ลักษณะผนังเซลล์ของแบคทีเรียการสังเคราะห์ทางชีวภาพหน้าที่ - ชีววิทยา

ผนังเซลล์ของแบคทีเรียที่เป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนและกึ่งแข็งความรับผิดชอบในการให้ความคุ้มครองและรูปร่างกับเชื้อแบคทีเรีย โครงสร้างประกอบด้วยโมเลกุลที่เรียกว่าเพปทิโดไกลแคน นอกจากการป้องกันการเปลี่ยนแปลงความดันแล้วผนังแบคทีเรียยังเป็นที่ยึดสำหรับโครงสร้างเช่นแฟลกเจลลาหรือพิลิสและกำหนดคุณสมบัติต่างๆที่เกี่ยวข้องกับความรุนแรงและการเคลื่อนที่ของเซลล์

วิธีการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการจำแนกแบคทีเรียตามโครงสร้างผนังเซลล์คือคราบแกรม ประกอบด้วยการใช้สีม่วงและสีชมพูอย่างเป็นระบบโดยแบคทีเรียที่มีผนังหนาและอุดมไปด้วยเปปทิโดไกลแคนย้อมสีม่วง (แกรมบวก) และกลุ่มที่มีผนังบาง ๆ ล้อมรอบด้วยลิโพโพลีแซ็กคาไรด์มีคราบสีชมพู (แกรมลบ)

ที่มา pixabay.com

แม้ว่าสิ่งมีชีวิตอินทรีย์อื่น ๆ เช่นอาร์เคียสาหร่ายเชื้อราและพืชจะมีผนังเซลล์ แต่โครงสร้างและองค์ประกอบของมันแตกต่างกันอย่างมากจากผนังเซลล์ของแบคทีเรีย

ลักษณะและโครงสร้าง

ผนังแบคทีเรีย: เครือข่าย peptidoglycan

ในทางชีววิทยาเรามักจะกำหนดขอบเขตระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตโดยใช้พลาสมาเมมเบรน อย่างไรก็ตามมีสิ่งมีชีวิตมากมายที่ล้อมรอบด้วยกำแพงกั้นเพิ่มเติม: ผนังเซลล์

ในแบคทีเรียผนังเซลล์ประกอบด้วยเครือข่ายที่ซับซ้อนและซับซ้อนของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่าเปปทิโดไกลแคนหรือที่เรียกว่ามิวริน

นอกจากนี้เราสามารถพบสารชนิดอื่น ๆ ในผนังที่รวมกับเพปทิโดไกลแคนเช่นคาร์โบไฮเดรตและโพลีเปปไทด์ที่มีความยาวและโครงสร้างแตกต่างกันไป

ในทางเคมี peptidoglycan เป็นไดแซ็กคาไรด์ที่มีหน่วยโมโนเมอริกคือ N-acetylglucosamine และ N-acetylmuramic (จากราก murus ซึ่งหมายถึงผนัง)

เรามักจะพบโซ่ที่ประกอบด้วย tetrapeptides ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนสี่ตัวที่เชื่อมโยงกับ N-acetylmuramic

โครงสร้างของผนังเซลล์แบคทีเรียเป็นไปตามโครงร่างสองแบบหรือสองรูปแบบทั่วไปซึ่งเรียกว่ากรัมบวกและกรัมลบ ในส่วนถัดไปเราจะพัฒนาแนวคิดนี้ในเชิงลึก

โครงสร้างภายนอกผนังเซลล์

โดยปกติผนังเซลล์ของแบคทีเรียจะถูกล้อมรอบด้วยโครงสร้างภายนอกบางอย่างเช่นไกลโคคาลิกซ์แฟลกเจลลาแกนตามแนวแกน fimbriae และพิลิส

ไกลโคคาลิกซ์ประกอบด้วยเมทริกซ์คล้ายวุ้นที่ล้อมรอบผนังและมีองค์ประกอบที่แปรผัน (โพลีแซ็กคาไรด์โพลีเปปไทด์ ฯลฯ ) ในแบคทีเรียบางสายพันธุ์ส่วนประกอบของแคปซูลนี้ก่อให้เกิดความรุนแรง นอกจากนี้ยังเป็นส่วนประกอบสำคัญในการสร้างฟิล์มชีวภาพ

แฟลกเจลลาเป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นเส้นใยซึ่งมีรูปร่างคล้ายแส้และก่อให้เกิดความคล่องตัวของสิ่งมีชีวิต ส่วนที่เหลือของเส้นใยดังกล่าวมีส่วนช่วยในการยึดเซลล์การเคลื่อนที่และการแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรม

ผนังเซลล์แบคทีเรียผิดปกติ

แม้ว่าโครงสร้างดังกล่าวข้างต้นจะสามารถบอกได้ทั่วไปกับสิ่งมีชีวิตแบคทีเรียส่วนใหญ่ แต่ก็มีข้อยกเว้นที่เฉพาะเจาะจงมากที่ไม่เป็นไปตามโครงร่างของผนังเซลล์นี้เนื่องจากพวกมันขาดหรือมีวัสดุน้อยมาก

สมาชิกของสกุล Mycoplasma และสิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องกับ phylogenetically เป็นแบคทีเรียที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยมีการบันทึกไว้ เนื่องจากมีขนาดเล็กจึงไม่มีผนังเซลล์ ในความเป็นจริงในตอนแรกพวกเขาถือว่าเป็นไวรัสไม่ใช่แบคทีเรีย

อย่างไรก็ตามต้องมีวิธีบางอย่างที่แบคทีเรียตัวน้อยเหล่านี้จะได้รับการปกป้อง พวกเขาทำเช่นนี้ด้วยการมีไขมันชนิดพิเศษที่เรียกว่าสเตอรอลซึ่งมีส่วนช่วยในการป้องกันการแตกของเซลล์

คุณสมบัติ

- หน้าที่ทางชีวภาพของผนังเซลล์แบคทีเรีย

การป้องกัน

หน้าที่หลักของผนังเซลล์ในแบคทีเรียคือการให้การปกป้องเซลล์ซึ่งทำหน้าที่เป็นโครงกระดูกภายนอก (เช่นเดียวกับสัตว์ขาปล้อง)

แบคทีเรียมีตัวละลายจำนวนมากอยู่ภายใน เนื่องจากปรากฏการณ์ของการออสโมซิสน้ำที่อยู่รอบ ๆ พวกมันจะพยายามเข้าสู่เซลล์โดยสร้างแรงดันออสโมติกซึ่งหากไม่สามารถควบคุมได้อาจนำไปสู่การแตกของเซลล์ได้

หากไม่มีผนังแบคทีเรียสิ่งกีดขวางเดียวที่อยู่ภายในเซลล์จะเป็นเยื่อหุ้มพลาสมาที่เปราะบางของลักษณะของไขมันซึ่งจะส่งผลอย่างรวดเร็วต่อความดันที่เกิดจากปรากฏการณ์ออสโมซิส

ผนังเซลล์ของแบคทีเรียเป็นปราการป้องกันจากความผันผวนของแรงกดที่อาจเกิดขึ้นซึ่งจะช่วยป้องกันการแตกของเซลล์

ความแข็งและรูปร่าง

ด้วยคุณสมบัติในการทำให้แข็งผนังจึงช่วยกำหนดรูปร่างของแบคทีเรีย นั่นคือเหตุผลที่เราสามารถแยกความแตกต่างระหว่างแบคทีเรียในรูปแบบต่างๆตามองค์ประกอบนี้และเราสามารถใช้ลักษณะนี้เพื่อสร้างการจำแนกตามลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่พบบ่อยที่สุด (cocci หรือ bacilli เป็นต้น)

ไซต์ Anchor

ในที่สุดผนังเซลล์จะทำหน้าที่เป็นที่ยึดสำหรับโครงสร้างอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่และการยึดเช่นแฟลกเจลลา

- การใช้งานผนังเซลล์

นอกเหนือจากหน้าที่ทางชีววิทยาเหล่านี้แล้วผนังแบคทีเรียยังมีการใช้งานทางคลินิกและการจัดอนุกรมวิธาน ดังที่เราจะเห็นในภายหลังผนังถูกใช้เพื่อแยกแยะระหว่างแบคทีเรียประเภทต่างๆ นอกจากนี้โครงสร้างยังช่วยให้เข้าใจถึงความรุนแรงของแบคทีเรียและชนิดของยาปฏิชีวนะที่อาจไวต่อยา

เนื่องจากส่วนประกอบทางเคมีของผนังเซลล์มีลักษณะเฉพาะของแบคทีเรีย (ไม่มีในโฮสต์ของมนุษย์) องค์ประกอบนี้จึงเป็นเป้าหมายที่มีศักยภาพในการพัฒนายาปฏิชีวนะ

การจำแนกตาม Gram stain

ในทางจุลชีววิทยาคราบเป็นขั้นตอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย บางอย่างเรียบง่ายและมีจุดประสงค์เพื่อแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตอย่างชัดเจน อย่างไรก็ตามคราบอื่น ๆ เป็นประเภทที่แตกต่างกันโดยสีที่ใช้ทำปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับชนิดของแบคทีเรีย

หนึ่งในคราบที่แตกต่างกันที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในจุลชีววิทยาคือ Gram stain ซึ่งเป็นเทคนิคที่พัฒนาขึ้นในปีพ. ศ. 2427 โดยนักแบคทีเรีย Hans Christian Gram เทคนิคนี้ช่วยให้สามารถจำแนกแบคทีเรียออกเป็นกลุ่มใหญ่: กรัมบวกและกรัมลบ

ปัจจุบันถือเป็นเทคนิคหนึ่งของประโยชน์ทางการแพทย์ที่ยอดเยี่ยมแม้ว่าแบคทีเรียบางชนิดจะไม่ทำปฏิกิริยากับสีอย่างถูกต้อง มักใช้เมื่อแบคทีเรียยังเด็กและเติบโต

โปรโตคอลคราบแกรม

(i) การใช้สีย้อมหลัก: ตัวอย่างคงที่ด้วยความร้อนปกคลุมด้วยสีย้อมสีม่วงพื้นฐานโดยปกติจะใช้คริสตัลไวโอเลตสำหรับสิ่งนี้ คราบนี้ซึมผ่านเซลล์ทั้งหมดที่พบในตัวอย่าง

(ii) การใช้ไอโอดีน: หลังจากช่วงเวลาสั้น ๆ สีย้อมสีม่วงจะถูกลบออกจากตัวอย่างและใช้ไอโอดีนซึ่งเป็นตัวแทนที่มีลักษณะคล้ายกัน ในขั้นตอนนี้แบคทีเรียทั้งแกรมบวกและลบจะย้อมเป็นสีม่วงเข้ม

(iii) การซัก: ขั้นตอนที่สามเกี่ยวข้องกับการล้างสีด้วยสารละลายแอลกอฮอล์หรือผสมแอลกอฮอล์ - อะซิโตน สารละลายเหล่านี้มีความสามารถในการขจัดสีได้ แต่เฉพาะบางตัวอย่างเท่านั้น

(iv) การใช้ safranin: ในที่สุดสารละลายที่ใช้ในขั้นตอนก่อนหน้าจะถูกลบออกและใช้สีย้อมอื่น safranin นี่คือการระบายสีแดงขั้นพื้นฐาน สีย้อมนี้จะถูกล้างและตัวอย่างพร้อมที่จะสังเกตได้ภายใต้แสงของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

ผนังเซลล์แบคทีเรียแกรมบวก

ในขั้นตอน (iii) ของการย้อมสีมีเพียงแบคทีเรียบางชนิดเท่านั้นที่ยังคงสีย้อมสีม่วงไว้และเรียกว่าแบคทีเรียแกรมบวก สีของ safranin ไม่ส่งผลกระทบต่อพวกมันและในตอนท้ายของการเปลี่ยนสีสีที่อยู่ในประเภทนี้จะสังเกตเห็นเป็นสีม่วง

หลักการทางทฤษฎีของการย้อมสีนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างของผนังเซลล์ของแบคทีเรียเนื่องจากมันขึ้นอยู่กับการหลบหนีหรือไม่ของสีย้อมสีม่วงซึ่งก่อให้เกิดความซับซ้อนร่วมกับไอโอดีน

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างแบคทีเรียแกรมลบและแบคทีเรียบวกคือปริมาณของเพปทิโดไกลแคนที่มีอยู่ แกรมบวกมีชั้นหนาของสารประกอบนี้ซึ่งช่วยให้สามารถคงสีม่วงไว้ได้แม้จะมีการซักในภายหลัง

คริสตัลสีม่วงที่เข้าสู่เซลล์ในขั้นตอนแรกจะก่อตัวเป็นไอโอดีนที่ซับซ้อนซึ่งทำให้ยากต่อการหลบหนีด้วยการชะล้างแอลกอฮอล์เนื่องจากเปปทิโดไกลแคนหนาที่ล้อมรอบ

ช่องว่างระหว่างชั้น peptidoglycan และเยื่อหุ้มเซลล์เรียกว่าพื้นที่พลาสมิกและประกอบด้วยชั้นเม็ดที่ประกอบด้วยกรดไลโปติโคอิค นอกจากนี้แบคทีเรียแกรมบวกยังมีลักษณะเด่นด้วยการมีกรดทีโคอิคจำนวนหนึ่งยึดกับผนัง

ตัวอย่างของแบคทีเรียประเภทนี้คือสายพันธุ์ Staphylococcus aureus ซึ่งเป็นเชื้อโรคสำหรับมนุษย์

ผนังเซลล์แบคทีเรียแกรมลบ

แบคทีเรียที่ไม่คงการย้อมสีของขั้นตอน (iii) จะเป็นกรัมลบตามกฎ นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงมีการใช้สีย้อมที่สอง (safranin) เพื่อให้เห็นภาพของโปรคาริโอตกลุ่มนี้ ดังนั้นแบคทีเรียแกรมลบจึงมีสีเป็นสีชมพู

ซึ่งแตกต่างจากชั้นเปปติโดไกลแคนหนา ๆ ที่แบคทีเรียแกรมบวกมีแบคทีเรียเชิงลบจะมีชั้นที่บางกว่ามาก นอกจากนี้ยังมีชั้นของ lipopolysaccharides ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของผนังเซลล์

เราสามารถใช้การเปรียบเทียบแซนวิชได้: ขนมปังหมายถึงเยื่อหุ้มไขมันสองชั้นและภายในหรือไส้ในจะเป็นเพปทิโดไกลแคน

ชั้น lipopolysaccharide ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วน ได้แก่ (1) lipid A (2) แกนกลางของพอลิแซ็กคาไรด์และ (3) polysaccharides O ซึ่งทำหน้าที่เป็นแอนติเจน

เมื่อแบคทีเรียดังกล่าวตายจะปล่อย lipid A ซึ่งทำหน้าที่เป็นเอนโดทอกซิน ไขมันเกี่ยวข้องกับอาการที่เกิดจากการติดเชื้อแบคทีเรียแกรมลบเช่นไข้หรือการขยายตัวของหลอดเลือดเป็นต้น

ชั้นบาง ๆ นี้จะไม่เก็บสีย้อมสีม่วงที่ใช้ในขั้นตอนแรกเนื่องจากการล้างแอลกอฮอล์จะขจัดชั้น lipopolysaccharide (และพร้อมกับสีย้อม) พวกเขาไม่มีกรดทีโคอิคที่กล่าวถึงในกรัมบวก

ตัวอย่างของรูปแบบการจัดระเบียบของผนังเซลล์แบคทีเรียนี้คือแบคทีเรีย E. coli ที่มีชื่อเสียง

ผลทางการแพทย์ของ Gram stain

จากมุมมองทางการแพทย์สิ่งสำคัญคือต้องทราบโครงสร้างของผนังแบคทีเรียเนื่องจากแบคทีเรียแกรมบวกมักถูกกำจัดได้ง่ายโดยการใช้ยาปฏิชีวนะเช่นเพนิซิลลินและเซฟาโลสปอริน

ในทางตรงกันข้ามแบคทีเรียแกรมลบมักจะดื้อต่อการใช้ยาปฏิชีวนะที่ไม่สามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวาง lipopolysaccharide ได้

สีอื่น ๆ

แม้ว่าคราบแกรมจะเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายและถูกนำไปใช้ในห้องปฏิบัติการ แต่ก็มีวิธีการอื่น ๆ ที่ช่วยให้สามารถแยกแยะแบคทีเรียตามลักษณะโครงสร้างของผนังเซลล์ได้ หนึ่งในนั้นคือการย้อมสีด้วยกรดที่จับตัวอย่างรุนแรงกับแบคทีเรียที่มีวัสดุคล้ายขี้ผึ้งติดอยู่ที่ผนัง

ใช้เฉพาะเพื่อแยกความแตกต่างของสายพันธุ์ Mycobacterium จากแบคทีเรียชนิดอื่น ๆ

การสังเคราะห์

การสังเคราะห์ผนังเซลล์ของแบคทีเรียสามารถเกิดขึ้นได้ในไซโทพลาสซึมของเซลล์หรือในเยื่อหุ้มชั้นใน เมื่อสังเคราะห์หน่วยโครงสร้างแล้วการประกอบผนังจะดำเนินการภายนอกแบคทีเรีย

การสังเคราะห์เพปทิโดไกลแคนเกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมซึ่งมีนิวคลีโอไทด์เกิดขึ้นซึ่งจะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำหรับโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบเป็นผนัง

การสังเคราะห์จะเกิดขึ้นที่พลาสมาเมมเบรนซึ่งมีการสร้างสารประกอบไขมันเมมเบรน ภายในพลาสมาเมมเบรนจะเกิดโพลิเมอไรเซชันของหน่วยที่ประกอบเป็นเพปทิโดไกลแคน กระบวนการทั้งหมดได้รับความช่วยเหลือจากเอนไซม์ของแบคทีเรียที่แตกต่างกัน

การปลด

ผนังเซลล์สามารถย่อยสลายได้เนื่องจากการทำงานของเอนไซม์ไลโซโซมซึ่งเป็นเอนไซม์ที่พบได้ตามธรรมชาติในของเหลวเช่นน้ำตาน้ำมูกและน้ำลาย

เอนไซม์นี้ทำหน้าที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นบนผนังของแบคทีเรียแกรมบวกซึ่งมีความเสี่ยงต่อการแตกมากขึ้น

กลไกของเอนไซม์นี้ประกอบด้วยการไฮโดรไลซิสของพันธะที่ยึดบล็อกโมโนเมอริกของเพปทิโดไกลแคน

ผนังเซลล์ใน Arqueas

สิ่งมีชีวิตแบ่งออกเป็นสามส่วนหลัก ได้แก่ แบคทีเรียยูคาริโอตและอาร์เคีย แม้ว่าสิ่งหลังนี้จะชวนให้นึกถึงแบคทีเรียอย่างผิวเผิน แต่ลักษณะของผนังเซลล์ก็แตกต่างกัน

ในอาร์เคียอาจมีหรือไม่มีผนังเซลล์ หากองค์ประกอบทางเคมีมีอยู่ก็จะแตกต่างกันไปรวมทั้งชุดของโพลีแซ็กคาไรด์และโปรตีน แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีรายงานชนิดที่มีผนังประกอบด้วยเพปทิโดไกลแคน

อย่างไรก็ตามอาจมีสารที่เรียกว่า pseudomurein ถ้าใช้แกรมสเตนก็จะเป็นแกรมลบทั้งหมด ดังนั้นการย้อมสีจึงไม่มีประโยชน์ในอาร์เคีย

อ้างอิง

Albers, SV, & Meyer, BH (2011) ซองเซลล์อาร์เคีย Nature Reviews Microbiology, 9 (6), 414–426.
Alberts, B. , Bray, D. , Hopkin, K. , Johnson, AD, Lewis, J. , Raff, M. , … & Walter, P. (2013) ชีววิทยาของเซลล์ที่จำเป็น การ์แลนด์วิทยาศาสตร์.
คูเปอร์, G. (2000). เซลล์: แนวทางระดับโมเลกุล พิมพ์ครั้งที่ 2. Sinauer Associates
Cooper, GM และ Hausman, RE (2007) เซลล์: วิธีการทางโมเลกุล วอชิงตันดีซีซันเดอร์แลนด์แมสซาชูเซตส์
คัลลิมอร์, ดร. (2010). แผนที่ที่ใช้งานได้จริงสำหรับการระบุแบคทีเรีย CRC Press.
Koebnik, R. , Locher, KP, & Van Gelder, P. (2000) โครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนเยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรีย: ถังโดยสรุป จุลชีววิทยาโมเลกุล, 37 (2), 239–253.
Lodish, H. , Berk, A. , Zipursky, SL, Matsudaira, P. , Baltimore, D. , & Darnell, J. (2000) อณูชีววิทยาเซลล์พิมพ์ครั้งที่ 4. ศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติชั้นวางหนังสือ
Scheffers, DJ, & Pinho, MG (2005) การสังเคราะห์ผนังเซลล์ของแบคทีเรีย: ข้อมูลเชิงลึกใหม่จากการศึกษาการแปล Microbiology and Molecular Biology Reviews, 69 (4), 585–607.
Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2016). จุลชีววิทยา การแนะนำ. เพียร์สัน

ลักษณะผนังเซลล์ของแบคทีเรียการสังเคราะห์ทางชีวภาพหน้าที่ - ชีววิทยา - 2026