Lahtrisein: määratlus, struktuur ja funktsioon (koos skeemiga)

Rakusein on täiendav kaitsekiht peal rakumembraan. Lahtriseinad leiate mõlemast prokarüootid ja eukarüoodidja neid esineb kõige sagedamini taimedel, vetikatel, seentel ja bakteritel.

Kuid loomadel ja algloomadel seda tüüpi struktuur puudub. Rakuseinad kipuvad olema jäigad struktuurid, mis aitavad säilitada raku kuju.

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

Näiteks võib rakusein hoida patogeenide, nagu taimeviiruste, sisenemist. Lisaks mehaanilisele toele toimib sein raamistikuna, mis võib takistada raku liiga kiiret laienemist või kasvu. Valgud, tsellulooskiud, polüsahhariidid ja muud struktuursed komponendid aitavad seinal raku kuju säilitada.

Rakusein mängib olulist rolli ka transpordis. Kuna sein on a poolläbilaskev membraan, see võimaldab teatud ainete, näiteks valkude, läbimist. See võimaldab seinal reguleerida raku difusiooni ja kontrollida, mis siseneb või väljub.

Lisaks aitab poolläbilaskev membraan rakkude vahelist suhtlust, võimaldades signaalmolekulidel pooridest läbi minna.

Taimeraku koosneb peamiselt süsivesikutest, nagu pektiinid, tselluloos ja hemitselluloos. Sellel on ka struktuurivalke väiksemates kogustes ja mõned mineraalid nagu räni. Kõik need komponendid on rakuseina elutähtsad osad.

Tselluloos on kompleksne süsivesik ja koosneb tuhandetest glükoosmonomeerid mis moodustavad pikki ahelaid. Need ahelad saavad kokku ja moodustavad tselluloosi mikrofibrillid, mille läbimõõt on mitu nanomeetrit. Mikrofiibrid aitavad raku kasvu kontrollida, piirates või võimaldades selle laienemist.

Üks peamisi põhjusi, miks taimerakus on sein, on see, et see suudab vastu pidada turgori rõhkja siin mängib tselluloos otsustavat rolli. Turgori rõhk on jõud, mille tekitab raku sisemus välja surudes. Tselluloosi mikrofibrillid moodustavad maatriksi koos valkude, hemitsellulooside ja pektiinidega, et saada tugev raamistik, mis suudab turgu rõhule vastu panna.

Nii hemitselluloosid kui ka pektiinid on hargnenud polüsahhariidid. Hemitselluloosidel on vesiniksidemed, mis ühendavad need tselluloosi mikrofibrillidega, pektiinid aga geeli loomiseks veemolekule kinni. Hemitselluloosid suurendavad maatriksi tugevust ja pektiinid aitavad vältida kokkusurumist.

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

The ensüümid aitavad kaasa taime rakuseina säilitamiseks tekkivatele normaalsetele modifikatsioonidele. Neil on oma osa ka viljade küpsemisel ja lehtede värvimuutustel.

Kui olete kunagi ise moosi või tarretise teinud, siis olete näinud sama tüüpi pektiinid leitud rakuseintest toimides. Pektiin on koostisosa, mida kokad puuviljamahlade paksendamiseks lisavad. Nad kasutavad mooside või želeede valmistamiseks sageli õuntes või marjades leiduvaid pektiine.

•••Teadmine

Taimerakkude seinad on kolmekihilised struktuurid, mille a keskmine lamell, primaarne rakusein ja sekundaarne rakusein. Keskmine lamell on äärmine kiht ja aitab rakkudelt rakkudele ühendada, hoides samal ajal külgnevaid rakke (teisisõnu, see istub kahe raku rakuseinte vahel ja hoiab neid koos; sellepärast nimetatakse seda keskmiseks lamelliks, kuigi see on kõige välimine kiht).

Keskmine lamell toimib nagu liim või tsement taimerakud kuna see sisaldab pektiine. Ajal raku pooldumine, moodustub esimene lamell esimesena.

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

See koosneb hemitsellulooside ja pektiinidega tselluloosi mikrofibrillidest. See kiht võimaldab rakul aja jooksul kasvada, kuid ei piira liigselt raku kasvu.

Sekundaarne rakusein on paksem ja jäigem, nii et see pakub taimele rohkem kaitset. See eksisteerib primaarse rakuseina ja plasmamembraani vahel. Sageli aitab esmane rakusein seda sekundaarset seina luua pärast raku kasvu lõppu.

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 rakkudes ka veetransporti.

Kui võrrelda taimede primaarse ja sekundaarse rakuseina koostist ja paksust, on erinevusi lihtne näha.

Esiteks on primaarsetes seintes võrdne kogus tselluloosi, pektiine ja hemitselluloose. Sekundaarsetes rakuseintes pole aga pektiini ja neis on rohkem tselluloosi. Teiseks näivad primaarrakkude seintes olevad tselluloosi mikrofibrillid juhuslikud, kuid nad on paigutatud sekundaarsetesse seintesse.

Kuigi teadlased on avastanud taimedes rakuseinte toimimise paljusid aspekte, vajavad mõned piirkonnad siiski rohkem uurimist.

Näiteks õpivad nad ikka veel tegeliku kohta geenid osalenud rakuseina biosünteesis. Teadlaste hinnangul osaleb protsessis umbes 2000 geeni. Teine oluline uurimisvaldkond on see, kuidas geeniregulatsioon taimerakkudes toimib ja kuidas see seina mõjutab.

Sarnaselt taimedele koosnevad seente rakuseinad süsivesikutest. Kuid samas seened on lahtrid koos kitiin ja muud süsivesikud, pole neil tselluloosi nagu taimedel.

Nende rakuseintel on ka:

• Ensüümid
• Glükaanid
• Pigmendid
• Vahad 
• Muud ained 

Oluline on märkida, et kõigil seentel pole rakuseinu, kuid paljudel neist on. Seentes asub rakusein väljaspool plasmamembraani. Kitiin moodustab suurema osa rakuseinast ja see on sama materjal, mis annab putukatele tugevuse eksoskeletid.

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

Sisemise kihina on kitiin kiuline ja koosneb polüsahhariididest. See aitab muuta seente rakuseinad jäigaks ja tugevaks. Järgmisena on kiht glükaane, mis on glükoosipolümeerid, ristsidudes kitiiniga. Glükaanid aitavad seentel säilitada ka oma rakuseina jäikust.

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

Seenerakkude seina erinevad komponendid võivad olla erinevatel eesmärkidel. Näiteks võivad ensüümid aidata orgaaniliste materjalide seedimist, samas kui teised valgud võivad aidata kleepuda keskkonnas.

Rakuseinad sisse vetikad koosnevad polüsahhariididest, nagu tselluloos, või glükoproteiinidest. Mõnede vetikate rakuseintes on nii polüsahhariide kui ka glükoproteiine. Lisaks on vetikarakkude seintel mannaanid, ksülaanid, algiinhape ja sulfoonitud polüsahhariidid. Rakuseinad erinevat tüüpi vetikate vahel võivad olla väga erinevad.

Manannid on valgud, mis teevad mikrofibrille mõnes rohelises ja punases vetikas. Ksülaanid on keerukad polüsahhariidid ja asendavad vetikates mõnikord tselluloosi. Algiinhape on teist tüüpi polüsahhariid, mida sageli leidub pruunvetikates. Kuid enamikul vetikatest on sulfoonitud polüsahhariidid.

Diatoomid on vetikatüüp, mis elab vees ja mullas. Need on ainulaadsed, kuna nende rakuseinad on valmistatud ränidioksiidist. Teadlased uurivad endiselt, kuidas diatoomid moodustavad oma rakuseinad ja millised valgud moodustavad protsessi.

Sellegipoolest on nad kindlaks teinud, et diatoomid moodustavad oma mineraalirikka seina sisemiselt ja viivad need rakust väljapoole. See protsess, nn eksotsütoos, on keeruline ja hõlmab mitut valku.

Bakteriraku seinal on peptidoglükaanid. Peptidoglükaan või mureiin on ainulaadne molekul, mis koosneb võrkkihis olevatest suhkrutest ja aminohapetest ning see aitab rakul säilitada oma kuju ja struktuuri.

Bakterites on rakusein väljaspool plasmamembraani. Sein aitab mitte ainult raku kuju konfigureerida, vaid aitab ka rakul kogu sisu lõhkeda ja laiali valguda.

Üldiselt võite bakterid jagada grampositiivseteks või gramnegatiivseteks kategooriateks ning igal tüübil on veidi erinev rakusein. Grampositiivsed bakterid võivad Grami värvimistesti käigus värvida sinist või violetset värvi, mis kasutab rakuseinas olevate peptidoglükaanidega reageerimiseks värvaineid.

Teiselt poolt ei saa seda tüüpi testidega gramnegatiivseid baktereid sinisena või violetselt värvida. Tänapäeval kasutavad mikrobioloogid bakterite tüübi tuvastamiseks endiselt Grami värvimist. Oluline on märkida, et nii gram-positiivsetel kui ka gramnegatiivsetel bakteritel on peptidoglükaane, kuid ekstra välismembraan hoiab ära gramnegatiivsete bakterite värvimise.

Grampositiivsetel bakteritel on paksud rakuseinad, mis on valmistatud peptidoglükaanide kihtidest. Grampositiivsetel bakteritel on üks rakumüüriga ümbritsetud plasmamembraan. Kuid gramnegatiivsetel bakteritel on peptidoglükaanide õhukesed rakuseinad, mis ei ole nende kaitsmiseks piisavad.

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

Inimese ja bakteriraku erinevused võimaldavad seda kasutada antibiootikumid oma kehas kõiki rakke tapmata. Kuna inimestel pole rakuseinu, võivad sellised ravimid nagu antibiootikumid olla suunatud rakkude seintele bakterites. Rakuseina koostis mängib rolli selles, kuidas mõned antibiootikumid toimivad.

Näiteks penitsilliin, tavaline beetalaktaamantibiootikum, võib mõjutada ensüümi, mis moodustab bakterites seose peptidoglükaani ahelate vahel. See aitab hävitada kaitsva rakuseina ja peatab bakterite kasvu. Kahjuks võivad antibiootikumid hävitada kehas nii kasulikke kui ka kahjulikke baktereid.

Teine antibiootikumide rühm, mida nimetatakse glükopeptiidideks, on suunatud rakuseinte sünteesile, peatades peptidoglükaanide tekke. Glükopeptiidantibiootikumide näited hõlmavad vankomütsiini ja teikoplaniini.

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

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

Üks viis, kuidas mõned bakterid beetalaktaamantibiootikumidele, näiteks penitsilliinile vastu peavad, on ensüümi nimega beetalaktamaas. Ensüüm ründab beeta-laktaamitsüklit, mis on ravimi põhikomponent ja koosneb süsinikust, vesinikust, lämmastikust ja hapnikust. Ravimitootjad üritavad seda resistentsust siiski ära hoida beetalaktamaasi inhibiitorite lisamisega.

Rakuseinad pakuvad taimedele, vetikatele, seentele ja bakteritele kaitset, tuge ja struktuurilist abi. Kuigi prokarüootide ja eukarüootide rakuseintes on suuri erinevusi, on enamuse organismide rakuseinad väljaspool plasmamembraane.

Teine sarnasus on see, et enamik rakuseinu tagab jäikuse ja tugevuse, mis aitab rakkudel oma kuju säilitada. Kaitse patogeenide või kiskjate eest on midagi, mis on paljude organismide rakuseintel ühine. Paljude organismide rakuseinad koosnevad valkudest ja suhkrutest.

Prokarüootide ja eukarüootide rakuseinte mõistmine võib inimesi aidata mitmel viisil. Alates parematest ravimitest kuni tugevamate põllukultuurideni pakub rakuseina kohta lisateabe saamine palju potentsiaalset kasu.