معلومة

4: البكتيريا - جدران الخلايا - علم الأحياء


من المهم ملاحظة أنه ليس كل البكتيريا لها أ جدار الخلية. بعد قولي هذا ، من المهم أيضًا ملاحظة ذلك عظم البكتيريا (حوالي 90٪) لها جدار خلوي وعادة ما يكون لها نوع من نوعين: أ غرام إيجابي جدار الخلية أو أ غرام سلبي جدار الخلية. يمكن التعرف على نوعي جدار الخلية المختلفين في المختبر من خلال صبغة تفاضلية تعرف باسم غرام وصمة عار. تم تطويره في عام 1884 ، وهو قيد الاستخدام منذ ذلك الحين. في الأصل ، لم يكن معروفًا لماذا سمحت صبغة جرام بهذا الفصل الموثوق به للبكتيريا إلى مجموعتين. بمجرد اختراع المجهر الإلكتروني في الأربعينيات من القرن الماضي ، وجد أن اختلاف التلوين يرتبط بالاختلافات في جدران الخلايا. إليك موقع ويب يعرض الخطوات الفعلية لصبغة جرام. بعد تطبيق تقنية الصبغة هذه ، تلطخ البكتيريا موجبة الجرام اللون الأرجواني ، بينما تلطخ البكتيريا سالبة الجرام باللون الوردي.

نظرة عامة على جدران الخلايا البكتيرية

يوجد جدار خلوي ، ليس فقط من البكتيريا ولكن لجميع الكائنات الحية ، خارج غشاء الخلية. إنها طبقة إضافية توفر عادةً بعض القوة التي يفتقر إليها غشاء الخلية ، من خلال وجود بنية شبه صلبة.

كل من جدران الخلايا الموجبة والسالبة الجرام تحتوي على عنصر يعرف باسم ببتيدوغليكان (المعروف أيضًا باسم مورين). لم يتم العثور على هذه المادة بالذات في أي مكان آخر على الأرض ، بخلاف جدران خلايا البكتيريا. لكن كلا نوعي جدار الخلية البكتيرية يحتويان على مكونات إضافية أيضًا ، مما يجعل جدار الخلية البكتيرية بنية معقدة بشكل عام ، لا سيما عند مقارنتها بجدران الخلايا للميكروبات حقيقية النواة. تتكون جدران الخلايا للميكروبات حقيقية النواة عادةً من مكون واحد ، مثل السليلوز الموجود في جدران الخلايا الطحلبية أو الكيتين في جدران الخلايا الفطرية.

يقوم جدار الخلية البكتيرية بالعديد من الوظائف أيضًا ، بالإضافة إلى توفير القوة الكلية للخلية. كما أنه يساعد في الحفاظ على شكل الخلية ، وهو أمر مهم لكيفية نمو الخلية ، وتكاثرها ، والحصول على العناصر الغذائية ، والتحرك. يحمي الخلية من تحلل تناضحي، حيث تنتقل الخلية من بيئة إلى أخرى أو تنقل العناصر الغذائية من محيطها. نظرًا لأن الماء يمكن أن يتحرك بحرية عبر كل من غشاء الخلية وجدار الخلية ، فإن الخلية معرضة لخطر عدم التوازن التناضحي ، مما قد يضغط على غشاء البلازما الضعيف نسبيًا. أظهرت الدراسات بالفعل أن الضغط الداخلي للخلية يشبه الضغط الموجود داخل إطار سيارة منتفخ بالكامل. هذا ضغط كبير على غشاء البلازما لتحمله! يمكن لجدار الخلية أن يمنع جزيئات معينة ، مثل السموم ، وخاصة البكتيريا سالبة الجرام. وأخيرًا ، يمكن لجدار الخلية البكتيرية أن يساهم في الإمراضية أو المرض - مما يتسبب في قدرة الخلية على بعض مسببات الأمراض البكتيرية.

هيكل الببتيدوغليكان

دعونا نبدأ مع الببتيدوغليكان ، لأنه مكون يشترك فيه كل من جدران الخلايا البكتيرية. ببتيدوغليكان هو عديد السكاريد مصنوع من مشتقين للجلوكوز ، N-acetylglucosamine (NAG) و حمض N-acetylmuramic (NAM)، بالتناوب في سلاسل طويلة. السلاسل مرتبطة ببعضها البعض بواسطة أ رباعي الببتيد الذي يمتد من وحدة السكر NAM ، مما يسمح بتكوين بنية تشبه الشبكة. الأحماض الأمينية الأربعة التي يتكون منها رباعي الببتيد هي: L- ألانين ، D- الجلوتامين ، L- ليسين أو ميسو- حمض ديامينوبيمليك (DPA) ، و D- ألانين. عادةً ما يتم استخدام الشكل L-isomeric فقط من الأحماض الأمينية بواسطة الخلايا ولكن استخدام صورة المرآة D- الأحماض الأمينية يوفر الحماية من البروتياز الذي قد يضر بسلامة جدار الخلية من خلال مهاجمة الببتيدوغليكان. يمكن أن تكون رباعي الببتيدات متقاطع مباشرة لبعضهم البعض ، مع D-alanine على رباعي ببتيد واحد مرتبط بـ L-lysine / DPA على رباعي ببتيد آخر. يوجد في العديد من البكتيريا موجبة الجرام جسر متقاطع من خمسة أحماض أمينية مثل الجلايسين (الببتيد انتربريدج) يعمل على توصيل رباعي ببتيد بآخر. في كلتا الحالتين ، يعمل الارتباط المتقاطع على زيادة قوة الهيكل العام ، مع مزيد من القوة المستمدة من عبر الربط الكامل، حيث يرتبط كل رباعي ببتيد بطريقة ما برباعي ببتيد على سلسلة NAG-NAM أخرى.

في حين لا يزال الكثير غير معروف عن الببتيدوغليكان ، تشير الأبحاث في السنوات العشر الماضية إلى أن الببتيدوغليكان يتم تصنيعه على شكل أسطوانة ذات بنية تحتية ملفوفة ، حيث يتم ربط كل ملف بالملف المجاور له ، مما يخلق بنية أقوى بشكل عام.

هيكل ببتيدوغليكان.

جدران الخلايا الموجبة لصبغة جرام

تتكون جدران الخلايا من البكتيريا موجبة الجرام في الغالب من الببتيدوغليكان. في الواقع ، يمكن أن يمثل الببتيدوغليكان ما يصل إلى 90٪ من جدار الخلية ، مع تشكل طبقة بعد طبقة حول غشاء الخلية. عادةً ما تكون رباعيات الببتيدات NAM مرتبطة بشكل متقاطع مع جسر الببتيد الداخلي والربط المتبادل الكامل أمر شائع. كل هذا يتحد معًا لإنشاء جدار خلوي قوي بشكل لا يصدق.

المكون الإضافي في جدار الخلية الموجب للجرام هو حمض التيكويك، وهو بوليمر سكري ، مضمن داخل طبقات الببتيدوغليكان. يُعتقد أن حمض التيكويك يلعب عدة أدوار مهمة للخلية ، مثل توليد صافي الشحنة السالبة للخلية ، وهو أمر ضروري لتطوير القوة المحركة للبروتون. يساهم حمض التيكويك في الصلابة الكلية لجدار الخلية ، وهو أمر مهم للحفاظ على شكل الخلية ، خاصة في الكائنات على شكل قضيب. هناك أيضًا دليل على أن أحماض التيكويك تشارك في انقسام الخلايا ، من خلال التفاعل مع آلية التخليق الحيوي للببتيدوغليكان. أخيرًا ، يبدو أن أحماض التييكويك تلعب دورًا في مقاومة الظروف المعاكسة مثل درجات الحرارة المرتفعة وتركيزات الملح العالية ، وكذلك المضادات الحيوية بيتا لاكتام. يمكن ربط أحماض التييكويك تساهميًا مع الببتيدوغليكان (أحماض تيشويك الجدار أو WTA) أو متصلة بغشاء الخلية عبر مرساة دهنية ، وفي هذه الحالة يشار إليها باسم حمض الليبوتايكويك.

نظرًا لأن الببتيدوغليكان مسامي نسبيًا ، يمكن أن تمر معظم المواد عبر جدار الخلية الموجب للجرام بصعوبة قليلة. لكن بعض العناصر الغذائية كبيرة جدًا ، مما يتطلب من الخلية الاعتماد على استخدامها الإنزيمات الخارجية. تصنع هذه الإنزيمات خارج الخلية داخل سيتوبلازم الخلية ثم تفرز بعد غشاء الخلية ، من خلال جدار الخلية ، حيث تعمل خارج الخلية لتحطيم الجزيئات الكبيرة إلى مكونات أصغر.

جدران الخلايا السلبية الجرام

تعد جدران الخلايا للبكتيريا سالبة الجرام أكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في البكتيريا موجبة الجرام ، مع وجود المزيد من المكونات بشكل عام. أنها تحتوي على ببتيدوغليكان أيضًا ، على الرغم من وجود طبقتين فقط ، تمثل 5-10 ٪ من إجمالي جدار الخلية. إن أكثر ما يميز جدار الخلية سالب الجرام هو وجود غشاء بلازما يقع خارج طبقات الببتيدوغليكان ، والمعروف باسم الغشاء الخارجي. هذا يشكل الجزء الأكبر من جدار الخلية السالب الجرام. يتكون الغشاء الخارجي من طبقة ثنائية للدهون ، تشبه إلى حد بعيد تكوين غشاء الخلية مع الرؤوس القطبية وذيول الأحماض الدهنية والبروتينات المتكاملة. وهو يختلف عن غشاء الخلية بوجود جزيئات كبيرة تعرف باسم عديد السكاريد الدهني (LPS)، والتي يتم تثبيتها في الغشاء الخارجي وتخرج من الخلية إلى البيئة. يتكون LPS من ثلاثة مكونات مختلفة: 1) مستضد O أو O- عديد السكاريد، والذي يمثل الجزء الخارجي من الهيكل ، 2) عديد السكاريد الأساسيو 3) الدهون أ، والذي يثبت LPS في الغشاء الخارجي. من المعروف أن LPS يخدم العديد من الوظائف المختلفة للخلية ، مثل المساهمة في صافي الشحنات السالبة للخلية ، والمساعدة على استقرار الغشاء الخارجي ، وتوفير الحماية من بعض المواد الكيميائية عن طريق منع الوصول إلى أجزاء أخرى من جدار الخلية فعليًا. بالإضافة إلى ذلك ، يلعب LPS دورًا في استجابة المضيف للبكتيريا المسببة للأمراض سالبة الجرام. يطلق مستضد O استجابة مناعية في مضيف مصاب ، مما يتسبب في إنتاج المضادات الحيوية الخاصة بهذا الجزء من LPS (فكر في بكتريا قولونية ا157). يعمل الدهن أ كسموم ، على وجه التحديد الذيفان الداخلي، مما يسبب أعراض عامة للمرض مثل الحمى والإسهال. يمكن أن تؤدي كمية كبيرة من الدهون A التي يتم إطلاقها في مجرى الدم إلى حدوث صدمة تسمم داخلي ، وهي استجابة التهابية على مستوى الجسم يمكن أن تهدد الحياة.

يمثل الغشاء الخارجي عائقًا أمام الخلية. في حين أن هناك جزيئات معينة ترغب في إبعادها ، مثل المضادات الحيوية والمواد الكيميائية السامة ، إلا أن هناك عناصر مغذية ترغب في السماح لها بالدخول وتشكل طبقة ثنائية الدهون الإضافية حاجزًا هائلاً. يتم تفكيك الجزيئات الكبيرة بواسطة الإنزيمات ، للسماح لها بتجاوز LPS. بدلاً من الإنزيمات الخارجية (مثل البكتيريا الموجبة للجرام) ، تستخدم البكتيريا سالبة الجرام إنزيمات محيطية التي تم تخزينها في بيريبلاسم. أنت تسأل أين هي periplasm؟ إنها المساحة الواقعة بين السطح الخارجي لغشاء الخلية والسطح الداخلي للغشاء الخارجي ، وتحتوي على الببتيدوغليكان السالب للجرام. بمجرد أن تكسر الإنزيمات المحيطة بالبلازما المغذيات إلى جزيئات أصغر يمكنها تجاوز LPS ، فإنها لا تزال بحاجة إلى النقل عبر الغشاء الخارجي ، وتحديدًا طبقة الدهون الثنائية. تستخدم الخلايا السالبة الجرام بورينز، وهي بروتينات عبر الغشاء تتكون من قاطع من ثلاث وحدات فرعية ، والتي تشكل مسامًا عبر الغشاء. بعض البورنات غير محددة وتنقل أي جزيء يناسبها ، في حين أن بعض البورنات محددة وتنقل فقط المواد التي يتعرفون عليها من خلال استخدام موقع الربط. بمجرد عبور الغشاء الخارجي وفي المحيط الخارجي ، تشق الجزيئات طريقها عبر طبقات الببتيدوغليكان المسامية قبل أن يتم نقلها بواسطة بروتينات متكاملة عبر غشاء الخلية.

ترتبط طبقات الببتيدوغليكان بالغشاء الخارجي باستخدام بروتين دهني معروف باسم بروتين براون الدهني (حسنًا يا دكتور براون). في أحد الطرفين ، يرتبط البروتين الدهني تساهميًا بالببتيدوغليكان بينما يتم دمج الطرف الآخر في الغشاء الخارجي عبر رأسه القطبي. يوفر هذا الارتباط بين الطبقتين قوة وسلامة هيكلية إضافية.

بكتيريا غير عادية وعديمة الجدار

بعد التأكيد على أهمية جدار الخلية ومكون الببتيدوجليكان لكل من البكتيريا موجبة الجرام والبكتيريا سالبة الجرام ، يبدو من المهم الإشارة إلى بعض الاستثناءات أيضًا. البكتيريا التي تنتمي إلى الشعبة الكلاميديا يبدو أنها تفتقر إلى الببتيدوغليكان ، على الرغم من أن جدرانها الخلوية لها بنية سلبية الجرام في جميع النواحي الأخرى (مثل الغشاء الخارجي ، LPS ، بورين ، إلخ). لقد تم اقتراح أنهم ربما يستخدمون طبقة بروتينية تعمل بنفس الطريقة التي يعمل بها الببتيدوغليكان. هذا له ميزة للخلية في توفير مقاومة للمضادات الحيوية بيتا لاكتام (مثل البنسلين) ، التي تهاجم الببتيدوغليكان.

البكتيريا التي تنتمي إلى الشعبة تينريكوتس تفتقر إلى جدار الخلية تمامًا ، مما يجعلها شديدة التأثر بالتغيرات التناضحية. غالبًا ما يقومون بتقوية غشاء الخلية إلى حد ما عن طريق إضافة ستيرول، وهي مادة مرتبطة عادة بأغشية الخلايا حقيقية النواة. العديد من أعضاء هذه الشعبة هم من مسببات الأمراض ، ويختارون الاختباء داخل البيئة الوقائية للمضيف.

الكلمات الدالة

جدار الخلية ، البكتيريا موجبة الجرام ، البكتيريا سالبة الجرام ، صبغة جرام ، الببتيدوغليكان ، مورين ، التحلل الأسموزي ، N-acetylglucosamine (NAG) ، N-acetylmuramic acid (NAM) ، tetrapeptide ، L- ألانين ، D- الجلوتامين ، L- ليسين ، ميسو-حمض ديامينوبيمليك (DPA) ، D- ألانين ، رابط متقاطع مباشر ، جسر ببتيد ، ربط متقاطع كامل ، حمض تيكويك ، حمض تيكويك الجدار (WTA) ، حمض ليبوتيكويك ، إنزيمات خارجية ، غشاء خارجي ، عديد السكاريد الدهني (LPS) ، مستضد O أو O- عديد السكاريد ، عديد السكاريد الأساسي ، الدهون A ، الذيفان الداخلي ، الإنزيمات المحيطة بالبلازما ، periplasm ، porins ، البروتين الدهني Braun ، Chlamydiae ، Tenericutes ، الستيرولات.

أسئلة / أهداف أساسية

  1. ما هي الخصائص والوظائف الأساسية لجدار الخلية في بكتيريا?
  2. ما هي صبغة جرام وكيف ترتبط بأنواع جدار الخلية المختلفة بكتيريا?
  3. ما هو هيكل الوحدة الأساسية للببتيدوغليكان؟ ما هي المكونات الموجودة وكيف تتفاعل؟ كن قادرًا على رسم تخطيطي للببتيدوغليكان ومكوناته.
  4. ما هو الارتباط المتقاطع ولماذا يلعب هذا الدور المهم في جدار الخلية؟ ما هي الأنواع المختلفة للربط المتبادل الموجودة؟
  5. لماذا تعتبر الأحماض الأمينية D غير عادية وكيف يمكن لوجود الأحماض الأمينية D في الببتيدوجلي أن يحافظ على استقرار هذا الجزيء الكبير؟
  6. ما هي الاختلافات بين الكائنات الحية الموجبة والسالبة الجرام من حيث سمك الببتيدوغليكان ، والمكونات المختلفة لـ PG والاختلافات في الارتباط المتقاطع والقوة ، والجزيئات الأخرى المرتبطة بجدار الخلية؟
  7. ما هو حمض التيكويك وما هي أدواره ووظائفه المقترحة؟ ما هي الأحماض الدهنية؟
  8. ما هو محيط البكتيريا سالبة الجرام؟ ما الغرض الذي يمكن أن يخدمه؟ ما البدائل المتاحة للخلايا؟
  9. ما هي التركيبة العامة للغشاء الخارجي للكائنات الحية الدقيقة سالبة الجرام ، وظيفتها وخصائصها السامة؟ كيف ترتبط بالخلية؟ ما هو بورين وما هي وظائفهم؟
  10. ما هي مجموعة البكتيريا التي تفتقر إلى الببتيدوغليكان في جدارها الخلوي؟ ما هي الميزة التي يمنحها هذا؟
  11. ما هي مجموعة البكتيريا التي لا تحتوي عادة على جدران خلوية وكيف تحافظ على نفسها؟

أسئلة استكشافية (اختياري)

  1. كيف ترتبط آلية صبغة جرام بمكونات معينة لجدار الخلية البكتيرية؟

بناءً على نتيجة تلطيخ الجرام ، يُذكر أن هناك نوعين من جدار الخلية مثل

هيكل جدار الخلية البكتيرية من البكتيريا موجبة الجرام وسالبة الجرام | مصدر الصورة: https://www.technologynetworks.com/immunology/articles/gram-positive-vs-gram-negative-323007

هيكل جدار الخلية من البكتيريا موجبة الجرام

هيكل جدار الخلية من البكتيريا موجبة الجرام
  • تحتوي معظم البكتيريا موجبة الجرام على طبقة ببتيدوغليكان بسمك 20-80 نانومتر. يمثل 40-90٪ من الوزن الجاف.
  • قد يختلف سمك الببتيدوجليكان من نوع إلى نوع ويوفر صلابة لجدار الخلية.
  • إلى جانب الببتيدوغليكان ، يوجد بوليمر حمضي آخر يحتوي على الفوسفور المعروف باسم حمض تيشويك.
  • يُعرف جدار الخلية للبكتيريا موجبة الجرام باسم مورين.
  • أثناء تلطيخ الجرام ، تأخذ البكتيريا موجبة الجرام صبغة البنفسج الكريستالية وتصبح أرجوانية.
  • يمكن إذابة هذا النوع من جدار الخلية تمامًا بهجوم إنزيم الليزوزيمات. هذا الإنزيم يكسر الرابطة بين حمض N-acetylmuramic و N-acetylglucosamine.
  • جدار الخلية المكورات العنقودية الذهبية هو استثنائي ، يمكنه مقاومة عمل الليزوزيمات. لأن الكربون 6 لبعض بقايا حمض الموراميك تحتوي على مجموعات O- أسيتيل.
  • يحتوي جدار الخلية للبكتيريا موجبة الجرام على نوعين من حمض التيكويك مثل أحماض ريبيتول تيشويك وأحماض الجلسرين التيشويك. هذه هي بوليمر بوليمرات فوسفات الريبيتول وفوسفات الجلسرين وتوجد فقط على سطح البكتيريا موجبة الجرام.

هيكل جدار الخلية للبكتيريا سالبة الجرام

هيكل جدار الخلية للبكتيريا سالبة الجرام
  • جدار الخلية للبكتيريا سالبة الجرام أرق بكثير مقارنة بالبكتيريا موجبة الجرام.
  • لديهم أيضًا غشاء بلازما ثانٍ سطحي لطبقة الببتيدوغليكان الخفيفة ، بدورهم ، بجوار الغشاء السيتوبلازمي.
  • أثناء تلطيخ الجرام ، يكون جدار الخلية لهذه البكتيريا ملطخًا باللون الوردي.
  • تحتوي البكتيريا سالبة الجرام على ببتيدوغليكان ولكن بكميات قليلة جدًا. تحتل 5-10٪ من جدار الخلية في البكتيريا سالبة الجرام.
  • يفتقرون إلى حمض التيكويك في جدار الخلية.
  • طبقة الببتيدوغليكان محاطة بغشاء خارجي. لذلك ، نرى مسافة بين غشاء البلازما والغشاء الخارجي. تسمى هذه المساحة بالفضاء المحيطي.
  • قد تمتلئ هذه المساحة بشبكة فضفاضة من البروتينات الدهنية وكمية هائلة من الإنزيمات والبروتينات الناقلة.
  • الطبقة الخارجية هي طبقة ثنائية وتتكون من البروتين وعديد السكاريد الدهني.
  • تعتبر عديدات السكاريد الدهنية في الغشاء الخارجي مسؤولة عن العديد من خصائص المستضد.

سؤال : 4. جدار الخلية البكتيرية ، المكون من الببتيدوغليكان (PG) ، ضروري لبقاء الخلايا البكتيرية. بدون جدار الخلية PG ، سوف تنفجر البكتيريا بسرعة بسبب الضغط الأسموزي وتموت. يتم تصنيع PG في سلاسل ، والتي يتم بعد ذلك ربطها ببعضها البعض بواسطة إنزيم transpeptidase لتشكيل هيكل يشبه القفص يحيط بالبكتيريا

4. جدار الخلية البكتيرية ، المكون من الببتيدوغليكان (PG) ، ضروري لبقاء الخلايا البكتيرية. بدون جدار الخلية PG ، سوف تنفجر البكتيريا بسرعة بسبب الضغط الأسموزي وتموت. يتم تصنيع PG في سلاسل ، والتي يتم بعد ذلك ربطها ببعضها البعض بواسطة إنزيم transpeptidase لتشكيل بنية تشبه القفص تحيط بالخلية البكتيرية.

4 ا. الموقع النشط وجزء من السلسلة الجانبية للحمض الأميني السيرين الحرج في الترانسببتيداز موضح في الرسم البياني أدناه. هذه السلسلة الجانبية للسيرين مهمة للربط والتشابك مع PG. إذا كانت هناك طفرة في الموقع النشط لإنزيم transpeptidase والتي تسببت في تغيير السيرين الحفاز الحرج إلى فينيل ألانين ، فما هو تأثير هذه الطفرة على معدل تفاعل الارتباط المتشابك؟ ضع دائرة حول أحد الخيارات أدناه [نقطة واحدة] ثم اشرح إجابتك [3 نقاط].

معدل التفاعل سيزداد.

معدل التفاعل سيبقى كما هو.

سينخفض ​​معدل التفاعل.

4 ب. في عام 1928 ، عاد عالم البكتيريا الدكتور ألكسندر فليمنج إلى معمله الفوضوي بعد إجازة قصيرة. لاحظ أن إحدى لوحات بتري الخاصة به ملوثة بالعفن. قبل إلقاء الطبق بعيدًا ، أبدى الدكتور فليمنج ملاحظة شديدة بأن العفن يبدو أنه يثبط نمو البكتيريا. مزيد من الدراسات الدقيقة للجزيء الذي يفرزه العفن البنسليوم نوتاتوم يؤدي إلى توصيف وإنتاج أول مضاد حيوي (دواء يقتل البكتيريا على وجه التحديد) ، البنسلين. الدواء أحدث ثورة في الطب الحديث.

يثبط البنسلين على وجه التحديد نشاط الترانسببتيداز في البكتيريا ، مما يتسبب في تحلل البكتيريا وبالتالي يساعد في علاج العدوى. يظهر أدناه تفاعل البنسلين مع الترانسببتيداز. كيف يمنع البنسلين الترانسببتيداز؟ في إجابتك ، حدد ما إذا كان التثبيط خيفيًا أم تنافسيًا. [4 نقاط]


المواد والأساليب

تحليل التركيب البلوري لليزوزيم

تم الحصول على إحداثيات هيكل الليزوزيم البلوري لبيض الدجاجة المرتبط بترايسكاريد جدار الخلية البكتيري NAM-NAG-NAM من بنك بيانات البروتين (PDB ، http://www.rcsb.org/pdb/) تحت الانضمام كود 9LYZ. تم إجراء تصور وتحليل البنية الجزيئية باستخدام PyMOL 8. يمكن تنزيل إصدار PyMOL التعليمي للاستخدام فقط مجانًا من موقع الويب (https://www.pymol.org/) ، ويمكن تثبيته بسهولة على جهاز كمبيوتر أساسي يعمل شبابيك أو لينكس. يمكن العثور على تعليمات وتعليمات إضافية لأداء البرامج التعليمية والتمارين خارج نطاق هذا العمل على موقع PyMOL على الويب بالإضافة إلى PyMOL Wiki (http://www.pymolwiki.org).

الإجهاد البكتيري وظروف الثقافة (اختياري)

البكتيريا موجبة الجرام ميكروكوكس لوتس تمت زراعة ATCC 9341 (Oliva MDLM ، UNRC) في وسط Luria-Bertani (LB) على شاكر دوار (200 دورة في الدقيقة) عند 30 درجة مئوية. لصيانة السلالات والاختبار على الألواح ، تم ترسيخ الوسط باستخدام 1.5 ٪ أجار أجار. ومع ذلك ، فإن التقنيات المستخدمة في هذه التجارب المعملية ليست خاصة بهذه البكتيريا إيجابية الجرام ، ويمكن استخدام بكتيريا نموذجية أخرى بسهولة اعتمادًا على التوافر ، والمنهجية التي تم تكييفها وفقًا لذلك.

النشاط المضاد للبكتيريا من الليزوزيم (اختياري)

تم إجراء تأثير تثبيط الليزوزيم بواسطة طريقة نشر قرص أجار. مزرعة بكتيرية في منتصف مرحلة اللوغاريتمات (100 ميكرولتر ، أ600 0.5–0.6) فوق أطباق بتري مع وسط استنبات 20 مل LB يحتوي على 1.5٪ أجار. بعد تجفيف الألواح ، تم نقع أقراص ورق الترشيح المعقمة (قطرها 7 مم) في 1 مجم / مل ، و 2.5 مجم / مل ، و 10 مجم / مل ، و 50 مجم / مل من محاليل الليزوزيم (Sigma-Aldrich L6876) ، ثم تم وضعها على الأطباق. تم وضع الماء المعقم على قرص ورق الترشيح كعنصر تحكم سلبي. تم تحضين الألواح عند 30 درجة مئوية لمدة 24 ساعة ، وبعد ذلك تم تقييم النتائج عن طريق قياس مناطق التثبيط حول ورق القرص. (ملاحظة: يمكن تخزين الألواح عند 4 درجات مئوية ، إذا لم يكن من المعتقد أن الفصل سيتم في اليوم التالي).

تجنب المخاطر

تنتمي السلالة البكتيرية المستخدمة في هذه التجارب المعملية إلى الكائنات الدقيقة غير الممرضة من المستوى الأول للسلامة الأحيائية. ومع ذلك ، يجب إرشاد الطلاب حول كيفية العمل بشكل صحيح عند التعامل مع مستخلصات ومزارع الخلايا البكتيرية. يمكن العثور على إرشادات إضافية للسلامة الأحيائية في الموقع الإلكتروني للجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة (http://www.asm.org/index.php/education-2/22-education/8308).


نقاط الدخول الحرجة - ميكروبيوم

الميكروبيوم - آليات المضيف

ارتبطت مكونات جدار الخلية البكتيرية والمستقلبات من الميكروبيوم بتأثيرات تنظيم المناعة داخل الغشاء المخاطي (الشكل 3.1). تم إثبات أن بعض الميكروبات المتعايشة مثل بكتيريا Bifidobacterium و Lactobacillus و Clostridium تزيد من نسبة الخلايا التائية التنظيمية في الفئران. والجدير بالذكر أن استهلاك Bifidobacterium longum 35624 بواسطة متطوعين بشريين أصحاء زادوا من خلايا Foxp3 + T المنظمة في الدم المحيطي ، بينما أدى إعطاء هذه السلالة البكتيرية لمرضى الصدفية أو مرضى متلازمة التعب المزمن أو مرضى التهاب القولون التقرحي باستمرار إلى انخفاض مستويات المؤشرات الحيوية المسببة للالتهاب في الدم مثل CRP ، ربما بوساطة زيادة أعداد الخلايا التنظيمية التائية [9،10]. إن تحديد المكونات البكتيرية الجديدة ، التي تعدل استجابات تنظيم المناعة في الغشاء المخاطي ، يفتح إمكانية اتباع نهج من الأخطاء إلى الأدوية لعلاج المرضى. على سبيل المثال ، السكاريد المحفظي أ من باكتيرويديز الهشة لقد ثبت أنه يتفاعل مباشرة مع الخلايا التغصنية البلازمية في الفئران وبالتالي يعزز إفراز IL-10 من خلايا CD4 + T [11]. بالإضافة إلى ذلك ، عديد السكاريد الخارجي من ب. لونغوم تم عرضه لقمع استجابات Th17 داخل القناة الهضمية وداخل الرئة [12].

الشكل 3.1. تتفاعل البكتيريا في المواقع المخاطية مع مجموعات الخلايا المناعية الفطرية والتكيفية. تتعرف مستقبلات التعرف على الأنماط (مثل المستقبلات الشبيهة بالحصيلة (TLRs)) على الهياكل البكتيرية المحفوظة ، بينما يتم تنشيط المستقبلات المقترنة ببروتين G (GPCRs) عن طريق حالة المستقلبات البكتيرية وتهيئة الاستجابة المناعية. يعد تحريض الخلايا التائية التنظيمية (T-reg) أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على التوازن المخاطي.

بالإضافة إلى المكونات البكتيرية ، فإن المستقلبات المشتقة من البكتيريا لها تأثيرات كبيرة على عمليات تنظيم المناعة. يتم إنتاج SCFAs (أي الأسيتات ، البروبيونات ، الزبدات) بواسطة ميكروبيوتا الأمعاء وقد ثبت أنها تؤثر على استجابات الخلايا المتغصنة والخلايا التائية ، من خلال ارتباطها بمستقبلات البروتين G وتثبيطها من هيستون ديستيلاسيس ، وبالتالي تعزيز التغيرات اللاجينية. لقد ثبت بشكل متكرر أن الإدارة المتعمدة لـ SCFAs ، أو الألياف الغذائية التي يتم استقلابها إلى SCFAs ، تقلل التهاب مجرى الهواء في نماذج الفئران [13]. يمكن للإفراز البكتيري للأمينات الحيوية (بسبب استقلاب الأحماض الأمينية) أن يؤثر أيضًا على الاستجابات المناعية والالتهابية. ومن المثير للاهتمام ، في نماذج الفئران ، أن التوراين والهيستامين والسبيرمين المشتق من الجراثيم يؤثر على تفاعلات المضيف مع الميكروبيوم عن طريق تجميع إشارات NLRP6 الالتهابية وإفراز IL-18 الظهاري وإفراز الببتيد المضاد للميكروبات [14].


4: البكتيريا - جدران الخلايا - علم الأحياء

تمتلك الخلايا البكتيرية بنية معينة ، تتكون من بيلي ، فلاجيلوم ، ريبوسوم ، دنا كروموسوم ، كبسولة ، جدار خلوي وغشاء خلوي. الآن ، إن الخلايا البكتيرية في الخلايا البكتيرية هي ملاحق تسمح للخلية بالالتصاق بالمواد والأجسام المضادة. الجلد هو خيط يتحرك من أجل تناسب الحركة مع الخلية. تحتوي الخلايا أيضًا على ريبوسومات تحتوي على الحمض النووي الريبي والبروتينات. يقع الحمض النووي الكروموسومي في المنطقة النووية حيث يوجد الحمض النووي. البلازميدات عبارة عن أجزاء صغيرة من الحمض النووي خارج المنطقة النووية. يغطي جدار الخلية الخلية ، وهي مبنية بواسطة مادة كيميائية تسمى ببتيدوغليكان. الكبسولة عبارة عن حاجز يشبه الهلام يغطي الخلية المكونة من عديد السكاريد. وأخيرًا ، يغطي غشاء الخلية أو غشاء البلازما الخلية ويتكون من طبقة ثنائية الدهون.

أيضا ، يتم تقسيم البكتيريا إلى مجموعتين موجبة الجرام وسلبية الجرام. يتم إجراء هذا الانقسام بناءً على كمية المواد الكيميائية الموجودة على جدار الخلية. تتميز الخلايا الموجبة للجرام أساسًا بطبقة الببتيدوغليكان السميكة التي تقع على الجزء الخارجي من الخلية. بينما يتم تغطية الخلايا السالبة الجرام في عديدات السكاريد الدهنية. يمكن أن تكون طبقة الببتيدوغليكان في الخلايا موجبة الجرام مصبوغة باللون الأرجواني ، في حين أن طبقة عديدات السكاريد الدهنية لا تملك القدرة على الاحتفاظ بهذه البقعة الأرجواني التي تبدو وردية اللون.

الآن ، تتميز البكتيريا أيضًا بمورفولوجيتها ، وهذا يعني أن الأشكال والأشكال المختلفة التي تديرها تمنح العلماء القدرة على تصنيف البكتيريا. هذه هي الأشكال المختلفة التي تمتلكها البكتيريا:


أساليب

تحديد المخلفات والروابط الجديدة

تم تطوير معلمات مجال القوة لـ GlcNAc عن طريق ربط الجلوكوز والأسيتاميد ، مع تحديد تلك الرسوم والمعلمات بالقرب من الواجهة. وبالمثل ، تم تطوير معلمات MurNAc عن طريق ربط GlcNAc بحمض اللبنيك. تم تعديل شحنات الذرات البينية ، وتحديداً C2 على حلقة السكر ومجموعة NH على السلسلة الجانبية للأسيتاميد في كلا البقايا مع C3 على الحلقة ، والسلسلة الجانبية في حمض اللاكتيك ، وجسر الأكسجين O3 في MurNAc. تم تحديد هذه الرسوم من الحسابات الكيميائية الكمومية للمبتدئين باستخدام نسخة ما قبل الإصدار من ملحق Force Field Toolkit (ffTK) لـ VMD ، باتباع إجراءات CHARMM البارامترية [48] ، [49]. تم تحديد معلمات الرابطة والزاوية والثنائية السطوح التي تتضمن الذرات البينية بالمثل. نظرًا لأن D-isoglutamate و pm متطابقان تقريبًا مع نظرائهما القياسيين من الأحماض الأمينية ، الجلوتامات والليسين ، فقد تم تطوير معلماتهما عن طريق القياس فقط. يتم توفير الهيكل الكامل ومجموعة المعلمات المستخدمة في عمليات المحاكاة اللاحقة في النص S2 و S3.

بناء النظام

نظرًا لأن محاكاة تفاعلات transpeptidase الفعلية محظورة من خلال المعرفة الحالية بترتيب الأحداث والموارد الحسابية المتاحة ، فقد تم تطوير إجراء لبناء شبكة peptidoglycan مع عرض إحصائي للمؤسسة العامة. في الخطوة الأولى ، هناك مجموعة من بكتريا قولونية يتم وضع خيوط الببتيدوغليكان مع عدد السكاريد المختار وفقًا لتوزيع غاوسي العشوائي للمتوسط ​​المحدد بالتوازي مع بعضها البعض مفصولة بمسافة معينة (نموذجيًا 2-3 نانومتر ، مع انحراف عشوائي 0.5 نانومتر). يتم إذابة كل نظام بالكامل في الماء الصريح وأضيفت أيونات كافية إلى المحلول لتحييد الشحنة السالبة العالية في الببتيدوغليكان. تراوح العدد النهائي للذرات من 100000 إلى 545000 ذرة. في البداية ، يتم تثبيت خيوط الجليكان ثابتة لمحاكاة 2 نانوثانية بينما تترك الببتيدات حرة الحركة. بعد ذلك ، يتم تحليل المسار لمعرفة وقت اقتراب كل نيتروجين متاح من بعد الظهر قريبًا من الأكسجين D-Ala carbonyl المتاح ، ولأي جزء من الوقت يكونون ضمن هذه المسافة. أخيرًا ، يتم ترتيب قائمة الروابط المحتملة وفقًا لجهة الاتصال الأولى باستخدام معيار مسافة أكثر صرامة مع حد أدنى من الوقت داخل النطاق. ثم يتم إضافة الروابط ، بالترتيب ، بحيث عندما يتم ربط بقايا pm أو D-Ala معينة ، تتم إزالة الببتيد بالكامل من مزيد من الدراسة. يتم اختيار معايير الوقت والمسافة لاستهداف ما يقرب من 50٪ من الربط المتبادل بشكل عام ، كما هو مذكور عادةً بكتريا قولونية [1], [20].

يتم أولاً استرخاء شبكة الببتيدوغليكان المتشابكة باستخدام تقليل الطاقة ، ثم السماح لها بالتوازن أثناء عمليات محاكاة MD مع عدم وجود قيود مطبقة. وتجدر الإشارة إلى أن الشبكة دورية ، مع وجود خيوط جليكان بالإضافة إلى الببتيدات المرتبطة تساهميًا عبر الحدود الدورية لنظام المحاكاة ، وبالتالي محاكاة رقعة أكبر بكثير من جدار الخلية (انظر الشكل 3). تتم محاكاة الشبكة الناتجة لمدة 20 نانوثانية على الأقل تحت ظروف ضغط ثابت ، مما يسمح لأبعادها بالتقلب. تم أخذ الأبعاد المسترخية داخل الطائرة لكل رقعة كمتوسط ​​على مدار آخر 10 نانوثانية. هذه الأبعاد هي: 9.3 0.2 18.1 0.5 (متوسط ​​8) ، 18.7 0.2 33.4 0.25 (متوسط ​​17) ، 17.2 0.4 51.2 0.4 (متوسط ​​26) ، 18.6 0.3 13.6 0.1 (Inf1) ، و 16.8 0.3 27.4 0.2 (Inf2).

محاكاة الديناميات الجزيئية

تم تشغيل جميع عمليات المحاكاة باستخدام حزمة الديناميكيات الجزيئية NAMD 2.9 [50] ومجال قوة CHARMM [51] - [53]. تم الاحتفاظ بدرجة حرارة ثابتة تبلغ 310 كلفن باستخدام ديناميكيات لانجفين ، حيث تم الحفاظ على ضغط قدره 1 ضغط جوي في الاتجاه الطبيعي لطبقة الببتيدوغليكان بمكبس لانجفين [54]. تم استخدام خطوة زمنية 2-fs ، مع تقييم تفاعلات قصيرة المدى غير مرتبطة (12-قطع) في كل خطوة زمنية والكهرباء الساكنة بعيدة المدى كل خطوتين زمنيتين باستخدام طريقة Ewald ذات شبكة الجسيمات [55]. تم عمل جميع الأرقام باستخدام VMD [56].


لبنة جديدة في الجدار: تم العثور على وسيط لجدار الخلية البكتيرية

تم العثور على تراكم وسيط غير متوقع لمسار إعادة التدوير الببتيدوغليكان القادر على تعديل تركيب وهيكل جدار الخلية ، بواسطة باحثين في جامعة Ume & Aring بالسويد.

يتم حماية معظم البكتيريا بجدار خلوي واقي يتكون من بوليمر قوي ولكنه مرن يسمى ببتيدوجليكان. الببتيدوغليكان ضروري للبكتيريا ولذا فقد كان دائمًا في دائرة الضوء عندما يتعلق الأمر بتطوير المضادات الحيوية. يعتبر تحديد نقاط الضعف الجديدة في جدار الخلية البكتيرية كأهداف للمضادات الحيوية من الأولويات الدولية القصوى لمكافحة البكتيريا المسببة للأمراض.

مع نمو البكتيريا ، يحتاج الببتيدوغليكان إلى النمو أيضًا. من أجل إدخال وحدات فرعية جديدة ، يجب أن تفتح إنزيمات معينة شبكة الببتيدوغليكان ، ونتيجة لذلك ، يتم إطلاق شظايا تعرف باسم الببتيدات الموروببتيدية في البيئة خارج الخلية. أثناء العدوى ، يمكن للمضيف اكتشاف هذه الببتيدات باعتبارها إشارات "خطر" ، والتي تحفز استجابة مناعية عالية. لذلك ، من أجل البقاء داخل المضيف ، ابتكر العديد من الأنواع البكتيرية آليات لإعادة استيعاب شظايا الببتيدوغليكان ، وهي عملية تُعرف باسم إعادة تدوير الببتيدوغليكان. ومع ذلك ، على الرغم من أنه لا جدال في قيمته في إبعاد البكتيريا عن الرادار المضيف ، فإن إعادة تدوير الببتيدوغليكان لا يحدث حصريًا أثناء الإصابة ، ولهذا السبب ، ظل المعنى البيولوجي الحقيقي لهذه العملية غامضًا لعلماء الأحياء الدقيقة.

قامت مجموعة أبحاث فيليبي كافا في Molecular Infection Medicine السويد (MIMS) بدراسة علم الوراثة وعلم وظائف الأعضاء وراء مسار إعادة تدوير الببتيدوغليكان باستخدام العامل المسبب للكوليرا ، ضمة الكوليرا كنموذج تجريبي. تم إجراء الدراسة بالتعاون مع Tobias D & oumlrr (جامعة كورنيل ، الولايات المتحدة الأمريكية) وماثيو ك.والدور (كلية الطب بجامعة هارفارد ، الولايات المتحدة الأمريكية) وتم نشر النتائج في المجلة. تقارير الخلية في 28 أبريل.

كشف العلماء عن وجود صلة غير ملحوظة بين إعادة تدوير الببتيدوغليكان والتوليف لتعزيز التجميع الأمثل لجدار الخلية وتكوينه.

يتم الحفاظ على مسار إعادة التدوير الببتيدوغليكان على نطاق واسع بين البكتيريا ولكن يبدو أن هذه العملية ليست ضرورية ولم تكن أهميتها البيولوجية للبكتيريا مفهومة جيدًا.

"Our lab found that the accumulation of an unexpected intermediate of the peptidoglycan recycling pathway is able to modulate the synthesis and structure of the cell wall thus, our work provides new insights into the intersection between the peptidoglycan recycling and the de novo biosynthetic pathways," explained Felipe Cava, head of the study.

Peptidoglycan recycling is accomplished by a sequence of enzymatic steps where reinternalized muropeptides are broken down into smaller pieces. A critical step in this process is carried out by L,D-carboxypeptidases, specific enzymes that remove the terminal D-amino acid of the muropeptides. The Cava lab has found that these enzymes represent the "control checkpoint" between peptidoglycan recycling and peptidoglycan synthesis.

"A few years ago our lab, together with other colleagues, discovered that under stress conditions V. cholerae is able to produce a set of unusual amino acids (named "non-canonical D-amino acids") such as, for instance, D-Methionine. In this study we have found that muropeptides modified with these non-canonical D-amino acids are poorly recycled by LD-carboxypeptidases thereby inducing the accumulation of intermediates which play an unforeseen role in regulating the synthesis and architecture of the cell wall," explains Sara Hernández, postdoctoral researcher who conducted the study.

Besides the role in regulating cell wall synthesis and structure, extracellular peptidoglycan fragments are known to be important signals in innate immunity, organ development and behavior.

"Although most of the peptidoglycan fragments are recovered for recycling, under certain conditions bacteria can release them to the environment. It will be important to consider whether peptidoglycan fragments modified with non-canonical D-amino acids convey distinct information in inter-kingdom signaling compared to fragments with canonical chemistries," explained Felipe Cava, head of the study.

"Moreover, in microbial ecology, our findings suggest that the release the modified muropeptides into the environment could mediate interspecies peptidoglycan cross-regulation. Whether this regulation can promote cooperative or competitive behaviors is something that will need to be investigated in the future," concludes Felipe Cava.


Bacterial cell wall synthesis: new insights from localization studies

In order to maintain shape and withstand intracellular pressure, most bacteria are surrounded by a cell wall that consists mainly of the cross-linked polymer peptidoglycan (PG). The importance of PG for the maintenance of bacterial cell shape is underscored by the fact that, for various bacteria, several mutations affecting PG synthesis are associated with cell shape defects. In recent years, the application of fluorescence microscopy to the field of PG synthesis has led to an enormous increase in data on the relationship between cell wall synthesis and bacterial cell shape. First, a novel staining method enabled the visualization of PG precursor incorporation in live cells. Second, penicillin-binding proteins (PBPs), which mediate the final stages of PG synthesis, have been localized in various model organisms by means of immunofluorescence microscopy or green fluorescent protein fusions. In this review, we integrate the knowledge on the last stages of PG synthesis obtained in previous studies with the new data available on localization of PG synthesis and PBPs, in both rod-shaped and coccoid cells. We discuss a model in which, at least for a subset of PBPs, the presence of substrate is a major factor in determining PBP localization.

الأرقام

Incorporation of new cell wall…

Incorporation of new cell wall in differently shaped bacteria. Rod-shaped bacteria such as…

Building blocks and synthesis reactions…

Building blocks and synthesis reactions of the peptidoglycan. (A) The basic unit of…

Proposed mode of insertion of…

Proposed mode of insertion of new peptidoglycan in gram-negative bacteria. (A) The three-for-one…

Different methods to visualize the…

Different methods to visualize the incorporation of PG precursors. (A) Autoradiogram of sacculi…

Localization of PBPs in different…

Localization of PBPs in different organisms. (A) Three different patterns, i.e., disperse, septal,…

Model for PBP2 localization by…

Model for PBP2 localization by substrate recognition in بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية . In a…


Bacteria may have the following appendages.

Pili, Fimbriae: These hollow, hairlike structures made of protein allow bacteria to attach to other cells. A specialized pilus, the sex pilus, allows the transfer of plasmid DNA from one bacterial cell to another. Pili (sing., pilus) are also called fimbriae (sing., fimbria).

الأسواط: The purpose of flagella (sing., flagellum) is motility. Flagella are long appendages which rotate by means of a "motor" in the cell envelope. Bacteria may have one, a few, or many flagella in different positions on the cell.


شاهد الفيديو: خصائص كريات الدم الحمراء Red Blood Cells Features (كانون الثاني 2022).