BAKTERIELL CELLVÄGG: EGENSKAPER, BIOSYNTES, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den bakteriella cellväggen är en komplex och halvstyv struktur, ansvarar för att tillhandahålla skydd och form för att bakterier. Strukturellt består den av en molekyl som kallas peptidoglycan. Förutom skydd mot tryckförändringar tillhandahåller bakterieväggen ett förankringsställe för strukturer såsom flagella eller pilis och definierar olika egenskaper relaterade till virulens och cellrörlighet.

En mycket använd metod för att klassificera bakterier enligt deras cellväggsstruktur är Gram-fläcken. Detta består av en systematisk applicering av lila och rosa färgämnen, där bakterier med en tjock vägg och rika på peptidoglykanfärgade lila (grampositiva) och de med en tunn vägg omgiven av lipopolysackarider färgar rosa (gramnegativa).

Källa pixabay.com

Även om andra organiska varelser som archaea, alger, svampar och växter har cellväggar, skiljer sig deras struktur och sammansättning mycket från bakteriecellväggen.

Egenskaper och struktur

Bakterieväggen: ett peptidoglykans nätverk

I biologi definierar vi vanligtvis gränserna mellan levande och icke-levande med hjälp av plasmamembranet. Men det finns många organismer som är omgivna av en ytterligare barriär: cellväggen.

I bakterier består cellväggen av ett intrikat och komplext nätverk av en makromolekyl som kallas peptidoglycan, även känd som murein.

Dessutom kan vi hitta andra typer av ämnen i väggen som kombineras med peptidoglykan, till exempel kolhydrater och polypeptider som varierar i längd och struktur.

Kemiskt är peptidoglycan en disackarid vars monomera enheter är N-acetylglukosamin och N-acetylmuramic (från murusroten, vilket betyder vägg).

Vi hittar alltid en kedja som består av tetrapeptider, bestående av fyra aminosyrarester kopplade till N-acetylmuramic.

Strukturen för bakteriecellväggen följer två scheman eller två allmänna mönster, kända som gram-positiva och gram-negativa. I nästa avsnitt kommer vi att utveckla denna idé djup.

Strukturer utanför cellväggen

Vanligtvis omges cellväggen av bakterier av vissa yttre strukturer, såsom glykokalyx, flagella, axiella filament, fimbria och pilis.

Glykokalyxen består av en gelatinös matris som omger väggen och har variabel sammansättning (polysackarider, polypeptider, etc.). I vissa bakteriestammar bidrar kompositionen av denna kapsel till virulens. Det är också en avgörande komponent i bildandet av biofilmer.

Flagella är trådformade strukturer, vars form liknar en piska och bidrar till organismens rörlighet. Resten av de ovannämnda filamenten bidrar till cellförankring, rörlighet och utbyte av genetiskt material.

Atypiska bakteriecellväggar

Även om strukturen som nämns ovan kan generaliseras till de allra flesta bakterieorganismer, finns det mycket specifika undantag som inte överensstämmer med detta cellväggsschema, eftersom de saknar det eller har mycket lite material.

Medlemmar av släktet Mycoplasma och fylogenetiskt relaterade organismer är bland de minsta bakterier som någonsin registrerats. På grund av deras lilla storlek har de inte en cellvägg. I själva verket ansågs de till en början virus och inte bakterier.

Det måste dock finnas något sätt att dessa små bakterier får skydd. De gör detta tack vare närvaron av speciella lipider som kallas steroler, som bidrar till skydd mot celllys.

Funktioner

-Biologiska funktioner hos bakteriecellväggen

Skydd

Cellväggens huvudfunktion i bakterier är att ge skydd för cellen, som fungerar som ett slags exoskelett (som hos leddjur).

Bakterier innehåller en betydande mängd lösta lösta ämnen inuti. På grund av fenomenet osmos kommer vattnet som omger dem att försöka komma in i cellen och skapa ett osmotiskt tryck, som om inte kontrolleras kan leda till lysis i cellen.

Om bakterieväggen inte existerade, skulle den enda skyddande barriären inuti cellen vara det bräckliga plasmamembranet av en lipidkaraktär, vilket snabbt skulle ge upp till trycket orsakat av fenomenet osmos.

Bakteriecelleväggen bildar en skyddande barrikad mot tryckfluktuationer som kan uppstå, vilket förhindrar celllys.

Styvhet och form

Tack vare dess förstyvande egenskaper hjälper väggen att forma bakterierna. Det är därför vi kan skilja mellan olika former av bakterier enligt detta element, och vi kan använda denna egenskap för att skapa en klassificering baserad på de vanligaste morfologierna (cocci eller bacilli, bland andra).

Ankarplats

Slutligen tjänar cellväggen som ett förankringsställe för andra strukturer relaterade till rörlighet och förankring, såsom flagella.

-Cell vägg applikationer

Förutom dessa biologiska funktioner har bakterieväggen också kliniska och taxonomiska tillämpningar. Som vi ser senare används väggen för att skilja mellan olika typer av bakterier. Dessutom gör strukturen det möjligt att förstå bakteriens virulens och vilken typ av antibiotikum den kan vara mottaglig för.

Eftersom de kemiska komponenterna i cellväggen är unika för bakterier (saknas i den mänskliga värden), är detta element ett potentiellt mål för utveckling av antibiotika.

Klassificering enligt Gram-fläck

Vid mikrobiologi används fläckar i stor utsträckning. Vissa av dem är enkla och deras syfte är att tydligt visa närvaron av en organisme. Andra fläckar är emellertid av differentiell typ, där färgämnen som används reagerar beroende på typen av bakterier.

En av de mest använda differentiella fläckarna inom mikrobiologi är Gram-fläcken, en teknik som utvecklades 1884 av bakteriologen Hans Christian Gram. Tekniken gör det möjligt att klassificera bakterierna i stora grupper: grampositiva och gramnegativa.

Idag betraktas det som en teknik med stor medicinsk nytta, även om vissa bakterier inte reagerar ordentligt på färgningen. Det appliceras vanligtvis när bakterierna är unga och växer.

Gram-fläckprotokoll

(i) Användning av den primära fläcken: ett värmefixat prov täcks med en grundläggande lila fläck, vanligtvis används kristallviolett för detta. Denna fläck genomsyrar alla celler som finns i provet.

(ii) Applicering av jod: efter en kort tid avlägsnas det lila färgämnet från provet och jod, ett mordant medel, appliceras. I detta skede är både gram-positiva och negativa bakterier färgade en djup lila.

(iii) Tvätt: det tredje steget involverar tvätt av färgämnet med en alkohollösning eller med en alkohol-acetonblandning. Dessa lösningar har förmågan att ta bort färg, men endast från vissa prover.

(iv) Applicering av safranin: slutligen avlägsnas lösningen som applicerades i föregående steg och ett annat färgämne, safranin, appliceras. Detta är en grundläggande röd färg. Detta färgämne tvättas och provet är klart att observeras under ljuset från det optiska mikroskopet.

Gram-positiv bakteriecellvägg

I steg (iii) av färgningen behåller endast vissa bakterier det lila färgämnet, och dessa är kända som grampositiva bakterier. Safranins färg påverkar inte dem, och i slutet av färgningen observeras de som tillhör denna typ lila.

Den teoretiska principen för färgning är baserad på strukturen hos bakteriecellväggen, eftersom den beror på utsläppet eller inte av det lila färgämnet, som bildar ett komplex tillsammans med jod.

Den grundläggande skillnaden mellan gramnegativa och positiva bakterier är mängden peptidoglykan de presenterar. Gram positives har ett tjockt lager av denna förening som gör att de kan behålla den lila färgningen, trots efterföljande tvätt.

Den violetta kristallen som kommer in i cellen i det första steget bildar ett komplex med joden, vilket gör det svårt att fly med alkoholtvätten, tack vare det tjocka skiktet peptidoglycan som omger dem.

Utrymmet mellan peptidoglykanskiktet och cellmembranet är känt som det plasmiska utrymmet och består av ett granulärt skikt bestående av lipoteikoinsyra. Dessutom kännetecknas grampositiva bakterier av att en serie teikosyror är förankrade på väggen.

Ett exempel på denna typ av bakterier är arten Staphylococcus aureus, som är en patogen för människor.

Gramnegativ bakteriecellvägg

Bakterier som inte behåller färgningen i steg (iii) är i regel gramnegativa. Detta är anledningen till att ett andra färgämne (safranin) appliceras för att visualisera denna grupp av prokaryoter. Således verkar gramnegativa bakterier rosa i färgen.

Till skillnad från det tjocka peptidoglykanskiktet som grampositiva bakterier har, har negativa bakterier ett mycket tunnare skikt. Dessutom presenterar de ett lager lipopolysackarider som är en del av deras cellvägg.

Vi kan använda analogien av en smörgås: brödet representerar två lipidmembran och det inre eller fyllningen skulle vara peptidoglykan.

Lipopolysackaridskiktet består av tre huvudkomponenter: (1) lipid A, (2) en kärna av polysackarider och (3) polysackarider O, vilka fungerar som ett antigen.

När en sådan bakterie dör släpper den lipid A, som fungerar som ett endotoxin. Lipiden är relaterad till symtomen orsakade av infektioner av gramnegativa bakterier, såsom feber eller utvidgning av blodkärl, bland andra.

Detta tunna skikt kvarhåller inte det lila färgämnet som applicerades i det första steget, eftersom alkoholtvätten avlägsnar lipopolysackaridskiktet (och tillsammans med det färgämnet). De innehåller inte de teikosyror som nämns i grampositiven.

Ett exempel på detta organisationsmönster för bakteriecellväggen är de berömda E. coli-bakterierna.

Medicinska konsekvenser av Gram-fläck

Ur ett medicinskt perspektiv är det viktigt att känna till strukturen hos bakterieväggen, eftersom grampositiva bakterier vanligtvis elimineras genom applicering av antibiotika såsom penicillin och cefalosporin.

Däremot är gramnegativa bakterier vanligtvis resistenta mot applicering av antibiotika som inte tränger igenom lipopolysackaridbarriären.

Andra färgläggningar

Även om Gram-fläcken är allmänt känd och tillämpad i laboratoriet, finns det också andra metoder som gör det möjligt att differentiera bakterier enligt strukturella aspekter av cellväggen. En av dem är syrafärgning som binder starkt till bakterier som har vaxliknande material fäst vid väggen.

Detta används specifikt för att skilja Mycobacterium-arter från andra arter av bakterier.

Biosyntes

Syntesen av bakteriecellväggen kan ske i cytoplasma i cellen eller i det inre membranet. När strukturenheterna har syntetiserats fortsätter muren på väggen utanför bakterierna.

Syntesen av peptidoglykan sker i cytoplasma, där nukleotider bildas som kommer att fungera som föregångare för denna makromolekyl som utgör väggen.

Syntesen fortsätter vid plasmamembranet, där alstring av membranlipidföreningar äger rum. Inuti plasmamembranet sker polymerisation av enheterna som utgör peptidoglykan. Hela processen stöds av olika bakterieenzymer.

Degradering

Cellväggen kan brytas ned tack vare lysozymets enzymatiska verkan, ett enzym som naturligt finns i vätskor som tårar, slem och saliv.

Detta enzym verkar mer effektivt på väggarna hos grampositiva bakterier, varvid det senare är mer sårbart för lys.

Mekanismen för detta enzym består av hydrolys av bindningarna som håller samman de monomera blocken i peptidoglykan.

Cellvägg i Arqueas

Livet är indelat i tre huvuddomäner: bakterier, eukaryoter och archaea. Även om de senare påminner ytligt om bakterier, är deras cellväggs natur annorlunda.

I archaea kan det finnas en cellvägg eller inte. Om den kemiska sammansättningen finns varierar den, inklusive en serie polysackarider och proteiner, men hittills har inga arter med en vägg bestående av peptidoglykan rapporterats.

De kan emellertid innehålla ett ämne som kallas pseudomurein. Om Gram-fläcken appliceras är de alla gramnegativa. Därför är färgning inte användbar i archaea.

referenser

1. Albers, SV, & Meyer, BH (2011). Det archaeala cellhöljet. Nature Reviews Microbiology, 9 (6), 414–426.
2. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Väsentlig cellbiologi. Garland Science.
3. Cooper, G. (2000). The Cell: A Molecular Approach. 2: a upplagan. Sinauer Associates.
4. Cooper, GM, & Hausman, RE (2007). Cellen: en molekylär strategi. Washington, DC, Sunderland, MA.
5. Cullimore, DR (2010). Praktiska atlas för bakteriell identifiering. CRC Press.
6. Koebnik, R., Locher, KP, & Van Gelder, P. (2000). Struktur och funktion av bakteriella yttre membranproteiner: fat i ett nötskal. Molekylär mikrobiologi, 37 (2), 239–253.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekylär cellbiologi 4: e upplagan. Nationellt centrum för bioteknikinformation, bokhylla.
8. Scheffers, DJ, & Pinho, MG (2005). Bakteriell cellväggssyntes: ny insikt från lokaliseringsstudier. Mikrobiologi och molekylärbiologi, 69 (4), 585–607.
9. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2016). Mikrobiologi. En introduktion. Pearson.