חיידקים גראם-שליליים

חיידקים גראם-שליליים (באנגלית: Gram-negative bacteria) הם חיידקים שלא משמרים את הצבע הסגול בעקבות צביעה בקריסטל ויולט (Crystal violet) בעת צביעת גראם, דבר אשר מבדיל אותם מקבוצת החיידקים גראם-חיוביים. הסיבה לכך נובעת מהרכב הדופן הפפטידוגליקנית שלהם, שהיא דקה הרבה יותר מהדופן של חיידקים גראם-חיוביים וממיקומה (ממוקמת בין שתי ממברנות). חיידקים אלה נצבעים בצבע ורוד-אדום בשלב צביעת הניגוד במהלך צביעת גראם על מנת שיהיה ניתן לראותם במיקרוסקופ אור. חיידקים גראם-שליליים מפגינים במבנה התא שלהם את המאפיינים הבאים: קרום התא (קרום פנימי) - קרום דו-שכבתי ציטופלזמי סימטרי העוטף את החיידק ואברוניו. קרום התא מכיל חלבונים רבים ולו תפקיד במטבוליזם ובהפקת אנרגיה (יצור ATP) בחיידקים. דופן פפטידוגליקנית דקה - דופן בעובי של 2-3 ננומטר המהווה רק 5-10% ממשקל דופן חיידקים גראם-שליליים (לעומת כ-95% ממשקל דופן חיידקים גראם-חיוביים). בשונה מחיידקים גראם-חיוביים, בדופן הגראם-שליליים אין נוכחות של חומצה טיכואית וליפוטיכואית. קרום חיצוני - קרום זה עוטף את שכבת הדופן הפפטידוגליקנית הדקה ומכיל בתוכו את הליפופוליסכרידים מסוג LPS ו-LOS המהווים אנדוטוקסינים ומשרנים של תגובה חיסונית חזקה בבעלי חיים. בנוסף לכך ממוקמים על גבי הקרום החיצוני חלבוני תעלה מסוג פורינים המאפשרים דיפוזיה של מולקולות הידרופיליות במשקל פחות מ-700 דלטון. הקרום החיצוני דו-שכבתי א-סימטרי, בשונה מקרום התא. כלומר, בחלקו הפנימי ניתן למצוא שכבה של פוספוליפידים, בדומה לקרום התא, אולם בחלקו החיצוני קבועות מולקולות אמפיפיליות מסוג LPS ו-LOS. הקרום החיצוני מחובר אל קרום התא בנקודות הדבקות (Adhesion sites) ומעוגן לפפטידוגליקן על ידי ליפופרוטאינים ייעודיים (לדוגמה Braun's lipoprotein). הליפופרואין הייעודי נעזר בקשרים קוולנטיים על מנת לבצע את פעולת העיגון המוזכרת. שלמות הקרום החיצוני תלויה בראש ובראשונה בקשרים ההידרופוביים שנוצרים בתיווך יוני מגנזיום וסידן בין קבוצות הזרחה, על גבי מולקולות ה-LPS, לבין חלבונים אחרים הקבועים בקרום החיצוני. פריפלזמה (Periplasm) - בשטח ה"כלוא" בין קרום התא לקרום החיצוני (שטח זה קרוי חלל פריפלזמי) נמצא חומר המזכיר בהרכבו ג'ל. חומר זה מכיל תערובת של אנזימים ליטיים (פרוטאזות, פוספטאזות, ליפאזות, נוקלאזות וכיוצ"ב) הנחוצים לחיידקים על מנת לבצע מטבוליזם למקרומולקולות. בחיידקים פתוגניים מאוחסן חלק גדול מהאנזימים הליטיים והטוקסינים בחלל הפריפלזמי (קולגנאזות, פרוטאזות, בטא לקטמאזות ועוד). בנוסף לכך מכיל החלל הפרפלזמי מערכת אנזימים שתפקידה לבצע קליטה ושינוע של מטבוליטים חיוניים, דוגמת סוכרים. תפקידו הנוסף הוא לשמור על לחץ אוסמוטי תקין בחיידקים. גם בחיידקים גראם-חיוביים ניתן למצוא את החלל הפריפלזמי, אולם בשונה מחיידקים גראם-שליליים הוא קטן הרבה יותר. גליקוקליקס (קפסולה ו-Slime layer) - מעטפת רירית, המורכבת, על פי רוב, מפוליסכרידים וחלבונים מעטים, הממוקמת בחלק מהחיידקים הגראם-שליליים והגראם-חיוביים מחוץ לקרום החיצוני ולדופן הפפטידוגליקנית, בהתאמה. לא כל החיידקים מייצרים את שכבת הגליקוקליקס, אולם נוכחותה תורמת רבות לשרידותם ושגשוגם של החיידקים ומהווה בהם גורם אלימות מרכזי בשל מספר סיבות: מהווה אימונוגן חלש מאוד כלפי מערכת החיסון של המאכסן, דבר הגורם למעין "מיסוך" נוכחות החיידק במאכסן. מהווה מחסום פיזי בפני חדירת מולקולות טוקסיות והידרופוביות, דוגמת דטרגנטים שונים ואנטיביוטיקות. שומרת על החיידק מפני התייבשות והדבקה בקטריופאג'ית. מעודדת היצמדות בין החיידקים לבין עצמם ובין החיידקים לרקמת תאים, דבר המאפשר יצירת ביופילמים. שוטונים - מבנים חלבוניים (מורכבים מחלבון הקרוי Flagellin) המקנים לחיידקים יכולת תנועה. את השוטונים ניתן לראותם בחיידקים גראם-שליליים וגראם-חיוביים. בחיידקים גראם-שליליים מקובעים השוטונים באמצעות 4 גופים בזאליים טבעתיים אל הקרום החיצוני ואל קרום התא (להבדיל מחיידקים גראם-חיוביים בהם מקובעים השוטונים ישירות אל קרום התא באמצעות 2 גופים בזאליים טבעתיים). לא לכל החיידקים בטבע קיימים שוטונים, לכן חיידקים אלה יהיו משוללי יכולת תנועה עצמית. תנועת השוטון היא סיבובית עם, או נגד כיוון השעון ותלויה במפל ריכוז יוני המימן בחלל הפרפלזמי (256 יוני מימן דרושים לסיבוב אחד של השוטון). פילי ופימבריה - ריסונים חלבוניים זעירים (מורכבים מחלבון Pilin וחלבוני פימבריה, בהתאמה) המקנים לחיידקים יכולת הצמדות, תנועת גלישה-החלקה מסוימת וכן קוניוגציה. באמצעות Type IV pili ופימבריה נצמדים החיידקים אחד לשני ולרקמת תאים (Type IV pili גם מקנים לחיידקים יכולת תנועה מסוימת) ובאמצעות Sex pili מתבצעת הקוניוגציה. היעדר יכולת התנבגות - למעט בודדים, דוגמת Coxiella burnetti הגורם לקדחת Q. חיידקים גראם-שליליים הם חיידקים שלא משמרים את הצבע הסגול בעקבות צביעה בקריסטל ויולט בעת צביעת גראם. לפיכך, על מנת שיהיה ניתן להתבונן בחיידקים אלה במיקרוסקופ, יש לבצע במהלך צביעת הגראם שלב של שטיפה בכוהל ומיד אחריו צביעת ניגוד באמצעות ספרנין (Safranin), או פוקסין (Fuchsine), המקנים לחיידקים אלה את הגוון הוורוד-אדום המפורסם. בשל המבנה הייחודי של חיידקים גראם-שליליים, הנובע מנוכחות קרום חיצוני שעליו קבועות מולקולות LPS המשמש כאנדוטוקסין, זיהום עמוק בחיידקים גראם-שליליים (זיהום רקמה עמוקה, אלח דם) עלול להוביל להרעלת דם (Septicemia). הרעלת דם באה לידי ביטוי בעלייה חדה בחום הגוף, צניחת לחץ דם וכן בקרישה תוך-כלית מפושטת (DIC). מצב זה מסכן חיים ודורש התערבות רפואית מיידית. נוכחות גליקוקליקס וקרום חיצוני תורמת רבות לשרידותם של חיידקים גראם-שליליים שכן הם מהווים מחסום פיזי בפני חדירת אנטיביוטיקות ודטרגנטים שונים שעלולים לפגוע בדופן הפפטידוגליקנית ובקרום התא. כך לדוגמה, נוכחותם מקנה עמידות בפני האנזים ליזוזים ואנטיביוטיקות רבות מקבוצת הפניצילינים. אולם שלמות הקרום החיצוני תלויה, כאמור, בראש ובראשונה בנוכחות קשרים הידרופוביים שנוצרים בתיווך יוני סידן ומגנזיום בין קבוצות הזרחה במולקולות ה-LPS לחלבוני קרום חיצוני אחרים. לכן קשרים אלה מהווים אתר מטרה אידיאלי לאנטיביוטיקות מקבוצת הפולימיקסינים (פולימיקסינים נקשרים אל ה-LPS וכך נמנע קישור של קבוצות הזרחה אל חלבוני הקרום החיצוני), או לחומרי כלציה שונים, דוגמת EDTA וטטרציקלינים (חומרים אלה סופחים את יוני הסידן והמגנזיום ובכך פוגעים בקשרים ההידרופוביים המתווכים על ידי יונים אלה). ערעור שלמות הקרום החיצוני גורם לעלייה בחדירותו לאנטיביוטיקות שונות. הדופן הפפטידוגליקנית מהווה אתר מטרה לאנטיביוטיקות מקבוצת הפניצילינים. עיכוב סינתזת הדופן בעקבות נטילת אנטיביוטיקות אלה גורמת ליצירת חורים בדופן החיידקים, דבר שמוריד בצורה ניכרת את יכולת עמידותם בפני לחצים אוסמוטיים. בתור מענה פיתחו חיידקים גראם-שליליים רבים יכולת לסנתז איזופורמים שונים של אנזימי בטא לקטמאז שגורמים להידרוליזת טבעת הבטא לקטם, המהווה את הרכיב הפעיל באנטיביוטיקות אלה, וכך למעשה מנטרלים אותן. אנזימי בטא לקטמאז מאוחסנים בחלקם הגדול בחלל הפריפלזמי. הרשימה הבאה כוללת חיידקים גראם-שליליים שכיחים שעלולים לגרום לזיהומים בבעלי חיים ובבני האדם. חיידקים גראם-חיוביים צביעת גראם מדיה וקבצים בנושא חיידקים גראם-שליליים בוויקישיתוף Baron S, Salton MRJ, Kim KS. Chapter 2 "Structure". Baron's Medical Microbiology (4th ed.), Univ of Texas Medical Branch, 1996. ISBN 0-9631172-1-1. PMID 21413343. J.G. Black. Microbiology: Principles and Applications (3rd ed.), Prentice Hall College Div, 1996, pp. 66-7. Patrick R. Murray, Ken S. Rosenthal, Michael A. Pfaller. Medical microbiology (5th ed.). Elsevier Mosby. 2005, p.17. ISBN 978-0323033039. Potts M. (1994). Desiccation tolerance of prokaryotes. Microbiological Reviews. Dec;58(4):755-805. PMID 7854254. Scholl D, Adhya S, Merril C. (2005). Escherichia coli K1's capsule is a barrier to bacteriophage T7. Applied Environmental Microbiology. Aug;71(8):4872-4. PMID 16085886. Patrick R. Murray, Ken S. Rosenthal, Michael A. Pfaller. Medical microbiology (5th ed.). Elsevier Mosby. 2005, p.18. ISBN 978-0323033039. ‏ Typical structures of a prokaryotic cell. Patrick R. Murray, Ken S. Rosenthal, Michael A. Pfaller. Medical microbiology (5th ed.). Elsevier Mosby. 2005, p.14. ISBN 978-0323033039. TF McCaul, AJ Dare, JP Gannon, and AJ Galbraith. (1994). In vivo endogenous spore formation by Coxiella burnetii in Q fever endocarditis . Journal of Clinical Pathology. Nov; 47(11):978–981. PMID 7829692. ‏ Beta Lactam Antibiotics. ‏Beta-Lactamases.