Грамположительные и грамотрицательные бактерии

Это смешанная культура грамотрицательной кишечной палочки (красно-оранжевая) и грамположительного золотистого стафилококка (сине-фиолетовая), окрашенная методом окрашивания по Граму.

Майкл Р. Франциско/Flickr/CC BY-SA 2.0

• Бакалавр биологии, Университет Эмори
• AS, медсестра, Технический колледж Чаттахучи

Регина Бейли — дипломированная медсестра, научный писатель и педагог. Ее работа была представлена ​​в журналах «Kaplan AP Biology» и «Интернет для клеточных и молекулярных биологов».

Большинство бактерий подразделяются на две большие категории: грамположительные и грамотрицательные. Эти категории основаны на составе их клеточной стенки и реакции на тест окрашивания по Граму. Метод окрашивания по Граму, разработанный Ганс Кристиан Грам, идентифицирует бактерии на основе реакции их клеточных стенок на определенные красители и химические вещества.

Различия между грамположительными и грамотрицательными бактериями в первую очередь связаны с составом их клеточной стенки. Грамположительные бактерии имеют клеточные стенки, состоящие в основном из уникального для бактерий вещества, известного как пептидогликанили муреин. Эти бактерии окрашиваются в фиолетовый цвет после окрашивания по Граму.Грамотрицательные бактерии имеют клеточные стенки только с тонким слоем пептидогликана и внешней мембраной с липополисахаридным компонентом, не встречающимся у грамположительных бактерий. Грамотрицательные бактерии окрашиваются в красный или розовый цвет после окрашивания по Граму.

Грамположительные бактерии

Клеточные стенки грамположительные бактерии отличаются структурно от клеточных стенок грамотрицательных бактерий. Основным компонентом клеточных стенок бактерий является пептидогликан. пептидогликан представляет собой макромолекулу, состоящую из сахаров и аминокислот, структурно собранных подобно тканому материалу. Компонент аминосахара состоит из чередующихся молекул N-ацетилглюкозамин (НАГ) а также N-ацетилмурамовая кислота (NAM). Эти молекулы сшиты между собой короткими пептидами, которые помогают придать пептидогликану прочность и структуру. Пептидогликан обеспечивает защиту бактерий и определяет их форму.

На этом изображении показан состав клеточной стенки грамположительных бактерий. CNX OpenStax/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Грамположительная клеточная стенка имеет несколько слоев пептидогликана. Толстые слои пептидогликана помогают поддерживать клеточную мембрану и обеспечивают место для прикрепления других молекул. Толстые слои также позволяют грамположительным бактериям удерживать большую часть кристаллического фиолетового красителя во время окрашивания по Граму, что делает их пурпурными. Грамположительные клеточные стенки также содержат цепочки тейхоевая кислота которые простираются от плазматической мембраны через пептидогликановую клеточную стенку. Эти сахаросодержащие полимеры помогают поддерживать форму клеток и играют роль в правильном делении клеток. Тейхоевая кислота помогает некоторым грамположительным бактериям заражать клетки и вызывать заболевания.

Некоторые грамположительные бактерии имеют дополнительный компонент, миколовая кислота, в их клеточных стенках. Миколиновые кислоты образуют восковой внешний слой, который обеспечивает дополнительную защиту от микобактерий, таких как Mycobacterium tuberculosis.Грамположительные бактерии с миколовой кислотой также называют кислотоустойчивыми бактериями, потому что они требуют специального метода окрашивания, известного как кислотоустойчивое окрашивание, для наблюдения под микроскопом.

Патогенные грамположительные бактерии вызывают заболевание секрецией токсичных белков, известных как экзотоксины. Экзотоксины синтезируются внутри прокариотической клетки и высвобождаются наружу клетки. Они характерны для определенных бактериальных пятен и могут вызывать серьезные повреждения органов и тканей организма. Некоторые грамотрицательные бактерии также продуцируют экзотоксины.

грамположительные кокки

грамположительные кокки относятся к грамположительным бактериям сферической формы. Два рода грамположительных кокков известны своей ролью в качестве патогенов человека. стафилококк а также стрептококк. Стафилококки имеют сферическую форму, а их клетки после деления образуют скопления. Клетки стрептококка после деления выглядят как длинные цепочки клеток. Примеры грамположительных кокков, колонизирующих кожу, включают: Эпидермальный стафилококк, золотистый стафилококк, а также пиогенный стрептококк.

Staphylococcus aureus — это грамположительные кокковые (круглые) бактерии, которые обнаруживаются на коже и слизистых оболочках человека и многих животных. Бактерии обычно безвредны, но инфекции могут возникать на поврежденной коже или в закупоренных потовых или сальных железах, что приводит к появлению фурункулов, пустул и абсцессов. Пол Ганнинг / Science Photo Library / Getty Images

Хотя все три являются частью нормальной микробиоты человека, при определенных условиях они могут вызывать заболевания. Staphylococcus epidermidis образуют толстые биопленки и могут вызывать инфекции, связанные с имплантированными медицинскими устройствами.  Некоторые штаммы Staphylococcus aureus, такие как метициллин-резистентный Staphylococcus aureus (MRSA), стали устойчивыми к антибиотикам и могут привести к развитию серьезных заболеваний.  Streptococcus pyogenes может вызывать острый фарингит, скарлатину и плотоядное заболевание. 

Грамотрицательные бактерии

Подобно грамположительным бактериям, грамотрицательный клеточная стенка бактерий состоит из пептидогликана. Однако пептидогликан представляет собой один тонкий слой по сравнению с толстыми слоями в грамположительных клетках. Этот тонкий слой не сохраняет первоначальный краситель кристаллический фиолетовый, но приобретает розовый цвет контрастного красителя при окрашивании по Граму. Структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий более сложная, чем у грамположительных бактерий. Между плазматической мембраной и тонким слоем пептидогликана расположен гелеобразный матрикс, называемый периплазматическим пространством. В отличие от грамположительных бактерий, грамотрицательные бактерии имеют внешняя мембрана слой, который является внешним по отношению к пептидогликановой клеточной стенке. Мембранные белки, муреиновые липопротеины, прикрепляют наружную мембрану к клеточной стенке.

На этом изображении показан состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий. CNX OpenStax/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Еще одной уникальной характеристикой грамотрицательных бактерий является наличие липополисахарид (ЛПС) молекул на внешней мембране. ЛПС представляет собой большой гликолипидный комплекс, который защищает бактерии от вредных веществ в окружающей их среде. Это также бактериальный токсин (эндотоксин), который при попадании в кровь может вызвать воспаление и септический шок у человека.  В состав ЛПС входят три компонента: липид А, основной полисахарид и О-антиген. липид А компонент прикрепляет ЛПС к наружной мембране. К липиду А присоединяется основной полисахарид. Он расположен между компонентом липида А и О-антигеном. О-антиген компонент прикрепляется к основному полисахариду и различается между видами бактерий. Его можно использовать для выявления конкретных штаммов вредных бактерий.

Грамотрицательные кокки

Грамотрицательные кокки относятся к грамотрицательным бактериям сферической формы. Бактерии рода Neisseria являются примерами грамотрицательных кокков, вызывающих заболевания у людей. Neisseria meningitidis является диплококком, что означает, что его сферические клетки остаются парами после клеточного деления. Нейссерия менингит вызывает бактериальный менингит, а также может вызывать септицемию и шок. 

Neisseria meningitidis — сферические грамотрицательные бактерии, вызывающие менингит у человека. Бактерии обычно встречаются парами, каждая из которых вогнута на стороне, обращенной к партнеру. Агентство по охране здоровья / Научная фотобиблиотека / Getty Images

Еще одна диплококковая бактерия. Н. гонорея, является возбудителем гонореи, передающейся половым путем.  Моракселла катаральная грамотрицательный диплококк, вызывающий ушные инфекции у детей, инфекции верхних дыхательных путей, эндокардит и менингит.

грамотрицательный коккобациллы бактерии имеют бактериальные формы, которые находятся между сферической и палочковидной. Бактерии рода Haemophilus и Acinetobacter являются коккобациллами, вызывающими серьезные инфекции. гемофильная палочка может вызвать менингит, инфекции носовых пазух и пневмонию.  Виды Acinetobacter вызывают пневмонию и раневые инфекции.