Bakterijske celice uvrščamo med prokarionte, enostavne enocelične organizme brez pravega jedra. V njihovi celici ne najdemo mitohondrijev, endoplazemskega retukuluma in Golgijevega aparata. Sredico tipične bakterije Escherichia coli sestavlja krožni kromosom s 5 milijoni baznih parov in dolžino 1.3 mm. Za primerjavo, človeški kromosom vsebuje skoraj 3 milijarde baznih parov, v dolžino pa meri 990 mm. Tudi biokemijska sestava bakterijske celice se razlikuje od živalske. Bakterije morajo vitamine sintetizirati same, medtem ko jih živalske dobijo s hrano. Za kataliziranje kemijskih reakcij potrebujejo encime. Njihovo zunanje ogrodje sestavljata celična membrana in celična stena, medtem ko celične stene pri živalski celici ni. Bakterijska celica je razvila strukturo in mehanizme, s katerimi se je prilagodila na življenje v neugodnem okolju. Preživi lahko močnejše temperaturne ekstreme in pritiske kot eukariontska celica. Prokariontska celica je sestavljena iz celične stene, pod katero leži celična membrana, citoplazme, bičkov in pilusov, s katerimi se premika in pritrja. V citoplazmi, ki jo obdaja citoplazemska membrana najdemo ribosome, proteine, metabolite, plazmide in bakterijski nukleotid (kromosom).
Bakterije razdelimo po njihovi obliki na okrogle, paličaste in spiralne, po velikosti (0,1 in 20 µm), ter po ureditvi v prostoru na verige, skupke ali samostojne celice. Njihove presnovne potrebe se v okolju, v katerem živijo razlikujejo. Aerobne za svoje preživetje potrebujejo kisik, medtem ko anaerobne brez njega lahko preživijo. Med seboj jih ločimo z barvanjem po Gramu, ki je enostaven in hiter test, s katerim bakterije razlikujemo glede na zmožnost zadrževanja barvila. Pomaga nam odkriti pravo diagnozo in s tem pravilen izbor antibiotikov. Test začnemo z barvanjem z metilvijoličnim barvilom, ki ga speremo z Lugolovo raztopino joda. Sledi spiranje z etanolom ali acetonom in dodatek rdečega barvila safranin.
Gram-pozitivne bakterije se obarvajo vijolično, Gram-negativne zaradi tankega peptidoglikanskega sloja barvila ne zadržijo in postanejo rdeče. (4)(5)
5
1.2.1 Celična stena
Celična stena je ključnega pomena za preživetje bakterijske celice. Nahaja se tik nad citoplazemsko membrano. Celico ščiti pred zunanjimi vplivi iz okolja, ji daje obliko, rigidnost, ji posreduje informacije in snovi iz zunanjega okolja.
Struktura in funkcija celične stene se pomembno razlikuje med bakterijami. Gram-pozitivne bakterije imajo debelo, večslojno celično steno, sestavljeno izključno iz peptidoglikana (do 20 slojev), proteinov, tehojske in lipotehojske kisline, ter kompleksnih C polisaharidov. Tehojska kislina je vodotopen anionski poliolni fosfat, ki se kovalentno veže na peptidoglikan.
Celična stena Gram-negativnih molekul je bolj kompleksna, tako strukturno kot kemijsko. Sestavljena je iz zunanjega lipidnega sloja pritrjenega na peptidoglikan. Vmes se nahaja periplazemski prostor, ki vsebuje transportne sisteme za železo, proteine, sladkorje in encime, ki so odgovorni za metabolizem.
(4)(6)
1.2.2 Peptidoglikan
Murein, mukopeptid oz. peptidoglikan je ena največjih makromolekul bakterijske celice in glavna sestavina celične stene. (7) Spominja na neraztegljiv mrežast sloj, ki obdaja celotno bakterijo. (2) Je zaščitni polimer, sestavljen iz glikanskih verig, ki so med seboj povezane s peptidnimi enotami. S svojo rigidnostjo varuje bakterijsko celico pred osmotskim pritiskom, zagotavlja nemoteno potovanje hranil, izločanje zunajceličnih beljakovin in ji omogoča nemoteno rast. Je hetero polimer, prisoten pri vseh bakterijah. Gram-negativne bakterije sintetizirajo tanko enoslojno peptidoglikansko verigo, njihova celična stena je sestavljena pretežno iz lipopolisaharidov in lipoproteinov. (8) Gram-pozitivne bakterije sintetizirajo debelo večslojno mrežo (Slika 2). Strukturo peptidoglikana sestavljajo glikanske verige, v katerih se izmenjujeta N-acetilglukozamin (GlcNAc) in N-acetilmuraminska kislina (MurNAc), ki sta med seboj povezani z β-1,4 glikozidno vezjo. Na karboksilni ostanek N-acetilmuraminske kisline je pripet pentapeptid. Ogrodje je pri vseh bakterijah enako, razlikujejo pa se v aminokislinah vezanih na muraminsko kislino. Pri Gram-negativnih bakterijah to verigo sestavljajo L-alanin, D-glutamat, mezodiaminopimelinska kislina in D-alanin. Gram-pozitivnim bakterijam diaminopimelinsko kislino nadomešča L-lizin. Končno mrežasto strukturo peptidoglikana tvorijo glikanske prečne povezave s peptidi. (9)
6
Slika 2: Struktura peptidoglikana pri Gram-pozitivnih in Gram-negativnih bakterijah; prirejeno po (9).
1.2.3 Biosinteza peptidoglikana
Biosinteza peptidoglikana poteka v treh stopnjah. Začne se v bakterijski citoplazmi iz fruktoza-6-fosfata, s pomočjo encimov GlmS, GlmM in GlmU (Slika 3).
V prvi stopnji sinteze se fruktoza-6-fosfat s pomočjo glukozamin-6-fosfat sintaze (GlmS) in glutaminom kot donorjem amida, pretvori v glukozamin-6-fosfat (GlcN-6-P). Fosfoglukozamin mutaza (GlmM) nato pretvori GlcN-6-P v glukozamin-1-fosfat (GlcN-1-P). Encim N-acetilglukozamin-1-fosfat uridiltransferaza (GlmU) s pomočjo acetilne skupine iz acetil koencima A (acetil-CoA) in uridiltrifosfata (UTP) vodi v nastanek uridildifosfat-N-acetilglukozamina (UDP-GlcNAc).
Iz UDP-GlcNAc in fosfoenolpiruvata (PEP) s pomočjo encima MurA nastaneta anorganski fosfat in uridildifosfat-N-acetilglukozamin enolpiruvat (UDP-GlcNAc-EP), ki ga nato encim MurB ob prisotnosti NADPH reducira do uridildifosfat-N-acetilmuraminske kisline (UDP-MurNAc). Na koncu sledi pripenjanje pentapeptidne verige na UDP-MurNAc. S pomočjo encimov Mur ligaza (MurC-MurF) nastane UDP-MurNAc-pentapeptid, ki je sestavljen iz aminokislinskega zaporedja L-alanin, D-glutaminska kislina, diaminopimelinska kislina oziroma L-lizin in D-alanin-D-alanin.
7
Slika 3: Shematska predstavitev biosinteze peptidoglikana; prirejeno po (11).
Druga stopnja biosinteze se odvija na notranji strani celične membrane. Encim MraY katalizira pritrditev UDP-MurNAc-pentapeptida na lipid undekaprenil fosfat (C55-P). Nastali produkt imenujemo Lipid I, ki nastopa v reakciji z encimom MurG in UDP-GlcNAc ter tvori Lipid II (lipid-disaharid-pentapeptid).
V zadnji fazi sinteze potuje Lipid II v periplazemski prostor s pomočjo encima MurJ in tako postane substrat za premreženje. Polimerizacija peptidoglikanskih verig se odvija s pomočjo transglikozilaz in transpeptidaz. Reakcija transglikozilacije ustvari β-(1-4) vez med GlcNAc in MurNAc ostanki glikanske verige. Končni, prečno premreženi peptidni mostički, pa so produkt encimov transpeptidaz. (9)
8