Муреин - это... Состав и свойства муреина
Муреин представляет собой опорный биополимер клеточной стенки бактерий, также известный как пептидоглюкан. Муреин - это гетерополимер (Н-ацетилглюкозамина и Н-ацетилмурамовой кислоты, сшитых через лактатные остатки короткими цепочками пептида). Как определяющее вещество для одного из трех доменов живых существ, безусловно, данный полимер имеет свои особенности строения и функции. Попробуем разобрать их.
Строение бактериальной клетки
Бактерии представляют собой обширный кластер прокариотических организмов. Их генетический аппарат не заключен в обособленное мембраной ядро. Тем не менее, несмотря на эволюционно раннее появление, эти организмы распространились по всем средам нашей планеты. Они могут обитать и в нефтяных месторождениях, в кипящей воде гейзеров, в холодных водах северных океанов, в кислотах желудка животных. Стойкость к негативным факторам окружающей среды достигается во многом за счет особого вещества, составляющего основу клеточной стенки бактерии. Вещество это – муреин.
Клетка бактерий состоит на 80-85 % из воды, из оставшихся 20 % как правило половину составляют белки, пятую часть РНК, 5 % ДНК и немного липидов. На клеточную стенку приходится 20 % сухого вещества (у некоторых видов микроорганизмов даже до 50 %). Толщина этой пластинки - около 0,01-0,045 микрометров.
Муреин в клеточной стенке
Наличие твердой стенки характерно не только для бактерий, но и для грибов и растений. Однако только у прокариотов она имеет подобный состав. Клеточная стенка бактерии представляет из себя прочный панцирь из сложной молекулы полисахарида муреина. Структура полипептида представляет из себя параллельно расположенные полисахаридные цепи, связанные между собой пептидными остатками. Модульная единица – дисахарид муропептид (в нем ацетил-Д соединен с ацетилмурамовой кислотой).
Основная черта, определяющая свойства мешка, образованного муреином, – наличие замкнутой сети цепей полисахарида. Это формирует плотную сеть без разрывов. Видоспецифичной является плотность этой стенки – у некоторых видов она менее плотная (кишечная палочка), у других – более (золотистый стафилококк).
В биологии муреин – это не просто полипептид, но и сопутствующие ему компоненты клеточной стенки бактерий. Например, у грамположительных бактерий в состав также включены полисахариды, тайхоевые кислоты, белки или другие полипептиды. Еще больше подобных включений у грамотрицательных бактерий. Для них характерны сложные липосахариды, липопротеины, полипептиды.
Роль данных веществ в защите от вирусов-бактериофагов, а также в защите от агрессивных антибиотиков и ферментов. У бактерий, относящихся к грамположительным, корпус хрупкий. У грамотрицательных бактерий в связи с наличием большого количества дополнительных включений, муреиновый скелет покрыт мягкой защитной оболочкой из липидов.
Виды пептидогликана
Хотя муреин - это компонент клеточной стенки, характерный только для бактерий, существуют также подобные ему структуры. Например, в стенке некоторых археев (безъядерные микроорганизмы, не имеющие структур-органелл) и глаукоцистофитовых водорослей образуется псевдопептидогликан. Выполняет он те же функции и по составу сходен с муреином.
Состав муреина, его строение
Структура представляет из себя ячеистую сеть, образованную компонентами n-ацетилглюкозамина и n-ацетилмурамовой кислоты. Связи образованы за счет β1,4-гликозидных связей. Сшивка производится посредством остатков пептидов на основе действия фермента транспептидазы. Такая цепь содержит Д-глутаминовую кислоту, Л-лизин, Д-аланин, Л-аланин.
При этом особенностью является то, что такие Д-структуры содержатся только в прокариотических клетках. Таким образом, образованный полипептид приобретает вид трехмерной структуры, составляющей основу клеточной стенки бактерий. Он обеспечивает прочность, устойчивость и стабильность мембране.
Свойства и функции
Свойства муреина обусловлены его структурой. Помимо выполнения механической и опорной функции, он обладает антигенными свойствами. Это обуславливает его многогранную защитную роль для бактерии.
Одна из основных функций муреина - это транспорт веществ в бактерию и вывод их наружу. Этим свойством обуславливается участие пептидогликана в хемо- и фотосинтезе эукариот, фиксации азота и других важнейших процессах. Все они связаны с взаимодействием клетки и окружающей среды, что обеспечивается клеточной стенкой.
При этом не только крупные молекулы не могут миновать ячеистую сеть этого вещества. Муреин обладает избирательной проницаемостью по отношению, например, к антибиотическим агентам. Это свойство возникает в процессе эволюции и искусственного отбора со стороны человека.
Участие данной структуры в движении клетки связано с наличием ворсинок и жгутиков, имеющих мембранную структуру и плотно связанных с муреиновым мешком.
Состав пептидных цепочек, входящих в состав пептидогликана, является систематическим признаком и помогает различать таксоны этих микроорганизмов. Кроме того, согласно форме, которую придает муреин бактерии, мы различаем их группы - кокки (круглые), палочки, спирохеты и т. д.
Количество и качество дополнительных включений в структуру клеточной стенки определяет два крупных кластера микроорганизмов: грамположительных и грамотрицательных бактерий. Разделение производится посредством детектирующего окрашивания.
Устойчивость муреина
Так как муреин входит в состав бактериальной клеточной стенки, он является сигнальным веществом для иммунной системы как человека, так и других организмов. Например, фермент лизоцим расщепляет бета 1,4-гликозидные связи между остатками ацетилглюкозамина и ацетилмурамовой кислоты, тем самым вызывая гидролизацию пептидоглюкана и гибель бактериальной клетки.
Лизоцим является одним из ферментов слюны млекопитающих, что обуславливает ее антибактериальные свойства. Также разрушает пептидные цепочки муроэндопептидаза, тем самым вызывая разрушение полимера. Создаваемые антибиотики (например, пенициллин, цефалоспорин) нарушают производство пептидогликана. Циклосерин нарушает синтез аланина.
В ответ на это воздействие возникает ответная реакция бактерий на защиту от антибиотиков. Мутация в генетической последовательности, отвечающей за синтез лактамаз, транспептидазы приводят к возникновению штаммов, устойчивых к антибиотикам. Также эволюционный ответ прокариотов заключается в постепенном изменении проницаемости мембраны для циклосерина и других веществ.
Муреин в биологии - это постоянно изменяющаяся система. Этим объясняется постоянная гонка "антибиотики-новые штаммы бактерий", где получение новых активных препаратов неизбежно связано с постепенным уменьшением их активности.