Κυτταρικό τοίχωμα: Ορισμός, δομή και λειτουργία (με διάγραμμα)

Το κυτταρικό τοίχωμα είναι ένα επιπλέον στρώμα προστασίας στο πάνω μέρος του κυτταρική μεμβράνη. Μπορείτε να βρείτε κυτταρικά τοιχώματα και στα δύο προκαρυώτες και ευκαρυώτες, και είναι πιο συχνές σε φυτά, φύκια, μύκητες και βακτήρια.

Ωστόσο, τα ζώα και τα πρωτόζωα δεν έχουν αυτόν τον τύπο δομής. Τα κυτταρικά τοιχώματα τείνουν να είναι άκαμπτες δομές που βοηθούν στη διατήρηση του σχήματος του κελιού.

Το κυψελοειδές τοίχωμα έχει διάφορες λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένης της διατήρησης της δομής και του σχήματος των κυψελών. Ο τοίχος είναι άκαμπτος, επομένως προστατεύει το κελί και τα περιεχόμενά του.

Για παράδειγμα, το κυτταρικό τοίχωμα μπορεί να εμποδίσει την είσοδο παθογόνων όπως φυτικοί ιοί. Εκτός από τη μηχανική υποστήριξη, το τοίχωμα λειτουργεί ως πλαίσιο που μπορεί να αποτρέψει την ανάπτυξη ή την ανάπτυξη του κελιού πολύ γρήγορα. Οι πρωτεΐνες, οι ίνες κυτταρίνης, οι πολυσακχαρίτες και άλλα δομικά συστατικά βοηθούν το τοίχωμα να διατηρήσει το σχήμα του κυττάρου.

Το κυτταρικό τοίχωμα παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στη μεταφορά. Δεδομένου ότι ο τοίχος είναι ημιπερατή μεμβράνη, επιτρέπει τη διέλευση ορισμένων ουσιών, όπως οι πρωτεΐνες. Αυτό επιτρέπει στον τοίχο να ρυθμίζει τη διάχυση στο κελί και να ελέγχει τι εισέρχεται ή φεύγει.

Επιπλέον, η ημι-διαπερατή μεμβράνη βοηθά στην επικοινωνία μεταξύ των κυττάρων επιτρέποντας στα μόρια σηματοδότησης να διέρχονται από τους πόρους.

Ένα φυτικό κυτταρικό τοίχωμα αποτελείται κυρίως από υδατάνθρακες, όπως πηκτίνες, κυτταρίνη και ημικυτταρίνη. Έχει επίσης δομικές πρωτεΐνες σε μικρότερες ποσότητες και ορισμένα μέταλλα όπως το πυρίτιο. Όλα αυτά τα συστατικά αποτελούν ζωτικά μέρη του κυτταρικού τοιχώματος.

Η κυτταρίνη είναι ένας σύνθετος υδατάνθρακας και αποτελείται από χιλιάδες μονομερή γλυκόζης που σχηματίζουν μεγάλες αλυσίδες. Αυτές οι αλυσίδες ενώνονται και σχηματίζουν κυτταρίνη μικροϊνες, που έχουν διάμετρο αρκετά νανόμετρα. Τα μικροϊνίδια βοηθούν στον έλεγχο της ανάπτυξης του κυττάρου περιορίζοντας ή επιτρέποντας την επέκτασή του.

Ένας από τους κύριους λόγους για την ύπαρξη τοίχου σε φυτικό κύτταρο είναι ότι μπορεί να αντέξει πίεση turgor, και εδώ είναι που η κυτταρίνη παίζει καθοριστικό ρόλο. Η πίεση Turgor είναι μια δύναμη που δημιουργείται από το εσωτερικό του κελιού που ωθεί προς τα έξω. Τα μικροϊνίδια κυτταρίνης σχηματίζουν μια μήτρα με τις πρωτεΐνες, τις ημικυτταρίνες και τις πηκτίνες για να παρέχουν το ισχυρό πλαίσιο που μπορεί να αντισταθεί στην πίεση του turgor.

Τόσο οι ημικυτταρίνες όσο και οι πηκτίνες είναι διακλαδισμένοι πολυσακχαρίτες. Οι αιμοκυτταρίνες έχουν δεσμούς υδρογόνου που τους συνδέουν με τα μικροϊνίδια κυτταρίνης, ενώ οι πηκτίνες παγιδεύουν μόρια νερού για τη δημιουργία μιας γέλης. Οι αιμοκυτταρίνες αυξάνουν την αντοχή της μήτρας και οι πηκτίνες βοηθούν στην πρόληψη της συμπίεσης.

Οι πρωτεΐνες στο κυτταρικό τοίχωμα εξυπηρετούν διαφορετικές λειτουργίες. Μερικά από αυτά παρέχουν δομική υποστήριξη. Άλλα είναι ένζυμα, τα οποία είναι ένας τύπος πρωτεΐνης που μπορεί να επιταχύνει τις χημικές αντιδράσεις.

ο ένζυμα βοηθούν στο σχηματισμό και κανονικές τροποποιήσεις που συμβαίνουν για τη διατήρηση του κυτταρικού τοιχώματος του φυτού. Παίζουν επίσης ρόλο στην ωρίμανση των φρούτων και στις αλλαγές χρώματος των φύλλων.

Εάν έχετε φτιάξει ποτέ τη δική σας μαρμελάδα ή ζελέ, τότε έχετε δει τους ίδιους τύπους πηκτίνες βρέθηκαν σε κυτταρικά τοιχώματα σε δράση. Η πηκτίνη είναι το συστατικό που μαγειρεύουν προσθέτουν στους χυμούς φρούτων. Χρησιμοποιούν συχνά τις πηκτίνες που βρίσκονται φυσικά στα μήλα ή τα μούρα για να φτιάξουν τις μαρμελάδες ή τους ζελέ τους.

•••Επιστήμη

Τα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων είναι δομές τριών στρωμάτων με α μεσαία ελαστική, πρωτεύον κυτταρικό τοίχωμα και δευτερεύον κυτταρικό τοίχωμα. Το μεσαίο έλασμα είναι το εξώτατο στρώμα και βοηθάει σε διασταυρώσεις μεταξύ κυττάρων και κρατώντας τα παρακείμενα κύτταρα μαζί (με άλλα λόγια, κάθεται μεταξύ και συγκρατεί τα κυτταρικά τοιχώματα δύο κυττάρων. Γι 'αυτό λέγεται το μεσαίο έλασμα, παρόλο που είναι το εξώτατο στρώμα).

Το μεσαίο έλασμα δρα όπως κόλλα ή τσιμέντο για φυτικά κύτταρα γιατί περιέχει πηκτίνες. Στη διάρκεια κυτταρική διαίρεση, το μεσαίο έλασμα είναι το πρώτο που σχηματίζεται.

Το κύριο κυτταρικό τοίχωμα αναπτύσσεται όταν το κύτταρο μεγαλώνει, οπότε τείνει να είναι λεπτό και εύκαμπτο. Σχηματίζεται μεταξύ του μεσαίου ελάσματος και του μεμβράνη πλάσματος.

Αποτελείται από μικροϊνίδια κυτταρίνης με ημικυτταρίνες και πηκτίνες. Αυτό το στρώμα επιτρέπει στο κύτταρο να αναπτύσσεται με την πάροδο του χρόνου, αλλά δεν περιορίζει υπερβολικά την ανάπτυξη του κυττάρου.

Το δευτερεύον τοίχωμα κυψέλης είναι παχύτερο και πιο άκαμπτο, οπότε παρέχει περισσότερη προστασία για το φυτό. Υπάρχει μεταξύ του πρωτεύοντος κυτταρικού τοιχώματος και της μεμβράνης του πλάσματος. Συχνά, το πρωτεύον κυτταρικό τοίχωμα βοηθά πραγματικά στη δημιουργία αυτού του δευτερεύοντος τοιχώματος μετά την ολοκλήρωση της ανάπτυξης του κελιού.

Τα δευτερεύοντα κυτταρικά τοιχώματα αποτελούνται από κυτταρίνη, ημικυτταρίνες και λιγνίνη. Η λιγνίνη είναι ένα πολυμερές αρωματικής αλκοόλης που παρέχει πρόσθετη υποστήριξη για το φυτό. Βοηθά στην προστασία του φυτού από επιθέσεις από έντομα ή παθογόνα. Η λιγνίνη βοηθά επίσης στη μεταφορά νερού στα κύτταρα.

Όταν συγκρίνετε τη σύνθεση και το πάχος των πρωτογενών και δευτερογενών κυτταρικών τοιχωμάτων στα φυτά, είναι εύκολο να δείτε τις διαφορές.

Πρώτον, τα πρωτογενή τοιχώματα έχουν ίσες ποσότητες κυτταρίνης, πηκτινών και ημικυτταρινών. Ωστόσο, τα δευτερεύοντα κυτταρικά τοιχώματα δεν έχουν πηκτίνη και έχουν περισσότερη κυτταρίνη. Δεύτερον, τα μικροφίλμ κυτταρίνης στα τοιχώματα των πρωτογενών κυττάρων φαίνονται τυχαία, αλλά είναι οργανωμένα σε δευτερεύοντα τοιχώματα.

Αν και οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει πολλές πτυχές του τρόπου λειτουργίας των κυτταρικών τοιχωμάτων στα φυτά, ορισμένες περιοχές χρειάζονται ακόμη περισσότερη έρευνα.

Για παράδειγμα, μαθαίνουν ακόμα περισσότερα για το πραγματικό γονίδια εμπλέκεται στη βιοσύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι περίπου 2.000 γονίδια συμμετέχουν στη διαδικασία. Ένας άλλος σημαντικός τομέας της μελέτης είναι πώς λειτουργεί η ρύθμιση των γονιδίων στα φυτικά κύτταρα και πώς επηρεάζει τον τοίχο.

Παρόμοια με τα φυτά, τα κυτταρικά τοιχώματα των μυκήτων αποτελούνται από υδατάνθρακες. Ωστόσο, ενώ μύκητες έχουν κελιά με χιτίνη και άλλους υδατάνθρακες, δεν έχουν κυτταρίνη όπως τα φυτά.

Τα κυτταρικά τους τοιχώματα έχουν επίσης:

• Ένζυμα
• Γλυκάνες
• Χρωστικές ουσίες
• Κεριά 
• Άλλες ουσίες 

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν έχουν όλοι οι μύκητες κυτταρικά τοιχώματα, αλλά πολλοί από αυτούς. Στους μύκητες, το κυτταρικό τοίχωμα βρίσκεται έξω από τη μεμβράνη του πλάσματος. Η χιτίνη αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού τοιχώματος και είναι το ίδιο υλικό που δίνει έντομα στα έντομα εξωσκελετοί.

Γενικά, οι μύκητες με κυτταρικά τοιχώματα έχουν τρία στρώματα: χιτίνη, γλυκάνες και πρωτεΐνες.

Ως το πιο εσωτερικό στρώμα, η χιτίνη είναι ινώδης και αποτελείται από πολυσακχαρίτες. Βοηθά να καταστήσει τα τοιχώματα των κυττάρων μυκήτων άκαμπτα και ισχυρά. Στη συνέχεια, υπάρχει ένα στρώμα γλυκανών, που είναι πολυμερή γλυκόζης, που διασυνδέονται με χιτίνη. Οι γλυκάνες βοηθούν επίσης τους μύκητες να διατηρήσουν την ακαμψία τους στο κυτταρικό τοίχωμα.

Τέλος, υπάρχει ένα στρώμα πρωτεϊνών που ονομάζεται μαννοπρωτεΐνες ή μανάνες, που έχουν υψηλό επίπεδο ζάχαρη μαννόζης. Το κυτταρικό τοίχωμα έχει επίσης ένζυμα και δομικές πρωτεΐνες.

Διαφορετικά στοιχεία του τοιχώματος των μυκητιακών κυττάρων μπορούν να εξυπηρετήσουν διαφορετικούς σκοπούς. Για παράδειγμα, τα ένζυμα μπορούν να βοηθήσουν στην πέψη των οργανικών υλικών, ενώ άλλες πρωτεΐνες μπορούν να βοηθήσουν στην πρόσφυση στο περιβάλλον.

Τα κυτταρικά τοιχώματα μέσα φύκια αποτελούνται από πολυσακχαρίτες, όπως κυτταρίνη ή γλυκοπρωτεΐνες. Μερικά φύκια έχουν τόσο πολυσακχαρίτες όσο και γλυκοπρωτεΐνες στα κυτταρικά τους τοιχώματα. Επιπλέον, τα κυτταρικά τοιχώματα φυκών έχουν μανάνες, ξυλάνες, αλγινικό οξύ και σουλφονωμένους πολυσακχαρίτες. Τα κυτταρικά τοιχώματα μεταξύ διαφορετικών τύπων φυκών μπορεί να ποικίλλουν πολύ.

Οι μανάνες είναι πρωτεΐνες που παράγουν μικροϊνίδια σε μερικά πράσινα και κόκκινα φύκια. Οι ξυλάνες είναι σύνθετοι πολυσακχαρίτες και μερικές φορές αντικαθιστούν την κυτταρίνη στα φύκια. Το αλγινικό οξύ είναι ένας άλλος τύπος πολυσακχαρίτη που βρίσκεται συχνά σε καφέ φύκια. Ωστόσο, τα περισσότερα φύκια έχουν σουλφονωμένους πολυσακχαρίτες.

Τα διατόματα είναι ένας τύπος φυκών που ζουν σε νερό και έδαφος. Είναι μοναδικά επειδή τα κυτταρικά τους τοιχώματα είναι φτιαγμένα από διοξείδιο του πυριτίου. Οι ερευνητές εξακολουθούν να διερευνούν πώς διατόμων σχηματίζουν τα κυτταρικά τους τοιχώματα και ποιες πρωτεΐνες συνθέτουν τη διαδικασία.

Ωστόσο, έχουν προσδιορίσει ότι τα διάτομα σχηματίζουν εσωτερικά τους πλούσια σε ανόργανα τοιχώματα και τα μεταφέρουν έξω από το κελί. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται εξωκυττάρωση, είναι πολύπλοκο και περιλαμβάνει πολλαπλές πρωτεΐνες.

Ένα βακτηριακό κυτταρικό τοίχωμα έχει πεπτιδογλυκάνες. Πεπτιδογλυκάνη ή μουρεΐνη είναι ένα μοναδικό μόριο που αποτελείται από σάκχαρα και αμινοξέα σε ένα στρώμα ματιών και βοηθά το κύτταρο να διατηρήσει το σχήμα και τη δομή του.

Το κυτταρικό τοίχωμα στα βακτήρια υπάρχει έξω από τη μεμβράνη του πλάσματος. Όχι μόνο το τείχος βοηθά στη διαμόρφωση του σχήματος του κελιού, αλλά βοηθά επίσης στην αποτροπή της έκρηξης και της διαρροής ολόκληρου του περιεχομένου του.

Γενικά, μπορείτε να χωρίσετε τα βακτήρια σε θετικές κατά gram ή αρνητικές κατά gram κατηγορίες και κάθε τύπος έχει ένα ελαφρώς διαφορετικό κυτταρικό τοίχωμα. Τα θετικά κατά Gram βακτήρια μπορούν να χρωματίσουν μπλε ή μοβ κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής χρώσης Gram, η οποία χρησιμοποιεί βαφές για να αντιδράσει με τις πεπτιδογλυκάνες στο κυτταρικό τοίχωμα.

Από την άλλη πλευρά, τα αρνητικά κατά gram βακτήρια δεν μπορούν να χρωματιστούν μπλε ή μοβ με αυτόν τον τύπο δοκιμής. Σήμερα, μικροβιολόγοι εξακολουθούν να χρησιμοποιούν χρώση Gram για να προσδιορίσουν τον τύπο των βακτηρίων. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τόσο τα gram-θετικά όσο και τα gram-αρνητικά βακτήρια έχουν πεπτιδογλυκάνες, αλλά μια επιπλέον εξωτερική μεμβράνη αποτρέπει τη χρώση αρνητικών κατά gram βακτηρίων.

Τα gram-θετικά βακτήρια έχουν παχιά κυτταρικά τοιχώματα φτιαγμένα από στρώματα πεπτιδογλυκανών. Τα θετικά κατά gram βακτήρια έχουν μία μεμβράνη πλάσματος που περιβάλλεται από αυτό το κυτταρικό τοίχωμα. Ωστόσο, τα αρνητικά κατά gram βακτήρια έχουν λεπτά τοιχώματα των πεπτιδογλυκανών που δεν επαρκούν για την προστασία τους.

Γι 'αυτό τα αρνητικά κατά gram βακτήρια έχουν ένα επιπλέον στρώμα λιποπολυσακχαρίτες (LPS) που χρησιμεύουν ως ενδοτοξίνη. Τα αρνητικά κατά gram βακτήρια έχουν εσωτερική και εξωτερική μεμβράνη πλάσματος και τα λεπτά τοιχώματα των κυττάρων βρίσκονται μεταξύ των μεμβρανών.

Οι διαφορές μεταξύ ανθρώπινων και βακτηριακών κυττάρων καθιστούν δυνατή τη χρήση αντιβιοτικά στο σώμα σας χωρίς να σκοτώσετε όλα τα κύτταρα σας. Δεδομένου ότι οι άνθρωποι δεν έχουν κυτταρικά τοιχώματα, φάρμακα όπως τα αντιβιοτικά μπορούν να στοχεύουν κυτταρικά τοιχώματα σε βακτήρια. Η σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος παίζει ρόλο στον τρόπο λειτουργίας ορισμένων αντιβιοτικών.

Για παράδειγμα, η πενικιλίνη, ένα κοινό αντιβιοτικό βήτα-λακτάμης, μπορεί να επηρεάσει το ένζυμο που σχηματίζει τους δεσμούς μεταξύ των κλώνων πεπτιδογλυκάνης στα βακτήρια. Αυτό βοηθά στην καταστροφή του προστατευτικού κυτταρικού τοιχώματος και σταματά την ανάπτυξη των βακτηρίων. Δυστυχώς, τα αντιβιοτικά μπορούν να σκοτώσουν τόσο χρήσιμα όσο και επιβλαβή βακτήρια στο σώμα.

Μια άλλη ομάδα αντιβιοτικών που ονομάζεται γλυκοπεπτίδια στοχεύει στη σύνθεση των κυτταρικών τοιχωμάτων, εμποδίζοντας τη δημιουργία πεπτιδογλυκανών. Παραδείγματα αντιβιοτικών γλυκοπεπτιδίου περιλαμβάνουν βανκομυκίνη και τεϊκοπλανίνη.

Η αντοχή στα αντιβιοτικά συμβαίνει όταν αλλάζουν τα βακτήρια, γεγονός που καθιστά τα φάρμακα λιγότερο αποτελεσματικά. Εφόσον τα ανθεκτικά βακτήρια επιβιώνουν, μπορούν να αναπαραχθούν και να πολλαπλασιαστούν. Τα βακτήρια γίνονται ανθεκτικά στα αντιβιοτικά με διαφορετικούς τρόπους.

Για παράδειγμα, μπορούν να αλλάξουν τα τοιχώματα των κυττάρων τους. Μπορούν να μετακινήσουν το αντιβιοτικό από τα κύτταρα τους ή να μοιραστούν γενετικές πληροφορίες που περιλαμβάνουν αντοχή στα φάρμακα.

Ένας τρόπος με τον οποίο ορισμένα βακτήρια αντιστέκονται στα αντιβιοτικά της β-λακτάμης όπως η πενικιλλίνη είναι να φτιάξουν ένα ένζυμο που ονομάζεται β-λακταμάση Το ένζυμο προσβάλλει τον δακτύλιο βήτα-λακτάμης, ο οποίος αποτελεί βασικό συστατικό του φαρμάκου και αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο, άζωτο και οξυγόνο. Ωστόσο, οι κατασκευαστές φαρμάκων προσπαθούν να αποτρέψουν αυτήν την αντίσταση προσθέτοντας αναστολείς βήτα-λακταμάσης.

Τα κυτταρικά τοιχώματα προσφέρουν προστασία, υποστήριξη και δομική βοήθεια για φυτά, φύκια, μύκητες και βακτήρια. Αν και υπάρχουν μεγάλες διαφορές μεταξύ των κυτταρικών τοιχωμάτων των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών, οι περισσότεροι οργανισμοί έχουν τα κυτταρικά τους τοιχώματα έξω από τις μεμβράνες του πλάσματος.

Μια άλλη ομοιότητα είναι ότι τα περισσότερα τοιχώματα των κυττάρων παρέχουν ακαμψία και αντοχή που βοηθούν τα κύτταρα να διατηρήσουν το σχήμα τους. Η προστασία από παθογόνα ή αρπακτικά είναι επίσης κάτι που έχουν πολλά κοινά κυτταρικά τοιχώματα μεταξύ διαφορετικών οργανισμών. Πολλοί οργανισμοί έχουν κυτταρικά τοιχώματα αποτελούμενα από πρωτεΐνες και σάκχαρα.

Η κατανόηση των κυτταρικών τοιχωμάτων των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών μπορεί να βοηθήσει τους ανθρώπους με διάφορους τρόπους. Από καλύτερα φάρμακα έως ισχυρότερες καλλιέργειες, η εκμάθηση περισσότερων για το κυτταρικό τοίχωμα προσφέρει πολλά πιθανά οφέλη.