Gram positive og Gram negative bakterier

Bakterier kan inddeles i to kategorier alt efter deres cellevægsstruktur. Tykkelsen af cellevæggen varierer fra slægt til slægt , hvilket resulterer i, at man kan inddele bakterier i de såkaldte Gram-positive og Gram-negative bakterier. Fælles for Gram-positive og Gram-negative bakterier er, at de har en anionisk, det vil sige negativt ladet, overflade, der tiltrækker kationiske, altså positivt ladede, antimikrobielle peptider (AMP’er). Det er hovedsageligt bakteriernes cellevæg, der giver dem en anionisk overflade, men også deres cellemembran er negativt ladet. Den negativt ladede overflade hos bakterielle celler ses ikke hos humane eukaryote celler, der typisk har en neutral overflade. Det er derfor hovedsageligt bakterieceller med deres anioniske overflade, der tiltrækker AMP’er.

Plasmamembranen indeslutter cellens cytoplasma og arvemateriale i form af DNA, og membranens vigtigste funktion er at forsyne cellen med en selektiv barriere, hvorigennem stoffer kan bevæge sig. Da kun visse molekyler og ioner kan bevæge sig gennem membranen, siges den at være semipermeabel, dvs. den er delvist gennemtrængelig. Store molekyler, som f.eks. proteiner, kan ikke bevæge sig gennem cellemembranen, mens små molekyler, såsom vand, nemmere kan komme igennem membranen.

Visse antibiotika og AMP’er er i stand til at ødelægge den beskyttende cellevæg omkring cellemembranen, hvilket fører til at bakteriecellen lyserer, dvs. sprænges. Denne lysis af cellen finder sted, fordi bakterielt cytoplasma har en høj koncentration af opløste stoffer i forhold til den lavere stofkoncentration uden for cellen. Når cellevæggen svækkes eller ødelægges helt, vil vand sive ind i cellen for at udligne forskellen i stofkoncentration inden i og uden for cellen, en proces der kaldes osmose. Cellen svulmer herved op og eksploderer.

Cellevæggen er derfor uundværlig for bakterier. Den består af peptidoglykanenheder (illustreret på figur 3) bundet sammen på kryds og tværs, som danner en ensartet struktur omkring bakteriens plasmamembran. Cellevæggen repræsenterer altså en kompleks makromolekylær struktur, som har det formål at give mikroorganismerne en stivhed og forhindre osmotisk cellelysis.

Tykkelsen af cellevæggen varierer fra bakteriecelle til bakteriecelle, hvilket resulterer i, at man kan inddele bakterier i de såkaldte Gram-positive og Gram-negative bakterier. Cellevæggen hos Gram-positive bakterier består af et relativt tykt lag peptidoglykan (20-40 nm), mens peptidoglykanlaget hos Gram-negative bakterier er væsentligt tyndere (2-7 nm). Denne opdeling af bakterier i Gram-negative og Gram-positive stammer fra Gramfarvningen udviklet af den danske læge Hans Christian Joachim Gram i 1884. Gramfarvningen inddeler bakterierne i de to grupper alt efter, hvordan de lader sig farve med det violette farvestof methylviolet. De Gram-positive bakterier har en tyk cellevæg, der absorberer farven og vil derfor fremtræde violette under mikroskop, mens de Gram-negative bakterier, med deres tynde cellevæg, farves røde eller lyserøde (se figur 4).

Tykkelsen af peptidoglykanlaget hos Gram-positive og Gram-negative bakterier er ikke det eneste karakteristikum, der adskiller de to typer af bakterier fra hinanden (se figur 5). Den anioniske bakterieoverflade, der tiltrækker kationiske AMP’er, skyldes tilstedeværelsen af forskellige molekyler på overfladen af Gram-positive og Gram-negative bakterier. Den umiddelbare tiltrækning af antimikrobielle peptider til Gram-positive bakterier skyldes de negativt ladede teichoidsyrer, som er bundet til Gram-positive bakteriers cellevæg. Teichoidsyrer består primært af alkohol (glycerol eller ribitol) og phosphat. Der er to slags techoidsyrer. Den ene kaldes lipotechoidsyre, som strækker sig over hele peptidoglykanlaget (cellevæggen) og er bundet til bakteriens plasmamembran. Den anden er teichoidsyre, og denne er udelukkende bundet til peptidoglykanlaget. Idet teichoidsyrerne, pga. phoshatgrupperne, er negativt ladede, kan de binde kationer (positive ioner), og derved også positivt ladede AMP’er.

Det tynde peptidoglykanlag hos Gram-negative bakterier indeholder, i modsætning til hos de Gram-positive bakterier, ikke negativt ladede teichoidsyrer, hvorved den umiddelbare tiltrækning af AMP’er til Gram-negative bakterier foregår på en anden måde end hos Gram-positive. Udover peptidoglykanlaget har Gram-negative bakterier en ydre cellemembran, der ikke ses hos Gram-positive bakterier. Mellem peptidoglykanlaget og hhv. plasmamembranen (den indre membran) og den ydre membran, findes det periplasmiske rum. Det periplasmiske rum er fyldt med periplasma, som er en geléagtig væske, der har en høj koncentration af nedbrydende enzymer og transportproteiner.

Den ydre membran, som kun ses hos Gram-negative bakterier, har en overordnet negativ ladning, som bl.a. skyldes tilstedeværelsen af såkaldte lipopolysaccharider (LPS). Disse er store molekyler, der består af lipider (fedtstoffer) og polysaccharider (kulhydrater) bundet sammen. Dertil er der bundet negativt ladede phosphatgrupper (se figur 6).

Mens det hos de Gram-positive bakterier er teichoidsyrer bundet til cellevæggen, der tiltrækker AMP’er, er det hos de Gram-negative bakterier tilstedeværelsen af LPS, der medfører, at AMP’er nemt tiltrækkes bakterien. Efter den umiddelbare tiltrækning af kationiske AMP’er til det anioniske LPS i Gram-negative bakteriers ydre membran, bliver dette område af membranen destabiliseret, og der dannes små sprækker, hvilket tillader passage af små hydrofobe stoffer og peptider, heriblandt AMP’er. Denne mekanisme, som AMP’er benytter sig af, når de skal krydse de Gram-negative bakteriers ydre cellemembran, medfører et hurtigt optag af AMP’er, så de når ind til den indre membran, hvor de kan udøve deres effekt. Nogle AMP’er er ikke i stand til at benytte denne mekanisme og kan ikke krydse de Gram-negative bakteriers ydre cellemembran, hvorved de kun udøver en effekt på Gram-positive bakterier.