Bakterie, choć mikroskopijne, są niezwykle zróżnicowane, a ich struktura ściany komórkowej jest jednym z kluczowych elementów, które je różnicują. Ściana komórkowa odgrywa istotną rolę w życiu bakterii, zapewniając jej kształt, ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi i osmotycznymi, oraz uczestnicząc w interakcjach ze środowiskiem. Najbardziej podstawowy podział bakterii opiera się na budowie ich ściany komórkowej, co pozwala je sklasyfikować jako bakterie Gram-dodatnie lub Gram-ujemne. Ta klasyfikacja ma ogromne znaczenie w medycynie, ponieważ wpływa na sposób, w jaki bakterie reagują na antybiotyki.
Budowa Ściany Komórkowej Bakterii Gram-dodatnich
Bakterie Gram-dodatnie charakteryzują się stosunkowo prostą budową ściany komórkowej. Głównym składnikiem jest gruba warstwa peptydoglikanu, nazywanego również mureiną. Peptydoglikan to sieć polimerów zbudowanych z cukrów (N-acetyloglukozamina i kwas N-acetylomuraminowy) połączonych krótkimi łańcuchami peptydowymi. Ta warstwa peptydoglikanu stanowi aż 60-90% masy ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich i może mieć grubość od 20 do 80 nanometrów.
Oprócz peptydoglikanu, w ścianie komórkowej bakterii Gram-dodatnich znajdują się również kwasy tejchojowe i kwasy lipotejchojowe. Kwasy tejchojowe są polimerami zbudowanymi z fosforanów glicerolu lub rybitolu, które są kowalencyjnie związane z peptydoglikanem. Kwasy lipotejchojowe są podobne do kwasów tejchojowych, ale są zakotwiczone w błonie komórkowej. Kwasy tejchojowe i lipotejchojowe pełnią różnorodne funkcje, w tym: udział w transporcie jonów, adhezji do komórek gospodarza i stabilizacji struktury ściany komórkowej.
Przykład: Do bakterii Gram-dodatnich należą między innymi Staphylococcus aureus (gronkowiec złocisty), Streptococcus pneumoniae (pneumokok) i Bacillus anthracis (laseczka wąglika).
Budowa Ściany Komórkowej Bakterii Gram-ujemnych
Ściana komórkowa bakterii Gram-ujemnych jest bardziej skomplikowana niż u bakterii Gram-dodatnich. Składa się z cienkiej warstwy peptydoglikanu (zazwyczaj 5-10% masy ściany komórkowej), która znajduje się pomiędzy błoną cytoplazmatyczną a błoną zewnętrzną. Warstwa peptydoglikanu jest znacznie cieńsza (około 2-7 nanometrów) niż w przypadku bakterii Gram-dodatnich.
Kluczową cechą bakterii Gram-ujemnych jest obecność błony zewnętrznej, która jest unikalna dla tej grupy bakterii. Błona zewnętrzna składa się z fosfolipidów, białek i lipopolisacharydu (LPS). LPS jest silnym endotoksyną, co oznacza, że może wywoływać silną odpowiedź immunologiczną u gospodarza. LPS składa się z trzech części: lipid A, rdzeniowy polisacharyd i O-antygen. Lipid A jest odpowiedzialny za działanie toksyczne LPS. O-antygen jest wysoce zmienny i służy jako marker identyfikacyjny dla różnych szczepów bakterii.
Pomiędzy błoną cytoplazmatyczną a błoną zewnętrzną znajduje się przestrzeń zwana przestrzenią periplazmatyczną. Przestrzeń periplazmatyczna zawiera wiele białek, w tym enzymy hydrolityczne, białka transportowe i białka wiążące. Przestrzeń periplazmatyczna odgrywa ważną rolę w metabolizmie bakterii Gram-ujemnych.
Przykład: Do bakterii Gram-ujemnych należą między innymi Escherichia coli (pałeczka okrężnicy), Salmonella enterica (pałeczka salmonelli) i Pseudomonas aeruginosa (pałeczka ropy błękitnej).
Barwienie Grama
Podział na bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne opiera się na różnicach w budowie ściany komórkowej, które wpływają na sposób, w jaki bakterie reagują na barwienie Grama. Barwienie Grama jest podstawową techniką mikrobiologiczną, która pozwala na szybką identyfikację i klasyfikację bakterii.
Przebieg barwienia Grama:
- Bakterie są utrwalane na szkiełku mikroskopowym.
- Szkiełko jest zalewane fioletem krystalicznym (barwnik podstawowy).
- Następnie szkiełko jest zalewane płynem Lugola (jodkiem potasu w jodzie), który tworzy trwałe kompleksy z fioletem krystalicznym wewnątrz komórki.
- Szkiełko jest przemywane alkoholem lub acetonem (odbarwiacz).
- Na koniec szkiełko jest zalewane safraniną (barwnik kontrastowy).
Wynik:
- Bakterie Gram-dodatnie, ze względu na grubą warstwę peptydoglikanu, zatrzymują kompleksy fioletu krystalicznego i jodu, i pozostają fioletowe.
- Bakterie Gram-ujemne, ze względu na cienką warstwę peptydoglikanu i obecność błony zewnętrznej, tracą kompleksy fioletu krystalicznego i jodu podczas przemywania alkoholem, a następnie barwią się safraniną na różowo lub czerwono.
Znaczenie Kliniczne
Różnice w budowie ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych mają ogromne znaczenie kliniczne. Wiele antybiotyków działa specyficznie na ścianę komórkową bakterii. Na przykład, penicylina hamuje syntezę peptydoglikanu, co prowadzi do osłabienia ściany komórkowej i śmierci bakterii. Ponieważ bakterie Gram-ujemne mają dodatkową błonę zewnętrzną, która stanowi barierę dla wielu antybiotyków, często są bardziej odporne na działanie tych leków niż bakterie Gram-dodatnie. Dodatkowo, LPS obecny w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych może powodować wstrząs septyczny, poważną i potencjalnie śmiertelną reakcję organizmu na infekcję.
Zrozumienie różnic w budowie ściany komórkowej bakterii jest kluczowe dla opracowywania nowych leków i strategii leczenia infekcji bakteryjnych. Pozwala to na dobieranie odpowiednich antybiotyków i zapobieganie rozwojowi oporności na leki.
