bactérias gram-negativas, como as organelas de energia de plantas e Animais (o cloroplasto e mitocôndria), têm dois bilayers de membrana denominados as membranas externa e interna. O espaço entre estas duas membranas é denominado periplasma. Muito antes dos eucariontes unicelulares, o periplasma evoluiu como o primeiro compartimento extracitoplásmico para fornecer uma importante adaptação competitiva às bactérias gram-negativas. O conhecimento inicial e a descoberta do periplasma desenvolveram-se mesmo antes da sua visualização morfológica. Na década de 1960, os cientistas estavam tentando entender como enzimas tóxicas envolvidas na degradação de importantes moléculas biológicas, tais como ribonucleases e fosfatases produzidas pela bactéria gram-negativa Escherichia coli, não eram tóxicas para a célula. Métodos bioquímicos de extração sugeriram um compartimento separado, porque tal extração preservou o citoplasma ligado à membrana interna, e estes esferoplastos poderiam crescer novamente e sintetizar mais enzimas . O desenvolvimento da microscopia eletrônica levou à visualização das duas camadas de membrana separadas pelo periplasma .

A membrana adicional permite a criação do periplasma como um compartimento celular separado cujas novas funções provavelmente proporcionaram uma vantagem selectiva significativa e talvez ainda mais importante do que a exclusão das toxinas (Quadro 1). Estas novas funções incluem transporte de proteínas, dobragem, oxidação e controle de qualidade semelhante ao retículo endoplasmático das células eucarióticas. O periplasma também permite a sequestração de enzimas que podem ser tóxicas no citoplasma, importantes funções de sinalização e regulação da divisão celular. Além disso, ele contribui para a capacidade da célula para resistir a pressão de turgor, fornecendo sistemas estruturais que funcionam em conjunto com a membrana externa, tais como peptidoglycan e lipoproteínas, tuberculose efluxo de sistemas, e solutos específicos que contribuem para uma Donnan ou potencial iônico através da membrana externa. O periplasma também contém as plataformas de montagem envolvidas na secreção de proteínas beta-barrel de estrutura única, lipoproteínas e glicerolfosfolípidos para a membrana exterior (Fig. 1).

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Fig 1. Arquitectura do envelope gram-negativo de células bacterianas.

mostrado é o bilayer assimétrico de lipopolissacáridos e glicerolfosfolípidos que compõem a membrana externa. A membrana interna é uma intermédio simétrica de glicerolfosfolípidos. O espaço periplásmico é a região entre estas membranas que inclui uma variedade de enzimas e funções, incluindo a oxidação e controle de qualidade das proteínas. Também dentro do espaço periplásmico está uma camada de açúcares e aminoácidos reticulados denominada peptidoglicano, que envolve a célula. O peptidoglicano Está ligado à membrana externa das bactérias entéricas através de ligações covalentes de transpeptidase entre uma membrana externa abundante de lipoproteína Lpp. Uma variedade de sensores se encontram na membrana interna com domínios periplásmicos detectando mudanças ambientais e, no caso do sistema Rcs, uma mudança de localização da membrana externa da lipoproteína RcsF. Complexos de proteínas multicomponentes, como a máquina flagelar, abrangem as duas membranas. IM, membrana interna; Lpp, Braun lipoproteínas; LPS, lipopolysaccharide; RcsF, Regulador de cápsula síntese F.

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

A membrana externa é uma única organela ligado a outras partes da célula de envelope através do periplasm. As bactérias gram-positivas não possuem uma membrana exterior, mas possuem um polímero peptidoglicano mais extenso protegendo sua superfície. Em contraste com a membrana interna bacteriana—que é uma bicamada de glicerolfosfolípidos semelhante à da maioria das membranas de mamíferos e que tem um fluxo específico caracterizado pela difusão lateral—a membrana externa tem um fluxo restrito . É uma bicamada única, com o folheto interno com um teor típico de glicerolfosfolípidos de fosfotiletanolamina, fosfatidilglicerol e cardiolipina e o folheto externo em grande parte composto por um glicolípido único, lipopolissacarídeo (LPS) . Os fosfatos LPS conferem uma carga negativa para a superfície, e um potencial Donnan específico é criado através da membrana externa para o periplasma . A membrana externa funciona como uma barreira seletiva que permite o transporte de nutrientes valiosos, proporcionando uma barreira contra a compostos tóxicos, tais como lipossomas compostos antimicrobianos produzidos por todos os organismos, incluindo muitas bactérias gram-positivas . Outro componente desta barreira são as proteínas da membrana exterior com uma estrutura beta única que são inseridas na membrana externa através de um sistema específico de periplasmic chaperone . Estas proteínas juntam-se na membrana exterior como um puncta específico, indicando que a membrana exterior provavelmente se ajusta em manchas específicas que contêm proteínas e o único bilayer lipídico assimétrico . Entre essas proteínas de membrana externa estão as porinas, que podem atuar como canais seletivos que permitem substratos hidrofílicos de uma entrada de tamanho específico para o periplasma. Felizmente para os seres humanos, estas porinas transportam antibióticos beta-lactâmicos hidrofílicos, o que permite a sua penetração no periplasma, onde visam a síntese do importante elemento estrutural da parede celular—o peptidoglicano polimérico. A membrana externa de algumas bactérias está ancorada ao polímero peptidoglicano através de lipoproteínas abundantes, que são inseridas no folheto interno da membrana externa através de sistemas de secreção específicos . Uma variedade de complexos proteicos importantes funcionam como nanomáquinas e utilizam hidrólise ATP para segregar macromoléculas ou transformar uma organela de motilidade denominada flagela . Portanto, a membrana externa e a membrana interna também estão ligadas através do periplasma por complexos proteicos de membrana. Assim, a membrana externa é composta por manchas distintamente montadas que compõem uma organela complexa que pode ser ligada à camada peptidoglicana e à membrana interna através de ligações proteicas covalentes e não-covalentes. O conjunto da membrana externa e sua ligação ao peptidoglicano e ao citoplasma cria um espaço entre a membrana interna e a membrana externa, que é o periplasma.apesar das funções importantes contidas no espaço periplásmico, durante muitos anos tem havido debate sobre a distância intermembranar ou tamanho deste compartimento e se há uniformidade de espaçamento entre as membranas interior e exterior ao longo da célula. Havia preocupação de que muitas das visualizações deste espaço como sendo de um tamanho específico eram artefatos de fixação para imagens por microscopia eletrônica e que, de fato, o espaço era apenas um espaço potencial. Os primeiros estudos microscópicos de electrões da Bayer demonstraram adesões entre a membrana externa e interna que obliteraram parte destes espaços; ele sugeriu que os pontos de adesão eram áreas onde o principal folheto externo lípido, LPS, foi entregue à membrana externa a partir do seu local de síntese na membrana interna . No entanto, seu trabalho foi posteriormente desacreditado como sendo derivado da observação de artefatos de fixação potencial, embora muitos especialistas hoje pensam que pode haver aderências verdadeiras à base de proteínas entre as membranas, porque alguns sistemas de efluxo e transporte não contêm componentes de dimensões suficientes para abranger o espaço visualizado. A presença de áreas específicas em que as membranas estão próximas explicaria como algumas destas bombas ATP-ligantes cassete (ABC) transporte e efluxo poderiam funcionar; estes sistemas têm componentes proteicos periplásmicos que são essenciais para o efluxo, LPS, ou outro transporte glicolípido, mas não possuem um tamanho intrínseco ou natureza polimérica suficientemente grande para alcançar a membrana externa e, assim, fornecer um mecanismo para promover o transporte. Além disso, o periplasma contém muitos outros componentes que necessitam de pelo menos algum volume para o espaço periplásmico, mais proeminentemente a camada polimérica peptidoglicana em torno da célula. No momento, não está claro como esses transportadores contornar este polímero e a largura da periplasm para contato com a membrana, embora trabalhos recentes demonstram que a membrana externa lipoproteínas podem coordenar peptidoglycan síntese, através do contacto directo indica que pelo menos algumas proteínas podem caber através de poros na peptidoglycan para realizar funções importantes

Em contraste, uma variedade de organismos, incluindo o flagelo e a virulência associados secreção Tipo III sistema de agulha complexos, exigem a montagem de polímeros no periplasm que abrangem as duas membranas. No caso do Flagelo, a sua haste ou eixo de transmissão cobre o periplasma e o seu comprimento é determinado pelo polímero que entra em contacto com a membrana exterior. Elegante trabalho recente do grupo de Kelly Hughes mostrou que o tamanho do periplasma, ou a distância entre as duas membranas, é controlado em grande parte em bactérias entéricas por uma lipoproteína específica denominada lipoproteína de Braun (ou Lpp), que covalentemente liga a membrana externa à camada peptidoglicana . Isto é notável porque a Lpp é a proteína mais abundante presente nas bactérias entéricas, descrita pela Braun há 48 anos, e até este ponto não lhe tinha sido atribuída nenhuma função específica. Esta proteína alfa-helicoidal é inserida através da sua âncora lipídica no folheto interno da membrana exterior e covalentemente ligada ao polímero peptidoglicano por uma família de transpeptidases . Alongar estas lipoproteínas que permitem a expansão do periplasma leva a uma haste mais longa e um comportamento de natação mais eficiente. Estes autores interpretaram este resultado como indicando que deve haver outras funções evolutivamente selecionadas que limitaram o tamanho periplásmico, forçando uma redução na eficiência da natação. Nesta questão da biologia da PLOS, uma dessas funções importantes é revelada: uma função sinalizadora de danos de envelope controlada por outra membrana exterior lipoproteína, regulador da síntese de cápsulas F (RcsF), que sente desordem ou dano do envelope.as bactérias gram-negativas têm uma variedade de funções importantes que sentem danos na membrana e compostos tóxicos, tais como peptídeos antimicrobianos, que danificam a membrana externa . Estes sistemas de detecção incluem aqueles que permitem remodelar a superfície bacteriana para ser mais resistente a compostos tóxicos—análogo a naves espaciais energizando seus escudos em histórias de ficção científica . Alguns destes sistemas de detecção são receptores que funcionam como cinases sensores com domínios no periplasma para sentir moléculas específicas ou danos. No entanto, um dos mais exclusivo sensor de quinase de sistemas, denominado o Rcs do sistema—que no dano da membrana ativa a síntese do polissacarídeo extracelular para fornecer a proteção celular e formação de biofilme—tem uma lipoproteína de membrana externa RcsF, que interage com a sinalização de proteínas específicas periplasmic domínios no envelope danos e peptidoglycan estresse para ativar a síntese do polissacarídeo extracelular de produção e outras relacionadas com o stress, coping caminhos . Assim, o dano no envelope de alguma forma traz a lipoproteína RcsF em maior proximidade com o sistema interno de detecção de membrana, e assim evoluiu para sentir desordem na membrana externa e/ou peptidoglicano (Fig. 2). Nesta edição da revista PLOS Biology, os autores demonstrar conclusivamente que essa detecção requer o periplasm ser de um tamanho específico, porque as mutações que alonga a muito abundantes Lpp lipoproteína de ancoragem da membrana externa para o peptidoglycan (resultando em um aumento do tamanho da periplasm) aboliu a sinalização, a menos que a detecção de lipoproteína (que no dano da membrana deve chegar para o interior da membrana do sensor) é também aumentada . Este trabalho também mostra claramente uma ordem e tamanho muito específicos para o periplasma; o tamanho do periplasma é claramente visto como ele existe em associação com as mudanças na ancoragem da lipoproteína ou comprimento por microscopia crio-eletrônica. Esta tecnologia e tomografia eletrônica usadas no trabalho do Grupo Hughes em relação ao rotor flagelar estão revolucionando nossa visão do envelope celular bacteriano e dos complexos proteicos que abrangem o periplasma para realizar funções importantes .

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Fig 2. A sinalização RcsF é alterada por uma mudança no tamanho do espaço periplásmico.o sensor de lipoproteína da membrana exterior RcsF deve contactar os seus parceiros de sinalização da membrana interna para activar a detecção. Este sensor requer uma distância periplásmica específica porque o alongamento das ligações Lpp para peptidoglicano aumenta a distância do periplasma, e a menos que RcsF seja alongado, a sinalização não pode mais ocorrer. No painel A: o estado em que a RcsF não está ativando a sinalização porque não há desordem de envelope em andamento. No painel B: o transtorno de envelope leva a interações físicas RcsF com o sistema sensor de membrana interna, e o Regulamento Rcs é ativado. No painel C, em que o Lpp foi alongado e a distância intermembranar periplásmica alongada, o Rcs regulon não pode ser ativado apesar da desordem do envelope. No painel D: o defeito do Lpp longo é corrigido aumentando o RcsF. IM, membrana interna; Lpp, lipoproteína da Braun; OM, membrana exterior; PG, peptidoglicano; RcsF, regulador da síntese das cápsulas F.

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

Apesar de estes estudos recentes têm definido Lpp como um específico molecular régua entre a membrana externa e peptidoglycan, é desconhecido o que regula a distância entre a membrana interna e peptidoglycan e o que controla o polimerização ou a degradação do peptidoglycan polímero, de modo que ele não obstruir totalmente proteínas que atravessam o periplasm. Definir estes e outros mistérios do envelope celular pode levar a importantes avanços práticos, além de satisfazer o nosso desejo científico de resolver os mistérios do envelope gram-negativo de células bacterianas. Este envelope é um crivo molecular extraordinariamente eficiente e evolutivamente avançado que torna o desenvolvimento de antibióticos contra estes organismos muito mais difícil do que para bactérias gram-positivas, que não possuem a membrana adicional e periplasma.

o aumento do conhecimento do envelope celular gram-negativo também é fundamental para a compreensão dos mecanismos de resistência aos antibióticos, porque muitos dos nossos antibióticos mais bem sucedidos, incluindo os antibióticos beta-lactâmicos (que visam o peptidoglicano e entram através das porinas), visam o envelope celular. Bactérias Gram-negativas e organismos multidrogresistentes continuam a evoluir através de mutações de envelopes e da aquisição de novas enzimas periplásmicas. Há uma falta de novos antibióticos para bactérias gram-negativas no gasoduto devido à dificuldade de quebrar a barreira única fornecida pela membrana exterior e o periplasma. A este respeito, os antibióticos com alvos periplásmicos têm uma vantagem sobre aqueles que enfrentam as dificuldades de penetrar a membrana interna e evitar um efluxo significativo. É interessante especular que direcionar funções periplásmicas essenciais que requerem um periplasma de tamanho específico e capacidade de acomodar diferentes funções poderia oferecer novos objetivos importantes para o desenvolvimento de antibióticos. Estudos recentes descobriram novas funções básicas do envelope gram-negativo através da genética bacteriana, biologia estrutural e técnicas morfológicas avançadas. Apesar de décadas de estudo, ainda há muito a aprender sobre o envelope gram-negativo de células bacterianas. Desvendar outros mistérios nesta área deve levar a uma nova geração de alvos para o desenvolvimento de antibióticos, para nos manter um passo à frente na corrida armamentista com antibiótico-resistentes as bactérias gram-negativas.