Клеточная стейка

Наличие клеточной стенки — это особое свойство растений {включая грибы), отличающее их от других живых организмов.’ Клеточная стенка обеспечивает клеткам большую прочность, но' не регулирует проницаемость, что является функцией совершен-? но другой структуры — плазматической мембраны (см.

А. Клеточные стенки многоклеточных растений состоят ИЭ| микрофибрилл целлюлозы различной длины, диаметром 10—|

20 нм, включенных в аморфный матрикс из гемицеллюлозы и пектинов, представляющих собой частично О-метилированную кальциевую соль полимеров галактуроновой кислоты. Клеточ­ную стенку синтезируют ферменты плазматической мембраны [Siegel, 1962].

Б. Клеточная стенка грибов представляет собой мозаику из различных углеводов с отдельными включениями липидов и бел­ков. Основным углеводом является хитин (поли-1Ч-ацетилглюко- замин), хотя у некоторых видов дрожжей хитин отсутствует. Хи­тин составляет основную часть внешнего покрова насекомых и ракообразных.

Дрожжи — это одноклеточные грибы; их клеточные стенки состоят из двух тесно переплетенных структур, причем для со­хранения характерной формы клеток достаточно наличия любой из них. Одна из этих структур состоит целиком из глюкана [полиангидрид глюкозы), вторая представляет собой маннан- протеиновый комплекс, компоненты которого соединены между собой дисульфидными связями. Только разрушение обеих струк­тур приводит к выходу цитоплазмы в окружающую среду [Ba­con et at, 1965].

В отличие от клеток высших организмов клетки грибов ис­пытывают высокое внутреннее осмотическое давление, поэтому если разрушить клеточную стенку, например, действием хитина- зы (выделенной из улиток), то клетки лопаются; этого можно избежать, если повысить осмотическое давление снаружи.

В. В бактериальных клетках также существует высокое ос­мотическое давление, особенно у грамположительных микроор­ганизмов [Brown, 1964; Mitchell, Moyle, 1957]. От разрыва их удерживает толстая стенка, на долю которой приходится до 25% сухого веса клетки. В процессе роста протопласта (т. е. всего содержимого клетки, помимо стенки) должен происходить и синтез материала клеточной стенки. Механизм действия неко­торых антибиотиков, применяемых в медицине, заключается в нарушении синтеза клеточной стенки (см. ниже). Поэтому при росте бактерий в результате ослабления клеточной стенки насту­пает разрыв бактериальных клеток под действием собственного осмотического давления. Впервые это явление наблюдал Leder- berg (1957) на примере пенициллина. Он отметил, что лизис можно предотвратить, используя культуральные среды с высо­ким содержанием солей.

Величина эффективного диаметра пор в стенке бактериаль­ных клеток составляет приблизительно 1 нм [Mitchell, Moyle, 1956]. Стенка грамположительных бактерий толщиной 15— 50 нм примерно наполовину состоит из муреина [так называл эту молекулу Park (1966), первый исследователь молекулярно­го механизма действия пенициллина] — полисахаридно-полипеп-

Рис. 5.3. Фрагмент муреина: поперечная сшивка единиц муропептида соответ­ствующими аминокислотами. Mur — дисахарид, AGLA — четыре аминокисло­ты, AGLAA — пять аминокислот.

тидного полимера. Примерно 25 лежащих друг на друге слоев муреина придают стенке прочность. Остальные компоненты стенки бактерий представлены в основном тейхоевой кислотой (см. ниже). Муреин является специфическим субстратом для лизоцима, противобактериального фермента, содержащегося в слезах и других секретах организма, а также в белке яйца. Лизоцим используют фаги вирусов для проникновения в бак­териальную клетку.

Стенка грамотрицательных бактерий устроена значительно сложнее. Под электронным микроскопом отчетливо видны кон­центрические слои. Уникальным свойством грамотрицательных бактерий является то, что в них муреин с наружной стороны покрыт второй полупроницаемой мембраной, состоящей из ли­попротеидов и липополисахаридов. В стенках этих бактерий отсутствует тейхоевая кислота, а муреин составляет всего лишь 5—20% всей массы стенки. Его слои, толщиной около 2 нм, с внутренней стороны тесно связаны с плазматической мембра­ной, их целостность зависит от наличия магния и кальция. Предполагают, что наружная мембрана возникла в результате естественного отбора для защиты муреина от разрушения лизо­цимом. Это подтверждается и тем фактом, что муреин грамот­рицательных организмов значительно более однороден, чем му­реин грамположительных бактерий, для которых естественный отбор был направлен на повышение устойчивости муреина к внешним воздействиям [Nikaido, 1979]. Эта структура грамот­рицательных бактерий создает трудности при разработке ле­карственных веществ, после преодоления которых уже не при­ходится сталкиваться с таким количеством различий, как у грамположительных организмов.

Муреин (известный также под названием пептидогликан) представляет собой поперечно-сшитый полимер неопределенного размера. Весьма вероятно, что всего лишь одна молекула му­реина обвалакивает всю бактерию. Когда в процессе роста клетки возникает необходимость увеличить размер молекулы

муреина, происходит встраивание дополнительных частей в раз­резы, образующиеся под действием специальных цитоплазмати­ческих ферментов. Молекула муреина состоит из линейных це­пей дисахаридов, поперечно-сшитых боковыми цепями амино­кислотных остатков (рис. 5.3).

Г. Биосинтез муреина. Его первой стадией является синтез характеристичного моносахарида. Вначале в цитоплазме из N-ацетилглюкозамин-І-фосфата и УТФ образуется уридин-N- ацетилглюкозамин. Затем в положение 3 этого нуклеотида (в две стадии) присоединяется остаток молочной кислоты и об­разуется уридиндифосфо-Мі-ацетилмураминовая кислота [аце- тилмураминовая кислота — это З-О-О-лактил-М-ацетилглюкоза- мин (5.9), сахар, встречающийся только в клеточной стенке прокариот].

Затем этот моносахарид превращается в дисахарид. На первой стадии он ковалентно присоединяется к изопреноидному спирту С₅₅ плазматической мембраны, отщепляя при этом УМФ [Higashi, Strominger, Sweeley, 1967]і. После этого молеку­ла N-ацетилглюкозамина реагирует с остатком лизина, с кото­рым соединены и пять остатков глицина (образование этой цепи 215

идет без участия рибосом и в направлении, противоположном нормальному пептидному синтезу). Полученный таким образом продукт обычно называют «дисахарид декапептида».

Следующей стадией является полимеризация. Разрывается связь дисахарида декапептида с Css-компонентом мембраны и образуется связь, соединяющая положение 1 остатка N-ацетил- мураминовой кислоты с гидроксильной группой в положении 4 концевого остатка N-ацетилглюкозамина другого дисахарида. Повторение этого процесса (примерно 50 раз) приводит к росту полисахаридной цепи [Strominger et al., 1967].

Последняя стадия — образование поперечных сшивок в ре­зультате реакции транспептидации. Эта реакция не требует притока внешней энергии и протекает между концевой амино­группой пентаглициновой боковой цепи и карбонильным остат­ком предпоследнего остатка D-аланина в другой пентапептид- ной цепи. При этом отщепляется одна молекула D-аланина и образуется новая пептидная связь [Wise, Park, 1965: Tipper, Strominger, 1965]. Вследствие повторения этого процесса обра­зуется слой муреина.

Несколько иначе устроен муреин грамотрицательных орга­низмов. В нем отсутствует пентаглициновая цепь, а сшивка об­разуется между концевой аминогруппой мезо-диаминопимели- новой кислоты (занимающей место лизина) и предпоследним D-аланином.

Тейхоевые кислоты — это полимеры глицерофосфата и ри- битфосфата, расположенные на С₅5-стороне плазматической мембраны грамотрицательных бактерий. К этому полимерному остову, в зависимости от вида бактерий, присоединены различ­ные заместители (D-аланин, глюкоза, галактоза или аминосаха­ра). Тейхоевые кислоты принимают участие в обмене ионов между клеточной стенкой и плазматической мембраной, накап­ливают ионы магния и определяют групповые антигенные свой­ства клеточной стенки. Больше нигде в природе не встречаются [Baddiley, Hancock, Sherwood, 1973].

Стенки спор бактерий построены так же, как и клеточные стенки, но, кроме этого, покрыты еще комплексом кальция с дипиколинатом, в свою очередь укрытого снаружи белковой оболочкой с множественными дисульфидными связями [Gould, Hitchins, 1963].

О строении бактериальных клеточных стенок см. Gale и сотр. (1981) и Franklin, Snow (1981).

Механизм действия некоторых антибиотиков заключается в нарушении различных стадий биосинтеза клеточной стенки, бактерий. Структурный аналог D-аланина циклосерин (5.11), применяющийся при' устойчивых формах туберкулеза (разд. 2Ї6

9.4.3), ингибирует два фермента: один из них рацемизует L-аланин в D-аланин (5.12), а второй синтезирует из D-аланина О-аланил-О-аланин [Strominger, Threnn, Scott, 1959]. Со вто­рым ферментом циклосерин связывается в 100 раз эффективнее, чем нормальный субстрат. К аналогам-антагонистам аланина, имеющим значение для клинической практики, относятся 3-фтор- D-аланин и его 2-дейтеропроизводное [Kollonitsch et al., 1973] и алафосфалин (3.50) (разд. 3.6).

Механизм противомикробного действия бензилпенициллина (5.13), первого представителя пенициллинов, заключается в об­разовании ковалентной связи между ним и «пептидогликан- транспептидазой», ферментом, в норме образующим поперечные сшивки в муреине на последней стадии биосинтеза [Izaki, Mat- suhashi, Strominger, 1968]. В результате этого растущая бак­терия теряет способность строить новую стенку и погибает (см. также разд. 13.1 и 13.2).