Medical Microbiology · 1/4

細菌細胞壁の構造

Structure of the bacterial cell wall

🧠 細胞壁の「機能」はグラム陽性・陰性で共通だが、「層の数と厚み」が逆転する——ここにグラム染色の原理と抗菌薬の効きやすさの両方が宿る。 ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）が厚い菌（グラム陽性）はクリスタルバイオレットcrystal violetクリスタルバイオレット（crystal violet）crystal violet（クリスタルバイオレット）を保持して紫に染まり、薄い菌（グラム陰性）は色素が洗い流されサフラニンで赤く染まる。同じ厚みの差が、ペニシリンやリゾチームlysozymeリゾチーム（lysozyme）lysozyme（リゾチーム）への感受性の違いにも直結する。

細胞壁の機能

動物細胞と異なり、グラム陽性菌・陰性菌のいずれも細胞質と核を保護する層を複数持つ（1/3参照）。細胞壁の機能Functions of the bacterial cell wall細胞壁の機能（Functions of the bacterial cell wall）Functions of the bacterial cell wall（細胞壁の機能）は以下の4つ。

細胞に剛性stiffness剛性（stiffness）stiffness（剛性）を与え、特徴的な形を保持する。
浸透圧の変化があっても細胞を破裂させない（細胞内浸透圧は細胞外よりはるかに高い）。
バクテリオファージbacteriophageバクテリオファージ（bacteriophage）bacteriophage（バクテリオファージ）の付着部位を提供する——外表面のテイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）がその足場scaffold足場（scaffold）scaffold（足場）となる。
鞭毛・線毛・性線毛sex pilus性線毛（sex pilus）sex pilus（性線毛）などの表面付属構造の土台となる（これらはすべて壁から生じ、壁を越えて伸びる）。

壁の基本構造（3層）

細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）：血漿と細胞壁の間にある二重層bilayer二重層（bilayer）bilayer（二重層）のリン脂質膜。哺乳類mammal哺乳類（mammal）mammal（哺乳類）細胞と異なりコレステロールなどステロール を含まない。
ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）：N-アセチルグルコサミンN-acetylglucosamineアセチルグルコサミン（N-acetylglucosamine）N-acetylglucosamine（アセチルグルコサミン） とN-アセチルムラミン酸N-acetylmuramic acid, NAMアセチルムラミン酸（N-acetylmuramic acid, NAM）N-acetylmuramic acid, NAM（アセチルムラミン酸） という2種類の二糖disaccharide二糖（disaccharide）disaccharide（二糖）が繰り返し連なった構造で、各NAMから4個のアミノ酸からなる側鎖が伸びる。隣接するペプチドグリカン同士のアミノ酸側鎖は共有結合で架橋され、安定した網目fishnet網目（fishnet）fishnet（網目）構造を形成する。この架橋反応は細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）内側に存在するトランスペプチダーゼtranspeptidaseトランスペプチダーゼ（transpeptidase）transpeptidase（トランスペプチダーゼ） 酵素によって触媒され、この酵素はペニシリン によって阻害される（1/16）。
外膜とリポ多糖lipopolysaccharide (LPS)リポ多糖（lipopolysaccharide (LPS)）lipopolysaccharide (LPS)（リポ多糖）：二重層bilayer二重層（bilayer）bilayer（二重層）のリン脂質膜で、最外層outer layer外層（outer layer）outer layer（外層）にLPSを含む。グラム陰性菌にのみ存在する。

⭐ ペプチドグリカン は本ノート全体で繰り返し登場する用語なので、ここで定義を固定する——NAGとNAMの二糖disaccharide二糖（disaccharide）disaccharide（二糖）繰り返し単位＋アミノ酸側鎖の架橋からなる網目fishnet網目（fishnet）fishnet（網目）状の高分子で、細菌に特有（ヒト細胞には存在しない）の構造。この「ヒトに存在しない」という一点が、βラクタム系・グリコペプチド系Glycopeptidesグリコペプチド系（Glycopeptides）Glycopeptides（グリコペプチド系）抗菌薬の選択毒性selective toxicity選択毒性（selective toxicity）selective toxicity（選択毒性）の根拠になる。

架橋様式の違い：ペンタグリシン架橋の有無

グラム陽性菌：側鎖どうしがペンタグリシン架橋pentaglycine bridgeペンタグリシン架橋（pentaglycine bridge）pentaglycine bridge（ペンタグリシン架橋） （Staphylococcus aureus の場合：L-アラニンalanineアラニン（alanine）alanine（アラニン）－D-グルタミン酸－L-リジン－D-アラニンD-alanineD-アラニン（D-alanine）D-alanine（D-アラニン）＋ペンタグリシン架橋pentaglycine bridgeペンタグリシン架橋（pentaglycine bridge）pentaglycine bridge（ペンタグリシン架橋））を介して結合する。ペニシリンはこの部位に結合する。
グラム陰性菌：ペンタグリシン架橋pentaglycine bridgeペンタグリシン架橋（pentaglycine bridge）pentaglycine bridge（ペンタグリシン架橋）を持たず（E. coli の場合：L-アラニンalanineアラニン（alanine）alanine（アラニン）－D-グルタミン酸－メソ-ジアミノピメリン酸meso-diaminopimelic acidジアミノピメリン酸（meso-diaminopimelic acid）meso-diaminopimelic acid（ジアミノピメリン酸）－D-アラニンD-alanineD-アラニン（D-alanine）D-alanine（D-アラニン）が直接架橋cross-bridge直接架橋（cross-bridge）cross-bridge（直接架橋））、この構造の違いに加えて外膜がバリアとなるため、ペニシリンGbenzylpenicillinペニシリンG（benzylpenicillin）benzylpenicillin（ペニシリンG）は作用しにくい。

💡 臨床的には、グラム陰性菌がペニシリンGbenzylpenicillinペニシリンG（benzylpenicillin）benzylpenicillin（ペニシリンG）に抵抗性を示す主因は「架橋様式の違い」そのものよりも、外膜の透過障壁＋βラクタマーゼ産生（1/23）の寄与が大きい。この講義の説明は「なぜ架橋部位に薬が届きにくいか」の第一歩の理解として押さえておく。

グラム陽性 vs グラム陰性の細胞壁比較

項目	グラム陽性	グラム陰性（Gram−）
内側細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）	＋	＋
ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）	＋（厚い、50〜60層、架橋も密）	＋（薄い、1〜2層）
外膜（LPS含む）	−	＋
ペリプラズム空間periplasmic spaceペリプラズム空間（periplasmic space）periplasmic space（ペリプラズム空間）	−	＋
ポーリンporinポーリン（porin）porin（ポーリン）チャネル	−	＋
エンドトキシンendotoxinエンドトキシン（endotoxin）endotoxin（エンドトキシン）	−	＋（Lipid A）
テイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）	＋	−
リゾチームlysozymeリゾチーム（lysozyme）lysozyme（リゾチーム）感受性	感受性	抵抗性
ペニシリン感受性	感受性	抵抗性
エキソトキシン産生	＋	＋
染色特性	クリスタルバイオレットcrystal violetクリスタルバイオレット（crystal violet）crystal violet（クリスタルバイオレット）を保持（紫色）	クリスタルバイオレットcrystal violetクリスタルバイオレット（crystal violet）crystal violet（クリスタルバイオレット）が洗い流され、サフラニンに染まる（赤色）

グラム陽性菌の壁は細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）＋ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）の2層のみからなり、ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）が厚く（50〜60層）架橋も密なため、クリスタルバイオレットcrystal violetクリスタルバイオレット（crystal violet）crystal violet（クリスタルバイオレット）染色に強く結合する。グラム陰性菌の壁は外膜・ペリプラズム空間periplasmic spaceペリプラズム空間（periplasmic space）periplasmic space（ペリプラズム空間）・細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）の3層構造で、ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）は薄い（1〜2層）が、代わりにテイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）を欠き、ムレインリポタンパクmurein-lipoproteinムレインリポタンパク（murein-lipoprotein）murein-lipoprotein（ムレインリポタンパク） が外膜とペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）をつなぐ。

テイコ酸とリポテイコ酸（グラム陽性菌のみ）

テイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）：ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）に密接に結合し、リゾチームlysozymeリゾチーム（lysozyme）lysozyme（リゾチーム）から細菌を保護する。抗原決定基antigenic determinant抗原決定基（antigenic determinant）antigenic determinant（抗原決定基）（エピトープ）としても働く。
リポテイコ酸lipoteichoic acidリポテイコ酸（lipoteichoic acid）lipoteichoic acid（リポテイコ酸）：テイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）と脂質が結合してペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）内に存在し、自己融解autolysis自己融解（autolysis）autolysis（自己融解）壁酵素（ムラミダーゼ）の調節因子として働く。

LPS構造（グラム陰性菌のみ）

LPSは外側から次の3部分からなる。

外側炭水化物鎖（O抗原O antigen (somatic antigen)O抗原（O antigen (somatic antigen)）O antigen (somatic antigen)（O抗原）、O-specific side chain）：オリゴ糖oligosaccharideオリゴ糖（oligosaccharide）oligosaccharide（オリゴ糖）単位からなり、抗原決定基antigenic determinant抗原決定基（antigenic determinant）antigenic determinant（抗原決定基）として働く。
コア多糖core polysaccharideコア多糖（core polysaccharide）core polysaccharide（コア多糖）：水溶性。
Lipid A：多数の脂肪酸鎖を持つ二糖disaccharide二糖（disaccharide）disaccharide（二糖）。ヒトに対して毒性を持ち、「グラム陰性菌のエンドトキシンendotoxinエンドトキシン（endotoxin）endotoxin（エンドトキシン）」として知られる（詳細は1/27）。

外膜にはさらにポーリンタンパクporinポーリンタンパク（porin）porin（ポーリンタンパク） と呼ばれる膜貫通複合体があり、栄養素の通過を可能にする。

⚠️ 免疫系がグラム陰性菌を溶解すると、Lipid Aを含む外膜断片が血中に放出される。 Lipid Aの毒性により、発熱・下痢、さらには致死的なエンドトキシンendotoxinエンドトキシン（endotoxin）endotoxin（エンドトキシン）ショック（敗血症性ショック） を引き起こしうる。

flowchart TD
    A["ペニシリンが細胞壁に到達"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='PBP'>トランスペプチダーゼ</span>に結合"]
    B --> C["ペプチドグリカンの架橋反応が阻害される"]
    C --> D["壁の強度が低下する"]
    D --> E["浸透圧に耐えられず<span class='jp-term jp-term-diagram' title='bacteriolysis (lysis)'>溶菌</span>（lysis）"]

まとめ

細胞壁は剛性stiffness剛性（stiffness）stiffness（剛性）の付与・浸透圧保護・ファージ結合・表面付属構造の土台という4機能を持ち、細胞質膜cytoplasmic membrane細胞質膜（cytoplasmic membrane）cytoplasmic membrane（細胞質膜）・ペプチドグリカン層peptidoglycan layerペプチドグリカン層（peptidoglycan layer）peptidoglycan layer（ペプチドグリカン層）・（グラム陰性のみ）外膜の3層で構成される。
ペプチドグリカンはNAG＋NAMの二糖disaccharide二糖（disaccharide）disaccharide（二糖）繰り返し＋アミノ酸側鎖の架橋からなり、架橋はトランスペプチダーゼtranspeptidaseトランスペプチダーゼ（transpeptidase）transpeptidase（トランスペプチダーゼ）が触媒し、ペニシリンに阻害される。
グラム陽性菌は厚いペプチドグリカン＋ペンタグリシン架橋pentaglycine bridgeペンタグリシン架橋（pentaglycine bridge）pentaglycine bridge（ペンタグリシン架橋）＋テイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）を持ち、グラム陰性菌は薄いペプチドグリカン＋メソ-ジアミノピメリン酸meso-diaminopimelic acidジアミノピメリン酸（meso-diaminopimelic acid）meso-diaminopimelic acid（ジアミノピメリン酸）架橋＋外膜/LPSを持つ——この違いがグラム染色・リゾチームlysozymeリゾチーム（lysozyme）lysozyme（リゾチーム）感受性・ペニシリン感受性のすべてを説明する。
LPSはO抗原O antigen (somatic antigen)O抗原（O antigen (somatic antigen)）O antigen (somatic antigen)（O抗原）・コア多糖core polysaccharideコア多糖（core polysaccharide）core polysaccharide（コア多糖）・Lipid Aの3部分からなり、Lipid Aがエンドトキシンendotoxinエンドトキシン（endotoxin）endotoxin（エンドトキシン）として発熱・下痢・敗血症性ショックseptic shock敗血症性ショック（septic shock）septic shock（敗血症性ショック）を引き起こす。
テイコ酸teichoic acidテイコ酸（teichoic acid）teichoic acid（テイコ酸）・リポテイコ酸lipoteichoic acidリポテイコ酸（lipoteichoic acid）lipoteichoic acid（リポテイコ酸）はグラム陽性菌のみが持ち、リゾチームlysozymeリゾチーム（lysozyme）lysozyme（リゾチーム）防御と自己融解酵素autolysin自己融解酵素（autolysin）autolysin（自己融解酵素）の調節を担う。