Муреин Распространение в природе

Муреин– основной стабилизирующий структурный компонент клеточных стенокэубактерий(прокариот) ицианобактерий, относящихся к одноклеточным организмам (рис.1).

(а)

(б)

Рис.1.Клетки бактерий (а) и структура прокариотической клетки (б).

Клетка прокариот устроена значительно проще клеток животных и растений (эукариот). Снаружи она покрытаклеточной стенкойтолщиной 20 - 80 нм, выполняющей защитные, формирующие и транспортные функции. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухих веществ клетки.В прокариотических клетках отсутствует эндоплазматическая сеть, а генетический материал (рибосомыиДНК)находится непосредственно в цитоплазме. Нет у прокариот имитохондрий,их функции частично выполняет клеточная мембрана. Иногда бактериальная клетка покрыта сверху капсулой или слизистым слоем. Кроме того, она может иметь жгутики и споры (необязательные компоненты бактериальной клетки).

Фрагмент клеточной стенки прокариотической клетки грамотрицательныхэубактерий представлен на рис.2. Клеточная стенкаимеет внешнюю (цитоплазматическую) и внутреннюю мембраны, в которых располагаются трансмембранные каналообразующие белки –порины. Порины образуют поры, проницаемые для молекул с молекулярной массой до 600 Да. Между плазматической и внешней мембраной впериплазматическом пространственаходится муреин. Толщина слоя муреина в клеточной стенке грамотрицательных эубактерий составляет 2 - 3 нм (5 - 10% клеточной стенки).

Рис.2.Фрагмент клеточной стенки грамотрицательных эубактерий.

В отличие от грамотрицательных, клеточная стенка грамположительныхэубактерий не имеет внешней мембраны, и основную массу клеточной стенки составляет муреин (50 - 90%). Клеточная стенка цианобактерий (синезеленых водорослей и др.), сходная с таковой грамотрицательных эубактерий, содержит от 20 до 50% этого полисахарида.

Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клеткам определенную форму, жёсткость которой (подобно целлюлозе и другим структурным полисахаридам растений и животных) обеспечивает муреин. Клеточная стенка защищает клетку от проникновения в нее избытка воды, поскольку более высокая концентрация солей в клетке в сравнении с окружающей средой обуславливает большое различие в осмотическом давлении между ними.

Химическое строение и молекулярная структура

Муреин – линейный гетерополисахарид. Его макромолекула построена из чередующихся остатков звеньев -N-ацетилглюкозаминаи-N-ацетилмурамовой кислоты(простой эфир молочной кислоты и N-ацетилглюкозамина), соединенных-(1→4)-гликозидными связями(рис.3).

Рис.3.Структурная формула макромолекулы муреина.

В клеточной стенке карбоксильная группа молочной кислоты звеньев -N-ацетилмурамовой кислоты связана амидной связью спептидом (на рис.3 показан условно), который соединяет отдельные цепи муреина в трехмерную сетчатую структуру –углевод-белковый комплекс(рис.4), называемуюпептидомуреином.

Рис.4.Схематическое изображение однослойной пространственной структуры муреина. Сходящиеся вдали ряды – гетерополисахаридные цепочки, состоящие из чередующихся остатков-N-ацетилглюкозамина (Г) и-N-ацетилмурамовой кислоты (М).

Рассмотрим структуру пептидомуреина на примере грамположительных эубактерий. (Для них обнаружено более 100 различных химических типов пептидомуреина, причем большинство различий относится, в основном, к пептидной части углевод-белкового комплекса.)

Схематическое изображение фрагмента структуры пептидомуреина грамположительных эубактерий представлено на рис.5. К звену остатка -N-ацетилмурамовой кислоты линейной цепи муреина присоединен короткий пептидный фрагмент, состоящий из небольшого числа (обычно 4 - 5) аминокислот. Особенность пептидного фрагмента заключается в наличии звеньев остатков аминокислот вD-форме(конфигурация, практически не свойственная живой природе) и содержании аминокислот с двумя аминогруппами. Последнее имеет принципиальное значение для пространственной организации пептидомуреина. Обе аминогруппы таких аминокислот могут участвовать в образовании пептидных связей, причем вторые аминогруппы – в формировании дополнительных пептидных связей между цепями макромолекулы полисахарида. В большинстве случаев в образовании пептидной связи участвует карбоксильная группаD-аланина и свободная аминогруппамезо-диаминопимелиновой кислоты (рис.5,1), но могут участвовать и другие аминокислоты.

Рис.5.Фрагмент структуры пептидомуреина клеточной стенки грамположительных эубактерий. Цифры в кружках обозначают:1 – места присоединения цепей муреина пептидными связями;2 – место ковалентного связывания (пептидная связь) с полисахаридами внешней мембраны;3 – место присоединения молекулы тейхоевой кислоты фосфодиэфирной связью;4– место действия лизоцима. Пояснения в тексте.

Частота связей пептид–муреин углевод–белкового комплекса различных прокариот зависит от количества пептидных фрагментов, участвующих в формировании межцепочечных связей. Некоторые аминокислоты могут образовывать ковалентные связи с другими макромолекулами, входящими в состав клеточной стенки (рис.5, 2), например, с полисахаридами внешней мембраны.

С муреином клеточной стенки грамположительных бактерий ковалентно связаны тейхоевые кислоты (от греческого слова teichos– стенка) (рис.5,3). Последние представляют собой природные полимеры, построенные из звеньев остатков рибита (пятиатомного спирта) или глицерина (трехатомного спирта), соединенных фосфодиэфирными связями. Некоторые свободные гидроксильные группы в молекулах тейхоевых кислот замещены остаткамиD-аланина, глюкозы,N-ацетилглюкозамина и некоторых других сахаров. Остающиеся свободные ОН-группы фосфорной кислоты придают тейхоевой кислоте свойства полианиона, определяющего поверхностный заряд клетки. Углеводные компоненты тейхоевых кислот входят в состав рецепторов для некоторых бактериофагов и определяют возможность адсорбции фага на клеточной поверхности. Считается, что тейхоевые кислоты являются основными антигенами грамположительных эубактерий.

Таким образом, основными компонентами клеточной стенки грамположительных эубактерий являются: пептидомуреин, тейхоевые кислоты и бактериальные резервные полисахариды (декстранигранулеза, построены из остатков-D-глюкопиранозы; в неблагоприятных условиях они используются в качестве источника углерода и энергии), которые с помощью ковалентных связей образуют сложную структуру с упорядоченной пространственной организацией. В целом клеточную стенку грамположительных эубактерий принято представлять в виде губчатой структуры с порами диаметром ~1 - 6 нм. Толщина клеточной стенки грамположительных прокариот, например бацилл Bacillus subtilis, соответствует толщине~40 молекулпептидомуреина.

У грамотрицательных эубактерий строение клеточной стенки (рис.2) сложнее, чем у грамположительных. В ее состав входит бόльшее число макромолекул разного химического типа. Пептидомуреин образует только внутренний слой клеточной стенки. У большинства видов грамотрицательных прокариот муреин-белковый комплекс образует одно-илидвухслойную структуру, характеризующуюся редкими поперечными связями между полисахаридными цепями. Снаружи от муреина располагается дополнительный слой клеточной стенки – внешняя мембрана. Она состоит из фосфолипидов, белков, липопротеина и липополисахарида сложного молекулярного строения, занимающего ~30 - 40% поверхности внешней мембраны.

Сравнительный анализ химического состава клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных эубактерий приведен в таблице.

Таблица