Периплазм бактерий: структура и функции

Введение

Область между внутренней и внешней мембранами или клеточной стенкой. Периплазма – это концентрированный гелеобразный матрикс в пространстве между внутренней цитоплазматической мембраной и внешней мембраной бактерий, называемом периплазматическим пространством у грамотрицательных (более точно "дидерм") бактерий. С помощью криоэлектронной микроскопии было установлено, что значительно меньшее периплазматическое пространство также присутствует у грамположительных бактерий (более точно "монодерм") между клеточной стенкой и плазматической мембраной. Периплазма может составлять до 40% от общего объема клеток грамотрицательных бактерий, но значительно меньший процент – у грамположительных бактерий.

Терминология

Хотя бактерии традиционно делятся на две основные группы – грамположительные и грамотрицательные, исходя из их способности удерживать краситель по Граму, эта система классификации является неоднозначной, поскольку может относиться к трем различным аспектам (результат окрашивания, организация клеточной стенки, таксономическая группа), которые не всегда совпадают у разных видов бактерий. В большинстве случаев, как и в данной статье, окраска по Граму отражает существенные различия в ультраструктуре и химическом составе двух основных типов бактерий. Типичный "грамположительный" тип не имеет внешней липидной мембраны, в то время как типичная "грам-отрицательная" бактерия обладает ею. Термины "дидерма" и "монодерма", введенные для обозначения именно этого различия, являются более надежной и фундаментальной характеристикой бактериальных клеток. [[Файл:Стенка клеток грамм. Монодермальные бактерии имеют тонкую периплазму между клеточной стенкой и плазменной мембраной

Структура

Как показано на рисунке справа, периплазматическое пространство у грамотрицательных или дидермических бактерий расположено между внутренней и внешней мембранами клетки. Периплазма содержит пептидогликан, а мембраны, окружающие периплазматическое пространство, содержат множество интегральных мембранных белков, которые могут участвовать в клеточной сигнализации. Кроме того, в периплазме находятся органеллы подвижности, такие как флагелла, пронизывающая обе мембраны, окружающие периплазму. Периплазма описывается как гелеобразная из-за высокого содержания белков и пептидогликана. Периплазма занимает от 7% до 40% от общего объема дидермических бактерий и содержит до 30% клеточных белков. Структура монодермической периплазмы отличается от структуры дидермических бактерий, поскольку так называемое периплазматическое пространство в монодермических бактериях не ограничено двумя мембранами, а скорее ограничено цитоплазматической мембраной и расположенным под ней слоем пептидогликана. По этой причине монодермическое периплазматическое пространство также называют внутренней стенкой (IWZ). IWZ служит первым местом назначения для транслокации белков, транспортируемых через клеточную стенку монодермических бактерий. Важно отметить, что периплазма лишена АТФ. В периплазме присутствуют различные типы ферментов, включая щелочные фосфатазы, циклические фосфодиэстеразы, кислые фосфатазы и 5'-нуклеотидазы. Стоит отметить, что периплазма также содержит ферменты, важные для облегчения сворачивания белков. Например, белок дисульфидной связи A (DsbA) и белок дисульфидной связи C (DsbC), ответственные за катализ образования пептидных связей и изомеризацию соответственно, были обнаружены в периплазме E. coli. Поскольку образование дисульфидных связей часто является лимитирующим этапом в сворачивании белков, эти окислительные ферменты играют важную роль в периплазме бактерий. Кроме того, периплазма опосредует поглощение ДНК в нескольких штаммах трансформируемых бактерий. Периплазма отделена от цитоплазмы, что позволяет компартментализировать ферменты, которые могут быть токсичными в цитоплазме. Грамотрицательные бактерии, как правило, более устойчивы к антимикробным препаратам, чем грамположительные бактерии, и также обладают значительно более развитым периплазматическим пространством между двумя мембранными бислоями. Поскольку у эукариот нет периплазматического пространства, структуры и ферменты, обнаруженные в грамотрицательной периплазме, являются привлекательными мишенями для антимикробной лекарственной терапии. Кроме того, важные функции, такие как облегчение сворачивания белков, транспорт белков, клеточная сигнализация, структурная целостность и поглощение питательных веществ, выполняются компонентами периплазмы. Благодаря своей роли в катализе образования дисульфидных связей для различных факторов вирулентности, система DsbA/DsbB представляет особый интерес в качестве мишени для противовирулентных препаратов. Периплазматическое пространство тесно связано с патогенезом заболеваний при микробной инфекции. Многие факторы вирулентности, связанные с бактериальной патогенностью, являются секретируемыми белками, которые часто подвергаются посттрансляционным модификациям, включая образование дисульфидных связей. Окислительная среда периплазмы содержит белки Dsb (формирование дисульфидных связей), которые катализируют такие посттрансляционные модификации и, следовательно, играют важную роль в установлении третичной и четвертичной структуры факторов вирулентности, необходимой для правильной функции белка. Кроме того, периплазма также имеет значение для клинических разработок благодаря своей роли в опосредовании поглощения трансформирующей ДНК.

As shown in the figure to the right, the periplasmic space in gram negative or diderm bacteria is located between the inner and outer membrane of the cell. The periplasm contains peptidoglycan and the membranes that enclose the periplasmic space contain many integral membrane proteins, which can participate in cell signaling. Furthermore, the periplasm houses motility organelles such as the flagellum, which spans both membranes enclosing the periplasm. The periplasm is described as gel like due to the high abundance of proteins and peptidoglycan. The periplasm occupies 7% to 40% of the total volume of diderm bacteria, and contains up to 30% of cellular proteins. The structure of the monoderm periplasm differs from that of diderm bacteria as the so called periplasmic space in monoderm bacteria is not enclosed by two membranes but is rather enclosed by the cytoplasmic membrane and the peptidoglycan layer beneath. For this reason, the monoderm periplasmic space is also referred to as the inner wall zone (IWZ). The IWZ serves as the first destination of translocation for proteins being transported across the monoderm bacterial cell wall. Importantly, the periplasm is devoid of ATP. Several types of enzyme are present in the periplasm including alkaline phosphatases, cyclic phosphodiesterases, acid phosphatases and 5’ nucleotidases. Of note, the periplasm also contains enzymes important for the facilitation of protein folding. For example, disulfide bond protein A (DsbA) and disulfide bond protein C (DsbC), which are responsible for catalyzing peptide bond formation and isomerization, respectively, were identified in the periplasm of E. Coli. As disulfide bond formation is frequently a rate limiting step in the folding of proteins, these oxidizing enzymes play an important role in the bacteria periplasm. In addition, the periplasm mediates the uptake of DNA in several strains of transformable bacteria. [[File:Rcsfsignalingmechanism. jpg|thumb|Figure demonstrating modulation of RcsF signaling by changes in the periplasmic intermembrane distance Furthermore, the separation of the periplasm from the cytoplasm allows for the compartmentalization of enzymes that could be toxic in the cytoplasm. Gram negative bacteria tend to be more antimicrobial resistant than gram positive bacteria, and also possess a much more significant periplasmic space between their two membrane bilayers. Since eukaryotes do not possess a periplasmic space, structures and enzymes found in the gram negative periplasm are attractive targets for antimicrobial drug therapies. Additionally, vital functions such as facilitation of protein folding, protein transport, cell signaling, structural integrity, and nutrient uptake are performed by periplasm components, Due to their role in catalyzing disulfide bond formation for a variety of virulence factors, the DsbA/DsbB system has been of particular interest as a target for anti virulence drugs. The periplasmic space is deeply interconnected with the pathogenesis of disease in the setting of microbial infection. Many of the virulence factors associated with bacterial pathogenicity are secretion proteins, which are often subject to post translational modification including disulfide bond formation. The oxidative environment of the periplasm contains Dsb (disulfide bond formation) proteins that catalyze such post translational modifications, and therefore play an important role in establishing virulence factor tertiary and quaternary structure essential for proper protein function. Furthermore, the periplasm is also relevant to clinical developments by way of its role in mediating the uptake of transforming DNA.