Har prokaryoter cellväggar?

Prokaryoter representerar en av de två viktigaste klassificeringarna i livet. De andra är eukaryoter.

Prokaryoter är åtskilda av sin lägre nivå av komplexitet. De är alla mikroskopiska, men inte nödvändigtvis encelliga. De är uppdelade i domänerna archaea och bakterie, men de allra flesta kända prokaryotarter är bakterier som har funnits på jorden i cirka 3,5 miljarder år.

Prokaryota celler har inte kärnor eller membranbundna organeller. 90 procent av bakterierna har dock cellväggar, som, med undantag av växtceller och vissa svampceller, saknar eukaryota celler. Dessa cellväggar utgör det yttersta skiktet av bakterier och utgör en del av bakteriekapsel.

De stabiliserar och skyddar cellen och är viktiga för att bakterier ska kunna infektera värdceller såväl som bakteriernas svar på antibiotika.

Alla celler i naturen har många gemensamma funktioner. En av dessa är närvaron av en extern cellmembranet, eller plasmamembran, som bildar cellens fysiska gräns på alla sidor. En annan är ämnet känt som cytoplasma finns i cellmembranet.

En tredje är införandet av genetiskt material i form av DNA, eller deoxiribonukleinsyra. En fjärde är närvaron av ribosomer, som tillverkar proteiner. Varje levande cell använder ATP (adenosintrifosfat) för energi.

Prokaryoternas struktur är enkel. I dessa celler finns DNA, snarare än att förpackas i en kärna innesluten i ett kärnmembran, mer löst samlat i cytoplasman, i form av en kropp som kallas en nukleoid.

Detta är normalt i form av en cirkulär kromosom.

Ribosomerna i den prokaryota cellen finns spridda över cellcytoplasman, medan i eukaryoter finns några av dem i organeller såsom Golgiapparat och den endoplasmatiska retiklet. Ribosomernas uppgift är proteinsyntes.

Bakterier reproduceras genom binär fission, eller helt enkelt dela i två och dela cellkomponenterna lika, inklusive den genetiska informationen i den enda lilla kromosomen.

Till skillnad från mitos kräver denna form av celldelning inte distinkta steg.

De unika peptidoglykanerna: Alla växtcellväggar och bakteriecellväggar består mestadels av kolhydratkedjor.

Men medan växtcellväggar innehåller cellulosa, som du kommer att se listade i ingredienserna i många livsmedel, innehåller väggarna i bakterieceller ett ämne som kallas peptidoglykan, vilket du inte kommer att göra.

Denna peptidoglykan, som är finns bara i prokaryoter, finns i olika typer; det ger cellen som helhet sin form och ger skydd för cellen från mekaniska förolämpningar.

Peptidoglycaner består av en ryggrad som kallas glykan, som i sig består av muraminsyra och glukosamin, vilka båda i sin tur har acetylgrupper bundna till sina kväveatomer. De inkluderar också peptidkedjor av aminosyror som är tvärbundna till andra närliggande peptidkedjor.

Styrkan för dessa "överbryggande" interaktioner varierar mycket mellan olika peptidoglykaner och därför mellan olika bakterier.

Denna egenskap, som du ser, gör att bakterier kan klassificeras i olika typer baserat på hur deras cellväggar reagerar på en viss kemikalie.

Tvärbindningarna bildas genom verkan av ett enzym som kallas a transpeptidas, vilket är målet för en klass antibiotika som används för att bekämpa infektionssjukdomar hos människor och andra organismer.

Medan alla bakterier har en cellvägg ändras dess sammansättning från art till art på grund av skillnader i peptidoglykaninnehållet av vilket cellväggarna delvis eller till största delen är framställda.

Bakterier kan delas in i två typer som kallas grampositiva och gramnegativa.

Dessa är uppkallade efter biologen Hans Christian Gram, en pionjär inom cellbiologi som utvecklade en färgningsteknik på 1880-talet, lämpligt kallad Gram fläck, som fick vissa bakterier att bli lila eller blåa och andra att bli röda eller rosa.

Den tidigare typen av bakterier blev känd som Gram positivoch deras färgningsegenskaper kan tillskrivas det faktum att deras cellväggar innehåller en mycket hög andel peptidoglykan i förhållande till hela väggen.

De röda eller rosa färgande bakterierna är kända som gram-negativ, och som du kanske gissar, har dessa bakterier väggar som består av blygsamma till små mängder peptidoglykan.

I gramnegativa bakterier ligger ett tunt membran utanför cellväggen och bildar cellkuvert.

Detta skikt liknar plasmamembranet i cellen som ligger på andra sidan av cellväggen, närmare cellens inre. I vissa gramnegativa celler, såsom E. colicellmembranet och kärnhöljet faktiskt kommer i kontakt på vissa ställen och tränger igenom peptidoglykanen i den tunna väggen däremellan.

Detta kärnhölje innehåller utåtriktade molekyler som kallas lipopolysackarider, eller LPS. Från det inre av detta membran sträcker sig murein-lipoproteiner som är fästa längst bort till cellväggens utsida.

Grampositiva bakterier har en tjock peptidoglykancellvägg, cirka 20 till 80 nm (nanometer eller en miljarddels meter) tjock.

Exempel inkluderar stafylokocker, streptokocker, laktobaciller och Bacill arter.

Dessa bakterier fläckar lila eller röda, men vanligtvis lila, med Gram-fläck, eftersom peptidoglykan behåller det violetta färgämnet som appliceras tidigt i proceduren när preparatet senare tvättas med alkohol.

Denna mer robusta cellvägg erbjuder grampositiva bakterier mer skydd mot de flesta yttre förolämpningar jämfört med gramnegativa bakterier, även om högt peptidoglykaninnehåll av dessa organismer gör sina murar till en endimensionell fästning, vilket i sin tur gör en något enklare strategi för hur man förstör den.

•••Sciencing

Grampositiva bakterier är i allmänhet mer mottagliga för antibiotika som riktar sig mot cellväggen än de är gramnegativa arter, eftersom den utsätts för miljön i motsats till att sitta under eller i en cell kuvert.

Peptidoglykanlagren av grampositiva bakterier har vanligtvis höga molekyler som kallas teikoesyror, eller TA.

Dessa är kolhydratkedjor som når genom och ibland förbi peptidoglykanskiktet.

TA tros stabilisera peptidoglykanen runt det helt enkelt genom att göra det styvare snarare än genom att utöva några kemiska egenskaper.

TA är delvis ansvarig för förmågan hos vissa gram-positiva bakterier, såsom streptokockarter, att binda till specifika proteiner på ytan av värdceller, vilket underlättar deras förmåga att orsaka infektion och i många fall sjukdom.

När bakterier eller andra mikroorganismer kan orsaka infektionssjukdomar kallas de sjukdomsalstrande.

Cellväggarna hos bakterier i Mycobacteria-familjen, förutom att innehålla peptidoglycan och TA, har ett externt "vaxartat" lager av mykolsyror. Dessa bakterier är kända som ”syrafast,”Eftersom fläckar av denna typ behövs för att tränga igenom detta vaxartade lager för att möjliggöra användbar mikroskopisk undersökning.

Gramnegativa bakterier, liksom deras gram-positiva motsvarigheter, har peptidoglycan-cellväggar.

Väggen är dock mycket tunnare, bara cirka 5 till 10 nm tjock. Dessa väggar fläckar inte lila med Gram-fläck eftersom deras mindre peptidoglykaninnehåll betyder väggen kan inte behålla mycket färgämne när preparatet tvättas med alkohol, vilket resulterar i en rosa eller rödaktig färg i slutet.

Som nämnts ovan är cellväggen inte den yttersta senare av dessa bakterier utan täcks istället av ett annat plasmamembran, cellhöljet eller yttre membranet.

Detta skikt är ungefär 7,5 till 10 nm tjockt, konkurrerar eller överstiger cellväggens tjocklek.

I de flesta gramnegativa bakterier är cellhöljet kopplat till en typ av lipoproteinmolekyl som heter Brauns lipoprotein, som i sin tur är kopplad till peptidoglykanen i cellväggen.

Gramnegativa bakterier är i allmänhet mindre mottagliga för antibiotika riktade mot cellväggen eftersom de inte utsätts för miljön; den har fortfarande yttermembranet för skydd.

Dessutom upptar en gelliknande matris i gramnegativa bakterier territoriet inuti cellväggen och utanför plasmamembranet som kallas det periplasmiska utrymmet.

Peptidoglykankomponenten i cellväggen hos gramnegativa bakterier är endast cirka 4 nm tjock.

När en grampositiv bakteriecellvägg skulle ha fler peptidoglykaner för att ge sin väggsubstans, har en gramnegativ bugg andra verktyg i sitt yttre membran.

Varje LPS-molekyl består av en fettsyrarik lipid A-underenhet, en liten kärnpolysackarid och en O-sidokedja gjord av sockerliknande molekyler. Denna kedja på O-sidan utgör den yttre sidan av LPS.

Sidokedjans exakta sammansättning varierar mellan olika bakteriearter.

Delar av kedjan O-sida som kallas antigener kan identifieras via laboratorietester för att identifiera specifika patogena bakteriestammar (en "stam" är en undertyp av en bakterieart, som en ras av hund).

Archaea är mer olika än bakterier och deras cellväggar också. I synnerhet innehåller dessa väggar inte peptidoglykan.

Snarare innehåller de vanligtvis en liknande kallad molekyl som kallas pseudopeptidoglykan, eller pseudomurein. I detta ämne ersätts en del av vanlig peptidoglykan som heter NAM med en annan subenhet.

Vissa archaea kan i stället ha ett lager av glykoproteiner eller polysackarider som ersätter cellväggen i stället för pseudopeptidoglykan. Slutligen, som med vissa bakteriearter, saknas några arkeaer helt cellväggar.

Archaea som innehåller pseudomurein är okänslig för antibiotika i penicillinklassen eftersom dessa läkemedel är transpeptidashämmare som verkar för att störa peptidoglykansyntesen.

I dessa archaea finns det inga peptidoglycaner som syntetiseras och därför inget för penicilliner att agera på.

Bakterieceller som saknar cellväggar kan ha ytterligare cellytstrukturer utöver de som diskuterats, såsom glykokalyser (singular är glykokalyx) och S-lager.

En glykokalyx är ett lager sockerliknande molekyler som finns i två huvudtyper: kapslar och slemskikt. En kapsel är ett välorganiserat lager av polysackarider eller proteiner. Ett slemskikt är mindre tätt organiserat och det är mindre tätt fäst vid cellväggen nedan än en glykokalyx.

Som ett resultat är en glykokalyx mer motståndskraftig mot att tvättas bort, medan ett slimlager lättare kan förskjutas. Slemskiktet kan bestå av polysackarider, glykoproteiner eller glykolipider.

Dessa anatomiska variationer lämpar sig för stor klinisk betydelse.

Glycocalyces tillåter celler att hålla fast vid vissa ytor, vilket hjälper till att bilda kolonier av kallade organismer biofilmer som kan bilda flera lager och skydda individerna i gruppen. Av denna anledning lever de flesta bakterier i naturen i biofilmer bildade från blandade bakteriesamhällen. Biofilm hindrar både antibiotika och desinfektionsmedel.

Alla dessa attribut bidrar till svårigheten att eliminera eller minska mikrober och utrota infektioner.

Bakteriestammar som är naturligt resistenta mot ett givet antibiotikum tack vare en chans fördelaktig mutation är "utvalda för" i humana populationer eftersom dessa är buggarna som lämnas efter när de antibiotikakänsliga avlivas, och dessa "superbugs" förökar sig och fortsätter att orsaka sjukdom.

Vid det andra decenniet av 2000-talet har en mängd gramnegativa bakterier blivit alltmer motståndskraftig mot antibiotika, vilket leder till ökad sjukdom och dödsfall på grund av infektioner och driver upp vården kostar. Antibiotikaresistens är ett arketypiskt exempel på en naturlig sektion av tidsskalor som kan observeras för människor.

Exempel inkluderar:

• E. colisom orsakar urinvägsinfektioner (UTI).
• Acinetobacter baumanii, vilket orsakar problem främst inom hälso- och sjukvården.
• Pseudomonas aeruginosasom orsakar blodinfektioner och lunginflammation hos sjukhuspatienter och lunginflammation hos patienter med den ärftliga sjukdomen cystisk fibros.
• Klebsiella pneumoniae, som är ansvarig för många infektioner i hälso-och sjukvårdsrelaterade miljöer, bland annat lunginflammation, blodinfektioner och UTI.
• Neisseria gonorrhoeae, som orsakar den sexuellt överförbara sjukdomen gonorré, den näst vanligaste rapporterade smittsamma sjukdomen i USA

Medicinska forskare arbetar för att hålla jämna steg med resistenta buggar i vad som motsvarar ett mikrobiologiskt vapenlopp.