stringtranslate.com

Периплазма

Периплазма представляет собой концентрированную гелеобразную матрицу в пространстве между внутренней цитоплазматической мембраной и бактериальной внешней мембраной, называемую периплазматическим пространством у грамотрицательных (точнее «дидермальных») бактерий . С помощью криоэлектронной микроскопии было обнаружено, что гораздо меньшее периплазматическое пространство также присутствует у грамположительных бактерий (точнее «монодермальных»), между клеточной стенкой и плазматической мембраной. [1] [2] Периплазма может составлять до 40% от общего объема клетки грамотрицательных бактерий, но составляет гораздо меньший процент у грамположительных бактерий. [3]

Терминология

Хотя бактерии традиционно делятся на две основные группы — грамположительные и грамотрицательные, на основе их способности удерживать краску по Граму , — эта система классификации неоднозначна, поскольку она может относиться к трем различным аспектам (результат окрашивания, организация клеточной оболочки, таксономическая группа), которые не обязательно объединяются для некоторых видов бактерий. [4] [5] [6] [7] В большинстве ситуаций, таких как в этой статье, окрашивание по Граму отражает заметные различия в ультраструктуре и химическом составе двух основных видов бактерий. Обычный «грамположительный» тип не имеет внешней липидной мембраны, в то время как типичная «грамотрицательная» бактерия имеет ее. Термины «дидерма» и «монодерма», придуманные для обозначения только этого различия , являются более надежной и фундаментальной характеристикой бактериальных клеток. [4] [8]

Монодермные бактерии имеют тонкую периплазму между клеточной стенкой и плазматической мембраной [2]

Все грамположительные бактерии ограничены одной липидной мембраной (т. е. монодермой); они обычно содержат толстый слой (20-80 нм) пептидогликана, ответственного за сохранение окраски по Граму. Ряд других бактерий, которые ограничены одной мембраной, но окрашиваются как грамотрицательные из-за отсутствия слоя пептидогликана (а именно, микоплазмы) или из-за их неспособности сохранять окраску по Граму из-за состава их клеточной стенки, также демонстрируют тесную связь с грамположительными бактериями. Для бактериальных (прокариотических) клеток, которые ограничены одной клеточной мембраной, был предложен термин «монодермальные бактерии» или «монодермальные прокариоты ». [4] [8] В отличие от грамположительных бактерий, все архетипические грамотрицательные бактерии ограничены цитоплазматической мембраной, а также внешней клеточной мембраной; они содержат только тонкий слой пептидогликана (2-3 нм) между этими мембранами. Наличие как внутренних, так и внешних клеточных мембран формирует и определяет периплазматическое пространство или периплазматический компартмент. Эти бактериальные клетки с двумя мембранами были обозначены как дидермальные бактерии. [4] [8] Различие между монодермальными и дидермальными прокариотами подтверждается консервативными сигнатурными инделями в ряде важных белков (например, DnaK и GroEL ). [4] [5] [8] [9]

Структура

Грамотрицательная (дидермальная) клеточная стенка

Как показано на рисунке справа, периплазматическое пространство у грамотрицательных или дидермальных бактерий расположено между внутренней и внешней мембраной клетки. Периплазма содержит пептидогликан, а мембраны, которые окружают периплазматическое пространство, содержат множество интегральных мембранных белков, которые могут участвовать в клеточной сигнализации . Кроме того, в периплазме находятся органеллы подвижности, такие как жгутик , который охватывает обе мембраны, окружающие периплазму. Периплазма описывается как гелеобразная из-за большого количества белков и пептидогликана. Периплазма занимает от 7% до 40% общего объема дидермальных бактерий и содержит до 30% клеточных белков. [10] [11] Структура периплазмы монодермальных бактерий отличается от структуры дидермальных бактерий, поскольку так называемое периплазматическое пространство у монодермальных бактерий не окружено двумя мембранами, а скорее окружено цитоплазматической мембраной и слоем пептидогликана под ней. [12] По этой причине периплазматическое пространство монодермы также называют зоной внутренней стенки (IWZ). IWZ служит первым пунктом назначения транслокации для белков, транспортируемых через бактериальную клеточную стенку монодермы. [12]

Функция

У дидермальных бактерий периплазма содержит тонкую клеточную стенку , состоящую из пептидогликана . Кроме того, она включает растворенные вещества, такие как ионы и белки, которые участвуют в самых разных функциях, начиная от связывания питательных веществ, транспорта, сворачивания, деградации, гидролиза субстрата до синтеза пептидогликана, транспорта электронов и изменения веществ, токсичных для клетки ( метаболизм ксенобиотиков ). [13] Важно, что периплазма лишена АТФ . Несколько типов ферментов присутствуют в периплазме, включая щелочные фосфатазы , циклические фосфодиэстеразы , кислые фосфатазы и 5'-нуклеотидазы . [14] Следует отметить, что периплазма также содержит ферменты, важные для облегчения сворачивания белка . Например, дисульфидный связывающий белок A (DsbA) и дисульфидный связывающий белок C (DsbC), которые отвечают за катализ образования пептидных связей и изомеризации соответственно, были идентифицированы в периплазме E. Coli . [15] Поскольку образование дисульфидных связей часто является этапом, ограничивающим скорость сворачивания белков, эти окислительные ферменты играют важную роль в периплазме бактерий. Кроме того, периплазма опосредует поглощение ДНК в нескольких штаммах трансформируемых бактерий. [16]

Рисунок, демонстрирующий модуляцию сигнала RcsF путем изменения периплазматического межмембранного расстояния [17]

Компартментализация, обеспечиваемая периплазматическим пространством, порождает несколько важных функций. Помимо ранее упомянутых, периплазма также функционирует в транспорте белков и контроле качества, аналогично эндоплазматическому ретикулуму у эукариот. [17] Кроме того, отделение периплазмы от цитоплазмы позволяет компартментализировать ферменты, которые могут быть токсичными в цитоплазме. [17] Некоторые пептидогликаны и липопротеины, расположенные в периплазме, обеспечивают структурную систему поддержки для клетки, которая помогает в повышении способности клетки выдерживать давление тургора. В частности, органеллы, такие как жгутик, требуют сборки полимеров внутри периплазмы для надлежащего функционирования. Поскольку приводной вал жгутика охватывает периплазматическое пространство, его длина диктуется позиционированием внешней мембраны, вызванным ее сокращением, которое опосредовано периплазматическими полимерами. [17] Периплазма также функционирует в клеточной сигнализации , например, в случае липопротеина RcsF, который имеет глобулярный домен, находящийся в периплазме и действующий как датчик стресса. Когда RcsF не взаимодействует с BamA, например, в случае увеличенной периплазмы, RcsF не экспортируется на поверхность клетки и не может запустить каскад сигнализации Rcs. Таким образом, размер периплазмы играет важную роль в стрессовой сигнализации. [18] [17]

Клиническое значение

Поскольку бактерии являются возбудителями многих инфекций и заболеваний, биохимические и структурные компоненты, которые отличают болезнетворные бактериальные клетки от собственных эукариотических клеток, представляют большой интерес с клинической точки зрения. [19] Грамотрицательные бактерии, как правило, более устойчивы к антимикробным препаратам, чем грамположительные бактерии, а также обладают гораздо более значительным периплазматическим пространством между двумя мембранными бислоями. Поскольку эукариоты не обладают периплазматическим пространством, структуры и ферменты, обнаруженные в периплазме грамотрицательных бактерий, являются привлекательными мишенями для антимикробной лекарственной терапии. [20] Кроме того, жизненно важные функции, такие как облегчение сворачивания белка, транспорт белка, клеточная сигнализация, структурная целостность и поглощение питательных веществ, выполняются компонентами периплазмы, [17] что делает ее богатой потенциальными лекарственными мишенями. Помимо ферментов и структурных компонентов, которые жизненно важны для функционирования и выживания клетки, периплазма также содержит белки, связанные с вирулентностью, такие как DsbA, на которые может быть направлена ​​антимикробная терапия. [21] Благодаря своей роли в катализе образования дисульфидных связей для различных факторов вирулентности, система DsbA/DsbB представляет особый интерес в качестве мишени для противовирусных препаратов. [22]

Периплазматическое пространство тесно связано с патогенезом заболевания в условиях микробной инфекции. Многие из факторов вирулентности , связанных с патогенностью бактерий, являются белками секреции, которые часто подвергаются посттрансляционной модификации, включая образование дисульфидных связей. [23] Окислительная среда периплазмы содержит белки Dsb (образование дисульфидных связей), которые катализируют такие посттрансляционные модификации, и, следовательно, играют важную роль в установлении третичной и четвертичной структуры фактора вирулентности, необходимой для правильной функции белка. [23] В дополнение к белкам Dsb, обнаруженным в периплазме, органеллы подвижности, такие как жгутик, также необходимы для инфицирования хозяина. Жгутик укоренен в периплазме и стабилизируется за счет взаимодействия с периплазматическими структурными компонентами, [17] [23] и, следовательно, является еще одной связанной с патогенезом целью для антимикробных агентов. Во время заражения хозяина клетка бактерии подвергается воздействию множества бурных условий окружающей среды, что подчеркивает важность структурной целостности, обеспечиваемой периплазмой. В частности, синтез пептидогликана жизненно важен для производства клеточной стенки, и ингибиторы синтеза пептидогликана представляют клинический интерес для воздействия на бактерии в течение многих десятилетий. [24] [25] Кроме того, периплазма также имеет отношение к клиническим разработкам посредством своей роли в опосредовании поглощения трансформирующей ДНК . [16]

Ссылки

  1. ^ Matias VR, Beveridge TJ (апрель 2005 г.). «Криоэлектронная микроскопия выявляет нативную полимерную структуру клеточной стенки Bacillus subtilis 168 и существование периплазматического пространства». Молекулярная микробиология . 56 (1): 240–251. doi : 10.1111/j.1365-2958.2005.04535.x . PMID  15773993. S2CID  11013569.
  2. ^ ab Zuber B, Haenni M, Ribeiro T, Minnig K, Lopes F, Moreillon P, Dubochet J (сентябрь 2006 г.). «Зернистый слой в периплазматическом пространстве грамположительных бактерий и тонкие структуры перегородок Enterococcus gallinarum и Streptococcus gordonii, выявленные с помощью криоэлектронной микроскопии стекловидных срезов». Журнал бактериологии . 188 (18): 6652–6660. doi :10.1128/JB.00391-06. PMC 1595480. PMID  16952957 . 
  3. ^ Хольст О, Зельтманн Г (январь 2002). Бактериальная клеточная стенка . Берлин: Springer. ISBN 3-540-42608-6.
  4. ^ abcde Gupta RS (декабрь 1998 г.). «Филогении белков и сигнатурные последовательности: переоценка эволюционных отношений между архебактериями, эубактериями и эукариотами». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 62 (4): 1435–1491. doi :10.1128/MMBR.62.4.1435-1491.1998. PMC 98952 . PMID  9841678. 
  5. ^ ab Gupta RS (2000). «Естественные эволюционные отношения среди прокариот». Critical Reviews in Microbiology . 26 (2): 111–131. doi :10.1080/10408410091154219. PMID  10890353. S2CID  30541897.
  6. ^ Desvaux M, Hébraud M, Talon R, Henderson IR (апрель 2009 г.). «Секреция и субклеточная локализация бактериальных белков: проблема семантической осведомленности». Trends in Microbiology . 17 (4): 139–145. doi :10.1016/j.tim.2009.01.004. PMID  19299134.
  7. ^ Sutcliffe IC (октябрь 2010 г.). «Перспектива архитектуры оболочки бактериальной клетки на уровне филума». Trends in Microbiology . 18 (10): 464–470. doi :10.1016/j.tim.2010.06.005. PMID  20637628.
  8. ^ abcd Gupta RS (август 1998). «Что такое архебактерии: третий домен жизни или монодермальные прокариоты, связанные с грамположительными бактериями? Новое предложение по классификации прокариотических организмов». Молекулярная микробиология . 29 (3): 695–707. doi :10.1046/j.1365-2958.1998.00978.x. PMID  9723910. S2CID  41206658.
  9. ^ Gupta RS (август 2011 г.). «Происхождение двудермальных (грамотрицательных) бактерий: скорее давление отбора антибиотиков, чем эндосимбиоз, привело к эволюции бактериальных клеток с двумя мембранами». Antonie van Leeuwenhoek . 100 (2): 171–182. doi :10.1007/s10482-011-9616-8. PMC 3133647 . PMID  21717204. 
  10. ^ Прохнов, Ганс; Фетц, Верена; Хотоп, Свен-Кевин; Гарсия-Ривера, Мариэль А.; Хойманн, Аксель; Бренструп, Марк (2019-02-05). «Субклеточная количественная оценка поглощения грамотрицательными бактериями». Аналитическая химия . 91 (3): 1863–1872. doi : 10.1021/acs.analchem.8b03586. hdl : 10033/621709 . ISSN  0003-2700.
  11. ^ Weiner, Joel H.; Li, Liang (сентябрь 2008 г.). «Протеом оболочки Escherichia coli и технологические проблемы анализа мембранного протеома». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1778 (9): 1698–1713. doi :10.1016/j.bbamem.2007.07.020.
  12. ^ ab Forster, Brian M.; Marquis, Hélène (май 2012 г.). «Транспорт белков через клеточную стенку монодермальных грамположительных бактерий». Молекулярная микробиология . 84 (3): 405–413. doi :10.1111/j.1365-2958.2012.08040.x. ISSN  0950-382X. PMC 3331896. PMID 22471582  . 
  13. ^ Klein DW, Prescott LM, Harley J (2005). Микробиология . Бостон: McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-295175-3.
  14. ^ Neu HC, Heppel LA (сентябрь 1965 г.). «Высвобождение ферментов из Escherichia coli при осмотическом шоке и во время образования сферопластов». Журнал биологической химии . 240 (9): 3685–3692. doi : 10.1016/S0021-9258(18)97200-5 . PMID  4284300.
  15. ^ Denoncin K, Collet JF (июль 2013 г.). «Формирование дисульфидных связей в бактериальной периплазме: основные достижения и предстоящие задачи». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 19 (1): 63–71. doi :10.1089/ars.2012.4864. PMC 3676657. PMID  22901060 . 
  16. ^ ab Hahn J, DeSantis M, Dubnau D (июнь 2021 г.). Freitag NE (ред.). «Механизмы трансформации захвата ДНК в периплазму Bacillus subtilis». mBio . 12 (3): e0106121. doi :10.1128/mBio.01061-21. PMC 8262900 . PMID  34126763. 
  17. ^ abcdefg Miller SI, Salama NR (январь 2018 г.). «Периплазма грамотрицательных бактерий: размер имеет значение». PLOS Biology . 16 (1): e2004935. doi : 10.1371/journal.pbio.2004935 . PMC 5771553. PMID  29342145 . 
  18. ^ Родригес-Алонсо Р., Летоквар Дж., Нгуен В.С., Луис Г., Калабрезе А.Н., Йорга Б.И. и др. (сентябрь 2020 г.). «Структурное понимание образования комплексов липопротеин-β-бочонок». Химическая биология природы . 16 (9): 1019–1025. дои : 10.1038/s41589-020-0575-0. ПМК 7610366 . ПМИД  32572278. 
  19. ^ Prestinaci F, Pezzotti P, Pantosti A (2015-10-03). «Устойчивость к противомикробным препаратам: глобальное многогранное явление». Патогены и глобальное здравоохранение . 109 (7): 309–318. doi :10.1179/2047773215Y.0000000030. PMC 4768623. PMID  26343252 . 
  20. ^ Pandeya A, Ojo I, Alegun O, Wei Y (сентябрь 2020 г.). «Периплазматические мишени для разработки эффективных противомикробных препаратов против грамотрицательных бактерий». ACS Infectious Diseases . 6 (9): 2337–2354. doi :10.1021/acsinfecdis.0c00384. PMC 8187054. PMID  32786281 . 
  21. ^ Ha UH, Wang Y, Jin S (март 2003 г.). «DsbA Pseudomonas aeruginosa необходим для множественных факторов вирулентности». Инфекция и иммунитет . 71 (3): 1590–1595. doi :10.1128/IAI.71.3.1590-1595.2003. PMC 148828. PMID  12595484 . 
  22. ^ Смит РП, Паксман Дж. Дж., Скэнлон М. Дж., Херас Б. (июль 2016 г.). «Нацеливание бактериальных DSB-белков на разработку противовирусных агентов». Molecules . 21 (7): 811. doi : 10.3390/molecules21070811 . PMC 6273893 . PMID  27438817. 
  23. ^ abc Łasica AM, Jagusztyn-Krynicka EK (сентябрь 2007 г.). «Роль белков Dsb грамотрицательных бактерий в процессе патогенеза». FEMS Microbiology Reviews . 31 (5): 626–636. doi : 10.1111/j.1574-6976.2007.00081.x . PMID  17696887.
  24. ^ Puls JS, Brajtenbach D, Schneider T, Kubitscheck U, Grein F (март 2023 г.). «Ингибирование синтеза пептидогликана достаточно для полной остановки деления стафилококковых клеток». Science Advances . 9 (12): eade9023. Bibcode :2023SciA....9E9023P. doi :10.1126/sciadv.ade9023. PMC 10032595 . PMID  36947615. 
  25. ^ Linnett PE, Strominger JL (сентябрь 1973 г.). «Дополнительные антибиотики-ингибиторы синтеза пептидогликана». Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 4 (3): 231–236. doi :10.1128/AAC.4.3.231. PMC 444534. PMID  4202341 . 

Дальнейшее чтение