Har prokaryoter cellevegger?

Prokaryoter representerer en av de to viktigste klassifikasjonene i livet. De andre er eukaryoter.

Prokaryoter skiller seg ut på grunn av deres lavere kompleksitetsnivå. De er alle mikroskopiske, men ikke nødvendigvis encellede. De er delt inn i domenene archaea og bakterie, men de aller fleste kjente prokaryote arter er bakterier som har vært på jorden i rundt 3,5 milliarder år.

Prokaryote celler har ikke kjerner eller membranbundne organeller. 90 prosent av bakteriene har det imidlertid cellevegger, som, med unntak av planteceller og noen soppceller, mangler eukaryote celler. Disse celleveggene danner det ytterste laget av bakterier og utgjør en del av bakteriekapsel.

De stabiliserer og beskytter cellen og er avgjørende for at bakterier kan infisere vertsceller så vel som bakteriens respons på antibiotika.

Alle celler i naturen har mange fellestrekk. En av disse er tilstedeværelsen av en ekstern cellemembran, eller plasmamembran, som danner den fysiske grensen til cellen på alle sider. En annen er stoffet kjent som cytoplasma funnet i cellemembranen.

En tredje er inkludering av genetisk materiale i form av DNA, eller deoksyribonukleinsyre. En fjerde er tilstedeværelsen av ribosomer, som produserer proteiner. Hver levende celle bruker ATP (adenosintrifosfat) for energi.

Strukturen til prokaryoter er enkel. I disse cellene blir DNA, i stedet for å være pakket i en kjerne innesluttet i en kjernemembran, funnet mer løst samlet i cytoplasmaet, i form av et legeme som kalles en nukleoid.

Dette er normalt i form av et sirkulært kromosom.

Ribosomene i den prokaryote cellen finnes spredt over hele cellecytoplasmaet, mens i eukaryoter er noen av dem funnet i organeller som Golgi-apparatet og endoplasmatisk retikulum. Ribosomers jobb er proteinsyntese.

Bakterier reproduseres ved binær fisjon, eller bare splittes i to og deler cellekomponentene likt, inkludert den genetiske informasjonen i det eneste lille kromosomet.

I motsetning til mitose, krever ikke denne formen for celledeling forskjellige stadier.

De unike peptidoglykanene: Alle plantecellevegger og bakteriecellevegger består hovedsakelig av karbohydratkjeder.

Men mens plantecellevegger inneholder cellulose, som du vil se oppført i ingrediensene i mange matvarer, inneholder veggene til bakterieceller et stoff som kalles peptidoglykan, som du ikke vil.

Denne peptidoglykanen, som er finnes bare i prokaryoter, kommer i forskjellige typer; det gir cellen som helhet sin form og gir beskyttelse for cellen mot mekaniske fornærmelser.

Peptidoglycaner består av en ryggrad som kalles glykan, som i seg selv består av muraminsyre og glukosamin, som begge har acetylgrupper knyttet til nitrogenatomer. De inkluderer også peptidkjeder av aminosyrer som er tverrbundet til andre peptidkjeder i nærheten.

Styrken til disse "broende" interaksjonene varierer mye mellom forskjellige peptidoglykaner og derfor mellom forskjellige bakterier.

Denne egenskapen, som du ser, gjør at bakterier kan klassifiseres i forskjellige typer basert på hvordan deres cellevegger reagerer på et bestemt kjemikalie.

Tverrbindingen dannes ved virkningen av et enzym som kalles a transpeptidase, som er målet for en klasse antibiotika som brukes til å bekjempe smittsom sykdom hos mennesker og andre organismer.

Mens alle bakterier har en cellevegg, endres dens sammensetning fra art til art på grunn av forskjeller i peptidoglykaninnholdet som celleveggene delvis eller for det meste er laget av.

Bakterier kan deles i to typer kalt gram-positiv og gram-negativ.

Disse er oppkalt etter biologen Hans Christian Gram, en pioner innen cellebiologi som utviklet en fargeteknikk på 1880-tallet, passende kalt Gram flekk, som førte til at visse bakterier ble lilla eller blå og andre ble røde eller rosa.

Den tidligere typen bakterier ble kjent som gram-positivog deres flekkeregenskaper kan tilskrives det faktum at deres cellevegger inneholder en veldig høy fraksjon av peptidoglykan i forhold til hele veggen.

De røde eller rosa flekker bakteriene er kjent som gram-negativ, og som du kanskje gjetter, har disse bakteriene vegger som består av beskjedne til små mengder peptidoglykan.

I gramnegative bakterier ligger en tynn membran utenfor celleveggen og danner cellekonvolutt.

Dette laget ligner plasmamembranen til cellen som ligger på den andre siden av celleveggen, nærmere det indre av cellen. I noen gramnegative celler, som f.eks E. colicellemembranen og kjernekapslingen faktisk kommer i kontakt noen steder, og trenger inn i peptidoglykanen i den tynne veggen mellom.

Denne kjernekonvolutten inneholder molekyler som kalles utover lipopolysakkarider, eller LPS. Murein-lipoproteiner strekker seg fra det indre av denne membranen som er festet ytterst på utsiden av celleveggen.

Grampositive bakterier har en tykk peptidoglykan-cellevegg, omtrent 20 til 80 nm (nanometer eller en milliarddel av en meter) tykk.

Eksempler inkluderer stafylokokker, streptokokker, laktobaciller og Bacillus arter.

Disse bakteriene flekker lilla eller rød, men vanligvis lilla, med Gram-flekk, ettersom peptidoglykanen beholder det fiolette fargestoffet som påføres tidlig i prosedyren når preparatet senere vaskes med alkohol.

Denne mer robuste celleveggen gir grampositive bakterier mer beskyttelse mot de fleste utenforstående fornærmelser sammenlignet med gramnegative bakterier, selv om høyt peptidoglykaninnhold av disse organismene gjør veggene til noe av en endimensjonal festning, noe som igjen gir en noe enklere strategi for hvordan de skal ødelegges.

•••Vitenskap

Grampositive bakterier er generelt mer utsatt for antibiotika som retter seg mot celleveggen enn de er gramnegative arter, siden den er utsatt for miljøet i motsetning til å sitte under eller inne i en celle konvolutt.

De peptidoglycan lagene av gram-positive bakterier har vanligvis høye molekyler som kalles teikoesyrer, eller TA-er.

Dette er karbohydratkjeder som når gjennom og noen ganger forbi peptidoglykanlaget.

TA antas å stabilisere peptidoglykanen rundt det ganske enkelt ved å gjøre det mer stivt, i stedet for å utøve noen kjemiske egenskaper.

TA er delvis ansvarlig for evnen til visse gram-positive bakterier, som streptokokkarter, til å binde seg til spesifikke proteiner på overflaten av vertscellene, noe som letter deres evne til å forårsake infeksjon og i mange tilfeller sykdom.

Når bakterier eller andre mikroorganismer er i stand til å forårsake smittsom sykdom, blir de referert til som patogen.

Celleveggene til bakterier i Mycobacteria-familien, i tillegg til å inneholde peptidoglycan og TA, har et eksternt "voksaktig" lag laget av mykoliske syrer. Disse bakteriene er kjent som “syrefast,”Fordi flekker av denne typen er nødvendige for å trenge gjennom dette voksagtige laget for å tillate nyttig mikroskopisk undersøkelse.

Gramnegative bakterier har, i likhet med deres gram-positive kolleger, peptidoglycan cellevegger.

Veggen er imidlertid mye tynnere, bare omtrent 5 til 10 nm tykk. Disse veggene flekker ikke lilla med Gram-flekk fordi deres mindre innhold av peptidoglykan betyr veggen kan ikke beholde mye fargestoff når preparatet vaskes med alkohol, noe som resulterer i en rosa eller rødaktig farge i slutt.

Som nevnt ovenfor er ikke celleveggen ytterst senere av disse bakteriene, men dekkes i stedet av en annen plasmamembran, cellehylsteret eller ytre membran.

Dette laget er omtrent 7,5 til 10 nm tykt, med en konkurranse eller overstiger tykkelsen på celleveggen.

I de fleste gramnegative bakterier er cellehylsteret knyttet til en type lipoproteinmolekyl som kalles Brauns lipoprotein, som igjen er knyttet til peptidoglykanen i celleveggen.

Gramnegative bakterier er generelt mindre utsatt for antibiotika rettet mot celleveggen fordi den ikke er utsatt for miljøet; den har fortsatt den ytre membranen for beskyttelse.

I tillegg opptar en gelignende matrise i gramnegative bakterier territoriet inne i celleveggen og utenfor plasmamembranen som kalles det periplasmatiske rommet.

Peptidoglykankomponenten i celleveggen til gramnegative bakterier er bare ca. 4 nm tykk.

Hvor en grampositiv bakteriell cellevegg ville ha flere peptidoglykaner for å gi veggen sin, har en gramnegativ feil andre verktøy i butikken i sin ytre membran.

Hvert LPS-molekyl er sammensatt av en fettsyrerik lipid A-underenhet, en liten kjerne polysakkarid og en O-sidekjede laget av sukkerlignende molekyler. Denne O-sidekjeden danner den ytre siden av LPS.

Den nøyaktige sammensetningen av sidekjeden varierer mellom forskjellige bakteriearter.

Deler av O-sidekjeden kjent som antigener kan identifiseres ved laboratorietester for å identifisere spesifikke patogene bakteriestammer (en "stamme" er en undertype av en bakterieart, som en rase av hund).

Archaea er mer forskjellige enn bakterier, og det samme er celleveggene deres. Spesielt inneholder disse veggene ikke peptidoglycan.

Snarere inneholder de vanligvis et lignende kalt molekyl som kalles pseudopeptidoglykan, eller pseudomurein. I dette stoffet erstattes en del av vanlig peptidoglykan kalt NAM med en annen underenhet.

Noen arkæer kan i stedet ha et lag med glykoproteiner eller polysakkarider som erstatter celleveggen i stedet for pseudopeptidoglycan. Til slutt, som med noen bakteriearter, mangler noen få arkaer cellevegger helt.

Archaea som inneholder pseudomurein er ufølsom overfor antibiotika i penicillin-klassen fordi disse medikamentene er transpeptidasehemmere som virker forstyrrende for peptidoglykansyntese.

I disse arkiene er det ingen peptidoglykaner som syntetiseres, og derfor ikke noe penicilliner kan reagere på.

Bakterieceller som mangler cellevegger, kan ha ytterligere celleoverflatestrukturer i tillegg til de som er diskutert, slik som glykokalyser (entall er glykokalyx) og S-lag.

En glykocalyx er et strøk med sukkerlignende molekyler som kommer i to hovedtyper: kapsler og slimlag. En kapsel er et godt organisert lag av polysakkarider eller proteiner. Et slimlag er mindre tett organisert, og det er mindre tett festet til celleveggen nedenfor enn en glykokalyx.

Som et resultat er en glykocalyx mer motstandsdyktig mot å bli vasket bort, mens et slimlag lettere kan forskyves. Slimlaget kan være sammensatt av polysakkarider, glykoproteiner eller glykolipider.

Disse anatomiske variasjonene gir stor klinisk betydning.

Glycocalyces tillater celler å holde seg til visse overflater, og hjelper til med dannelsen av kolonier av organismer som kalles biofilmer som kan danne flere lag og beskytte individene i gruppen. Av denne grunn lever de fleste bakterier i naturen i biofilmer dannet fra blandede bakteriesamfunn. Biofilm hindrer virkningen av både antibiotika og desinfeksjonsmidler.

Alle disse egenskapene bidrar til vanskeligheter med å eliminere eller redusere mikrober og utrydde infeksjoner.

Bakteriestammer som er naturlig resistente mot et gitt antibiotikum takket være en sjanse fordelaktig mutasjon er "valgt for" i menneskelige populasjoner fordi dette er feilene som blir igjen når de antibiotika-mottakelige blir drept av, og disse "superbugs" formerer seg og fortsetter å forårsake sykdom.

I det andre tiåret av det 21. århundre har en rekke gramnegative bakterier blitt stadig mer motstandsdyktig mot antibiotika, noe som fører til økt sykdom og død fra infeksjoner og driver opp helsevesenet kostnader. Antibiotikaresistens er et arketypisk eksempel på naturlig snitt på tidsskalaer som kan observeres for mennesker.

Eksempler inkluderer:

• E. coli, som forårsaker urinveisinfeksjoner (UTI).
• Acinetobacter baumanii, som forårsaker problemer hovedsakelig i helsevesenet.
• Pseudomonas aeruginosa, som forårsaker blodinfeksjoner og lungebetennelse hos innlagte pasienter og lungebetennelser hos pasienter med arvelig sykdom cystisk fibrose.
• Klebsiella pneumoniae, som er ansvarlig for mange infeksjoner i helsevesenet, blant annet lungebetennelse, blodinfeksjoner og UTI.
• Neisseria gonorrhoeae, som forårsaker den seksuelt overførbare sykdommen gonoré, den nest mest rapporterte smittsomme sykdommen i USA

Medisinske forskere jobber for å holde tritt med resistente insekter i det som tilsvarer et mikrobiologisk våpenløp.