グラム陰性菌

グラム染色の原理や方法・手順とは?大腸菌はどっち?

グラム染色の方法はどうやるのでしょう?
その結果どんなことがわかる?

これって、
なぜ赤と青に染まるのか、あまり腑に落ちない人も多い。

それもそのはず、
赤に染まるのって、ただ単に観察しやすいから染めてるだけ。

グラム染色は、
いろんな色の液を使います。

そして、
それに染まるかどうかは細胞壁がポイント。

グラム染色で染まる理由と、
その結果別れた、グラム陽性菌と陰性菌の特徴。
これは、別物として考えちゃった方が早いかも??

今回は、そんなグラム染色に的を絞ってお話します。

 

グラム染色の原理は?

グラム染色の原理は何でしょうか?

原理というと、ちょっと小難しいですが。
ごくごく簡単に。

まず、
全ての細菌は、グラム染色で2種類に分けられます。

この2種類は、

  • グラム陽性菌
  • グラム陰性菌

ですね。

 

染色なので、色に染まるわけですが、

菌名
グラム陽性菌 青、緑、紫
グラム陰性菌 赤、朱、桃

と、要は青系か赤系に染まる。

 

結果はわかったけど、なぜこうなるのか?

 

それは、

  • 表層に外膜があると、細胞の表面は親水性
  • 表層に外膜がないと、細胞の表面は疎水性

を示すというのが原理です。

 

実際には、

  • 表層に外膜があるのが、グラム陰性菌
  • 表層に外膜がないのが、グラム陽性菌

 

なのでグラム染色に対しては、

  • グラム陰性菌が親水性を示し
  • グラム陽性菌が疎水性を示す

ことになります。

 

なので、
細菌の外膜の有無を簡単に調べるには良い方法だということになります。

 

では、このグラム染色は、
何をどうやって、この結果になるんでしょうか?

ということで、
次は、方法・手順について。

 

グラム染色の方法・手順

グラム染色はどうやってやるのか。
その手順がこちらです。

 

  1. スライドガラスを用意
  2. そこに、蒸留水を1滴たらす
  3. 白銀線を使って、菌を少量薄く広げますよ
  4. アルコールランプかバーナーを用意
  5. 火をつけ弱火にします
  6. プレパラートの裏面を加熱
    (だいたい、1回1~2秒当て、それを2~3回繰り返す)
  7. 6を使って、スライドガラスの表面に菌を固定
  8. クリスタルバイオレット液(Hucker液)で1分間染色
    (菌全体がしっかり染まるように)
  9. 8の後すぐに水洗いして、水を切る
    (スライドガラスの裏面に水道水を少量そっと流す)眠くなりますね。。。
    あと少しですよ!
  10. さらに、ルゴール液で1分間染色
  11. 水洗いして、水を切る
  12. 95%エタノール水溶液につける
    (95%はマスト!濃度が変わったらすぐ取り換える)
  13. スライドガラスをゆっくり静かに動かし、洗浄
  14. クリスタルバイオレットが抽出されたりされなかったりする
  15. サフラニンを用いて対比染色
    (観察しやすくなるのです)
  16. 乾燥してから、顕微鏡で観察

 

いや~、長かったですね。
これ、実際にやったら慣れてる人でも30分位だそうです。

 

では、この実験で何がわかるのか?

とその前に、
何種類も液に浸しましたよね。
あれは何故なのでしょう?

 

実験で、

  • クリスタルバイオレット液(Hucker液)
  • ルゴール液
  • 95%エタノール水溶液
  • サフラニン

を使ったじゃないですか。

 

何で?って思いませんか?
恐らく、
この液たちの用途を知ると、色に納得感が増します。

まず、クリスタルバイオレット液(ハッカー液)。

これは、紫色をしてます。
で、この液をつけると?
陽性菌も陰性菌も、ぜ~んぶ紫色に染まる。

 

次に、ルゴール液。

これは、黄色。
で、この液をつけると?
これは、染色液ではないので染まらない。

何の液かというと?
陽性菌だけが、アルコールに不溶性の結合物を作るんだそう。
陰性菌には、作用しないらしいです。

これには、
細胞壁の厚さが関係しているとか。

 

さらに、95%エタノール水溶液。

これは、無色透明。
これも、染色液ではないです。

で、この液をつけると?

  • 陽性菌は、アルコールが浸透せず、ハッカー液に染まったまま。
  • 陰性菌は、アルコールが浸透して、脱色する。

 

最後に、サフラニン。

これは、赤色。
で、この液をつけると?

  • 陽性菌は、ハッカー液に染色されたまま。
  • 陰性菌は、脱色しているので、赤色に染色される。

 

これで、液の用途もわかって、よりスッキリです。

 

と、色の経過を書いたら、結果を言ってしまった。。

 

では、結果もさることながら、
代表的な細菌を染色したら、それぞれどうなるんでしょう?

次は、そんな分類なんかを紹介します。

 

グラム染色の結果と分類

実験の結果、もう行ってしまってますが。

こうなりますね。

グラム陽性菌 青紫色
グラム陰性菌 赤色

 

では、陽性菌と陰性菌はどのように分かれているのか?
代表例で分類してみます。

 

菌名
グラム陽性菌
  • 真菌
  • 乳酸菌
  • 枯草菌
  • ブドウ球菌
  • 放線菌
  • ビフィズス菌
グラム陰性菌
  • ヒトなど高等動物
  • 大腸菌
  • 緑膿菌
  • 腸炎ビブリオ菌
  • インフルエンザ菌

 

ちなみに、
ヒトや真菌も、この反応で分けられます。

ま、確かに、
ヒトには細胞壁がないので、そもそも染まるものがないですしね。

では、この2種類にはどんな違いがあるのでしょうか?

グラム染色の結果を生んだのは、
外膜の親水性・疎水性でしたね。

 

でも、それ以外にも特徴的な違いがあります。

それは、細胞壁の構造

 

この違いによって、それぞれの特徴が現れます。
それは、

菌名 乾燥や摩擦 構成物質や抗菌剤
グラム陽性菌 強い 弱い
グラム陰性菌 弱い 強い

 

この辺については、別の記事で説明しています。
そちらも見てみてくださいね。

こちら。

それでは、最後にまとめて終わりにします。

 

まとめ

まずは、原理について。

  • グラム陽性菌は、青系
  • グラム陰性菌は、赤系 に染まる。

その原理は、

  • グラム陰性菌が、親水性を示し
  • グラム陽性菌が、疎水性を示す  から

次に、グラム染色の方法・手順。

  • グラム陽性菌は、ハッカー液に染まり続ける
  • グラム陰性菌は、脱色する

最後に、それぞれの代表例。

そして、それぞれの細胞壁の構造の違いから、

  • グラム陽性菌は、染み込む系の薬剤に弱い
  • グラム陰性菌は、染み込む系の薬剤に強い

でしたね。

 

いかがでしたか?

やっぱり、
医学に関連することは、解明されるのが早いですね!

 

今回の参考文献はこちら

グラム陽性菌とグラム陰性菌の違い!種類や細胞壁の構造!

グラム陰性菌とグラム陽性菌。
違いは何でしょうか?

最たるものは、細胞壁ですよね。

そしてこの違いで、
農薬なんかの抗生剤の効き方が違ってくるという。
知ってましたか?

これは、どうしてなんでしょう?

この辺の疑問を解決するには、
グラム陰性菌の細胞壁の構造から入るのがおすすめです。

だって、
違いを生んでるのはグラム陰性菌のアレだから。

グラム陽性菌と陰性菌の細胞壁。
その構造は?特徴は?
どんな細菌が属しているの?

グラム染色で染まるかどうかで分けられた2つ。
でも結果的にこの分け方は、
他のどんな分け方よりも価値がある気がします。

私たちの生活に意外と重要。
そう思えてくるグラム陽性菌と陰性菌のお話です。

 

グラム陰性菌の細胞壁

細胞壁は、グラム陰性菌の特徴の最たるものです。

この構造が、いろいろな反応のもとになっている。

ということで、

  • どんな構造をしているのか?
  • 何が特徴的なのか?

について、分けてお話していきます。

細胞壁の構造

グラム陰性菌の細胞ないと外の間の断面図。
こんな感じです。

めちゃめちゃ簡単に書きましたが。

  • 一番外側が、脂質の膜の外膜。
  • 次に、多糖類で薄いペプチドグリカン層。
  • ペリプラズムと呼ばれる空間を挟んで、
  • 最後に、脂質の細胞膜(内膜)がある。

 

グラム陰性菌の場合、
外膜とペプチドグリカン層が、細胞壁にあたります

 

細胞膜は、一番内側の膜だけを指す。

この細胞膜のつくりは、全生物でほとんど同じ。
厚さは8㎚くらいだし、その役割も一緒。

 

では、他の生物と違うところは?
グラム陰性菌の特徴をお話していきましょう。

 

細胞壁の外膜に特徴あり!

グラム陰性菌には、外膜なるものがあります。

この外膜の成分は、リン脂質。
で、その脂質に、リボ多糖とリボタンパク質が点在している感じ。

この大量のリボ多糖は、外膜の特徴です。

 

その外膜の内側にあるのが、ペプチドグリカン層。

このペプチドグリカン層は、陽性菌も持ってます。
つまり、細菌の細胞壁に共通してあるもの。
(マイコプラズマなど一部、例外はあります。)

 

ペプチドグリカンの成分と構造は、
多糖にペプチドが網目のように織り重なる網目構造。

そして、このペプチドグリカンが、
細菌の細胞壁に強度を持たせています

 

細菌の場合、特に強度は重要で。
細胞壁がないと細菌は死にます。

理由は、浸透圧が高いから。

何というか、
細胞の中から外に向かっての圧が、ハンパないんですよ。

 

だからもし、細胞壁が破れたり穴が開いたら?
細菌は、自分の浸透圧に負けて壊れます。

 

それなら、
ペプチドグリカンは多いに越したことはないですね!

グラム陰性菌は、
どれくらい持っているんでしょうか?

 

グラム陰性菌の場合、
細胞壁全体に占めるペプチドグリカンの割合は数%

え?なんか、心もとない感じがします。

でも、大丈夫。

ペプチドグリカンは少ないけど、
その代わり、彼らには外膜があります。

え、外膜って壁じゃなくて膜でしょう?
と、甘く見てはいけません。

 

なぜなら、
外膜の成分リボタンパク質がペプチドグリカンと結合するんですよ。

そうすることで、
かなり安定した構造を保てるという。

 

さてグラム陰性菌の特徴は、

  • リボ多糖たっぷりの外膜
  • とっても薄いペプチドグリカン層
  • 外膜の成分が結合して補強

でしたね。

 

では次は、
グラム陽性菌の細胞壁について。
それぞれを見ると、おのずと違いが見えてきます。

 

グラム陽性菌の細胞壁

グラム陽性菌の細胞壁にも、かなり特徴があります。

ということで、また

  • どんな構造をしているのか?
  • 何が特徴的なのか?

について、分けてお話していきます。

 

細胞壁の構造

グラム陽性菌の細胞内と外の間の断面図。

こんな感じです。

(また簡単なイラストでごめんなさい。)

グラム陽性菌の場合、
一番外側には、分厚い細胞壁があります。

これは全て、ペプチドグリカン層です。

成分は、

  • ペプチドグリカン
  • タイコ酸
  • 多糖

 

そして間に、
ペリプラズムと呼ばれる空間が挟まっている。

 

で最後に、細胞膜がきます。

 

構造が分かったので、次は、
グラム陽性菌の特徴をお話していきましょう。

 

細胞壁の厚さに特徴あり!

グラム陽性菌には、
かなり分厚い細胞壁があります。

 

しかも、
細胞壁はペプチドグリカン層100%。
つまり、
分厚いペプチドグリカン層があるってこと。
(くどいですが、ポイントなもので)

 

ペプチドグリカン層は、

  • 細菌の生存のため
  • 細胞の強度のため

に必須なんでしたね。

 

ではグラム陽性菌は、
どれくらい持っているんでしょうか?

 

グラム陽性菌の場合、
細胞壁全体に占めるペプチドグリカンの割合は40~70%

うん、ま~ま~有る。
そりゃね、細胞壁の厚さがウリですもん。

 

でも、グラム陽性菌はそれだけじゃない。
割合もさることながら、密度もすごいんです。

 

ペプチドグリカンの成分と構造は、
多糖にペプチドが網目のように織り重なる、網目構造。

密度を決めるのは、この網目。

 

今回の場合だと、
多糖を柱としたら、ペプチドが枝。

それで、
柱である多糖から、
枝のペプチドが、どれくらいの頻度で出ているか?

これで密度を出します。

ちなみにこの方法は、
架橋度って言って化学で使われるものです。

 

では、それで計算したグラム陽性菌の密度は?

なんと、ほぼ100%

グラム陰性菌は、これが2割くらいらしいですから。
陽性菌は、だいぶ高めの密度。

 

これはもう、
グラム陽性菌の細胞壁は、かなりの強度を持っている!

 

ということで、グラム陽性菌の特徴は、

  • とても分厚い細胞壁
  • ペプチドグリカン層の割合が高い
  • 網目構造の密度も高い
  • 細胞壁は、かなりの強度を持っている

ということになりそうです。

 

そしてこの特徴は、
グラム染色に染まる原因にも繋がります。

一方、グラム陰性菌は、
グラム染色で染まらないですよね?

この違いは、どうして生まれるんでしょうか?

 

そうなんです。
特徴って、何かと比較して初めて意味がある。

ということで、
次はグラム陽性菌とグラム陰性菌の違いについてお話します。

 

グラム陽性菌とグラム陰性菌の違い

まずそもそも、
グラム陰性菌とグラム陽性菌は、グラム染色で分類されます。

赤く染まるのがグラム陰性菌。
青く染まるのがグラム陽性菌。

 

この染色性の違いって、外膜があるかないかです。

 

そう、
グラム陽性菌には外膜がありません。
一方、グラム陰性菌にはある。

またそれに伴って、
ペプチドグリカン層にも違いがみられます。

 

ではまず、
グラム陽性菌の細胞壁の構造を見てみましょう。

これでしたね。

次に、グラム陰性菌の細胞壁の構造。

こんな感じです。

見ただけで、わかる違いが2つもありますよね。

それは、

  • 外膜があるかないか
  • 細胞壁(ペプチドグリカン層)の厚み

これが、両者の違いということになります。

 

もう少し詳しくお話すると、

それぞれの架橋度は、

グラム陽性菌 ほぼ100%
グラム陰性菌 約2割

 

そして、
細胞壁全体に対するペプチドグリカンの割合は、

グラム陽性菌 40-70%
グラム陰性菌 数%

 

グラム陽性菌のペプチドグリカン層は、かなり分厚い。

それに比べて、グラム陰性菌の少ない事。

陰性菌のペプチドグリカン層は、確かに少ない。
でも、外膜が作用して、それなりに強度はあるんでしたね。

 

まったく、うまくできてる。

 

と、ここまで来たら、少し思うこと。
違いがあるのはわかったけど、だから何?

 

そうなんです、
違いによって影響されるものがある。
だから、違いに価値ができるんです。

ということで、
次は、この違いが私たちの日常にどう影響しているか。

具体的にみていきましょう。

 

農薬などの抗生剤に対する反応

細菌は、抗生剤に弱いんです。

でもそのなかでも、

  • グラム陽性菌にはガツンと効く
  • グラム陰性菌には効きにくい

 

これはなぜなのでしょう?

 

ちなみに、
抗生剤とは、微生物が副産物として作った化学物質のこと。
農薬の他にも、抗生物質や動物の薬なんかにも使われてます。

医学はド素人です。
 あくまで、微生物学・農学の内容でお話します。

 

まずは、
細菌が抗生剤に弱いというところからご説明します。

 

細胞壁を持つ生物は、
細菌のほかに、真菌(カビや酵母など)と植物がいます。

この3種類のうち、
細菌だけが原核生物。
真菌と植物は、真核生物ですね。

 

また、この細胞壁の成分は、
それぞれの生物で違いがありまして。

細菌 ペプチドグリカン
真菌 キチンやマンナンなど
植物 セルロース(樹木にはリグニンも)

 

そこからさらに細菌は、
グラム陽性菌とグラム陽性菌で違いがありましたが。

ペプチドグリカンは、どちらも共通して持っている成分でしたね。

 

そして、
細菌の場合、細胞壁がないと死にます。
理由は、浸透圧が高いからでした。

 

細菌のこれらの特徴、

  • ペプチドグリカンからできていること
  • 細胞壁がないと死んじゃうこと
  • 原核生物であること

が、抗生剤に弱い原因となっています。

 

例えば、抗生剤には、
ペプチドグリカンの合成を邪魔する作用のものがあります。

 

ペプチドグリカンが作れなくなった細菌は?
細胞壁が作れないですよね。

細胞壁がなくなることは?
細菌にとって致命的。

だって、圧が凄いから。
自爆しちゃうんでしたもんね。

 

でもちなみに、
このペプチドグリカンという成分を、ヒトは持っていません。
ヒトというか、真核生物みんな持ってない。

だから、この成分を作るのが邪魔されても全くノープロブレム。
困るのはヒトの体に入ってしまった細菌だけなんです。

だからヒトは、
抗生剤の副作用が少ないということらしいですよ。

 

副作用が少ないというのは、
ペプチドグリカ生成を邪魔するのは確かだけど、
他には全く作用しないということでは、決してないからです

だから、副作用が無いわけではありません。

 

さて、
細菌が抗生剤に弱い理由は伝わりましたでしょうか?

 

次は、

  • グラム陽性菌には、抗生剤がガツンと効く点。
  • グラム陰性菌には、抗生剤が効きにくい点。

 

これ、なんとなく想像つきますか?
ついてたら、そう、それです。

前にお話した、
細胞壁の中のペプチドグリカンの含有率

グラム陰性菌 数%
グラム陽性菌 40-70%

 

抗生剤は、ペプチドグリカンに作用するんでしたね。

 

だから、
ペプチドグリカンの含有率が高い陽性菌は?
明らかに細胞壁が壊れる。

でも、
ペプチドグリカンの含有率が低い陰性菌は?
他の成分で、なんとかしのげちゃったりします。

 

なるほどそういう意味でも、
グラム染色で2種類に分かれる意味はありますね。

 

ちなみに、
このロジックは抗生剤だけではないですよ。

リゾチームに対する反応も違います。

 

このリゾチームも、ペプチドグリカンを壊すんですよ。
だから、
ペプチドグリカンの含有率が高いグラム陽性菌は倒されます。

しか~し、グラム陰性菌は?
ペプチドグリカンが壊れても、外膜があるのでなんとかやっていける。

 

ね、意外と多いです。
この細胞壁の構造の違いがもたらす事実は。
そして、とっても私たちに影響しまくってましたね。

 

で。
ここまでくると、気になることが。

 

果たして、どんなのがいるのでしょうか?

 

種類はどんなのがいるのか?

では、最後はそれぞれの代表例を挙げていきましょう!

グラム陽性菌の代表例

こんな感じです。

グラム陽性菌
  • 枯草菌(納豆菌)
  • ジフテリア
  • リステリア菌
  • ブドウ球菌
  • 乳酸菌
  • 放線菌
  • アクチノミセス
  • ストレプトミセス
  • 結核
  • ボツリヌス菌
  • 破傷風菌
  • 炭疽菌
  • ライ菌
  • バチルス
  • 黄色ブドウ球菌
  • 連鎖球菌
  • 肺炎球菌
  • 腸球菌
  • クロストリジウム
  • エンテロコッカス  などなど

 

こう見ると、
乳酸菌もグラム陽性菌なんですね。

 

ちなみに、
グラム陽性菌の中に桿菌のグループがあります。
桿菌て、細菌の形が一緒のグループ。

 

そのグラム陽性桿菌の中に、
バシラス属というグループがありまして。

このグループの細菌には、芽胞を作るものがいるんです。

 

芽胞って、熱とかいろんなものに耐性がある。
超やっかいな胞子みたいなもの。

これになられたら、なかなか退治できない。

 

抗生剤に弱いグラム陽性菌ならではの進化ですよね。
って感心してる場合じゃないけど。

では、次はグラム陰性菌。

 

グラム陰性菌の代表例

グラム陰性菌
  • 大腸菌
  • 緑膿菌
  • 赤痢菌
  • 百日咳菌
  • コレラ菌
  • チフス菌
  • パラチフス菌
  • 腸炎ピブリオ菌
  • ヘリコバクター
  • サルモネラ菌
  • プロテウス
  • ジオネラ菌
  • クレブシェラ
  • インフルエンザ菌 などなど

 

こう見ると、
大腸菌もグラム陰性菌なんですね。

病原菌がずらっと。
緑膿菌が蔓延(まんえん)すると大変てききますけど。
なるほど、グラム陰性菌の仲間だからか。

 

ちなみに余談ですが、
グラム陰性菌には、インフルエンザ菌という菌がいます。

これ、毎年大流行するインフルエンザとは違います。
あれは、ウイルスですから。

じゃ、なんでこんな名前なのか?
とっても、かわいそうな過去があるんです。

  1. 1890年にインフルエンザが大流行しました。
  2. 得体が知れない病気で、とにかく原因菌を探してたんです。
  3. 感染した患者の多くから、この菌が分離されたではないか。
  4. そのため、インフルエンザ菌て学名がついたんです。
  5. その後、インフルエンザウイルスが原因だと分かった。

というヒストリーがあります。

 

微生物界にも冤罪(えんざい)があったとは。
でも、学名になっちゃったからか、名前そのまま。

 

とはいっても、
学名なんて、人間が勝手につけて呼んでるだけですし。

間違いだったとはいえ、ヒトに発見されたわけで。

細菌は、今でも何万という未発見の種がいると考えられてます。
そう思うと、世界に広く知られたことはプラスな気もします。

 

ということで、長々話してしまいました。
最後にまとめて終わりにします。

 

まとめ

まず、陰性菌の細胞壁の特徴は、

  • 外膜とペプチドグリカン層が、細胞壁にあたる
  • リボ多糖たっぷりの外膜
  • とっても薄いペプチドグリカン層

一方、陽性菌の特徴は、

  • とても分厚い細胞壁
  • ペプチドグリカン層の割合が高い
  • 網目構造の密度も高い
  • 細胞壁は、かなりの強度を持っている

そして、両者の違いは、

  • 外膜があるかないか
  • 細胞壁(ペプチドグリカン層)の厚み

さらに、これが抗生剤の反応に影響。

  • ペプチドグリカンからできていること
  • 細胞壁がないと死んじゃうこと
  • 原核生物であること

から、細菌(特に陽性菌)は抗生剤に弱い
でも陰性菌は、ペプチドグリカンが少ないので効きにくい

最後に、それぞれの例を挙げました。

病気になるなら陽性菌がいい。。
もうじき七夕。
短冊の1枚は、家族みんなの健康ですな。

 

今回の参考文献はこちら