bacteriile Gram-negative, cum ar fi organele energetice ale plantelor și animalelor (cloroplastul și mitocondriile), au două straturi de membrană denumite membranele exterioare și interioare. Spațiul dintre aceste două membrane este denumit periplasm. Cu mult înainte de eucariotele cu o singură celulă, periplasma a evoluat ca primul compartiment extracitoplasmatic pentru a oferi o adaptare competitivă importantă la bacteriile gram-negative. Cunoașterea timpurie și descoperirea periplasmei s-au dezvoltat chiar înainte de vizualizarea sa morfologică. În anii 1960, oamenii de știință încercau să înțeleagă cum enzimele toxice implicate în degradarea moleculelor biologice importante, cum ar fi ribonucleazele și fosfatazele produse de bacteriile gram-negative Escherichia coli, nu erau toxice pentru celulă. Metodele de extracție biochimice au sugerat un compartiment separat, deoarece o astfel de extracție a păstrat citoplasma interioară legată de membrană, iar aceste sferoplaste ar putea crește din nou și sintetiza mai multe enzime . Dezvoltarea microscopiei electronice a dus la vizualizarea celor două bistraturi membranare separate de periplasmă .

membrana suplimentară permite crearea periplasmei ca un compartiment celular separat ale cărui funcții noi au oferit probabil un avantaj selectiv semnificativ și poate chiar mai important decât excluderea toxinelor (Tabelul 1). Aceste funcții noi includ transportul proteinelor, plierea, oxidarea și controlul calității similar cu reticulul endoplasmatic al celulelor eucariote. Periplasma permite, de asemenea, sechestrarea enzimelor care pot fi toxice în citoplasmă, funcții importante de semnalizare și reglarea diviziunii celulare. În plus, contribuie la capacitatea celulei de a rezista presiunii turgorului prin furnizarea de sisteme structurale care funcționează împreună cu membrana exterioară, cum ar fi peptidoglican și lipoproteine, sisteme de eflux multidrog și substanțe dizolvate specifice care contribuie la un Donnan sau potențial ionic peste membrana exterioară. Periplasmul conține, de asemenea, platformele de asamblare implicate în secreția de proteine beta-baril structurate unic, lipoproteine și glicerolfosfolipide la membrana exterioară (Fig.1).

descărcare:

• diapozitiv PowerPoint
• imagine mai mare
• imagine originală

Fig 1. Arhitectura plicului celular bacterian gram-negativ.

prezentat este bistratul asimetric al lipopolizaharidelor și glicerolfosfolipidelor care cuprind membrana exterioară. Membrana interioară este o bistrat simetric de glicerolfosfolipide. Spațiul periplasmic este regiunea dintre aceste membrane care include o varietate de enzime și funcții, inclusiv oxidarea și controlul calității proteinelor. De asemenea, în spațiul periplasmic se află un strat de zaharuri reticulate și aminoacizi numiți peptidoglican, care înconjoară celula. Peptidoglican este legat de membrana exterioară în bacterii enterice prin legături covalente transpeptidază între o membrană exterioară abundentă lipoproteină Lpp. O varietate de senzori stau în membrana interioară cu domenii periplasmice care detectează schimbările de mediu și, în cazul sistemului Rcs, o schimbare a locației lipoproteinei membranei exterioare RcsF. Complexele proteice multicomponente, cum ar fi mașina flagelară, acoperă cele două membrane. Im, membrană interioară; LPP, lipoproteina lui Braun; LPS, lipopolizaharidă; RcsF, Regulator al sintezei capsulelor F.

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

membrana exterioară este un organet unic conectat la alte părți ale învelișului celular prin periplasmă. Bacteriile Gram-pozitive nu au o membrană exterioară, dar au un polimer peptidoglican mai extins care le protejează suprafața. Spre deosebire de membrana interioară bacteriană—care este un strat dublu de glicerolfosfolipide similar cu cel al majorității membranelor de mamifere și care are un flux specific caracterizat prin difuzie laterală—membrana exterioară are un flux restricționat . Este un bistrat unic, cu prospectul interior având un conținut tipic de glicerolfosfolipidă de fosfotidiletanolamină, fosfatidilglicerol și cardiolipină, iar prospectul exterior este compus în mare parte dintr-un glicolipid unic, lipopolizaharidă (LPS) . Fosfații LPS conferă o sarcină negativă suprafeței și se creează un potențial Donnan specific peste membrana exterioară în periplasmă . Membrana exterioară funcționează ca o barieră selectivă care permite transportul nutrienților valoroși, oferind în același timp o barieră împotriva compușilor toxici, cum ar fi compușii antimicrobieni cationici produși de toate organismele, inclusiv multe bacterii gram-pozitive . O altă componentă a acestei bariere sunt proteinele membranei exterioare cu o structură beta-barilă unică care sunt inserate în membrana exterioară printr-un sistem specific de Chaperon periplasmic . Aceste proteine se asamblează în membrana exterioară ca punct specific, indicând faptul că membrana exterioară se asamblează probabil în patch-uri discrete specifice care conțin proteine și bistratul lipidic asimetric unic . Printre aceste proteine ale membranei exterioare sunt incluse porinele, care pot acționa ca canale selective care permit substraturi hidrofile de o dimensiune specifică intrarea în periplasmă. Din fericire pentru oameni, aceste porine transportă antibiotice beta-lactamice hidrofile, ceea ce permite pătrunderea lor în periplasmă, unde vizează sinteza elementului structural important al peretelui celular—peptidoglicanul polimeric. Membrana exterioară a unor bacterii este ancorată la polimerul peptidoglican prin lipoproteine abundente, care sunt inserate în prospectul interior al membranei exterioare prin sisteme specifice de secreție . O varietate de complexe proteice importante funcționează ca nanomașini și utilizează hidroliza ATP pentru a secreta macromolecule sau pentru a transforma un organet de motilitate numit flagel . Prin urmare, membrana exterioară și membrana interioară sunt, de asemenea, conectate de-a lungul periplasmei prin complexe proteice care acoperă membrana. Prin urmare, membrana exterioară este compusă din plasturi distinct asamblați care cuprind o organelă complexă care poate fi atașată la stratul peptidoglican și la membrana interioară prin legături proteice covalente și necovalente. Ansamblul membranei exterioare și legătura sa cu peptidoglican și citoplasmă creează un spațiu între membrana interioară și membrana exterioară, care este periplasma.

în ciuda funcțiilor importante conținute în spațiul periplasmic, de mulți ani au existat dezbateri cu privire la distanța intermembranară sau dimensiunea acestui compartiment și dacă există uniformitate a distanței dintre membranele interioare și exterioare în întreaga celulă. A existat îngrijorarea că multe dintre vizualizările acestui spațiu ca fiind de o dimensiune specifică erau artefacte de fixare pentru imagistică prin microscopie electronică și că, de fapt, spațiul era de fapt doar un spațiu potențial. Primele studii microscopice electronice ale Bayer au demonstrat aderențe între membrana exterioară și cea interioară care a șters o parte din aceste spații; el a sugerat că punctele de aderență erau zone în care lipidul principal al prospectului exterior, LPS, a fost livrat membranei exterioare de la locul său de sinteză la membrana interioară . Cu toate acestea, lucrarea Sa a fost ulterior discreditată ca fiind derivată din observarea potențialelor artefacte de fixare, deși mulți experți consideră astăzi că pot exista aderențe reale pe bază de proteine între membrane, deoarece unele sisteme de eflux și transport nu conțin componente de dimensiuni suficiente pentru a acoperi spațiul vizualizat. Prezența unor zone specifice în care membranele sunt apropiate ar explica modul în care ar putea funcționa unele dintre aceste pompe de transport și eflux cu casetă de legare ATP (ABC) ; aceste sisteme au componente proteice periplasmice care sunt esențiale pentru eflux, LPS sau alt transport glicolipidic, dar nu au o dimensiune intrinsecă sau o natură polimerică suficient de mare pentru a ajunge la membrana exterioară și astfel oferă un mecanism de promovare a transportului. Mai mult, periplasma conține multe alte componente care necesită cel puțin un volum pentru spațiul periplasmic, cel mai vizibil stratul polimeric peptidoglican care înconjoară celula. În prezent, nu este clar modul în care acești transportori ajung în jurul acestui polimer și lățimea periplasmei pentru a intra în contact cu membrana, deși lucrările recente care demonstrează că lipoproteinele cu membrană exterioară pot coordona sinteza peptidoglicanului prin contact direct indică faptul că cel puțin unele proteine se pot încadra prin porii peptidoglicanului pentru a îndeplini funcții importante

în schimb, o varietate de organite, inclusiv flagelul și complexul ac al sistemului de secreție de tip III asociat virulenței, necesită asamblarea polimerilor în periplasmă care acoperă cele două membrane. În cazul flagelului, tija sau arborele său de antrenare se întinde pe periplasmă, iar lungimea sa este determinată de polimerul care intră în contact cu membrana exterioară. O lucrare recentă elegantă a grupului lui Kelly Hughes a arătat că dimensiunea periplasmei sau distanța dintre cele două membrane este controlată în mare parte în bacteriile enterice de o lipoproteină specifică numită lipoproteina lui Braun (sau Lpp), care leagă covalent membrana exterioară de stratul peptidoglican . Acest lucru este destul de remarcabil, deoarece Lpp este cea mai abundentă proteină prezentă în bacteriile enterice, descrisă de Braun acum 48 de ani și până în acest moment nu i s-a atribuit nicio funcție specifică. Această proteină alfa-elicoidală este inserată prin ancora sa lipidică în prospectul interior al membranei exterioare și legată covalent de polimerul peptidoglican de o familie de transpeptidaze . Prelungirea acestor lipoproteine care permit extinderea periplasmei duce la o tijă flagelară mai lungă și un comportament de înot mai eficient. Acești autori au interpretat acest rezultat ca indicând faptul că trebuie să existe și alte funcții selectate evolutiv care să limiteze dimensiunea periplasmică, forțând o reducere a eficienței înotului. În acest număr al PLOS Biology, se dezvăluie una dintre aceste funcții importante: o funcție de semnalizare a deteriorării plicului controlată de o altă lipoproteină cu membrană exterioară, Regulator al sintezei capsulei F (RcsF), care simte tulburarea sau deteriorarea plicului.

bacteriile Gram-negative au o varietate de funcții importante care simt deteriorarea membranei și compușii toxici, cum ar fi peptidele antimicrobiene, care afectează membrana exterioară . Aceste sisteme de detectare includ cele care permit remodelarea suprafeței bacteriene pentru a fi mai rezistentă la compușii toxici—analog cu navele spațiale care își energizează scuturile în poveștile science fiction . Unele dintre aceste sisteme de detectare sunt receptori care funcționează ca kinaze senzoriale cu domenii în periplasmă pentru a simți molecule specifice sau daune. Cu toate acestea, unul dintre cele mai unice sisteme de kinază a senzorilor, denumit sistemul Rcs—care la deteriorarea membranei activează sinteza polizaharidelor extracelulare pentru a asigura protecția celulară și formarea biofilmului—are o lipoproteină cu membrană exterioară RcsF, care interacționează cu proteinele de semnalizare cu domenii periplasmice specifice pe deteriorarea învelișului și stresul peptidoglican pentru a activa sinteza producției de polizaharide extracelulare și a altor căi de coping legate de stres . Astfel, deteriorarea învelișului aduce într-un fel lipoproteina RcsF într-o mai mare apropiere de sistemul interior de detectare a membranei și, astfel, a evoluat pentru a simți tulburarea în membrana exterioară și/sau peptidoglican (Fig 2). În acest număr al PLOS Biology, autorii demonstrează în mod concludent că această detectare necesită ca periplasma să aibă o dimensiune specifică, deoarece mutațiile care prelungesc ancora lipoproteinelor LPP foarte abundente de la membrana exterioară la peptidoglican (rezultând o dimensiune crescută a periplasmei) au eliminat semnalizarea, cu excepția cazului în care lipoproteina de detectare (care la deteriorarea membranei trebuie să ajungă la senzorul membranei interioare) este, de asemenea, prelungită . Această lucrare arată, de asemenea, în mod clar o ordine și o dimensiune foarte specifice periplasmei; dimensiunea periplasmei este văzută clar, deoarece există în asociere cu modificările ancorării sau lungimii lipoproteinelor prin microscopie crioelectronică. Această tehnologie și tomografia electronică utilizate în activitatea Grupului Hughes în raport cu rotorul flagelar revoluționează viziunea noastră asupra învelișului celular bacterian și a complexelor proteice care acoperă periplasma pentru a îndeplini funcții importante .

descărcare:

• diapozitiv PowerPoint
• imagine mai mare
• imagine originală

Fig 2. Semnalizarea RcsF este modificată de o modificare a dimensiunii spațiului periplasmic.

senzorul de lipoproteine cu membrană exterioară RcsF trebuie să contacteze partenerii săi de semnalizare cu membrană interioară pentru a activa detectarea. Această detectare necesită o distanță periplasmică specifică, deoarece prelungirea legăturilor Lpp cu peptidoglican crește distanța periplasmei și, cu excepția cazului în care RcsF este prelungită, semnalizarea nu mai poate apărea. În panoul A: starea în care RcsF nu activează semnalizarea, deoarece nici o tulburare a plicului nu este în desfășurare. În panoul B: tulburarea plicului duce la interacțiuni fizice RcsF cu sistemul de detectare a membranei interioare, iar regulonul Rcs este activat. În panoul C, în care Lpp a fost prelungit și distanța intermembranară periplasmică prelungită, regulonul Rcs nu poate fi activat în ciuda tulburării plicului. În panoul D: defectul LPP lung este corectat prin prelungirea RcsF. IM, membrană interioară; Lpp, lipoproteina lui Braun; OM, membrană exterioară; PG, peptidoglican; RcsF, Regulator al sintezei capsulelor F.

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

deși aceste studii recente au definit Lpp ca o riglă moleculară specifică între membrana exterioară și peptidoglican, nu se știe ce reglează distanța dintre membrana interioară și peptidoglican și ce controlează polimerizarea sau degradarea polimerului peptidoglican, astfel încât să nu obstrucționeze complet proteinele care acoperă periplasma. Definirea acestor și a altor mistere ale învelișului celular ar putea duce la progrese practice importante, pe lângă satisfacerea dorinței noastre științifice de a rezolva misterele învelișului celular bacterian gram-negativ. Acest plic este o sită moleculară remarcabil de eficientă și avansată din punct de vedere evolutiv, care face ca dezvoltarea antibioticelor împotriva acestor organisme să fie mult mai dificilă decât pentru bacteriile gram-pozitive, cărora le lipsește membrana și periplasmul suplimentar.cunoașterea sporită a învelișului celular gram-negativ este, de asemenea, esențială pentru înțelegerea mecanismelor rezistenței la antibiotice, deoarece multe dintre cele mai de succes antibiotice, inclusiv antibioticele beta-lactamice (care vizează peptidoglican și intră prin porine), vizează învelișul celular. Bacteriile Gram-negative și organismele multirezistente continuă să evolueze prin mutații ale învelișului și prin achiziționarea de noi enzime periplasmice. Există o lipsă de noi antibiotice pentru bacteriile gram-negative din conductă din cauza dificultății de a încălca bariera unică oferită de membrana exterioară și periplasmul. În acest sens, antibioticele cu ținte periplasmice au un avantaj față de cele care se confruntă cu dificultățile de penetrare a membranei interioare și evitarea efluxului semnificativ. Este interesant de speculat că direcționarea funcțiilor periplasmice esențiale care necesită o periplasmă de dimensiuni specifice și capacitatea de a găzdui diferite funcții ar putea oferi noi obiective importante pentru dezvoltarea antibioticelor. Studii recente au descoperit noi funcții de bază ale învelișului gram-negativ prin genetică bacteriană, biologie structurală și tehnici morfologice avansate. În ciuda deceniilor de studiu, rămân multe de învățat despre învelișul celular bacterian gram-negativ. Descoperirea altor mistere în acest domeniu ar trebui să conducă la o nouă generație de ținte pentru dezvoltarea antibioticelor pentru a ne menține cu un pas înainte în cursa înarmărilor cu bacterii gram-negative rezistente la antibiotice.