Gram-negativní bakterie, jako energetické organely rostlin a živočichů (chloroplastů a mitochondrií), dvě membránové dvojvrstvy, tzv. vnější a vnitřní membrány. Prostor mezi těmito dvěma membránami se nazývá periplasma. Dlouho před jednobuněčnými eukaryoty se periplasma vyvinula jako první extracytoplazmatický kompartment, který poskytuje důležitou konkurenční adaptaci na gramnegativní bakterie. Rané znalosti a objev periplasmy se vyvinuly ještě před jeho morfologickou vizualizací. V roce 1960, vědci se snaží pochopit, jak toxických enzymů podílejících se na degradaci důležitých biologických molekul, jako jsou ribonucleases a fosfatáz produkován gram-negativní bakterie Escherichia coli, nebyly toxické pro buňky. Biochemické metody extrakce navrhl samostatný prostor, protože takové těžby zachovány vnitřní membránu vázané cytoplazmě, a tyto spheroplasts mohl opět růst a syntetizovat více enzymů . Vývoj elektronové mikroskopie vedl k vizualizaci dvou membránových dvojvrstv oddělených periplasmem .

další membrána umožňuje vytvoření periplasm jako samostatný mobilní prostoru, jehož román funkcí pravděpodobné, za předpokladu, významné a možná ještě důležitější selektivní výhodu, než toxin vyloučení (Tabulka 1). Mezi tyto nové funkce patří transport proteinů, skládání, oxidace, a kontrola kvality podobná endoplazmatickému retikulu eukaryotických buněk. Periplasma také umožňuje sekvestraci enzymů, které mohou být toxické v cytoplazmě, důležité signalizační funkce a regulaci buněčného dělení. Kromě toho, že přispívá ke schopnosti buněk odolávat turgor tlak tím, že poskytuje strukturální systémy, které pracují ve shodě s vnější membrány, např. peptidoglykanu a lipoproteinů, multidrug efflux systémy a zvláštní rozpuštěných látek, které přispívají k Donnana nebo iontový potenciál přes vnější membránu. Periplasma také obsahuje montážní platformy podílející se na sekreci jedinečně strukturovaných beta-barelových proteinů, lipoproteinů a glycerolfosfolipidů na vnější membránu (obr. 1).

stáhnout:

• PowerPoint slide
• větší obrázek
• původní obrázek

je znázorněna asymetrická dvojvrstva lipopolysacharidu a glycerolfosfolipidů, které obsahují vnější membránu. Vnitřní membrána je symetrická dvojvrstva glycerolfosfolipidů. Periplazmatický prostor je oblast mezi těmito membránami, která zahrnuje řadu enzymů a funkcí, včetně oxidace a kontroly kvality proteinů. Také v periplazmatickém prostoru je vrstva zesítěných cukrů a aminokyselin nazývaných peptidoglykan, která obklopuje buňku. Na peptidoglykan je spojena s vnější membránou střevních bakterií prostřednictvím kovalentní transpeptidázy vazeb mezi hojné vnější membránový lipoprotein Lpp. Různé senzory sedět ve vnitřní membráně s periplasmic domén snímání změny životního prostředí a, v případě Rcs systému, změna v umístění RcsF lipoprotein vnější membrány. Vícesložkové proteinové komplexy, jako je bičíkový stroj, pokrývají obě membrány. IM, vnitřní membrána; Lpp, Braun je lipoprotein; LPS, lipopolysacharid; RcsF, Regulátor kapsle syntéza F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g001

vnější membrána je jedinečná organela připojen do jiných částí buňky obálce prostřednictvím periplasm. Grampozitivní bakterie postrádají vnější membránu, ale mají rozsáhlejší peptidoglykanový polymer chránící jejich povrch. Na rozdíl od bakteriální vnitřní membrány—která je dvojvrstvou glycerolfosfolipidů podobných většině savčích membrán a která má specifický tok charakterizovaný laterální difúzí—má vnější membrána omezený průtok . To je unikátní dvouvrstvá, s vnitřní leták s typickou glycerolphospholipid obsah phosphotidylethanolamine, phosphatidylglycerol, a kardiolipin a vnější informaci z velké části skládá z unikátní glykolipidu, lipopolysacharid (LPS) . LPS fosfáty propůjčují povrchu záporný náboj a přes vnější membránu do periplasmy je vytvořen specifický Donnanův potenciál . Vnější membrána funguje jako selektivní bariéra, která umožňuje přepravu cenné živiny a zároveň poskytuje bariéru proti toxickým sloučeninám, jako jsou kationtové antimikrobiální látky produkované organismy, včetně mnoha gram-pozitivní bakterie . Další součástí této bariéry jsou vnější membránové proteiny s unikátní beta-barel struktury, které jsou vloženy do vnější membrány pomocí specifických periplasmic garde systému . Tyto proteiny sestavit do vnější membrány jako konkrétní body, označující vnější membrány, pravděpodobně montuje do konkrétní diskrétní náplasti s obsahem bílkovin a unikátní asymetrické lipidové dvojvrstvy . Mezi tyto vnější membránové proteiny patří poriny, které mohou působit jako selektivní kanály, které umožňují hydrofilní substráty vstupu specifické velikosti do periplasmy. Naštěstí pro člověka, tyto porins dopravy hydrofilní beta-laktamová antibiotika, což umožňuje jejich pronikání do periplasm, pokud jsou zaměřeny na syntézu důležitým stavebním prvkem buněčné stěny—polymerní peptidoglykanu. Vnější membrány některých bakterií je ukotven k peptidoglykanové polymery prostřednictvím bohaté lipoproteiny, které jsou vloženy do vnitřní informaci vnější membrány prostřednictvím specifických sekrece systémy . Různé důležité proteinové komplexy funkci nanostrojů a využívají ATP hydrolýzy vylučovat makromolekul nebo zase pohyblivost organely zvané bičíků . Proto jsou vnější membrána a vnitřní membrána také spojeny přes periplasmu membránovými proteinovými komplexy. Proto, vnější membrána je složená ze zřetelně sestavené skvrny, které tvoří složitý organela, která může být připojena k peptidoglykanové vrstvy a na vnitřní membráně prostřednictvím kovalentní a noncovalent bílkovin vazeb. Montáž vnější membrány a její vazba na peptidoglykan a cytoplazmu vytváří prostor mezi vnitřní membránou a vnější membránou, což je periplasma.

i Přes důležité funkce obsažené v periplasmic prostor, po mnoho let tam byla debata o mezimembránového vzdálenost nebo velikost tohoto prostoru a zda je rovnoměrnost mezery mezi vnitřní a vnější membrány celé buňky. Existovaly obavy, že mnoho vizualizací tohoto prostoru jako určité velikosti byly artefakty fixace pro zobrazování elektronovou mikroskopií a že, ve skutečnosti, prostor byl ve skutečnosti pouze potenciálním prostorem. Brzy elektron mikroskopické studie Bayer prokázáno, srůsty mezi vnější a vnitřní membránou, které zničily část tyto prostory, on navrhl, že body adheze byly oblasti, kde hlavní vnější leták lipidů, LPS, byl dodán do vnější membrány ze svého místa syntézy na vnitřní membráně . Nicméně, jeho práce byla následně zdiskreditován jako odvozenou z pozorování potenciál fixace artefakty, i když mnozí odborníci dnes si myslím, že tam může být skutečný protein-založené srůsty mezi membrány, protože některé efluxní a dopravní systémy neobsahují komponenty dostatečné rozměry, aby span vizualizovaného prostoru. Přítomnost specifických oblastí, v nichž membrány jsou blízko sebe by se vysvětlit, jak některé z těchto ATP-binding cassette (ABC) doprava a efluxní pumpy by mohl fungovat; tyto systémy mají periplasmic složek bílkovin, které jsou nezbytné pro eflux, LPS, nebo jiné glykolipidu dopravy, ale nedostatek vnitřní velikost nebo polymerní povahy, dostatečně velká k dosažení vnější membrány, a tím poskytnout mechanismus na podporu dopravy. Dále periplasm obsahuje mnoho dalších složek, které vyžadují alespoň nějaký objem pro periplasmic prostor, nejvíce prominentně peptidoglykanu polymerní vrstva obklopující buňku. V současné době, to je jasné, jak se tyto transportéry získat kolem tohoto polymeru a šířka periplasm kontaktovat membrány, i když novější práce prokazují, že lipoproteinů vnější membrány může koordinovat syntézu peptidoglykanu prostřednictvím přímého kontaktu naznačuje, že alespoň některé proteiny mohou se vešly přes póry v peptidoglykanu plnit důležité funkce,

V kontrastu, různé organely, včetně bičíku a virulence spojené Typu III sekrece systém jehly složité, vyžadují montáž polymerů v periplasm, že rozpětí dvou membrán. V případě bičíku jeho tyč nebo hnací hřídel překlenuje periplasmu a její délka je určena polymerem, který se dotýká vnější membrány. Elegantní nedávné práce skupiny Kelly Hughes ukázaly, že velikost periplasm, nebo vzdálenost mezi dvěma membránami, je řízen převážně ve střevní bakterie specifický lipoprotein zvaný Braun je lipoprotein (nebo Lpp), která se kovalentně spojuje vnější membrány k peptidoglykanu vrstvy . To je docela pozoruhodné, protože Lpp je nejhojnější protein přítomný ve střevní bakterie, popsal Braun před 48 lety, a až do tohoto bodu žádné konkrétní funkci byla přiřazena k němu. Tento alfa-helikální protein je vložen přes jeho lipidové kotvy do vnitřní informaci vnější membrány a kovalentně váže na peptidoglykan polymer rodina transpeptidases . Prodloužení těchto lipoproteinů, které umožňují expanzi periplasmy, vede k delší bičíkové tyči a účinnějšímu plaveckému chování. Tito autoři interpretovali tento výsledek tak, že naznačují, že musí existovat další evolučně vybrané funkce, které omezují periplazmatickou velikost, což nutí snížení účinnosti plavání. V tomto vydání časopisu PLOS Biology, jeden z těch důležitých funkcí je odhaleno: signalizace funkce obálky poškození ovládána jinou vnější membránový lipoprotein, Regulátor kapsle syntéza F (RcsF), které se smysly, poruchy nebo poškození obálky.gramnegativní bakterie mají řadu důležitých funkcí, které snímají poškození membrány a toxické sloučeniny, jako jsou antimikrobiální peptidy, které poškozují vnější membránu . Tyto snímací systémy patří ty, které umožňují přestavby bakteriální povrch, který má být více odolný proti toxické sloučeniny—obdobné jako kosmické lodě energizující jejich štíty ve sci-fi příběhy . Některé z těchto snímacích systémů jsou receptory, které fungují jako senzorové kinázy s doménami v periplasmě, aby snímaly specifické molekuly nebo poškození. Nicméně, jeden z více jedinečných senzor kinázy systémy, nazývané Rcs systém, který na poškození membrány aktivuje syntézu extracelulární polysacharid, aby poskytují mobilní ochranu a tvorbu biofilmu—má vnější membránový lipoprotein RcsF, který interaguje se signální proteiny se specifickými periplasmic domén na krytí škod a peptidoglykanu stresu, aktivovat syntézu extracelulární polysacharid výroba a jiné související se stresem vyrovnat cesty . Tak, obálka poškození nějakým způsobem přináší RcsF lipoprotein ve větší blízkosti k vnitřní membráně-snímací systém, a proto vyvinul smysl poruchy ve vnější membráně a/nebo peptidoglykanu (Obr 2). V tomto vydání časopisu PLOS Biology, autoři přesvědčivě ukazují, že toto snímání vyžaduje periplasm být konkrétní velikost, protože mutace, které prodlužují velmi hojný Lpp lipoprotein kotvy z vnější membrány k peptidoglykanu (což vede ke zvýšení velikosti periplasm) zrušena signalizace, pokud snímací lipoprotein (což na poškození membrány musí dosáhnout k vnitřní membráně snímače) je také prodloužena . Tato práce také jasně ukazuje velmi specifické pořadí a velikost periplasmy; velikost periplasmy je jasně vidět, jak existuje ve spojení se změnami v ukotvení lipoproteinu nebo délky kryo-elektronovou mikroskopií. Tato technologie a elektronové tomografie používá v práci Hughes skupiny ve vztahu k bičíkový rotoru jsou revoluci našeho názoru bakteriální buňky obálku a proteinové komplexy, které pokrývají periplasm vykonávat důležité funkce .

ke Stažení:

• prezentace PowerPoint
• větší obrázek
• původní obrázek

Obr 2. Rcsf signalizace je změněna změnou velikosti periplazmatického prostoru.

rcsf vnější membránový lipoproteinový senzor musí kontaktovat své vnitřní membránové signalizační partnery, aby aktivoval snímání. Toto snímání vyžaduje specifickou periplazmatickou vzdálenost, protože prodloužení vazeb Lpp na peptidoglykan zvyšuje vzdálenost periplasmy, a pokud není RcsF prodloužena, signalizace již nemůže nastat. V panelu a: stav, ve kterém RcsF neaktivuje signalizaci, protože nedochází k žádné poruše obálky. V panelu B: porucha obálky vede k fyzikálním interakcím RcsF s vnitřním membránovým snímacím systémem a RCS regulon je aktivován. V panelu C, ve kterém byl Lpp prodloužen a periplazmatická intermembránová vzdálenost prodloužena, RCS regulon nelze aktivovat navzdory poruše obálky. V panelu D: vada dlouhého Lpp je opravena prodloužením RcsF. IM, vnitřní membrána; Lpp, Braunův lipoprotein; OM, vnější membrána; PG, peptidoglykan; RcsF, regulátor syntézy kapslí F.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2004935.g002

i Když tyto nedávné studie definovali Lpp jako specifický molekulární pravítko mezi vnější membránou a peptidoglykanu, to je neznámo co reguluje vzdálenost mezi vnitřní membránou a peptidoglykanu a ovládací prvky, polymerace nebo degradace peptidoglykanové polymery tak, že to není plně bránit proteiny, které se klenou periplasm. Definování těchto a dalších tajemství buněčné obálky by mohlo vést k důležitým praktickým pokrokům kromě uspokojení naší vědecké snahy vyřešit záhady gramnegativní bakteriální buněčné obálky. Tato obálka je pozoruhodně efektivní a evolučně pokročilé molekulární síto, které umožňuje vývoj antibiotik proti těchto organismů mnohem obtížnější, než pro gram-pozitivní bakterie, které postrádají další membrány a periplasm.

Zvýšení znalostí gram-negativní buňky obálka je také velmi důležité pro pochopení mechanismů rezistence k antibiotikům, protože mnoho z našich nejúspěšnějších antibiotik, včetně beta-laktamová antibiotika (které se zaměřují peptidoglykanu a zadejte přes porins), cílové buňky obálku. Gramnegativní bakterie a multirezistentní organismy se nadále vyvíjejí prostřednictvím obalových mutací a získávání nových periplazmatických enzymů. V potrubí je nedostatek nových antibiotik pro gramnegativní bakterie kvůli obtížnosti prolomení jedinečné bariéry poskytované vnější membránou a periplazmou. V tomto ohledu, antibiotika s periplasmic cíle mají výhodu nad těmi, potýkají s obtížemi proniká do vnitřní membrány a vyhnout se významné efluxní. To je zajímavé spekulovat, že cílení základní periplasmic funkce, které vyžadují periplasm konkrétní velikost a schopnost pojmout různé funkce, může nabídnout důležité nové cíle pro antibiotika rozvoj. Nedávné studie odhalily nové základní funkce gramnegativní obálky prostřednictvím bakteriální genetiky, strukturální biologie a pokročilých morfologických technik. Navzdory desetiletím studia se o gramnegativní bakteriální buněčné obálce ještě hodně dozví. Odhalování dalších záhad v této oblasti by mělo vést k nové generaci cíle pro rozvoj antibiotik, aby nás udržel krok napřed ve zbrojení s rezistentních gram-negativních bakterií.