Rakusein: määratlus, struktuur ja funktsioon (diagrammiga)

Sisu

• Mis on rakuseina funktsioon?
• Mis moodustab taimeraku seina?
• Turgori rõhk
• Valgud rakuseinas
• Taimerakkude seina struktuur
• Primaarne raku sein
• Teisene rakusein
• Taimede primaarse ja sekundaarse rakuseina erinevus
• Seente ja vetikate rakuseinte struktuur
• Seente rakuseinad
• Rakuseinad vetikates
• Bakteriaalsed rakuseinad
• Gram-positiivsed ja gramnegatiivsed bakterid
• Antibiootikumid ja bakterid
• Antibiootikumiresistentsus
• Rakuseinte küsimus

Rakusein on täiendav kaitsekiht rakumembraani peal. Rakuseinu võib leida nii prokarüootides kui ka eukarüootides ning neid on kõige sagedamini taimedes, vetikates, seentes ja bakterites.

Kuid loomadel ja algloomadel pole seda tüüpi struktuuri. Rakuseinad on tavaliselt jäigad struktuurid, mis aitavad säilitada raku kuju.

Mis on rakuseina funktsioon?

Rakuseinal on mitu funktsiooni, sealhulgas lahtri struktuuri ja kuju säilitamine. Sein on jäik, nii et see kaitseb lahtrit ja selle sisu.

Näiteks võib rakusein hoida haigustekitajate nagu taimeviirused sisenemist. Lisaks mehaanilisele toele toimib sein raamistikuna, mis võib takistada raku laienemist või liiga kiiret kasvu. Valgud, tselluloosikiud, polüsahhariidid ja muud struktuurikomponendid aitavad seinal säilitada raku kuju.

Rakusein mängib olulist rolli ka transpordis. Kuna sein on a poolläbilaskev membraan, see võimaldab teatud ainetel, näiteks valkudel, läbi pääseda. See võimaldab seinal reguleerida lahuses levimist ja kontrollida sisenevat või sealt väljuvat.

Lisaks aitab poolläbilaskev membraan rakkude vahelist suhtlust, lastes signaalimolekulidel pooridest läbi pääseda.

Mis moodustab taimeraku seina?

Taime rakusein koosneb peamiselt süsivesikutest, näiteks pektiinidest, tselluloosist ja hemitselluloosist. Selles on ka väiksemates kogustes struktuurvalke ja mõned mineraalid, näiteks räni. Kõik need komponendid on rakuseina elutähtsad osad.

Tselluloos on keeruline süsivesik ja koosneb tuhandetest glükoosimonomeerid mis moodustavad pikad ahelad. Need ahelad tulevad kokku ja moodustavad tselluloosi mikrofibrillid, mille läbimõõt on mitu nanomeetrit. Mikrofibrillid aitavad raku kasvu kontrollida, piirates või võimaldades selle laienemist.

Turgori rõhk

Üks peamisi põhjuseid, miks taimerakus on sein, on see, et see talub turgor rõhk, ja siin mängib tselluloos üliolulist rolli. Turgorirõhk on jõud, mis on loodud väljaulatuva kambri sisemuse poolt. Tselluloosi mikrofibrillid moodustavad maatriksi valkude, hemitsellulooside ja pektiinidega, et luua tugev raamistik, mis suudab vastu pidada turgoori rõhule.

Nii hemitselluloosid kui ka pektiinid on hargnenud polüsahhariidid. Hemitselluloosidel on vesiniksidemed, mis ühendavad neid tselluloosi mikrofibrillidega, samal ajal kui pektiinid püüavad veemolekule geeli moodustamiseks. Hemitselluloosid suurendavad maatriksi tugevust ja pektiinid aitavad tihenemist vältida.

Valgud rakuseinas

Rakuseinas olevad valgud täidavad erinevaid funktsioone. Mõned neist pakuvad struktuuritoetust. Teised on ensüümid, mis on teatud tüüpi valk, mis võib kiirendada keemilisi reaktsioone.

Ensüümid aitavad moodustada normaalseid modifikatsioone, mis on vajalikud taimede rakuseina säilitamiseks. Samuti mängivad nad rolli puuviljade valmimisel ja lehtede värvuse muutumisel.

Kui olete kunagi ise moosi või tarretist valmistanud, siis olete näinud sama tüüpi pektiinid leitud rakuseintes töös. Pektiin on koostisosa, mida kokad lisavad puuviljamahlade paksendamiseks. Džemmide või želeede valmistamiseks kasutavad nad õuntes või marjades looduslikult leiduvaid pektiine.

••• Teadmine

Taimerakkude seina struktuur

Taimerakkude seinad on kolmekihilised struktuurid, mille a keskmine lamell, primaarne rakusein ja teisene rakusein. Keskmine lamell on välimine kiht ja aitab raku-raku ristmikel, hoides samal ajal külgnevaid rakke koos (teisisõnu, see paikneb kahe raku raku seina vahel ja hoiab neid kokku; see on põhjus, miks seda nimetatakse keskmiseks lamelliks, kuigi see on kõige välimine kiht).

Keskmine lamell toimib taimerakkude jaoks nagu liim või tsement, kuna sisaldab pektiine. Rakkude jagunemise ajal moodustub kõigepealt keskmine lamell.

Primaarne raku sein

Esmane rakusein areneb raku kasvades, nii et see kipub olema õhuke ja painduv. See moodustub keskmise lamelli ja plasmamembraan.

See koosneb tselluloosi mikrofibrillidest koos hemitsellulooside ja pektiinidega. See kiht võimaldab rakul aja jooksul kasvada, kuid ei piira rakkude kasvu ülemäära.

Teisene rakusein

Teisene raku sein on paksem ja jäigem, seega pakub see taimele suuremat kaitset. See eksisteerib primaarse rakuseina ja plasmamembraani vahel. Sageli aitab primaarne rakusein seda sekundaarset seina luua pärast raku kasvu lõpetamist.

Sekundaarsed rakuseinad koosnevad tselluloosist, hemitselluloosidest ja ligniin. Ligniin on aromaatse alkoholi polümeer, mis pakub taimele täiendavat tuge. See aitab kaitsta taime putukate või patogeenide rünnakute eest. Ligniin aitab ka rakkude veetranspordil.

Taimede primaarse ja sekundaarse rakuseina erinevus

Kui võrrelda taimede primaarsete ja sekundaarsete rakuseinte koostist ja paksust, on erinevusi lihtne näha.

Esiteks on primaarseintes võrdses koguses tselluloosi, pektiine ja hemitselluloose. Kuid sekundaarsetes rakuseintel pole pektiini ja neis on rohkem tselluloosi. Teiseks näevad primaarsete rakkude seintel olevad tselluloosi mikrofibrillid juhuslikud, kuid need on organiseeritud sekundaarsetes seintes.

Ehkki teadlased on avastanud paljusid aspekte, kuidas rakuseinad taimedes funktsioneerivad, vajavad mõned piirkonnad siiski veel uuringuid.

Näiteks õpivad nad veel rohkem rakuseina biosünteesis osalevate tegelike geenide kohta. Teadlaste hinnangul võtab protsessist osa umbes 2000 geeni. Veel üks oluline uurimisvaldkond on see, kuidas taimerakkudes toimib geeniregulatsioon ja kuidas see mõjutab seina.

Seente ja vetikate rakuseinte struktuur

Sarnaselt taimedele koosnevad ka seente rakuseinad süsivesikutest. Kuigi seentel on rakke kitiin ja muud süsivesikud, neil pole tselluloosi, nagu taimedel.

Nende rakuseintel on ka:

Oluline on märkida, et mitte kõigil seentel pole rakuseinu, kuid paljud neist. Seentes paikneb rakusein väljaspool plasmamembraani. Kitiin moodustab suurema osa rakuseinast ja see on sama materjal, mis annab putukatele nende tugevad eksoskeletid.

Seente rakuseinad

Üldiselt on rakuseintega seentel kolm kihti: kitiin, glükaanid ja valgud.

Kõige sisemise kihina on kitiin kiuline ja koosneb polüsahhariididest. See aitab muuta seente raku seinad jäigaks ja tugevaks. Järgmisena on kiht glükaane, mis on glükoosipolümeerid, ristsidudes kitiiniga. Samuti aitavad glükaanid seentel säilitada nende rakuseina jäikust.

Lõpuks on valkude kiht, mida nimetatakse mannoproteiinid või mannans, mille kõrge tase on mannoosisuhkur. Rakuseinas on ka ensüüme ja struktuurvalke.

Seene rakuseina erinevad komponendid võivad teenida erinevaid eesmärke. Näiteks võivad ensüümid aidata orgaaniliste materjalide lagundamisel, teised valgud võivad aga aidata nakkuvusel keskkonnas.

Rakuseinad vetikates

Vetikate rakuseinad koosnevad polüsahhariididest nagu tselluloos või glükoproteiinidest. Mõne vetika raku seintes on nii polüsahhariide kui ka glükoproteiine. Lisaks on vetikarakkude seintes mannaane, ksülaane, algiinhapet ja sulfoonitud polüsahhariide. Erinevat tüüpi vetikate rakuseinad võivad suuresti varieeruda.

Mannaanid on valgud, mis muudavad mõnedes rohelistes ja punastes vetikates mikrofibrille. Ksülaanid on keerulised polüsahhariidid ja asendavad vetikates mõnikord tselluloosi. Algiinhape on veel üks polüsahhariidi tüüp, mida leidub sageli pruunvetikates. Kuid enamikus vetikates on sulfoonitud polüsahhariidid.

Diatomid on vetikate tüüp, mis elavad vees ja pinnases. Need on ainulaadsed, kuna nende raku seinad on valmistatud ränidioksiidist. Teadlased alles uurivad, kuidas diatomid moodustavad nende rakuseinad ja millised valgud moodustavad protsessi.

Sellegipoolest on nad kindlaks teinud, et ränidioomid moodustavad nende mineraalirikkad seinad sisemiselt ja viivad need väljaspool rakku. See protsess, mida nimetatakse eksotsütoos, on keeruline ja hõlmab paljusid valke.

Bakteriaalsed rakuseinad

Bakteriaalses rakuseinas on peptidoglükaanid. Peptidoglükaan või murein on ainulaadne molekul, mis koosneb võrgukihis suhkrutest ja aminohapetest ning see aitab rakul säilitada oma kuju ja struktuuri.

Bakterite rakusein eksisteerib väljaspool plasmamembraani. Sein ei aita mitte ainult lahtri kuju konfigureerida, vaid aitab vältida ka raku purunemist ja kogu selle sisu vallandamist.

Gram-positiivsed ja gramnegatiivsed bakterid

Üldiselt saate jagada baktereid grampositiivseteks või gramnegatiivseteks kategooriateks ja igal tüübil on raku seina veidi erinev. Gram-positiivsed bakterid võivad Gram-värvimistesti ajal värvida siniseks või violetseks, mille käigus värvained reageerivad rakuseinas olevate peptidoglükaanidega.

Teisest küljest ei saa seda tüüpi testiga gramnegatiivseid baktereid värvida siniseks ega violetseks. Tänapäeval kasutavad mikrobioloogid bakterite tüübi tuvastamiseks endiselt Grami värvimist. Oluline on märkida, et nii grampositiivsetel kui ka gramnegatiivsetel bakteritel on peptidoglükaanid, kuid ekstra väline membraan hoiab ära gramnegatiivsete bakterite värvumise.

Gram-positiivsetel bakteritel on paksud rakuseinad, mis on valmistatud peptidoglükaanide kihtidest. Gram-positiivsetel bakteritel on üks rakumüüriga ümbritsetud plasmamembraan. Gramnegatiivsetel bakteritel on peptidoglükaanide õhukesed rakuseinad, millest nende kaitsmiseks ei piisa.

Seetõttu on gramnegatiivsetel bakteritel veel üks kiht lipopolüsahhariidid (LPS), mis toimivad endotoksiin. Gramnegatiivsetel bakteritel on sisemine ja välimine plasmamembraan ning õhukesed rakuseinad asuvad membraanide vahel.

Antibiootikumid ja bakterid

Inimese ja bakterirakkude erinevused võimaldavad kasutamist antibiootikumid oma kehas, tapmata kõiki oma rakke. Kuna inimestel pole rakuseinu, võivad sellised ravimid nagu antibiootikumid suunata bakterite rakuseinu. Rakuseina koostis mängib rolli selles, kuidas mõned antibiootikumid toimivad.

Näiteks penitsilliin, tavaline beeta-laktaamantibiootikum, võib mõjutada ensüümi, mis loob lüli bakterites peptidoglükaani ahelate vahel. See aitab hävitada kaitsva rakuseina ja peatab bakterite kasvu. Kahjuks võivad antibiootikumid tappa kehas nii kasulikke kui ka kahjulikke baktereid.

Teine antibiootikumide rühm, mida nimetatakse glükopeptiidideks, on suunatud rakuseinte sünteesile, peatades peptidoglükaanide moodustumise. Glükopeptiidi antibiootikumide näideteks on vankomütsiin ja teikoplaniin.

Antibiootikumiresistentsus

Antibiootikumiresistentsus toimub bakterite muutumisel, mis muudab ravimid vähem efektiivseks. Kuna resistentsed bakterid jäävad ellu, saavad nad paljuneda ja paljuneda. Bakterid muutuvad antibiootikumide suhtes vastupidav erinevatel viisidel.

Näiteks saavad nad muuta oma rakuseinu. Nad võivad antibiootikumi oma rakkudest välja viia või jagada geneetilist teavet, mis sisaldab ka ravimite resistentsust.

Üks viis, kuidas mõned bakterid peavad vastu beeta-laktaamantibiootikumidele nagu penitsilliin, on ensüümi, mida nimetatakse beeta-laktamaas, valmistamine. Ensüüm ründab beeta-laktaamtsüklit, mis on ravimi põhikomponent ja koosneb süsinikust, vesinikust, lämmastikust ja hapnikust. Kuid ravimitootjad püüavad seda resistentsust vältida, lisades beeta-laktamaasi inhibiitoreid.

Rakuseinte küsimus

Rakuseinad pakuvad taimedele, vetikatele, seentele ja bakteritele kaitset, tuge ja struktuuriabi. Ehkki prokarüootide ja eukarüootide rakuseinte vahel on suuri erinevusi, on enamiku organismide rakuseinad väljaspool plasmamembraane.

Teine sarnasus on see, et enamus raku seinu pakuvad jäikust ja tugevust, mis aitab rakkudel säilitada oma kuju. Ka kaitse patogeenide või röövloomade eest on ühine asi, mida paljudel erinevate organismide raku seintel on. Paljudel organismidel on rakuseinad, mis koosnevad valkudest ja suhkrutest.

Prokarüootide ja eukarüootide rakuseinte mõistmine võib aidata inimesi mitmel viisil. Parematest ravimitest tugevamate põllukultuurideni pakub rakuseina tundmaõppimine palju potentsiaalset kasu.