2. Giải phẫu học tế bào vi khuẩn
2.4. Thành tế bào (cell wall)
Thành tế bào nằm ngay phía trên màng sinh chất (Hình 2.4 và 2.5). Nó có độ dày từ 10-25 nm và rất rắn chắc, đàn hồi, dạng xốp chứa nhiều lỗ và có khả năng thấm tự do đối với các phân tử tan có khối lượng nhỏ hơn 10 kDa và đường
23
kính nhỏ hơn 1 nm. Nó rất rắn chắc nhưng lại đàn hồi để bảo vệ lớp màng sinh chất yếu ở phía trong chống lại tác động của áp suất thẩm thấu cao ở phía trong (ở vi khuẩn Gram dương là 25 atm và Gram âm là 5 atm) và quy định hình dạng đặc trưng của vi khuẩn là dạng cầu, dạng que, dạng sợi hay dạng xoắn.
Sự tồn tại của tế bào phụ thuộc vào sự toàn vẹn của thành tế bào. Nếu thành tế bào bị yếu hoặc bị thương tổn, tế bào chất có thể bị trương lên do nước từ ngoài đi vào dấn tới vỡ tung lớp màng sinh chất.
Thành phần hóa học của thành tế bào ở các loài vi khuẩn khác nhau là không giống nhau, tuy nhiên ở tất cả các loài thì thành phần giúp duy trì sự vững chắc của thành tế bào đều là các phân tử peptidoglycan (hay mucopeptide hoặc murein). Peptidoglycan được cấu tạo từ các phân tử N-acetylglucosamine (NAG) và N-acetylmuramic acid (NAMA) liên kết với nhau tạo thành một chuỗi (Hình 2.6). Độ dày của lớp peptidoglycan là một yếu tố quan trọng giúp phân biệt những vi khuẩn khác nhau. Cuối thế kỷ 19, nhà vật lý học người Đan Mạch là Christian Gram đã đưa ra một phương pháp nhuộm màu giúp phân biệt nhóm vi khuẩn có lớp thành peptidoglycan dày (Gram dương) và lớp thành peptidoglycan mỏng (Gram âm). Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trước đây để phân loại vi khuẩn. Còn phần lớn các vi sinh vật hiện nay được phân loại dựa trên phương pháp giải trình tự gene mã hóa SSrRNA như đã trình bày ở phần trên.
Hình 2.6. Cấu trúc của một phần chuỗi peptidoglycan
Phương pháp nhuộm Gram chỉ mất 5 phút để cho ra kết quả vì vậy phương pháp này hiện vẫn được sử dụng phổ biến trong việc phân loại vi khuẩn của các phòng thí nghiệm lâm sàng. Nhuộm Gram giúp phân biệt vi khuẩn là Gram dương hay Gram âm tùy thuộc vào việc chúng có bị tẩy mầu bởi acetone, alcohol hoặc
24
dầu aniline hay không sau khi đã nhuộm bằng thuốc nhuộm tím tinh thể và iodine. Vi khuẩn Gram dương không bị tẩy màu do đó nó sẽ có màu tím thẫm. Vi khuẩn Gram âm do bị tẩy màu nên sẽ bắt màu hồng nhạt khi được nhuộm với safranin, đỏ trung tính hoặc fuchsin. Cần chú ý một điều rằng, đôi khi những loài vi khuẩn Gram dương đặc trưng lại bắt màu với thuốc nhuộm Gram âm trong những điều kiện sinh trưởng nhất định, đặc biệt là khi môi trường nuôi cấy để quá lâu hoặc khi vi khuẩn đã bị điều trị bằng chất kháng sinh.
Phân tử N-acetylmuramic acid (NAMA) của chuỗi peptidoglycan lại chứa một chuỗi peptide ngắn, thường bao gồm L-alanine, D-glutamic acid, meso- diaminopimelic (ở vi khuẩn Gram âm) hoặc L-lysine (ở vi khuẩn Gram dương) và D-alanyl-D-alanine. Thành tế bào có được sự vững chắc là do có thêm các liên kết chéo được tạo thành giữa các amino acid nằm trên các chuỗi peptidoglycan cạnh nhau (Hình 2.7).
Hình 2.7. Liên kết chéo giữa hai chuỗi peptidoglycan cạnh nhau
Thành tế bào vi khuẩn cũng gồm các thành phần khác mà vai trò cũng như hàm lượng của chúng không giống nhau tùy thuộc từng loài. Rất nhiều vi khuẩn Gram dương có số lượng lớn các phân tử teichoic acid nằm xen kẽ với lớp
25
peptidoglycan, một số phân tử loại này (lipoteichoic acid) còn liên kết với phần lipid trên màng sinh chất phía trong.
Ảnh chụp hiển vi điện tử cho thấy vi khuẩn Gram âm còn có thêm một lớp màng ngoài bao bọc bên ngoài lớp thành peptidoglycan, được cấu tạo bởi các phân tử lipopolysaccharide (LPS). Giống như màng sinh chất, màng ngoài cũng chứa nhiều loại protein đóng vai trò trong việc thấm chọn lọc (các phân tử porin) và bám dính (adhesin). Màng ngoài có vai trò quan trọng giúp ngăn cản sự xâm nhập của các enzyme lysozyme (enzyme cắt đứt liên kết giữa NAG và NAMA) tấn công vào lớp thành peptidoglycan và sự xâm nhập của rất nhiều loại chất kháng sinh. Thành phần của LPS có chứa lipid A, là một loại nội độc tố, khi được giải phóng vào trong máu có thể dẫn tới phản ứng sốc.
Ngoài hai loại vi khuẩn được phân loại theo phương pháp nhuộm Gram như trình bày ở phần trên, một nhóm vi khuẩn thứ 3 có cấu trúc lớp vỏ tế bào khác biệt là mycobacteria, nhóm vi khuẩn gây ra bệnh lao và bệnh phong ở người. Mycobacteria có quan hệ gần với các vi khuẩn Gram dương. Lớp peptidoglycan của mycobacteria liên kết cộng hóa trị với một lớp ngoài cấu tạo bởi
arabinogalactan bao gồm một loại lipid riêng biệt có tên mycolic acid. Đây là lớp có tính kỵ nước rất cao vì vậy cần phải sử dụng phương pháp nhuộm màu khác giúp phân biệt nhóm này. Những phương pháp đó gọi là nhuộm acid-fast như Ziehl-Neelsen (ZN) hoặc phenol-auramine.
Vỏ tế bào đang sinh trưởng là một cấu trúc rất động. Các thành phần của lớp vỏ thay đổi liên tục (tổng hợp, gắn kết, phân hủy) và có hàng loạt các chất đi vào, ra khỏi tế bào chất. Các ảnh chụp lớp vỏ tế bào chỉ cho thấy một hình ảnh tĩnh về cấu trúc của nó, tuy nhiên trên thực tế, các thành phần của lớp vỏ cũng như các cấu trúc gắn kết lên nó biến đổi nhanh chóng (tính bằng phút) khi đáp ứng lại những tín hiệu từ môi trường. Bề mặt tế bào tiếp nhận và truyền rất nhiều tín hiệu từ môi trường xung quanh, bao gồm cả những tín hiệu từ các tế bào khác, đặc biệt là từ những cá thể của cùng loài. Quá trình này được gọi là quorum
sensing, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gene của một nhóm các tế bào vi khuẩn.