Skip to main content
Global

2.3: דופן התא הפפטידוגליקן

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208837

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מטרות למידה
    1. ציין את שלושת החלקים של מונומר פפטידוגליקן וציין את תפקוד הפפטידוגליקן בחיידקים.
    2. תאר בקצרה כיצד חיידקים מסנתזים פפטידוגליקן, המציין את התפקידים של אוטוליזינים, בקטופרנולים, טרנסגליקוזילאזים וטרנספפטידאזות.
    3. תאר בקצרה כיצד אנטיביוטיקה כגון פניצילינים, צפלוספורינים וונקומיצין משפיעים על חיידקים ומקשרים זאת לסינתזת דופן התא שלהם.
    4. ציין איזה צבע חיידקים גראם חיוביים מכתים לאחר צביעת גראם.
    5. ציין איזה צבע חיידקים גראם שליליים מכתים לאחר צביעת גראם.
    6. ציין איזה צבע חיידקים מהירים בחומצה מכתים לאחר צביעה מהירה בחומצה.

    המיקופלזמות הן החיידקים היחידים שחסרים באופן טבעי דופן תא. מיקופלזמות שומרות על לחץ כמעט אחיד בין הסביבה החיצונית לציטופלזמה על ידי שאיבה פעילה של יוני נתרן. הממברנות הציטופלזמיות שלהם מכילות גם סטרולים שככל הנראה מספקים כוח נוסף. לחיידקים הנותרים בתחום חיידקים, למעט כמה חיידקים כמו כלמידיה, יש דופן תא חצי קשיחה המכילה פפטידוגליקן. (בעוד שלחיידקים השייכים לתחום Archaea יש גם דופן תא חצי קשיחה, הוא מורכב מכימיקלים הנבדלים מפפטידוגליקן כגון חלבון או פסאודומורין. לא ניקח את הארכאה כאן.)

    פונקציה של פפטידוגליקן

    פפטידוגליקן מונע תמוגה אוסמוטית. כפי שנראה קודם לכן מתחת לממברנה הציטופלזמית, חיידקים מרכזים חומרים מזינים מומסים (מומסים) באמצעות הובלה פעילה. כתוצאה מכך, הציטופלזמה של החיידק בדרך כלל היפרטונית לסביבתו הסובבת והזרימה נטו של מים חופשיים היא לחיידק. ללא דופן תא חזקה, החיידק היה מתפרץ מהלחץ האוסמוטי של המים הזורמים לתא.

    מבנה והרכב של פפטידוגליקן

    למעט החריגים לעיל, לחברי התחום לחיידקים יש דופן תא המכילה קומפלקס מולקולרי סרוג למחצה והדוק הנקרא פפטידוגליקן. פפטידוגליקן, הנקרא גם מורין, הוא פולימר עצום המורכב משרשראות משתלבות של מונומרים פפטידוגליקנים זהים (איור). \(\PageIndex{1}\) מונומר פפטידוגליקן מורכב משני סוכרי אמינו מחוברים, N-acetylglucosamine (NAG) וחומצה N-acetylmuramic (NAM), כאשר פנטפפטיד יורד מה- NAM (איור). \(\PageIndex{2}\) הסוגים והסדר של חומצות האמינו בפנטפפטיד, למרות שהם כמעט זהים בחיידקים גרם חיוביים וגרם שליליים, מראים שונות קלה בין התחום בַּקטֶרִיָה.

    alt
    איור\(\PageIndex{1}\): פפטידוגליקן מורכב משרשראות מקושרות של מונומרים פפטידוגליקנים (NAG-NAM-pentapeptide). אנזימי טרנסגליקוזילאז מצטרפים למונומרים אלה מתחברים יחד ליצירת שרשראות. לאחר מכן אנזימי טרנספפטידאז מצטלבים את השרשראות כדי לספק כוח לדופן התא ולאפשר לחיידק להתנגד לתמוגה אוסמוטית. (משמאל) במונומר פפטידוגליקן של S. aureus, הפנטפפטיד היוצא מה- NAM מורכב מחומצות האמינו L-alanine, D-גלוטמין, L-lysine ושני D-alanines. הקישור הצולב של הפפטיד נוצר על ידי היווצרות של גשר פפטיד קצר המורכב מ-5 גליצינים. בתהליך נבקע ה-D-alanine הסופי מהפנטאפפטיד ליצירת טטרפפטיד בפפטידוגיקן. (מימין) במונומר פפטידוגליקן של אי - קולי, הפנטפפטיד היוצא מה- NAM מורכב מחומצות האמינו L-alanine, חומצה D-גלוטמית, חומצה מזו-דיאמינופימלית ושני D-alanines. הקישור הצולב של הפפטיד נוצר בין החומצה הדיאמינופימלית של שרשרת פפטיד אחת עם D-alanine של אחרת ותוך כדי כך נבקע D-alanine הסופי מהפנטאפפטיד ליצירת טטרפפטיד בפפטידוגיקן.

    המונומרים הפפטידוגליקנים מסונתזים בציטוזול של החיידק שם הם מתחברים למולקולת נשא קרום הנקראת בקטופרנול. כפי שנדון להלן, הבקטופרנולים מעבירים את המונומרים הפפטידוגליקנים על פני הממברנה הציטופלזמית ועובדים עם האנזימים הנדונים להלן כדי להכניס את המונומרים לפפטידוגליקן קיים המאפשר צמיחת חיידקים בעקבות ביקוע בינארי.

    alt
    איור\(\PageIndex{2}\): (משמאל) מונומר פפטידוגליקן מורכב משני סוכרי אמינו מחוברים, N-acetylglucosamine (NAG) וחומצה N-acetylmuramic (NAM), כאשר פנטפפטיד יורד מה- NAM. ב אי - קולי, הפנטפפטיד מורכב מחומצות האמינו L-alanine, חומצה D-גלוטמית, חומצה meso diaminopimelic ושני D-alanines. (מימין) מונומר פפטידוגליקן מורכב משני סוכרי אמינו מחוברים, N-acetylglucosamine (NAG) וחומצה N-acetylmuramic (NAM), כאשר פנטפפטיד יורד מה- NAM. ב S. aureus, הפנטפפטיד מורכב מחומצות האמינו L-alanine, D-גלוטמין, L-lysine ושני D-alanines.

    לאחר החדרת המונומרים הפפטידוגליקנים החדשים, קשרים גליקוזידיים מקשרים את המונומרים הללו לשרשראות הגדלות של פפטידוגליקן. שרשראות הסוכר הארוכות הללו מחוברות זו לזו באמצעות קישורים צולבים של פפטיד בין הפפטידים היוצאים מה- NAMs. על ידי קישור השורות ושכבות הסוכרים יחד בצורה זו, הקישורים הצולבים של הפפטיד מספקים חוזק עצום לדופן התא, ומאפשרים לו לתפקד בדומה לגדר שרשרת מולקולרית סביב החיידק (ראה איור\(\PageIndex{1}\)).

    סינתזה של פפטידוגליקן

    על מנת שהחיידקים יגדילו את גודלם בעקבות ביקוע בינארי, יש לשבור קישורים בפפטידוגליקן, להכניס מונומרים פפטידוגליקנים חדשים ולאטום מחדש את הקישורים הצולבים של הפפטידים. רצף האירועים הבא מתרחש:

    שלב 1. אנזימים חיידקיים הנקראים אוטוליזינים:

    שלב 2. המונומרים הפפטידוגליקנים מסונתזים בציטוזול (ראה איור, שלב 1 ואיור\(\PageIndex{4}\), שלב 2) ונקשרים \(\PageIndex{4}\)לבקטופרנול. [1][2]הבקטופרנולים מעבירים את המונומרים הפפטידוגליקנים על פני הממברנה הציטופלזמית ומקיימים אינטראקציה עם טרנסגליקוזידאזים כדי להכניס את המונומרים לפפטידוגליקן קיים (ראה איור, שלב 3, איור, שלב 4, איור, שלב 5 ואיור, שלב 6) \(\PageIndex{4}\) \(\PageIndex{4}\) \(\PageIndex{4}\) \(\PageIndex{4}\)

    שלב 3. [3]אנזימי טרנסגליקוזילאז (טרנסגליקוזידאז) מכניסים ומקשרים מונומרים פפטידוגליקנים חדשים להפסקות בפפטידוגליקן (ראה איור, שלב 1 ואיור, שלב 2). \(\PageIndex{5}\) \(\PageIndex{5}\)

    שלב 4. לבסוף, אנזימי טרנספפטידאז משנים את הקישורים הצולבים של הפפטידים בין השורות והשכבות של פפטידוגליקן כדי להפוך את הקיר לחזק (ראה איור, שלב 1 וראה איור\(\PageIndex{6}\), שלב 2). \(\PageIndex{6}\)

    ב-Escherichia coli, ה-D-alanine הסופי נבקע מהפנטפפטידים ליצירת טטרפפטידים. זה מספק את האנרגיה לקשר את D-alanine של טטרפפטיד אחד לחומצה הדיאמינופימלית של טטרפפטיד אחר (ראה איור B). \(\PageIndex{1}\) במקרה של Staphylococcus aureus, ה-D-alanine הסופי נבקע מהפנטפפטידים ליצירת טטרפפטידים. זה מספק את האנרגיה לקשר גשר מחומש (5 מולקולות של חומצת האמינו גליצין) מה-D-alanine של טטרפפטיד אחד ל-L-lysine של אחר (ראה איור A). \(\PageIndex{1}\)

    תרגיל: שאלות חשיבה-זוג-שתף
    1. כפי שנראה ביחידה 2, האנטיביוטיקה bacitracin נקשר לבקטופרנול לאחר שהוא מחדיר מונומר פפטידוגליקן לדופן התא החיידקי הגדל.

      הסבירו כיצד זה יכול להוביל למותו של אותו חיידק.

    2. כפי שנראה ביחידה 2, האנטיביוטיקה של הפניצילין נקשרת לאנזים החיידקי טרנספפטידאז.
      1. הסבירו כיצד זה יכול להוביל למותו של אותו חיידק.
      2. האם ניתן להשתמש באנטיביוטיקה זו לטיפול בזיהומים פרוטוזואנים כגון ג'יארדיאזיס וטוקסופלזמוזיס?

    במרכז החיידק, קבוצה של חלבונים הנקראים חלבונים Fts (רגישים לטמפרטורה חוטית) מקיימים אינטראקציה ליצירת טבעת במישור חלוקת התא. חלבונים אלה יוצרים את מנגנון חלוקת התא המכונה החלוקה ומעורבים ישירות בחלוקת תאי חיידקים על ידי ביקוע בינארי (ראה איור \(\PageIndex{1}\) \(\PageIndex{2}\) ואיור).

    הדיוויזום אחראי על הכוונת הסינתזה של קרום ציטופלזמי חדש ופפטידוגליקן חדש ליצירת מחיצת החלוקה.

    חומרים אנטי-מיקרוביאליים המעכבים סינתזה של פפטידוגליקן הגורמים לליזה חיידקית

    אנטיביוטיקה רבים פועלים על ידי עיכוב סינתזה תקינה של פפטידוגליקן בחיידקים הגורמת להם להתפוצץ כתוצאה מתמוגה אוסמוטית. כפי שצוין זה עתה, על מנת שחיידקים יגדילו את גודלם בעקבות ביקוע בינארי, אנזימים הנקראים אוטוליזינים שוברים את הקישורים הצולבים של הפפטידוגליקן, אנזימי הטרנסגליקוזילאז ואז מכניסים ומקשרים מונומרים פפטידוגליקנים חדשים לשברים בפפטידוגליקן, ואנזימי טרנספפטידאז משנים את הקישורים הצולבים של הפפטידוגליקן כדי להפוך את הקיר לחזק.

    הפרעה לתהליך זה גורמת לדופן תא חלשה ולתמוגה של החיידק מלחץ אוסמוטי. דוגמאות לכך כוללות פניצילינים (פניצילין G, מתיצילין, אוקסצילין, אמפיצילין, אמוקסיצילין, טיקרצילין וכו '), הצפלוספורינים (קפלוטין, קפזולין, צפוקסיטין, צפוטקסימה, קפלור, צפופרזון, צפיקסימה, צפטריאקסון, צפורוקסימה וכו'), הקרבפנמים (אימפנמים ipenem, metropenem), המונובקטמים (אזטריונם), הקרבצ'פים (לורקרבף) והגליקופפטידים (ונקומיצין, טייכופלנין).
    אנימציית פלאש המראה כיצד פניצילינים מעכבים סינתזת פפטידוגליקן.
    © ג'ולייט ו 'ספנסר, סטפני ק. מ וונג, מחברים, מורשה לשימוש, ASM Microbelibrary.

    כימותרפיה אנטי-מיקרוביאלית תידון בפירוט רב יותר בהמשך ביחידה 2 תחת שליטה בחיידקים על ידי שימוש באנטיביוטיקה וחומרי חיטוי.

    חיידקים גראם חיוביים, גראם שליליים ומהירים בחומצה

    ניתן להכניס את רוב החיידקים לאחת משלוש קבוצות על סמך צבעם לאחר ביצוע הליכי צביעה ספציפיים: גרם חיובי, גרם שלילי או מהיר בחומצה.

    • חיידקים גראם חיוביים: אלה שומרים על סגול הגביש הראשוני במהלך הליך כתם הגראם ונראים סגולים כאשר הם נצפים דרך המיקרוסקופ. חיידקים גראם חיוביים נפוצים בעלי חשיבות רפואית כוללים סטרפטוקוקוס פיוגנים, סטרפטוקוקוס דלקת ריאות, סטפילוקוקוס אאורוס, אנטרוקוקוס פאקליס ומינים קלוסטרידיום.

    altalt

    (משמאל) כתם גראם של Staphylococcus aureus שהם קוקי גרם חיוביים (סגולים) באשכולות. (מימין) כתם גראם של Escherichia coli שהם חיידקים גראם שליליים (ורודים).

    • חיידקים גראם שליליים: אלה מתפוררים במהלך הליך כתם הגראם, מרימים את הספראנין של כתם הנגד ונראים ורודים כאשר הם נצפים דרך המיקרוסקופ. חיידקים גראם שליליים נפוצים בעלי חשיבות רפואית כוללים מיני סלמונלה, מיני שיגלה, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, המופילוס אינפלואנזה, אי קולי, דלקת ריאות קלבסיאלה, מיני פרוטאוס ו Pseudomonas aeruginosa. ראו גם כתם גרם של תערובת של חיידקים גרם חיוביים וגרם שליליים.

    alt

    כתם גראם של תערובת של חיידקים גראם-חיוביים וגראם-שליליים. שימו לב לבצילי גראם שלילי (ורוד) וקוקי גראם חיובי (סגול).

    • חיידקים מהירים בחומצה: אלה מתנגדים לדה-צבע עם תערובת חומצה-אלכוהול במהלך הליך הכתם המהיר בחומצה, שומרים על הצבע הראשוני carbolfuchsin ונראים אדומים כאשר הם נצפים דרך המיקרוסקופ. חיידקים נפוצים המהירים בחומצה בעלי חשיבות רפואית כוללים שחפת Mycobacterium, Mycobacterium leprae ו- Mycobacterium avium-intracellulare קומפלקס.

    alt

    כתם מהיר בחומצה של שחפת Mycobacterium בכיח. שימו לב לבצילי המהיר בחומצה אדמדמה בין הצומח הרגיל הכחול ותאי הדם הלבנים בכיח שאינם מהירים בחומצה.

    תגובות מכתים אלו נובעות מהבדלים מהותיים בדופן התא שלהן כפי שיידון במעבדה 6 ובמעבדה 16. כעת נבחן כל אחד משלושת סוגי דופן התאים החיידקיים הללו.

    שכבת ה- S

    1. מבנה והרכב

    דופן התא הנפוצה ביותר במינים של Archaea היא שכבת פני השטח paracrystalline (שכבת S). הוא מורכב משכבה מובנית באופן קבוע המורכבת ממולקולות גליקופרוטאין או חלבון משתלבות. במיקרוגרפים אלקטרונים, יש דפוס הדומה אריחי הרצפה. למרות שהם משתנים עם המין, שכבות S בדרך כלל יש עובי בין 5 ל 25 ננומטר ויש להם נקבוביות זהות עם 2-8 ננומטר קוטר. כמה מינים של חיידקים נמצאו גם כבעלי שכבות S.

    לצפייה במיקרוגרפי אלקטרונים של שכבות S ראה את הדברים הבאים:

    • חלבוני S-Layer, דף הבית של הביולוגיה המבנית באוניברסיטת קארל-פרנזנס באוסטריה.
    • מאפיינים אופייניים של חלבוני שכבת S, במכון פורסייט ננוטק באוסטריה.

    2. פונקציות ומשמעות לחיידקים הגורמים לזיהומים

    שכבת ה- S נקשרה למספר פונקציות אפשריות. אלה כוללים את הדברים הבאים:

    א. שכבת S עשויה להגן על חיידקים מפני אנזימים מזיקים, משינויים ב-pH, מהחיידק הטורף Bdellovibrio, חיידק טפילי שלמעשה משתמש בתנועתיות שלו כדי לחדור לחיידקים אחרים ולהשתכפל בתוך הציטופלזמה שלהם, ומקטריופאגים.

    ב. שכבת S יכולה לתפקד כאדהזין, מה שמאפשר לחיידק להיצמד לתאי המארח ולמשטחים סביבתיים, להתיישב ולהתנגד לשטיפה.

    ג. שכבת S עשויה לתרום לארסיות על ידי הגנה על החיידק מפני התקפת משלים ופגוציטוזיס.

    ד. שכבת S עשויה לשמש כמסננת מולקולרית גסה.

    סיכום

    1. לרוב המכריע של התחום לחיידקים יש דופן תא נוקשה המורכבת מפפטידוגליקן.
    2. דופן התא הפפטידוגליקן מקיפה את הממברנה הציטופלזמית ומונעת תמוגה אוסמוטית.
    3. פפטידוגליקן מורכב משרשראות משתלבות של אבני בניין הנקראות מונומרים פפטידוגליקנים.
    4. על מנת לגדול בעקבות ביקוע בינארי, חיידקים צריכים לסנתז מונומרים פפטידוגליקנים חדשים בציטופלזמה, להעביר את המונומרים האלה על פני הממברנה הציטופלזמית, לשים שברים בדופן התא הקיימת כדי שניתן יהיה להכניס את המונומרים, לחבר את המונומרים לפפטידוגליקן הקיים, ולקשר בין השורות והשכבות של הפפטידוגליקן.
    5. אנטיביוטיקה רבים מעכבים את סינתזת הפפטידוגליקן בחיידקים ומובילים לתמוגה אוסמוטית של החיידקים.
    6. ניתן להכניס את רוב החיידקים לאחת משלוש קבוצות על סמך צבעם לאחר ביצוע הליכי צביעה ספציפיים: גרם חיובי, גרם שלילי או מהיר בחומצה. תגובות מכתים אלו נובעות מהבדלים מהותיים בדופן התא החיידקי.
    7. חיידקים גראם חיוביים צובעים סגול לאחר צביעת גראם ואילו חיידקים גראם שליליים מכתים ורוד.
    8. חיידקים מהירים בחומצה מכתים אדום לאחר צביעה מהירה בחומצה.

    שאלות

    ללמוד את החומר בסעיף זה ולאחר מכן לכתוב את התשובות לשאלות אלה. לא רק ללחוץ על התשובות ולכתוב אותם. זה לא יבחן את הבנתך במדריך זה.

    1. מונומר של פפטידוגליקן מורכב מ _____________, _____________ ו- _______________. (נס)
    2. ציין את תפקוד הפפטידוגליקן בחיידקים. (נס)
    3. ציין את תפקידם של האנזימים הבאים בסינתזה של פפטידוגליקן:
      1. אוטוליזינים (ans )
      2. בקטופרנולים (ans)
      3. טרנספפטידאזות (ans)
      4. טרנסגליקוזילאז (ans)
    4. פניצילין משמש לטיפול בזיהום חיידקי. תאר את המנגנון שבאמצעותו אנטיביוטיקה זו הורגת בסופו של דבר את החיידקים. (נס)
    5. חיידקים גראם חיוביים מכתים ____________ (ans) לאחר צביעת גראם בעוד חיידקים גראם שליליים מכתים _____________ (ans).
    6. חיידקים חיים בדרך כלל בסביבה היפוטונית. מכיוון שמים זורמים לתא בסביבה היפוטונית, מדוע החיידקים אינם פורצים מלחץ אוסמוטי? (נס)
    7. בחירה מרובה (ans)