BAKTĒRIJU ŠŪNU SIENA: RAKSTUROJUMS, BIOSINTĒZE, FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

Baktēriju šūnas sienas ir sarežģīta un puscietos struktūra, kas atbild par aizsardzību un formu baktērijām. Strukturāli to veido molekula, ko sauc par peptidoglikānu. Papildus aizsardzībai pret spiediena izmaiņām baktēriju siena nodrošina enkurošanās vietu tādām struktūrām kā flagella vai pilis un nosaka dažādas īpašības, kas saistītas ar virulenci un šūnu kustīgumu.

Plaši izmantota metodika baktēriju klasificēšanai pēc to sienas struktūras ir Gram traips. Tas sastāv no sistemātiskas purpursarkanu un rozā krāsvielu pielietošanas, kurās baktērijas ar biezu sienu un bagātām ar peptidoglikānu nokrāso purpursarkanas (grampozitīvas), un baktērijas ar plānu sienu, ko ieskauj lipopolisaharīdi, iekrāsojas rozā krāsā (gramnegatīvas).

Avots pixabay.com

Lai arī citām organiskām būtnēm, piemēram, archaea, aļģēm, sēnītēm un augiem, ir šūnu sienas, to struktūra un sastāvs ievērojami atšķiras no baktēriju šūnu sienas.

Raksturojums un uzbūve

Baktēriju siena: peptidoglikānu tīkls

Bioloģijā mēs parasti nosakām robežas starp dzīvajiem un nedzīvajiem, izmantojot plazmas membrānu. Tomēr ir daudz organismu, kurus ieskauj papildu barjera: šūnas siena.

Baktērijās šūnas sienu veido sarežģīts un sarežģīts makromolekulas tīkls, ko sauc par peptidoglikānu, kas pazīstams arī kā mureīns.

Turklāt sienā mēs varam atrast cita veida vielas, kuras tiek kombinētas ar peptidoglikānu, piemēram, ogļhidrātus un polipeptīdus, kuru garums un struktūra atšķiras.

Ķīmiski peptidoglikāns ir disaharīds, kura monomērās vienības ir N-acetilglikozamīns un N-acetilmuramīns (no peļu saknes, kas nozīmē sienu).

Mēs vienmēr atrodam ķēdi, kas sastāv no tetrapeptīdiem un sastāv no četrām aminoskābju atliekām, kas savienotas ar N-acetilmuramiku.

Baktēriju šūnas sienas struktūra notiek pēc divām shēmām vai diviem vispārīgiem modeļiem, kas pazīstami kā grampozitīvi un gramnegatīvi. Nākamajā sadaļā mēs šo ideju attīstīsim padziļināti.

Konstrukcijas ārpus šūnas sienas

Parasti baktēriju šūnu sienu ieskauj dažas ārējas struktūras, piemēram, glikokalikss, flagella, aksiālie pavedieni, fimbrijas un pilis.

Glikokaliksu veido želatīna matrica, kas ieskauj sienu, un tai ir mainīgs sastāvs (polisaharīdi, polipeptīdi utt.). Dažos baktēriju celmos šīs kapsulas sastāvs veicina virulenci. Tā ir arī būtiska sastāvdaļa bioplēvju veidošanā.

Flagellas ir pavedienveida struktūras, kuru forma atgādina pātagu un veicina organisma mobilitāti. Pārējie iepriekšminētie pavedieni veicina šūnu noenkurošanos, kustīgumu un ģenētiskā materiāla apmaiņu.

Netipiskas baktēriju šūnu sienas

Kaut arī iepriekšminēto struktūru var vispārināt lielākajai daļai baktēriju organismu, ir ļoti specifiski izņēmumi, kas neatbilst šai šūnu sienas shēmai, jo viņiem to trūkst vai to ir ļoti maz.

Mycoplasma ģints pārstāvji un ar filoģenētiski saistītie organismi ir starp vismazākajām baktērijām, kādas jebkad reģistrētas. Mazā izmēra dēļ viņiem nav šūnu sienas. Faktiski sākumā viņus uzskatīja par vīrusiem, nevis par baktērijām.

Tomēr ir jābūt kaut kādam veidam, kā šīs mazās baktērijas saņem aizsardzību. Viņi to dara, pateicoties īpašu lipīdu, ko sauc par sterīniem, klātbūtnei, kas veicina aizsardzību pret šūnu lizēšanu.

Iespējas

-Bakteriālo šūnu sienas bioloģiskās funkcijas

Aizsardzība

Šūnu sienas galvenā funkcija baktērijās ir šūnas aizsardzība, kas darbojas kā sava veida eksoskelets (tāpat kā posmkāji).

Baktērijas satur ievērojamu daudzumu izšķīdušu šķīdinātāju. Osmozes parādības dēļ ūdens, kas tos ieskauj, mēģinās iekļūt šūnā, radot osmotisko spiedienu, kas, ja to nekontrolē, var izraisīt šūnas sabrukšanu.

Ja baktēriju sienas nebūtu, vienīgā aizsargājošā barjera šūnas iekšienē būtu trausla lipīdu rakstura plazmas membrāna, kas ātri pakļautos spiedienam, ko rada osmozes parādība.

Baktēriju šūnas siena veido aizsargājošu barikāžu pret iespējamām spiediena svārstībām, kas novērš šūnu lizēšanu.

Stingrība un forma

Pateicoties tās stīvināšanas īpašībām, siena palīdz veidot baktērijas. Tāpēc mēs varam atšķirt dažādas baktēriju formas pēc šī elementa, un mēs varam izmantot šo īpašību, lai izveidotu klasifikāciju, pamatojoties uz visbiežāk sastopamajām morfoloģijām (cocci vai bacilli, cita starpā).

Enkura vieta

Visbeidzot, šūnas siena kalpo kā stiprinājumu vieta citām struktūrām, kas saistītas ar kustīgumu un stiprināšanu, piemēram, flagella.

-Šūnu sienu aplikācijas

Papildus šīm bioloģiskajām funkcijām baktēriju sienai ir arī klīniska un taksonomiska pielietošana. Kā redzēsim vēlāk, sienu izmanto, lai atšķirtu dažādu veidu baktērijas. Turklāt struktūra ļauj izprast baktērijas virulenci un to, kāda veida antibiotikām tā var būt jutīga.

Tā kā šūnas sienas ķīmiskie komponenti ir raksturīgi tikai baktērijām (trūkst cilvēka saimniekorganismā), šis elements ir potenciāls mērķis antibiotiku izstrādē.

Klasifikācija pēc Gram traipa

Mikrobioloģijā traipus plaši izmanto procedūrās. Daži no tiem ir vienkārši, un to mērķis ir skaidri parādīt organisma klātbūtni. Tomēr citi traipi ir atšķirīga veida, ja izmantotās krāsvielas reaģē atkarībā no baktēriju veida.

Viens no mikrobioloģijā visizplatītākajiem diferenciālajiem traipiem ir Gram traipu metode, kuru 1884. gadā izstrādāja bakteriologs Hanss Kristians Grams. Metode ļauj baktērijas klasificēt lielās grupās: grampozitīvas un gramnegatīvas.

Mūsdienās to uzskata par ļoti noderīgu medicīnisku paņēmienu, lai gan dažas baktērijas nereaģē pareizi uz krāsojumu. To parasti piemēro, kad baktērijas ir jaunas un aug.

Grama traipu protokols

i) Primārās krāsvielas pielietojums: termiski fiksēts paraugs ir pārklāts ar pamata purpura krāsu, parasti tam izmanto kristālvioletu. Šis traips caurstrāvo visas šūnas, kas atrodamas paraugā.

ii) Joda uzklāšana: pēc neilga laika no parauga noņem purpursarkanu krāsu un uzklāj jodu, kas ir virsma. Šajā posmā gan grampozitīvās, gan negatīvās baktērijas iekrāso dziļi purpursarkanā krāsā.

(iii) mazgāšana: trešajā posmā krāsviela tiek mazgāta ar spirta šķīdumu vai ar spirta un acetona maisījumu. Šiem risinājumiem ir iespēja noņemt krāsu, bet tikai no dažiem paraugiem.

iv) safranīna uzklāšana: visbeidzot, iepriekšējā posmā izmantoto šķīdumu noņem un uzklāj citu krāsu - safranīnu. Šī ir pamata sarkanā krāsviela. Šo krāsvielu mazgā un paraugu ir gatava novērot optiskā mikroskopa gaismā.

Grampozitīvu baktēriju šūnu siena

Krāsošanas (iii) posmā tikai dažas baktērijas saglabā purpursarkano krāsu, un tās sauc par grampozitīvām baktērijām. Safranīna krāsa tos neietekmē, un krāsošanas beigās tiem, kas pieder pie šī tipa, novēro purpursarkanu krāsu.

Krāsošanas teorētiskais princips ir balstīts uz baktēriju šūnu sienas struktūru, jo tas ir atkarīgs no tā, vai purpursarkanā krāsa izplūst, kas kopā ar jodu veido kompleksu.

Galvenā atšķirība starp gramnegatīvajām un pozitīvajām baktērijām ir peptidoglikāna daudzums tajās. Grampozitīviem ir biezs šī savienojuma slānis, kas ļauj tiem saglabāt purpursarkano krāsu, neskatoties uz turpmāko mazgāšanu.

Violets kristāls, kas šūnā nonāk pirmajā solī, veido kompleksu ar jodu, kas apgrūtina izbēgšanu ar alkohola mazgāšanu, pateicoties biezajam peptidoglikāna slānim, kas tos ieskauj.

Atstarpe starp peptidoglikāna slāni un šūnas membrānu tiek dēvēta par plazmatisko telpu, un tā sastāv no granulēta slāņa, kas sastāv no lipoteichoic skābes. Turklāt grampozitīvām baktērijām ir raksturīga virkne teikohabju, kas piestiprinātas pie sienas.

Šāda veida baktēriju piemērs ir Staphylococcus aureus suga, kas ir patogēns cilvēkiem.

Gramnegatīvas baktēriju šūnu sienas

Baktērijas, kas neuztur krāsošanu (iii) stadijā, parasti ir gramnegatīvas. Tas ir iemesls, kāpēc šīs prokariotu grupas vizualizēšanai tiek piemērota otra krāsviela (safranīns). Tādējādi gramnegatīvās baktērijas parādās rozā krāsā.

Atšķirībā no bieza peptidoglikāna slāņa, kas ir grampozitīvām baktērijām, negatīvajām baktērijām ir daudz plānāks slānis. Turklāt tie satur lipopolisaharīdu slāni, kas ir daļa no viņu šūnu sienas.

Mēs varam izmantot sviestmaizes analoģiju: maize attēlo divas lipīdu membrānas, un iekšpuse vai pildījums būtu peptidoglikāns.

Lipopolisaharīdu slāni veido trīs galvenie komponenti: (1) lipīds A, (2) polisaharīdu kodols un (3) polisaharīdi O, kas darbojas kā antigēns.

Kad šāda baktērija nomirst, tā atbrīvo lipīdu A, kas darbojas kā endotoksīns. Lipīds ir saistīts ar simptomiem, ko izraisa gramnegatīvo baktēriju infekcijas, piemēram, drudzis vai asinsvadu paplašināšanās.

Šis plānais slānis neuztur purpursarkano krāsu, kas uzklāta pirmajā posmā, jo mazgāšana ar spirtu noņem lipopolisaharīdu slāni (un kopā ar to krāsvielu). Tie nesatur grandivos minētās teikobīnskābes.

Šī baktēriju šūnu sienas organizācijas modeļa piemērs ir slavenās E. coli baktērijas.

Grama traipa medicīniskās sekas

No medicīniskā viedokļa ir svarīgi zināt baktēriju sienas struktūru, jo grampozitīvas baktērijas parasti viegli izvada, lietojot tādas antibiotikas kā penicilīns un cefalosporīns.

Turpretī gramnegatīvās baktērijas parasti ir izturīgas pret tādu antibiotiku lietošanu, kuras nespēj iekļūt lipopolisaharīdu barjerā.

Citas krāsas

Lai gan Gram traips ir plaši pazīstams un piemērots laboratorijā, ir arī citas metodoloģijas, kas ļauj diferencēt baktērijas pēc šūnas sienas struktūras aspektiem. Viens no tiem ir krāsošana ar skābi, kas cieši saistās ar baktērijām, kurām pie sienas ir piestiprināti vaskam līdzīgi materiāli.

To īpaši izmanto, lai atšķirtu Mycobacterium sugas no citām baktēriju sugām.

Biosintēze

Baktēriju šūnas sienas sintēze var notikt šūnas citoplazmā vai iekšējā membrānā. Kad struktūras vienības ir sintezētas, sienas montāža notiek ārpus baktērijām.

Peptidoglikāna sintēze notiek citoplazmā, kur veidojas nukleotīdi, kas kalpos par prekursoriem šai makromolekulai, kas veido sienu.

Sintēze notiek pie plazmas membrānas, kur notiek membrānas lipīdu savienojumu veidošanās. Plazmas membrānas iekšpusē notiek peptidoglikāna veidojošo vienību polimerizācija. Visam procesam palīdz dažādi baktēriju fermenti.

Degradācija

Šūnu sienu var noārdīt, pateicoties fermentatīvajai lizocīma iedarbībai - fermentam, kas dabiski atrodams šķidrumos, piemēram, asarās, gļotās un siekalās.

Šis ferments efektīvāk iedarbojas uz grampozitīvo baktēriju sienām, pēdējās ir mazāk pakļautas lizēšanai.

Šī fermenta mehānisms sastāv no saišu hidrolīzes, kas kopā satur peptidoglikāna monomēros blokus.

Šūnu siena Arqueas

Dzīve ir sadalīta trīs galvenajos domēnos: baktērijas, eikarioti un archaea. Lai arī pēdējie virspusēji atgādina baktērijas, to šūnu sienas ir atšķirīgas.

Arhajā var būt vai nebūt šūnu sienas. Ja ķīmiskais sastāvs pastāv, tas mainās, ieskaitot virkni polisaharīdu un olbaltumvielu, bet līdz šim nav ziņots par sugām, kuru siena sastāv no peptidoglikāna.

Tomēr tie var saturēt vielu, kas pazīstama kā pseidomureīns. Ja tiek uzklāts traips Gram, tie visi būs gramnegatīvi. Tāpēc archaea krāsošana nav lietderīga.

Atsauces

1. Albērs, SV, un Meijers, BH (2011). Arhejas šūnas aploksne. Daba apskats Mikrobioloģija, 9 (6), 414–426.
2. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Būtiskā šūnu bioloģija. Garland zinātne.
3. Kūpers, G. (2000). Šūna: molekulārā pieeja. 2. izdevums. Sinauer Associates.
4. Kūpers, GM un Hausmans, RE (2007). Šūna: molekulārā pieeja. Vašingtona DC, Sunderland, MA.
5. Cullimore, DR (2010). Praktiskais atlants baktēriju identificēšanai. CRC Press.
6. Koebnik, R., Locher, KP, & Van Gelder, P. (2000). Baktēriju ārējās membrānas olbaltumvielu uzbūve un darbība: mucas īsumā. Molekulārā mikrobioloģija, 37 (2), 239. – 253.
7. Lodish, H., Berks, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekulāro šūnu bioloģija 4. izdevums. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs, grāmatplaukts.
8. Šefers, DJ un Pinho, MG (2005). Baktēriju šūnu sienu sintēze: jaunas atziņas no lokalizācijas pētījumiem. Mikrobioloģijas un molekulārās bioloģijas pārskati, 69 (4), 585–607.
9. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2016). Mikrobioloģija. Ievads. Pīrsons.