Kas prokarüootidel on rakuseinad?

Sisu

• Rakkude üldised omadused
• Prokarüootiline rakustruktuur
• Bakteri rakuseina struktuur
• Gram-positiivsed ja gramnegatiivsed bakterid
• Gram-positiivsed bakteriraku seinad
• Teikohapete roll
• Gramnegatiivsed bakteriraku seinad
• Gramnegatiivsete bakterite tööriistad
• Archaea rakuseinad
• Miks on rakusein oluline?
• Antibiootikumiresistentsus

Prokarüootid esindavad ühte kahest peamisest elu klassifikaatorist. Teised on eukarüootid.

Prokarüootid eristatakse nende madalama keerukuse taseme järgi. Need kõik on mikroskoopilised, ehkki mitte tingimata üherakulised. Need on jagatud domeenideks arhaea ja bakterid, kuid valdav enamus teadaolevatest prokarüootiliikidest on bakterid, kes on Maal olnud umbes 3,5 miljardit aastat.

Prokarüootsetel rakkudel ei ole tuuma ega membraaniga seotud organellid. 90 protsenti bakteritest on siiski olemas raku seinad, milles eukarüootsed rakud, välja arvatud taimerakud ja mõned seenerakud, puuduvad. Need rakuseinad moodustavad välimise bakterikihi ja moodustavad osa bakteritest bakterikapsel.

Need stabiliseerivad ja kaitsevad rakku ning on elutähtsad nii bakteritele nakatamiseks peremeesrakke kui ka bakterite vastust antibiootikumidele.

Rakkude üldised omadused

Kõigil looduse rakkudel on palju ühiseid jooni. Üks neist on välise olemasolu rakumembraanvõi plasmamembraan, mis moodustab lahtri füüsilise piiri igast küljest. Teine on aine, mida nimetatakse tsütoplasma leitud rakumembraanis.

Kolmas on geneetilise materjali kaasamine DNA, või desoksüribonukleiinhape. Neljas on ribosoomid, mis toodavad valke. Iga elusrakk kasutab energia saamiseks ATP-d (adenosiintrifosfaati).

Prokarüootiline rakustruktuur

Prokarüootide struktuur on lihtne. Nendes rakkudes paikneb DNA selle asemel, et pakendada tuumamembraaniga suletud tuumasse, tsütoplasmasse lõdvemalt kogunenud keha kujul, mida nimetatakse nukleoid.

Tavaliselt on see ümmarguse kromosoomi vormis.

Prokarüootse raku ribosoomid on hajutatud kogu raku tsütoplasmas, samas kui eukarüootides leidub osa neist organellides nagu Golgi aparaat ja endoplasmaatiline retikulum. Ribosoomide ülesanne on valkude süntees.

Bakterid paljunevad binaarse lõhustumise teel või lihtsalt kaheks jagades ja rakukomponendid võrdselt jagades, sealhulgas geneetiline teave ühes väikeses kromosoomis.

Erinevalt mitoosist ei vaja see rakkude jagunemise vorm eraldiseisvaid etappe.

Bakteri rakuseina struktuur

Ainulaadsed peptidoglükaanid: Kõik taimerakkude seinad ja bakteriraku seinad koosnevad enamasti süsivesikute ahelatest.

Kuid kuigi taimerakkude seinad sisaldavad tselluloosi, mida näete paljude toiduainete koostisosades, sisaldavad bakterirakkude seinad ainet nimega peptidoglükaan, mida te ei tee.

See peptidoglükaan, mis on leitud ainult prokarüootides, on erinevat tüüpi; see annab rakule tervikuna oma kuju ja kaitseb rakku raku mehaaniliste rikkumiste eest.

Peptidoglükaanid koosnevad selgroost, mida nimetatakse glükaan, mis ise koosneb muraamhape ja glükoosamiin, mille mõlemal omakorda on lämmastikuaatomite külge kinnitatud atsetüülrühmad. Need hõlmavad ka aminohapete peptiidahelaid, mis on ristseotud teiste, läheduses asuvate peptiidahelatega.

Nende "sildavate" interaktsioonide tugevus varieerub suuresti erinevate peptidoglükaanide vahel ja seetõttu ka erinevate bakterite vahel.

Nagu näete, võimaldab see omadus liigitada baktereid kindlat tüüpi vastavalt sellele, kuidas nende rakuseinad reageerivad teatud kemikaalile.

Ristsidemed moodustatakse ensüümi nimega a toimel transpeptidaas, mis on inimeste ja muude organismide nakkushaiguste vastu võitlemiseks kasutatavate antibiootikumide klassi sihtmärk.

Gram-positiivsed ja gramnegatiivsed bakterid

Kuigi kõigil bakteritel on rakusein, muutub selle koostis liikide kaupa liikideks peptidoglükaani sisalduse erinevuste tõttu, millest rakuseinad on osaliselt või enamasti valmistatud.

Bakterid võib jagada kahte tüüpi, mida nimetatakse gram-positiivseteks ja gramnegatiivseteks.

Need on oma nime saanud bioloogi järgi Hans Christian Gram, rakubioloogia teerajaja, kes arendas värvimistehnikat 1880ndatel ja mida kutsuti tabavalt Gram plekk, mis põhjustas teatud bakterite lillaks või siniseks muutumise, teised aga punaseks või roosaks.

Endist tüüpi baktereid hakati nimetama gram-positiivneja nende värvimisomadused on tingitud asjaolust, et nende rakuseinad sisaldavad kogu seina suhtes väga suurt osa peptidoglükaani.

Punaseid või roosat värvi baktereid tuntakse kui gram-negatiivne, ja nagu arvata võis, on nendel bakteritel seinad, mis koosnevad tagasihoidlikest või väikestest peptidoglükaani kogustest.

Gramnegatiivsetes bakterites asub õhuke membraan väljaspool rakuseina, moodustades rakuümbrik.

See kiht sarnaneb raku plasmamembraaniga, mis asub rakuseina teisel küljel, lähemal raku sisemusele. Mõnes gram-negatiivses rakus, näiteks E. coli, rakumembraan ja tuumaümbris puutuvad mõnes kohas tegelikult kokku, tungides läbi õhukese seina peptidoglükaani.

See tuumaümbris sisaldab väljapoole ulatuvaid molekule, mida nimetatakse lipopolüsahhariidid, või LPS. Selle membraani sisemusest laienevad mureini lipoproteiinid, mis on kinnitatud otsas raku seina välisküljele.

Gram-positiivsed bakteriraku seinad

Gram-positiivsetel bakteritel on paks peptidoglükaani rakusein, paksus umbes 20–80 nm (nanomeetrid või üks miljard millimeetrit meetrit).

Näited hõlmavad stafülokokid, streptokokid, laktobatsillid ja Bacillus liigid.

Need bakterid värvivad lilla või punane, kuid tavaliselt lilla värviga, grammi värviga, kuna peptidoglükaan säilitab violetset värvi, mida rakendatakse protseduuri alguses, kui preparaati hiljem alkoholiga pestakse.

See tugevam rakusein pakub gram-positiivsetele bakteritele rohkem kaitset enamiku väliste solvangute eest, võrreldes gramnegatiivsete bakteritega, ehkki kõrge peptidoglükaani sisaldus nende organismide seinad muudavad nende seinad ühemõõtmeliseks kindluseks, luues omakorda mõnevõrra lihtsama strateegia selle hävitamiseks.

••• Teadmine

Gram-positiivsed bakterid on üldiselt vastuvõtlikumad rakumüürile suunatud antibiootikumidele kui gramnegatiivsed liigid, kuna need puutuvad kokku keskkonnaga, mitte istuvad rakuümbrise all või sees.

Teikohapete roll

Gram-positiivsete bakterite peptidoglükaani kihtides on tavaliselt palju molekule, mida nimetatakse teikohappedvõi TA-d.

Need on süsivesikute ahelad, mis jõuavad peptidoglükaani kihist läbi ja läbi selle.

Arvatakse, et TA stabiliseerib peptidoglükaani selle ümber lihtsalt selle jäikamaks muutmise, mitte keemiliste omaduste avaldamise kaudu.

TA on osaliselt vastutav teatud grampositiivsete bakterite, näiteks Streptokoki liikide võime eest seostuda peremeesrakkude pinnal olevate spetsiifiliste valkudega, mis hõlbustab nende võimet põhjustada nakkust ja paljudel juhtudel haigusi.

Kui bakterid või muud mikroorganismid on võimelised nakkushaigusi põhjustama, nimetatakse neid patogeenne.

Bakterite rakuseinad Mükobakterite perekondlisaks peptidoglükaani ja TA-de sisaldusele ka väline "vahajas" kiht valmistatud mükoolhapped. Neid baktereid tuntakse kui “happekindel,”Kuna selle vahakihi tungimiseks on vaja seda tüüpi plekke, et võimaldada kasulikku mikroskoopilist uurimist.

Gramnegatiivsed bakteriraku seinad

Gramnegatiivsetel bakteritel, nagu ka nende grampositiivsetel kolleegidel, on peptidoglükaani raku seinad.

Kuid sein on palju õhem, ainult umbes 5–10 nm paksune. Need seinad ei määri Grami värviga lillaks, kuna nende väiksem peptidoglükaani sisaldus tähendab, et sein ei suuda alkoholi pesemisel palju värvainet säilitada, mille tulemuseks on lõpuks roosa või punakas värv.

Nagu eespool märgitud, ei ole raku sein nendest bakteritest kõige kaugemal, vaid kaetakse selle asemel teise plasmamembraaniga, rakuümbrisega või välismembraaniga.

Selle kihi paksus on umbes 7,5–10 nm, see konkureerib või ületab raku seina paksust.

Enamiku gram-negatiivsete bakterite korral on rakuümbris seotud teatud tüüpi lipoproteiinide molekuliga, mida nimetatakse Braunsi lipoproteiiniks, mis omakorda on seotud rakuseina peptidoglükaaniga.

Gramnegatiivsete bakterite tööriistad

Gramnegatiivsed bakterid on rakuseinale suunatud antibiootikumide suhtes üldiselt vähem vastuvõtlikud, kuna need ei puutu kokku keskkonnaga; sellel on kaitseks ikkagi välismembraan.

Lisaks hõivab gramnegatiivsetes bakterites geelitaoline maatriks raku seina sees ja väljaspool plasmamembraani, mida nimetatakse periplasmaatiliseks ruumiks.

Gramnegatiivsete bakterite rakuseina peptidoglükaani komponent on ainult umbes 4 nm paks.

Kui grampositiivses bakteriaalses rakuseinas oleks selle seina saamiseks rohkem peptidoglükaane, on gram-negatiivsel veal selle välismembraanis veel muid vahendeid.

Iga LPS-i molekul koosneb rasvhapete rikkast lipiidi A subühikust, väikesest südamikust polüsahhariidist ja suhkrulaadsetest molekulidest valmistatud O-külgahelast. See O-külje ahel moodustab LPS-i väliskülje.

Kõrvalahela täpne koostis varieerub erinevate bakteriliikide vahel.

Antigeenidena tuntud O-külgahela osi saab kindlaks teha laboratoorsete testide abil, et tuvastada spetsiifilised patogeensed bakteritüved („tüvi” on bakteriliigi alatüüp, nagu koera tõug).

Archaea rakuseinad

Archaea on mitmekesisemad kui bakterid ja nii on ka nende rakuseinad. Nimelt ei sisalda need seinad peptidoglükaani.

Pigem sisaldavad need tavaliselt samalaadset molekuli, mida nimetatakse pseudopeptidoglükaanvõi pseudomureiin. Selles aines asendatakse osa tavalisest peptidoglükaanist, mida nimetatakse NAM, teise alaühikuga.

Mõnel arhaal võib selle asemel olla kiht glükoproteiinid või polüsahhariidid see pseudopeptidoglükaani asemel rakuseina asendaja. Lõpuks, nagu mõnedel bakteriliikidel, puuduvad raku seinad täielikult mõnel arhaal.

Archaea, mis sisaldavad pseudomureiini, on tundmatu penitsilliini klassi antibiootikumide suhtes kuna need ravimid on transpeptidaasi inhibiitorid, mis häirivad peptidoglükaani sünteesi.

Nendes arhaas ei sünteesita peptidoglükaane ja seetõttu pole penitsilliinide toimimiseks midagi vaja.

Miks on rakusein oluline?

Bakterirakudel, millel puuduvad rakuseinad, võib lisaks arutatutele olla ka täiendavaid raku pinna struktuure, näiteks glükokalütsid (ainsus on glükokalüks) ja S-kihid.

Glükokalüks on suhkrutaoliste molekulide kiht, mida on kahte tüüpi: kapslid ja lima kihid. Kapsel on hästi organiseeritud kiht polüsahhariide või valke. Limakiht on vähem tihedalt korraldatud ja see on vähem tihedalt kinnitatud raku seina külge kui glükokalüks.

Selle tagajärjel on glükokalüks paremini pesta, samas kui limakihti saab kergemini nihutada. Limakiht võib koosneda polüsahhariididest, glükoproteiinidest või glükolipiididest.

Need anatoomilised variatsioonid omavad suurt kliinilist tähtsust.

Glycocalyces võimaldavad rakkudel kleepuda kindlale pinnale, aidates moodustada organismide kolooniaid, mida nimetatakse biokiled mis võivad moodustada mitu kihti ja kaitsta rühma inimesi. Sel põhjusel elab enamik looduses asuvaid baktereid segatud bakterikommuunidest moodustatud biokiledes. Biokiled takistavad nii antibiootikumide kui ka desinfitseerimisvahendite toimet.

Kõik need omadused põhjustavad mikroobide elimineerimise või vähendamise ning nakkuste likvideerimise raskusi.

Antibiootikumiresistentsus

Bakteritüved, mis on tänu võimalikule kasulikule mutatsioonile looduslikult resistentsed antud antibiootikumi suhtes, valitakse inimpopulatsioonides, kuna need on vead, mis on jäänud antibiootikumi suhtes tundlike hävitamisel maha ning need "superbugid" paljunevad ja jätkavad põhjustada haigusi.

21. sajandi teiseks kümnendiks on mitmesugused gramnegatiivsed bakterid muutunud antibiootikumide suhtes üha resistentsemaks, põhjustades suurenenud haigusi ja nakkuste põhjustatud surma ning suurendades tervishoiukulusid. Antibiootikumiresistentsus on loodusliku lõigu arhetüüpne näide inimestel jälgitavatest ajakavadest.

Näited:

Meditsiiniuurijad töötavad selle nimel, et olla kursis resistentsete vigadega, mis tähendavad mikrobioloogilist võidurelvastumist.