрицитоплазматической мембраны у мутантов PufX-minus Rhodobacter sphaeroides .Biochim Biophys Acta 2011; 1807: 1044-1055.
Arechaga I, Miroux B, Karrasch S, Huijbregts R, de Kruijff B, Runswick MJ, Walker JE: Характеристика новых внутриклеточных мембран в Escherichia coli , сопровождающих крупномасштабное избыточное производство b-субъединицы F ₁ F _o АТФ-синтаза.FEBS Lett 2000; 482: 215-219.
Arechaga I, Miroux B, Runswick MJ, Walker JE: Сверхэкспрессия Escherichia coli F ₁ F _o субъединица a -АТФазы ингибируется нестабильностью транскрипта гена uncB. FEBS Lett 2003; 547: 97-100.
Банерес Дж. Л., Попот Дж. Л., Муийак Б. Новые достижения в производстве и функциональном сворачивании рецепторов, связанных с G-белком.Тенденции биотехнологии 2011; 29: 314-322.
Баумгартен Т., Сперлинг С., Зейферт Дж., Фон Берген М., Штайнигер Ф., Вик Л. Ю., Хейпипер Г. Дж.: Образование мембранных пузырьков как механизм множественной стрессовой реакции усиливает гидрофобность поверхности клеток Pseudomonas putida DOT-T1E и образование биопленок.Appl Environ Microbiol 2012; 78: 6217-6224.
Базилинский Д.А., Шулер Д. Биоминерализация и сборка бактериальной магнитосомной цепи. Микроб 2009; 4: 7.
Бирюзова В.И., Поглазова М.Н., Кострикина Н.А.: Зависимость количества нуклеоидосом от стадии развития культур Mycobacterium rubrum .Микробиология 1980; 49: 769-775.
Богданов М., Доухан В.: Липид-зависимая генерация двойной топологии для мембранного белка. J Biol Chem 2012; 287: 37939-37948.
Кэмпбелл Н.А., Рис JB: Биология, изд 3.Сан-Франциско, Бенджамин Каммингс, 1993.
Каррио М.М., Вильяверде А: Построение и разрушение бактериальных телец включения. J Biotechnol 2002; 96: 3-12.
Черепова Н.В., Байкушева С.П., Илиева К.З.: Ультрацитохимическая локализация АТФ-гидролизирующей активности в вегетативных клетках, спорах и изолированных цитоплазматических мембранах Bacillus subtilis 168.J Gen Microbiol 1986; 132: 669-675.
Докампо Р., де Соуза В., Миранда К., Рохлофф П., Морено С. Н.: Ацидокальцисомы — сохраняются от бактерий к человеку. Nat Rev Microbiol 2005; 3: 251-261.
Докампо Р., Морено С. Н.: Ацидокальцисомы.Клеточный кальций 2011; 50: 113-119.
Франкель Р.Б., Базилинский Д.А.: Как магнитотактические бактерии выстраивают очередь из магнитосом. Тенденции Microbiol 2006; 14: 329-331.
Франкель Р.Б., Базилинский Д.А.: Магнитосомы и магнитоаэротаксис.Contrib Microbiol 2009; 16: 182-193.
Гринуолт Дж. У., Уайтсайд Т. Л.: Мезосомы: мембранные бактериальные органеллы. Bacteriol Rev 1975; 39: 405-463.
Хирата Т.: Электронно-микроскопические наблюдения внутрицитоплазматических мембранных систем и деления клеток в Mycobacterium lepraemurium .Int J Lepr Other Mycobact Dis 1979; 47: 585-596.
Jogler C, Schuler D: Геномика, генетика и клеточная биология образования магнитосом. Анну Рев Микробиол 2009; 63: 501-521.
Комейли А., Ли З., Ньюман Д. К., Дженсен Дж. Дж.: Магнитосомы — это инвагинации клеточной мембраны, организованные актин-подобным белком MamK.Наука 2006; 311: 242-245.
Kuehn MJ, Kesty NC: Бактериальные везикулы внешней мембраны и взаимодействие хозяина-патогена. Genes Dev 2005; 19: 2645-2655.
Lefevre CT, Menguy N, Abreu F, Lins U, Posfai M, Prozorov T., Pignol D, Frankel RB, Bazylinski DA: культивируемая магнитотаксическая бактерия, продуцирующая грейгит, в новой группе сульфатредуцирующих бактерий.Наука 2011; 334: 1720-1723.
Lefevre CT, Song T, Yonnet JP, Wu LF: Характеристика бактериального магнитотаксического поведения с помощью анализа магнитоспектрофотометрии. Appl Environ Microbiol 2009; 75: 3835-3841.
Lefevre CT, Viloria N, Schmidt ML, Posfai M, Frankel RB, Bazylinski DA: Новые производящие магнетит магнитотактические бактерии, принадлежащие к Gammaproteobacteria .Isme J 2012; 6: 440-450.
Li X, Feng HQ, Pang XY, Li HY: образование мезосом сопровождается накоплением перекиси водорода в бактериях во время действия рифампицина. Mol Cell Biochem 2008; 311: 241-247.
Manning AJ, Kuehn MJ: Вклад везикул внешней мембраны бактерий во врожденную бактериальную защиту.BMC Microbiol 2011; 11: 258.
Машберн Л.М., Уайтли М.: Мембранные везикулы сигнализируют о движении и способствуют групповой деятельности прокариот. Nature 2005; 437: 422-425.
Машберн-Уоррен Л.М., Уайтли М.: Специальная доставка: перенос пузырьков в прокариотах.Мол микробиол 2006; 61: 839-846.
МакБрум А.Дж., Джонсон А.П., Вемулапалли С., Куэн М.Дж .: Производство везикул внешней мембраны кишечной палочкой Escherichia coli не зависит от нестабильности мембраны. J Bacteriol 2006; 188: 5385-5392.
McBroom AJ, Kuehn MJ: Высвобождение пузырьков наружной мембраны грамотрицательными бактериями — это новая реакция оболочки на стресс.Мол микробиол 2007; 63: 545-558.
Морено С. Н., Докампо Р. Роль ацидокальцисом у паразитарных протистов. J Eukaryot Microbiol 2009; 56: 208-213.
Мурат Д., Бирн М., Комейли А.: Клеточная биология прокариотических органелл.Cold Spring Harb Perspect Biol 2010a; 2: a000422.
Мурат Д., Куинлан А., Вали Х., Комейли А.: Комплексное генетическое вскрытие острова гена магнитосомы показывает пошаговую сборку прокариотической органеллы. Proc Natl Acad Sci USA 2010b; 107: 5593-5598.
Pardee AB, Schachman HK, Stanier RY: Хроматофоры Rhodospirillum rubrum .Nature 1952; 169: 282-283.
Ramos IB, Miranda K, Pace DA, Verbist KC, Lin FY, Zhang Y, Oldfield E, Machado EA, De Souza W, Docampo R: содержащие кальций и полифосфат кислые гранулы яиц морского ежа похожи на ацидокальцисомы, но являются не цели для NAADP.Biochem J 2010; 429: 485-495.
Рохлофф П., Миранда К., Родригес Дж. К., Фанг Дж., Галицци М., Платтнер Х., Хентшель Дж., Морено С. Н.: Поглощение кальция и транспорт протонов ацидокальцисомами Toxoplasma gondii . PLoS One 2011; 6: e18390.
Сантана Радж Л., Хинг Х.Л., Бахарудин О., Тех Хамида З., Аида Сухана Р., Нор Асиха С.П., Вимала Б., Парамсарваран С., Сумарни Г., Ханджит К.: мезосомы — определенное событие в лечении антибиотиками Staphylococcus aureus ATCC 25923.Троп Биомед 2007; 24: 105-109.
Schachman HK, Pardee AB, Stanier RY: Исследования макромолекулярной организации микробных клеток. Arch Biochem Biophys 1952; 38: 245-260.
Schertzer JW, Whiteley M: двухслойная модель биогенеза бактериальных везикул внешней мембраны.MBio 2012; 3: e00297-11.
Schlapschy M, Skerra A: Периплазматические шапероны, используемые для усиления функциональной секреции белков в E. coli . Методы Мол Биол 2011; 705: 211-224.
Шулинг С.Р., Беверидж Т.Дж.: Мембранные везикулы: упускаемый из виду компонент матриц биопленок.J Bacteriol 2006; 188: 5945-5957.
Зеуфферхельд М.Дж., Ким К.М., Уитфилд Дж., Валерио А., Каэтано-Аноллес Г.: Эволюция вакуолярных протонопирофосфатазных доменов и гранул волютина: ключи к разгадке раннего эволюционного происхождения ацидокальцисом. Биол Директ 2011; 6:50.
Станиленд С., Уорд Б., Харрисон А., ван дер Лаан Г., Теллинг Н.: Быстрое формирование магнитосом, показанное с помощью рентгеновского магнитного кругового дихроизма в реальном времени.Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104: 19524-19528.
Танака М., Окамура Ю., Аракаки А., Танака Т., Такеяма Х., Мацунага Т.: Происхождение магнитосомной мембраны: протеомный анализ магнитосомной мембраны и сравнение с цитоплазматической мембраной. Протеомика 2006; 6: 5234-5247.
Tortora GJ, Funke, Case CL: Microbiology: An Introduction.Сан-Франциско, Бенджамин Каммингс, 2009.
Wang X, Liang L, Song T, Wu L: Синусоидальное магнитное поле стимулирует образование магнитосом и влияет на экспрессию mamA, mms13, mms6 и magA в Magnetospirillum magnetum AMB-1. Может J Microbiol 2008; 54: 1016-1022.
Вильчко Р., Вильчко В.: Магниторецепция.Adv Exp Med Biol 2012; 739: 126-141.Zhong G: Chlamydia trachomatis секреция протеаз для манипулирования сигнальными путями хозяина. Front Microbiol 2011; 2: 14.
Автор Контакты
Милтон Х. Сайер мл.
Отделение биологических наук
Калифорнийский университет, Сан-Диего
Ла-Хойя, Калифорния 92093-0116 (США)
Электронная почта msaier @ ucsd.edu
Подробности статьи / публикации
Опубликовано онлайн: 18 апреля 2013 г.
Дата выпуска: апрель 2013 г.
Количество страниц для печати: 8
Количество рисунков: 4
Количество столов: 0
ISSN: 2673-1665 (печатный)
eISSN: 2673-1673 (онлайн)
Для дополнительной информации: https://www.karger.com/MIP
Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности
Авторские права: Все права защищены.Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме и любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование, или с помощью какой-либо системы хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка лекарственного средства: авторы и издатель приложили все усилия для обеспечения того, чтобы выбор и дозировка лекарств, указанные в этом тексте, соответствовали текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Однако ввиду продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю настоятельно рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новое и / или редко применяемое лекарство.
Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.
Мембранный потенциал важен для деления бактериальной клетки
Бактериальная клетка имеет хорошо организованную цитоплазму, и правильная локализация белков важна для их функции, особенно для тех, кто участвует в морфогенетических процессах.Поддержание этого порядка требует энергии, и неудивительно, что белки, которые образуют цитоскелетные структуры или механизмы деления клеток, потребляют АТФ или ГТФ. Однако аппарат клеточного деления (1) и бактериальные цитоскелетные элементы, такие как MreB (2), по существу являются структурами, заякоренными в мембране, и прикрепление к мембране также играет решающую роль в сегрегации хромосом (3) и регуляции клеточного деления системой Min. (4, 5). Следовательно, эти структуры находятся поблизости от другого фундаментального источника энергии; движущая сила протона (pmf).Несмотря на эту близость, ничего не было известно о потенциальной роли этой силы в регуляции сложных белковых структур. Признаки важности pmf появились, когда мы изучали регулятор клеточного деления MinD в Bacillus subtilis . Цитокинез у большинства бактерий инициируется полимеризацией гомолога тубулина FtsZ в кольцеобразную структуру (Z-кольцо), на которую собирается аппарат цитокинеза (1). Z-кольцо должно образовываться только в средней клетке между новообразованными дочерними хромосомами, и этот процесс тщательно регулируется.У палочковидных бактерий система Min предотвращает полимеризацию FtsZ вблизи полюсов клеток (5), а белки MinC и MinD B. subtilis накапливаются в местах деления клеток и полюсах клеток (4). Однако у нас возникли трудности с воспроизведением этого паттерна локализации, в зависимости от того, какие методы мы использовали для иммобилизации бактериальных клеток. Оказалось, что использование слайдов, покрытых полилизином, приводит к потере полярной локализации MinD (рис. S1). Это было неожиданно, потому что полилизин обычно используется для иммобилизации живых клеток для микроскопии.О подобных наблюдениях недавно сообщили и другие группы (6, 7). В другом контексте сообщалось, что полилизин может взаимодействовать с клеточными мембранами и влиять на pmf (8). Поскольку это будет иметь важные последствия для нашего понимания системы Min, мы решили проанализировать это подробнее. Оказалось, что pmf имеет решающее значение для нормальной локализации ряда морфогенетических белков у разных видов бактерий и что это не связано с уровнями АТФ в клетке.
Результаты и обсуждение
Роль pmf в локализации белка.
Чтобы проверить, важна ли pmf для клеточной локализации MinD, мы проанализировали локализацию GFP-MinD в клетках B. subtilis после добавления ионофорного карбонилцианида м-хлорфенилгидразона (CCCP). CCCP — это особый протон-ионофор, который быстро рассеивает ПДС. Влияние на локализацию GFP-MinD было почти сразу заметно, и в течение 2 минут после добавления, времени, которое обычно требуется для подготовки клеток к микроскопическим наблюдениям, сигнал флуоресценции был диффузным и пятнистым (рис.1). Это было похоже на то, что мы наблюдали с предметными стеклами, покрытыми полилизином (рис. S1). Судя по всему, pmf действительно необходим для правильной локализации MinD. Чтобы выяснить, является ли этот феномен более общим, мы протестировали локализацию более 20 различных белков, которые демонстрируют четкую картину локализации и участвуют в различных процессах, включая регуляцию формы клеток (MreB, Mbl, MreBH, MreC и MreD), клеточную деление (FtsZ, FtsA, ZapA, SepF и Pbp2B), регуляция клеточного деления (MinD, MinC, DivIVA, MinJ и EzrA), сегрегация хромосом (Spo0J и Soj), репликация хромосомы (PolC), передача сигнала (KinA, KinB , и ComK) и другие (Hbs, ClpP, ClpX, ClpC, SecA и AtpA).Чтобы проследить локализацию этих белков, мы использовали слияния GFP, большинство из которых было описано в предыдущих исследованиях (подробности см. В SI Text ). Девять белков (MinC, MinD, Soj, FtsA, MreB, Mbl, MreBH, MreC и MreD) показали быстрое изменение клеточной локализации после инкубации с CCCP (рис. 1, рис. S2 и таблица 1).
Таблица 1.
Влияние CCCP на локализацию белка в B. subtilis
Рис. 1.
Pmf-зависимая локализация белков. Сотовая локализация GFP-MinD, YFP-FtsA и GFP-MreB в B.subtilis в присутствии ( справа, ) и отсутствии ( слева, ) протонного ионофора CCCP (100 мкМ). Использованные штаммы: B. subtilis 1981 (GFP-MinD), B. subtilis PG62 (YFP-FtsA) и B. subtilis YK405 (GFP-MreB).
Белок MinC и регулятор инициации репликации ДНК Soj оба требуют MinD для их нормальной клеточной локализации (3, 9), и наблюдаемое влияние CCCP на оба, вероятно, связано с делокализацией MinD.Делокализация наблюдалась также для консервативного белка деления клеток FtsA. FtsA напрямую взаимодействует с FtsZ и стимулирует сборку Z-кольца (1). Хотя слияние YFP-FtsA рекрутируется в сайт деления клетки, белок не полностью дополняет делецию ftsA . Поэтому мы проверили влияние CCCP на локализацию FtsA с помощью иммунофлуоресцентной микроскопии. Также в этом случае флуоресцентный сигнал перегородки исчез после добавления CCCP (рис.S2). Полосы флуоресценции, образованные GFP-FtsZ, не исчезали полностью, но сигнал флуоресценции становился слабее после инкубации с CCCP. Сравнимый эффект наблюдался с FtsZ-связывающими белками ZapA и SepF. Более количественный анализ показал, что снижение флуоресценции в течение первых 2 минут совпадает с потерей перегородки FtsA (рис. S3). Локализация интегральных мембранных компонентов комплекса клеточного деления (EzrA и Pbp2B) не зависит от CCCP (Fig. S3).
Интересно, что белки цитоскелета MreB, Mbl и MreBH также показали четкую чувствительность к CCCP (Fig. 1 and Fig. S2). Эти гомологи актина образуют спиральные структуры непосредственно под клеточной мембраной и вместе с интегральными мембранными белками MreC и MreD координируют синтез клеточной стенки (10, 11). Спиральная локализация двух последних белков также исчезла при инкубации с CCCP (рис. S2). Таким образом, pmf, по-видимому, играет особую роль в локализации важных морфогенетических белков в B.subtilis .
Роль pmf не зависит от изменений клеточного уровня АТФ.
Все белки, которые демонстрировали делокализацию при обработке CCCP, нуждаются в АТФ для своей активности. Однако рассеяние ПДС с помощью CCCP может привести к значительному снижению уровня АТФ в клетке. F ₁ F _o АТФ-синтаза катализирует превращение pmf в АТФ. В отсутствие pmf АТФ-синтаза F ₁ F _o может также функционировать как АТФ-управляемый протонный насос (12), что в конечном итоге истощает внутриклеточный АТФ-пул.Чтобы проверить, насколько быстро происходит истощение АТФ, мы измерили клеточные уровни АТФ с помощью анализа люцифераза / люциферин. Как показано на фиг. 2 A , после 2 минут инкубации с CCCP потребляется примерно половина количества АТФ, и, по-видимому, остается достаточно АТФ для нормального функционирования большинства белков. Тем не менее, чтобы исключить, что эффект CCCP обусловлен снижением уровней АТФ, мы повторили эксперименты на штамме с дефицитом АТФ-синтазы F ₁ F _o.Такой штамм способен поддерживать нормальный уровень АТФ за счет фосфорилирования на уровне субстрата при выращивании на богатой среде (13). Действительно, в штамме с дефицитом АТФ-синтазы F ₁ F _o CCCP практически не влияет на уровни АТФ в течение первых минут инкубации (рис. 2 A ). Мы трансформировали различные слитые белки GFP в штамм с дефицитом АТФ-синтазы F ₁ F _o и исследовали полученные штаммы с помощью флуоресцентной микроскопии. CCCP-зависимая делокализация MinD, MinC, Soj, FtsA, FtsZ, MreB, Mbl и MreBH была идентична предыдущим экспериментам (рис.2 B и рис. S4 A ). Таким образом, эффект CCCP не связан со снижением уровня АТФ.
Рис. 2.
Pmf-зависимая локализация белков не зависит от уровней АТФ. ( A ) Уровни АТФ в клетках дикого типа (красный) и F ₁ F _o дефицитный по АТФ-синтазе штамм B. subtilis (синий) при рассеянии pmf с CCCP (100 мкМ в ДМСО). В качестве контроля клетки инкубировали с ДМСО (0,1%). ( B ) Влияние CCCP на локализацию GFP-MinD, YFP-FtsA и GFP-MreB на фоне штамма F _1,, F _или, дефицитного по АТФ-синтазе.Изображения были сделаны в течение 2 минут (указано стрелкой в A ). Использованные штаммы: B. subtilis HS14 (GFP-MinD), B. subtilis HS20 (YFP-FtsA) и B. subtilis HS23 (GFP-MreB). ( C ) Клеточная локализация не связывающегося с АТФ GFP-MinD _K16A в присутствии и в отсутствие CCCP (100 мкМ). ( D ) Профиль средней интенсивности флуоресценции GFP-MinD _K16A, измеренный по диагонали к длине клеток ( n = 40).Использованный штамм: B. subtilis HS15 (GFP-MinD _K16A).
В качестве окончательного контроля мы проанализировали локализацию не связывающего АТФ мутанта MinD. Мутация K16A в консервативном АТФ-связывающем сайте Walker-A устраняет полярную локализацию MinD. Однако этот вариант MinD все еще способен связывать мембраны, и слияние с GFP показывает четкий флуоресцентный сигнал мембраны (9). Добавление CCCP быстро устраняет мембранный сигнал, обеспечивая дополнительную поддержку прямой АТФ-независимой роли pmf в локализации MinD (рис.2 C и D ).
Сохранение видов бактерий.
Чтобы проверить, важна ли pmf для локализации белка у других бактерий, мы проанализировали локализацию MinD в Escherichia coli. Локализация MinD в E. coli отличается от B. subtilis тем, что белок демонстрирует быстрые межполюсные колебания и временное связывание с мембраной (14) (фиг. 3 A ). Тем не менее, E.coli MinD также демонстрировала быструю потерю связывания с мембраной после добавления CCCP, и не наблюдалось межполюсных колебаний (фиг. 3 B ). По аналогии с контрольными экспериментами с B. subtilis , колебания MinD в E. coli все еще были чувствительны к CCCP в штамме с дефицитом АТФ-синтазы F ₁ F _o (рис. S4 B ). и фильм S1). Белок деления клеток FtsA показал быструю CCCP-зависимую делокализацию в E.coli (рис. 3 C и рис. S4 B ). Таким образом, важность мембранного потенциала для локализации белка не ограничивается грамположительными бактериями.
Рис. 3.
Pmf-зависимая локализация MinD и FtsA в E. coli и MreB в C. crescentus. ( A ) Межполюсные колебания E. coli GFP-MinD в клетках без протонного ионофора CCCP и ( B ) отсутствие межполюсных колебаний после добавления CCCP (100 мкМ ).Использованный штамм: E. coli RC1 / pFX9. ( C ) Клеточная локализация E. coli GFP-FtsA и ( D ) C. crescentus GFP-MreB в присутствии ( справа ) и отсутствии ( слева ) CCCP (100 мкМ ). Использованные штаммы: E. coli MC1000 / pHJS101 и C. crescentus LS3814.
Мы также проверили локализацию MreB в E. coli и Caulobacter crescentus . Здесь роль PMF оказалась более сложной.В C. crescentus паттерн локализации MreB быстро изменился после добавления CCCP (рис. 3 D ), но в E. coli CCCP не оказал влияния на локализацию MreB, MreC или MreD (рис. S2 В ). Тем не менее, эти результаты предполагают, что влияние PMF на локализацию белка широко распространено среди бактерий.
Влияние на локализацию белка не ограничивается CCCP.
Чтобы исключить, что наблюдаемые изменения в паттернах клеточной локализации были вызваны неспецифическим (не связанным с PMF) влиянием CCCP, мы протестировали другие ионофоры, которые, как известно, рассеивают PMF.Активность каналообразующего полициклического пептидного антибиотика низина (15) приводила к той же делокализации MinD, FtsA и MreB, что и CCCP (рис. S5 A ). Бактериоцин колицин N представляет собой каналообразующий токсин, который, как известно, рассеивает мембранный потенциал в E. coli (16), а добавление колицина N полностью устраняет колебания MinD и локализацию FtsA в перегородке (рис. S5 B и Movie S1). Ионофор валиномицин также устраняет нормальную локализацию MinD, FtsA и MreB (см. Ниже).Таким образом, теперь мы можем заключить, что наблюдаемый эффект делокализации действительно связан с диссипацией ПДС.
Ответственный ключевой фактор — потенциал мембраны.
PMF состоит из трансмембранного химического протонного градиента (ΔpH) и трансмембранного электрического потенциала (ΔΨ). CCCP увеличивает проницаемость мембраны для протонов, тем самым рассеивая как ΔpH, так и ΔΨ. Чтобы дифференцировать, какой из этих компонентов pmf участвует в локализации белка, мы повторили эксперименты с использованием ионофоров, которые специфически модифицируют либо ΔpH, либо ΔΨ.Нигерицин — антибиотик, который способствует электронейтральному обмену ионов H ⁺ — и K ⁺, тем самым уменьшая ΔpH через мембрану (17). Напротив, антибиотик валиномицин действует как носитель K ⁺, который специфически рассеивает ΔΨ в присутствии ионов K ⁺ (18). Все протестированные белки, у которых наблюдались CCCP-зависимые изменения в структуре локализации, также были чувствительны к валиномицину, тогда как диссипация ΔpH нигерицином не влияла (рис.4 и рис. S6 A ). Кроме того, делокализация, вызванная валиномицином, имела место только в присутствии достаточного количества K ⁺ в среде, тем самым исключая неспецифическое влияние валиномицина (фиг. S6 B ). Активность как валиномицина, так и нигерицина в B. subtilis была подтверждена с помощью флуориметрических анализов (фиг. S7).
Рис. 4.
Pmf-зависимые изменения локализации связаны с изменениями мембранного потенциала (ΔΨ). Сотовая локализация GFP-MinD, YFP-FtsA и GFP-MreB в B.subtilis с ΔΨ, рассеиваемым валиномицином ( верхний ) или ΔpH, рассеиваемым нигерицином ( нижний ). Использованные штаммы: B. subtilis 1981 (GFP-MinD), B. subtilis PG62 (YFP-FtsA) и B. subtilis YK405 (GFP-MreB).
Механизм ΔΨ-зависимого связывания мембраны.
Столь поразительное влияние мембранного потенциала на локализацию белка ранее не было продемонстрировано, и довольно сложно предположить механизмы, которые могли бы быть задействованы.В B. subtilis MreB образует сложную спиральную структуру вместе с Mbl, MreBH, MreC и MreD (10, 11). Возникает соблазн предположить, что последние два белка ответственны за чувствительность мембранного потенциала, потому что оба являются интегральными мембранными белками, необходимыми для спиральной локализации MreB и Mbl (19), но почему MreC и MreD чувствительны, мы не знаем. Однако это не общее явление для трансмембранных белков, потому что локализация AtpA, KinB, MinJ и TlpA не зависит от CCCP.
В случае MinD и FtsA ассоциация с мембраной управляется мембраной, связывающей амфипатическую спираль на их С-концах (20, 21). Амфипатические спирали могут связываться с мембранами, погружая свою аполярную сторону в липидный бислой. Связывание липидов дополнительно стабилизируется заряженными остатками, которые электростатически взаимодействуют с заряженными головными группами липидов. Как следствие, эти мотивы, направленные на мембрану, делают возможным обратимое и регулируемое связывание с мембраной, на которое влияет как липидный состав, так и физические свойства мембраны (22, 23).Если мембранно-связывающие амфипатические спирали ответственны за ΔΨ-чувствительную локализацию, мы могли бы наблюдать это с помощью слияния GFP только с амфипатической спиралью. Ранее было показано, что слияние GFP и С-концевой амфипатической спирали E. coli MinD приводит к флуоресцентному мембранному сигналу (20). В этой конструкции амфипатической спирали предшествовал домен димеризации лейцина-молнии Jun, поскольку было показано, что АТФ-зависимая димеризация MinD важна для связывания с мембраной (24).Мы использовали эту конструкцию и заменили амфипатическую спираль E. coli MinD на амфипатическую спираль B. subtilis MinD. Этот слитый белок также давал четкий флуоресцентный мембранный сигнал в клетках E. coli . Добавление CCCP привело к быстрому снижению мембранного сигнала, предполагая, что амфипатическая спираль чувствительна к мембранному потенциалу (рис. 5). Следует отметить, что этот эффект уменьшался с увеличением уровня экспрессии белка.Несколько исследований показали, что мембранная ассоциация MinD является кооперативным процессом (25, 26). Поскольку высокие концентрации белка стимулируют кооперативное связывание, это может объяснить, почему эффект CCCP зависит от уровней экспрессии.
Сложность цитоплазмы затрудняет исключение других факторов, которые могут влиять на ΔΨ-зависимое взаимодействие амфипатических спиралей с клеточной мембраной. Поэтому мы проанализировали ΔΨ-зависимое связывание липидов in vitro с использованием синтетического пептида, содержащего С-концевую амфипатическую спираль MinD длиной 21 остаток, присоединенную к флуоресцентной группе 5-FAM (рис.6 А ). Когда этот синтетический пептид инкубировали с липосомами, наблюдалась четкая мембранная ассоциация (фиг. 6 B и F ). Важно отметить, что после индукции ΔΨ связывание с мембраной увеличивалось в пять-шесть раз (фиг. 6 C и F ). Рассеяние ΔΨ снижает мембранный сигнал обратно до базальных уровней (фиг. 6 D и F ). В качестве отрицательного контроля мы синтезировали пептид, в котором гидрофобный изолейциновый остаток был заменен заряженным глутаматом (I260E), тем самым нарушив амфипатический характер этой последовательности (рис.6 А ). Такой перестановки оказалось достаточно для отмены связывания MinD с мембраной в клетках B. subtilis (рис. S8). Когда этот мутированный синтетический пептид инкубировали с липосомами, никакого измеримого связывания не наблюдалось. Применение искусственного мембранного потенциала не дало улучшения, таким образом, амфипатический характер пептида важен как для связывания с мембраной, так и для ΔΨ-стимулированной ассоциации. Амфипатической спирали MinD предшествуют два остатка глутамата. Чтобы проверить, важны ли эти два отрицательных заряда для восприятия мембранного потенциала, мы синтезировали пептид, в котором два глутамата были заменены двумя глутаминами (E250Q и E251Q).Эти замены приводили к немного более слабому связыванию с мембраной, но не влияли на ΔΨ-зависимую мембранную ассоциацию этой амфипатической спирали (фиг. 6 F ). Мы также проверили, влияют ли эти две замены глутамина на локализацию GFP-MinD in vivo, но не обнаружили эффекта (рис. S8). Точный механизм, лежащий в основе ΔΨ-зависимого мембранного связывания этой амфипатической спирали, неясен. Возможно, мембранный потенциал приводит к тонкому конформационному изменению амфипатической спирали, которое усиливает связывание.С другой стороны, было показано, что связывание MinD стимулируется при увеличении текучести мембраны (27). Интересно, что текучесть мембраны также может быть увеличена путем наложения ΔΨ (28). Таким образом, возможно, что мембранный потенциал изменяет свойства липидной мембраны, что облегчает внедрение амфипатических спиралей. Дальнейшие исследования будут необходимы для определения механизма ΔΨ-стимулированного связывания амфипатических спиралей с мембраной.
Рис. 5.
Зависимая от мембранного потенциала локализация С-концевой амфипатической спирали MinD.( A ) Локализация слияния GFP с С-концевой амфипатической спиралью B. subtilis MinD, экспрессируемой в E. coli в присутствии и в отсутствие CCCP ( Left ). ( B ) Показаны профили средней интенсивности флуоресценции при различных уровнях индукции (0,1%, 0,01%, 0,001% и 0% арабинозы) ( n = 25). Использованный штамм: E. coli PB114 / pHJS100.
Рис. 6.
ΔΨ-стимулированное связывание C-концевой амфипатической спирали MinD с липосомами.( A ) Пептидная последовательность С-концевой амфипатической спирали дикого типа MinD и пептидов, несущих обмены I260E и E250Q / E251Q. Прогнозируемые амфипатические области подчеркнуты и представлены в виде спиральной колесной диаграммы. Связывание флуоресцентно меченного синтетического пептида, содержащего С-концевую амфипатическую спираль дикого типа из B. subtilis MinD, с липосомами в отсутствие ( B ) (-ΔΨ) и в присутствии ( C ) (+ ΔΨ) искусственно индуцированный мембранный потенциал и после диссипации мембранного потенциала ( D ) (↓ ΔΨ) (подробности см. в «Материалы и методы» ).( E ) Схематическое изображение измерения связывания мембраны путем анализа изображения конфокальных микрофотографий. ( F ) Среднее связывание с мембраной, измеренное для липосом ( n = 50) без мембранного потенциала (-ΔΨ), после индукции мембранного потенциала (+ ΔΨ) и после диссипации мембранного потенциала (↓ ΔΨ), для диких -типа и синтетического пептида, несущего замены E250Q / E251Q. Для синтетического пептида, несущего обмен I260E, связывания не обнаружено, и поэтому оно не показано на диаграмме.
Эффект кислородного истощения.
Основным фактором окружающей среды, который может влиять на мембранный потенциал, является доступность пригодного для использования акцептора электронов, такого как кислород. В почве, естественной среде обитания B. subtilis , уровень кислорода постоянно колеблется, например, из-за дождя. Чтобы смоделировать этот эффект, мы истощили B. subtilis по кислороду путем промывки ячеек аргоном. В отсутствие кислорода клетки становились удлиненными, что свидетельствует о влиянии на деление клеток.Действительно, микроскопический анализ показал, что примерно через 30 мин MinD, FtsA и MreB делокализованы (рис. 7 и рис. S9). После длительного кислородного истощения (45–60 мин) некоторые клетки становились широкими и выпуклыми, что характерно для клеток, истощенных по MreB (10, 11, 19). Эти эффекты были обратимыми, и повторная аэрация культуры в течение 30 минут восстанавливала мембранный потенциал и локализацию белков (рис. S9). Такие морфологические изменения в клетках B. subtilis при истощении запасов кислорода были зарегистрированы ранее (29, 30) и теперь могут быть объяснены важностью мембранного потенциала для локализации белка.
Рис. 7.
Влияние кислородного истощения на локализацию MinD, FtsA и MreB. Локализация GFP-MinD, YFP-FtsA и GFP-MreB в клетках B. subtilis после 30-минутного истощения кислорода. Более длительное кислородное голодание (45-60 мин) привело к субпопуляции широких и выпуклых клеток. Использованные штаммы: B. subtilis 1981 (GFP-MinD), B. subtilis PG62 (YFP-FtsA) и B. subtilis YK405 (GFP-MreB).
Выводы
Наши данные показывают роль мембранного потенциала в пространственной организации белков цитоскелета и деления клеток.В случае MinD мы показываем, что мембранный потенциал стимулирует взаимодействие между С-концевой амфипатической спиралью и липидным бислоем. Поскольку FtsA также связывается с клеточной мембраной посредством С-концевой амфипатической спирали, вполне вероятно, что чувствительность FtsA к мембранному потенциалу основана на том же механизме. Мембраны, нацеленные на амфипатические спирали, являются обычным явлением. Чувствительность этих мембранных якорей к мембранному потенциалу, возможно, является более общим явлением, которое необходимо принимать во внимание.Было опубликовано несколько моделей in silico для системы E. coli Min, и белки Min демонстрируют захватывающие динамические взаимодействия на подложках из искусственного липидного бислоя (31, 32). Однако, чтобы точно реконструировать систему Min, теперь важно включить мембранный потенциал в качестве дополнительного модулирующего параметра.
Наконец, в своей естественной среде микроорганизмы сталкиваются с большим разнообразием молекул, обладающих антибактериальной активностью. Многие из этих антибиотиков нацелены на клеточную мембрану и рассеивают мембранный потенциал (33).Инкубация B. subtilis с природным антибиотиком низином приводит к получению удлиненных клеток и мицелл, что свидетельствует о неисправной системе Min (34). В случае Spiroplasma антибиотики, такие как грамицидин S, меллитин, аламетицин и валиномицин, вызывают изменения морфологии клеток (35). Теперь кажется вероятным, что эти эффекты вызваны делокализацией морфогенетических белков в результате диссипации мембранного потенциала. Эти знания будут полезны для нашего понимания функции антибиотиков, нацеленных на мембрану, и для разработки других.
Материалы и методы
Бактериальные штаммы, условия роста и среды.
Все штаммы B. subtilis и E. coli описаны в Таблице S1 и были выращены в LB при 30 ° C со следующими исключениями. B. subtilis F ₁ F _o Штаммы с дефицитом АТФ-синтазы и культуры, обедненные кислородом, выращивали в LB с добавлением 0,1% глюкозы. Если нужно было проверить влияние валиномицина или нигерицина, клетки выращивали в LB с добавлением 50 мМ Hepes-HCl pH 7.5 и 300 мМ KCl или NaCl. C. crescentus выращивали, как описано Gitai et al. (36). Трансформацию клеток B. subtilis проводили методом Anagnostopoulos и Spizizen (37) в модификации Hamoen et al. (38). Манипуляции с ДНК и трансформацию E. coli проводили стандартными методами (39). Рассеяние pmf осуществляли путем добавления 100 мкМ CCCP, 375 нМ низина или 250–1000 молекул на клетку очищенного колицина N. ΔΨ рассеивалось специфично добавлением 30 мкМ валиномицина, а ΔpH рассеивалось при добавлении 5 мкМ нигерицина. .Функциональность CCCP, валиномицина и нигерицина подтверждена их ингибирующим действием на рост. Кроме того, рассеяние ΔΨ валиномицином было проанализировано с помощью потенциально чувствительного флуоресцентного красителя 3,3′-дипропилтиадикарбоцианина йодида DiSC ₃ (5) и с помощью флуоресцентной микроскопии или флуориметрических измерений (рис. S7 A , см. SI Text ). для подробностей). Активность нигерицина анализировали флуорометрически с помощью pH-чувствительного красителя BCECF-AM (фиг. S7 B , подробности см. В SI Text ).Истощение запасов кислорода проводили путем продувки культуры midlog фазы B. subtilis постоянным потоком аргона в течение 30–60 мин.
Флуоресцентная микроскопия.
Для флуоресцентной микроскопии клетки выращивали до средней экспоненциальной фазы при 30 ° C и помещали на предметные стекла микроскопа, покрытые тонкой пленкой 1,2% агарозы с добавлением 0,1% ДМСО или 100 мкМ CCCP, растворенного в ДМСО (конечная концентрация ДМСО 0,1%) . Если использовали валиномицин или нигерицин, клетки помещали на 1.2% агарозы в 50 мМ Hepes-HCl pH 7,5, 300 мМ KCl или NaCl, 0,1% глюкозы и 0,1% ДМСО, 30 мкМ валиномицина или 5 мкМ нигерицина, растворенных в ДМСО. Если использовали CCCP, валиномицин или нигерицин, в клетки добавляли соответствующее количество CCCP, валиномицина, нигерицина или ДМСО перед помещением на предметные стекла микроскопа. Иммобилизацию клеток с использованием поли-1-лизина проводили с использованием 0,1% раствора поли-1-лизина (Sigma-Aldrich) в соответствии с инструкциями производителя. Визуализацию проводили в течение 2 минут после добавления ионофоров, если не указано иное.Отсутствие лизиса после добавления ионофоров проверяли с помощью микроскопии; лизиса не было обнаружено в течение 15-минутного периода времени. Для визуализации ΔΨ с использованием потенциально чувствительного флуоресцентного красителя DiSC ₃ (5) клетки инкубировали 5 мин с 2 мкМ DiSC ₃ (5) с последующим добавлением ионофоров. Флуоресцентную микроскопию проводили с использованием конфокального микроскопа с вращающимся диском Nikon Eclipse Ti-U или автоматического микроскопа Applied Precision DeltaVision RT. Изображения были получены с помощью программного обеспечения Metamorph 6 (Molecular Devices, Inc), FRAP-AI 7 (MAG Biosystems) и softWoRx Suite (Applied Precision) и проанализированы с помощью ImageJ v.1,38 (Национальные институты здравоохранения). При необходимости оптическое сечение и деконволюцию выполняли с помощью Huygens Essentials v.3.3 (Scientific Volume Imaging).
Эксперименты по связыванию липидов.
Все эксперименты по связыванию липидов проводили с большими однослойными везикулами, полученными из полярного липидного экстракта E. coli (Avanti), по существу, как описано в (40). Сухой липидный экстракт растворяли в хлороформе с последующим выпариванием хлороформа в токе аргона. Сухие липиды реолюбилизировали в 50 мМ Трис / HCl, pH 7.5, 2 мМ β-меркаптоэтанола, 1,5% октилгликозида (20 мг / мл липидов) в токе аргона и диализовали против 50 мМ Tris / HCl pH 7,5, 2 мМ β-меркаптоэтанола. Для анализов связывания предварительно сформированные липосомы (10 мг / мл) загружали и измеряли экструзией через 0,4-мкм мембрану в присутствии 25 мМ Трис / HCl pH 7,5, 100 мМ сахарозы и 150 мМ Na ₂ SO ₄ или K ₂ SO ₄. Внутриположительный трансмембранный потенциал индуцировали разбавлением 1:50 липосом, нагруженных Na ₂ SO ₄, в 25 мМ Трис / HCl, pH 7.5, 100 мМ глюкозы, 150 мМ K ₂ SO ₄, 0,2 мкМ валиномицина, 1 мг / мл БСА и 10 мкг / мл меченных 5-карбоксифлуоресцеином (5-FAM) синтетических пептидов (Biomatik), соответствующих мембрана, нацеленная на амфипатическую спираль B. subtilis MinD (Таблица S2). Конечные молярные отношения липид: БСА: MTS в экспериментах по связыванию составляли 50: 4: 1. Липосомы, нагруженные K ₂ SO ₄, разбавляли в том же буфере для анализа связывания синтетического пептида с липосомами без трансмембранного потенциала.Кроме того, высвобождение связанного пептида из липосом анализировали путем рассеивания индуцированного валиномицином трансмембранного потенциала путем последующего добавления 1 мкМ нигерицина. Микроскопию липосом проводили с использованием конфокального микроскопа с вращающимся диском Nikon Eclipse Ti-U с использованием возбуждающего лазера с длиной волны 491 нм (100 мс) и эмиссионного фильтра Yokogawa eGFP. Анализ изображения проводился с помощью ImageJ путем измерения средней интенсивности пикселей флуоресценции 50 отдельных липосом. Фон несвязанного пептида вычитали путем измерения средней интенсивности пикселей соответствующей области, окружающей каждую липосому.Связывание липидов пептида 5-FAM-MTS проверяли путем инкубации липосом с идентичным количеством свободного 5-FAM. Способность приготовленных липосом генерировать и поддерживать трансмембранный потенциал была подтверждена путем разбавления нагруженных K ₂ SO ₄ липосом в соотношении 1: 100 в соответствующем буфере с заменой K ₂ SO ₄ на Na ₂ SO ₄. Индукцию внутриотрицательного трансмембранного потенциала после добавления 0,2 мкМ валиномицина и диссипацию потенциала 1 мкМ нигерицином измеряли после флуоресценции потенциально чувствительного красителя DiSC ₃ (5), используемого в концентрации 0.25 мкМ (рис. S7 C ).
4.4A: Клеточная стенка бактерий
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Ключевые моменты
Ключевые термины
Цели обучения
Напомним характеристики клеточной стенки бактерий
Бактериальные клетки не имеют ядра, связанного с мембраной.Их генетический материал обнажен внутри цитоплазмы. Рибосомы — их единственный тип органелл. Термин «нуклеоид» относится к области цитоплазмы, где расположена хромосомная ДНК, обычно к единственной кольцевой хромосоме. Бактерии обычно одноклеточные, за исключением случаев, когда они существуют в колониях. Эти предковые клетки воспроизводятся посредством бинарного деления, дублируя свой генетический материал, а затем по существу расщепляясь, образуя две дочерние клетки, идентичные родительской. Стенка, расположенная за пределами клеточной мембраны, обеспечивает клеточную поддержку и защиту от механического воздействия или повреждения в результате осмотического разрыва и лизиса.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Стенка бактериальной клетки: анатомия структуры бактериальной клетки. (CC BY-SA; через Wikimedia)
Основным компонентом бактериальной клеточной стенки является пептидогликан или муреин. Эта жесткая структура пептидогликана, специфичная только для прокариот, придает форму клетки и окружает цитоплазматическую мембрану. Пептидогликан — это огромный полимер дисахаридов (гликанов), сшитых короткими цепями мономеров идентичных аминокислот (пептидов). Костяк молекулы пептидогликана состоит из двух производных глюкозы: N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM) с пентапептидом, выходящим из NAM, который незначительно варьируется среди бактерий.Нити NAG и NAM синтезируются в цитозоле бактерий. Они связаны межпептидными мостиками. Они переносятся через цитоплазматическую мембрану с помощью молекулы-носителя, называемой бактопренолом. От пептидогликана внутрь все бактериальные клетки очень похожи. В дальнейшем мир бактерий делится на два основных класса: грамположительные (грамм +) и грамотрицательные (грамм -). Клеточная стенка обеспечивает важные лиганды для адгезии и рецепторы для вирусов или антибиотиков.
Ключевые моменты
Клеточная стенка — это слой, расположенный за пределами клеточной мембраны растений, грибов, бактерий, водорослей и архей.
Клеточная стенка пептидогликана, состоящая из дисахаридов и аминокислот, обеспечивает структурную поддержку бактерий.

Клеточная мембрана бактерий — Справочник химика 21

Клеточная стенка

Клеточная стенка

Появление и эволюция клеточной мембраны

Происхождение эукариот «наизнанку»

Бактерии и археи: единство противоположностей

«Протекающая» мембрана

Заключение

«Ахиллесова пята бактериальной мембраны» — Пресс-центр

Прикрепленные файлы:

9. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий.

10. Необычные клеточные стенки прокариот. Прокариоты без клеточной стенки.

Бактерии — клеточная оболочка

Структура и функции бактериальных клеток

Бактериальная мембрана — обзор

Бактериальная мембрана — обзор

Наружная мембрана является важным несущим элементом грамотрицательных бактерий

Мембранные органеллы в бактериях — FullText — Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии 2013, Vol. 23, № 1-2

Внутриклеточные мембраны

Рис. 1

Хроматофоры (ICM) в фотосинтетических бактериях

Рис. 2

Магнитосомы в магнитотактических бактериях

Рис. 3

Анамоксосомы и ядерные оболочки в

Специальная доставка: перемещение везикул наружной мембраны у прокариот

Ацидокальцисомы и эволюция внутриклеточной компартментализации

Рис. 4

Заключительные замечания

Список литературы

Автор Контакты

Подробности статьи / публикации

Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности

Мембранный потенциал важен для деления бактериальной клетки

Результаты и обсуждение

Роль pmf в локализации белка.

Роль pmf не зависит от изменений клеточного уровня АТФ.

Сохранение видов бактерий.

Влияние на локализацию белка не ограничивается CCCP.

Ответственный ключевой фактор — потенциал мембраны.

Механизм ΔΨ-зависимого связывания мембраны.

Эффект кислородного истощения.

Выводы

Материалы и методы

Бактериальные штаммы, условия роста и среды.

Флуоресцентная микроскопия.

Эксперименты по связыванию липидов.

4.4A: Клеточная стенка бактерий

Ключевые моменты

Добавить комментарий Отменить ответ