Ściana komórkowa bakterii spełnia kilka funkcji. Ze względu na różnice w budowie ściany wyróżniamy bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne. Jak je od siebie odróżnić?

Barwienie Grama

Najczęściej przy opisie bakterii można zobaczyć takie pojęcia jak „bakteria Gram-dodatnia”, albo „bakteria Gram-ujemna”. Pojęcia na rozróżnienie w ten sposób bakterii zostało wprowadzone dzięki Hansowi Christianowi Gramowi, który wykorzystał je po raz pierwszy w 1884 r. Szukał on wtedy sposobu na wizualizację ziarniaków w tkance płuc pacjenta, który zmarł na zapalenie płuc. Gram wykorzystał wtedy fiolet krystaliczny jako barwnik podstawowy, roztwór jodyny jako utrwalacz oraz etanol służący jako odbarwiacz. Tkanka nie zabarwiła się, natomiast ziarniaki pozostały fioletowe.

Przeprowadził wiele doświadczeń z barwieniem, ale zauważył, że pałeczki duru brzusznego po barwieniu odbarwiają się po płukaniu alkoholem. Teraz już wiemy, że zależne jest to odbudowy ściany komórkowej bakterii. Te bakterie, które mają grubą ścianę komórkową zbudowaną z wielu warstw peptydoglikanu nazywamy bakteriami Gram-dodatnimi (barwią się na fioletowo). Z kolei bakterie o cienkiej ścianie komórkowej, które posiadają zwykle 2-3 warstwy peptydoglikanu są bakteriami Gram-ujemnymi (pierwszy barwnik z niego wypływa dlatego komórki barwi się dodatkowo safraniną, albo fuksyną zasadową, co wybarwia je na różowo) [1].

Elementy ściany komórkowej bakterii

W budowie komórki Gram-dodatniej możemy wyróżnić takie elementy jak:

• Kwas lipouronowy
• Kwas tejchojowy
• Kwas lipotejchojowy
• Wiele warstw peptydoglikan (nawet 40)
• Białka błonowe

W budowie komórki Gram-ujemnej możemy wyróżnić takie elementy jak:

• Lipopolisacharyd (LPS)
• Lipoproteina Brauna
• Niewiele warstw peptydoglikanu (2-3)
• Poryny

Komórki bakteryjne są do siebie bardzo podobne, jednak wciąż możemy wyłapać między nimi wiele różnic, które pomagają w identyfikacji bakterii. Bakterie Gram-ujemne posiadają dwie błony: wewnętrzną i zewnętrzną, podczas gdy Gram-dodatnie posiadają tylko błonę wewnętrzną (Ryc.1) [2,3].

Niektóre bakterie posiadają również otoczki. Jest to polimeryczna struktura (Ryc. 2), która otacza bakterie i zbudowana może być z polisacharydów bądź polipeptydów, albo też obu substancji jednocześnie [3].

Warto wspomnieć o lipopolisacharydzie (LPS), który występuje u większości Gram-ujemnych bakterii. Zbudowany on jest z 3 części: lipidu A, oligosacharydowego rdzenia i antygenu O. LPS stanowi barierę dla czynników toksycznych dla bakterii, takich jak antybiotyki, ale też stymuluje układ odpornościowy [4].

Budowa peptydoglikanu

Jest to główna część ściany komórkowej, która nadaje komórce bakteryjnej kształt oraz chroni ją przed pęknięciem ze względu na napięcie jakie powoduje. Peptydoglikan inaczej zwany mureiną jest elastycznym przypominającym sieć polimerem, który okala błonę cytoplazmatyczną komórki bakteryjnej.

Peptydoglikan jest zbudowany z pasm glikanów, które łączą się z krótkimi peptydami. N-acetyloglukozamina (GlcNac) łączy się przez wiązanie Beta-1,4-glikozyowe z kwasem N-acetylomuramylowym (MurNac). Peptyd macierzysty łączy się się z MurNac i może być połączony mostkiem peptydowym z drugim peptydem, który łączy się MurNac. Kilka przykładów budowy peptydoglikanu znajduje się na Ryc. 3.

Bakterie posiadają zróżnicowany w budowie peptydoglikan. Większość bakterii Gram-ujemnych w pozycji 3 peptydu macierzystego posiada kwas meso-diaminopimelinowy (mDAP), a w przypadku bakterii Gram-dodatnich jest to L-Lizyna (L-Lys). Te krótkie peptydy mogą mieć różną długość w zależności od rodzaju bakterii w jakiej występują [5].

Archeony

Bakterie, o których wcześniej wspomniano to eubakterie. Natomiast istnieją jeszcze archebakterie, inaczej archeony, które z kolei nie posiadają peptydoglikanu, tylko pseudomureinę. W tym przypadku za stabilność komórek odpowiadają inne polimery niż w przypadku eubakterii. Pseudomureina nie posiada w swojej budowie D-aminokwasów oraz kwasu N-acetylomuraminowego. W tym przypadku kwas N-acetylotalozaminouronowy i N-acetyloglukozamina są połączone wiązaniem Beta-1,3-glikozydowym.

Ponadto w przypadku wielu archeonów występuje warstwa S, która otacza komórkę i pełni funkcję ochronną. Warstwa ta zbudowana jest z białek i/lub glikoprotein [6].

Bakterie bez ściany komórkowej

Istnieją też bakterie, które są całkowicie pozbawione ściany komórkowej i są to bakterie z rodzaju Mycoplasma. Są to bardzo małe komórki o małym rozmiarze genomu, bo około 580 kbp (kilo par zasad). Bardzo dobrze poznana jest między innymi Mycoplasma pneumoniae, która powoduje zapalenie płuc i odpowiada za to schorzenie u 20% starszych dzieci i młodych dorosłych. Niestety antybiotykooporność wśród tych mikroorganizmów także wzrasta [7]. Ze względu na brak ściany komórkowej niektóre z antybiotyków wobec tych bakterii są bezużyteczne (np. penicylina). Przykład wyglądu komórek
M. pneumonieae można zobaczyć na Ryc. 4.

Literatura

1. Smith, A. C., & Hussey, M. A. (2005). Gram stain protocols. American Society for Microbiology, 1, 14.
2. Martínez-Carmona, M., Gun’ko, Y. K., & Vallet-Regí, M. (2018). Mesoporous silica materials as drug delivery:“The nightmare” of bacterial infection. Pharmaceutics, 10(4), 279.
3. Rohde, M. (2019). The Gram-positive bacterial cell wall. Microbiology Spectrum, 7(3), 7-3. DOI: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0044-2018.
4. Candelli, M., Franza, L., Pignataro, G., Ojetti, V., Covino, M., Piccioni, A., … & Franceschi, F. (2021). Interaction between lipopolysaccharide and gut microbiota in inflammatory bowel diseases. International journal of molecular sciences, 22(12), 6242. DOI: 10.3390/ijms22126242.
5. Pazos, M., & Peters, K. (2019). Peptidoglycan. Bacterial cell walls and membranes, 127-168. DOI: 10.1007/978-3-030-18768-2_5.
6. Efenberger, M., Brzezińska-Błaszczyk, E., & Wódz, K. (2014). Archeony–drobnoustroje ciągle nieznane. Postepy Hig Med Dosw (online), 68, 1452-1463. DOI: 10.5604/17322693.1131697.
7. Krause, D. C., & Balish, M. F. (2004). Cellular engineering in a minimal microbe: structure and assembly of the terminal organelle of Mycoplasma pneumoniae. Molecular microbiology, 51(4), 917-924. DOI: 10.1046/j.1365-2958.2003.03899.x
8. KRAUSE, D. C. (1992). Mycoplasmas which infect humans. Mycoplasmas: Molecular biology and pathogenesis, 417-444.