BAKTERIÁLNÍ BUNĚČNÁ STĚNA: CHARAKTERISTIKA, BIOSYNTÉZA, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Buněčné stěny bakterií je komplexní a polotuhá struktura, odpovědné za poskytování ochrany a tvar pro bakterie. Strukturálně je tvořena molekulou zvanou peptidoglykan. Kromě ochrany proti změnám tlaku poskytuje bakteriální stěna místo pro ukotvení struktur, jako jsou bičíky nebo pilis, a definuje různé vlastnosti související s virulencí a pohyblivost buněk.

Široce používanou metodologií klasifikace bakterií podle struktury jejich buněčných stěn je Gramovo barvení. To spočívá v systematické aplikaci fialových a růžových barviv, kde bakterie se silnou stěnou a bohaté na peptidoglykanové skvrny fialové (gram pozitivní) a bakterie s tenkou stěnou obklopené lipopolysacharidy skvrny růžové (gram negativní).

Zdroj pixabay.com

I když jiné organické bytosti, jako jsou archaea, řasy, houby a rostliny, mají buněčné stěny, jejich struktura a složení se výrazně liší od bakteriální buněčné stěny.

Vlastnosti a struktura

Bakteriální stěna: peptidoglykanová síť

V biologii obvykle definujeme hranice mezi živými a neživými pomocí plazmatické membrány. Existuje však mnoho organismů, které jsou obklopeny další bariérou: buněčnou stěnou.

U bakterií je buněčná stěna složena ze složité a komplexní sítě makromolekuly nazývané peptidoglykan, známé také jako murein.

Kromě toho najdeme ve zdi další typy látek, které jsou kombinovány s peptidoglykanem, jako jsou uhlohydráty a polypeptidy, které se liší délkou a strukturou.

Chemicky je peptidoglykan disacharid, jehož monomerní jednotky jsou N-acetylglukosamin a N-acetylmuramic (z kořene murusu, což znamená zeď).

Vždy najdeme řetězec tvořený tetrapeptidy, skládající se ze čtyř aminokyselinových zbytků spojených s N-acetylmuramem.

Struktura bakteriální buněčné stěny se řídí dvěma schématy nebo dvěma obecnými vzory, známými jako gram pozitivní a gram negativní. V další části tuto myšlenku budeme hlouběji rozvíjet.

Struktury mimo buněčnou zeď

Buněčná stěna bakterií je obvykle obklopena některými vnějšími strukturami, jako je glycocalyx, bičík, axiální vlákna, fimbrie a pilis.

Glykokalyx sestává z želatinové matrice, která obklopuje stěnu, a má proměnné složení (polysacharidy, polypeptidy atd.). U některých bakteriálních kmenů složení této kapsle přispívá k virulenci. Je také klíčovou součástí při tvorbě biofilmů.

Flagella jsou vláknité struktury, jejichž tvar připomíná bič a přispívá k pohyblivosti organismu. Zbytek výše uvedených vláken přispívá k ukotvení buněk, pohyblivosti a výměně genetického materiálu.

Atypické bakteriální buněčné stěny

Ačkoli výše uvedená struktura může být zobecněna na drtivou většinu bakteriálních organismů, existují velmi specifické výjimky, které neodpovídají tomuto schématu buněčných stěn, protože jim chybí nebo mají velmi málo materiálu.

Členové rodu Mycoplasma a fylogeneticky příbuzné organismy patří mezi nejmenší zaznamenané bakterie. Vzhledem k jejich malé velikosti nemají buněčnou zeď. Ve skutečnosti byli zpočátku považováni za viry a ne za bakterie.

Musí však existovat nějaký způsob, jak tyto malé bakterie získat ochranu. Dělají to díky přítomnosti speciálních lipidů zvaných steroly, které přispívají k ochraně proti buněčné lýze.

Funkce

-Biologické funkce bakteriální buněčné stěny

Ochrana

Hlavní funkcí buněčné stěny u bakterií je poskytnout ochranu buňce, která funguje jako druh exoskeletu (jako u členovců).

Bakterie obsahují značné množství rozpuštěných látek uvnitř. V důsledku jevu osmózy se voda, která je obklopuje, pokusí vstoupit do buňky a vytvořit osmotický tlak, který, pokud není kontrolován, může vést k lýze buňky.

Pokud by bakteriální stěna neexistovala, jedinou ochrannou bariérou uvnitř buňky by byla křehká plazmatická membrána lipidové povahy, která by rychle ustoupila tlaku způsobenému jevem osmózy.

Bakteriální buněčná stěna tvoří ochrannou barikádu proti kolísání tlaku, které může nastat, což zabraňuje lýze buněk.

Tuhost a tvar

Díky svým vyztužujícím vlastnostem pomáhá zeď formovat bakterie. Proto můžeme rozlišovat mezi různými formami bakterií podle tohoto prvku a tuto vlastnost můžeme použít k vytvoření klasifikace založené na nejběžnějších morfologiích (mezi jinými koky nebo bacily).

Místo kotvení

Nakonec buněčná stěna slouží jako místo ukotvení pro další struktury související s pohyblivostí a ukotvením, jako je flagella.

- Aplikace na stěnu

Kromě těchto biologických funkcí má bakteriální zeď také klinické a taxonomické aplikace. Jak uvidíme později, zeď se používá k rozlišování mezi různými typy bakterií. Struktura dále umožňuje pochopit virulenci bakterie a na jaké antibiotikum může být citlivé.

Protože chemické složky buněčné stěny jsou jedinečné pro bakterie (postrádající lidský hostitel), je tento prvek potenciálním cílem pro vývoj antibiotik.

Klasifikace podle Gramova barvení

V mikrobiologii jsou skvrny široce používanými postupy. Některé z nich jsou jednoduché a jejich účelem je jasně ukázat přítomnost organismu. Ostatní skvrny jsou však různého typu, kde použitá barviva reagují v závislosti na typu bakterie.

Jedním z nejpoužívanějších diferenciálních skvrn v mikrobiologii je Gramovo barvení, technika vyvinutá v roce 1884 bakteriologem Hansem Christianem Gramem. Tato technika umožňuje rozdělení bakterií do velkých skupin: gram pozitivní a gram negativní.

Dnes je považována za techniku ​​velkého lékařského využití, i když některé bakterie na zbarvení nereagují správně. Obvykle se používá, když jsou bakterie mladé a rostou.

Gramovo barvení

i) Aplikace primárního barviva: vzorek fixovaný teplem se pokryje základním fialovým barvivem, obvykle se k tomu používá křišťálově fialová barva. Toto barvivo prostupuje všemi buňkami nalezenými ve vzorku.

ii) Aplikace jodu: po krátké době se ze vzorku odstraní fialové barvivo a použije se jod, mořící činidlo. V této fázi jsou grampozitivní i negativní bakterie obarveny na tmavě fialovou.

iii) Promytí: třetí krok zahrnuje promytí barviva alkoholovým roztokem nebo směsí alkoholu a acetonu. Tato řešení mají schopnost odstranit barvu, ale pouze z některých vzorků.

(iv) Aplikace safraninu: nakonec se odstraní roztok aplikovaný v předchozím kroku a aplikuje se další barvivo, safranin. Toto je základní červené zbarvení. Toto barvivo se promyje a vzorek je připraven ke sledování pod světlem optického mikroskopu.

Gram pozitivní bakteriální buněčná stěna

V kroku (iii) barvení si pouze některé bakterie uchovávají fialové barvivo a ty se označují jako grampozitivní bakterie. Barva safraninu na ně nemá vliv a na konci zbarvení jsou pozorovány fialové barvy, které patří k tomuto typu.

Teoretický princip barvení je založen na struktuře bakteriální buněčné stěny, protože závisí na úniku fialového barviva, které tvoří komplex spolu s jódem, nebo ne.

Základním rozdílem mezi gram-negativními a pozitivními bakteriemi je množství peptidoglykanu, které představují. Gram pozitiva mají silnou vrstvu této sloučeniny, která jim umožňuje udržet fialové zbarvení, navzdory následnému promytí.

Fialový krystal, který vstupuje do buňky v prvním kroku, tvoří komplex s jódem, což ztěžuje únik z alkoholu při mytí díky silné vrstvě peptidoglykanu, který je obklopuje.

Prostor mezi peptidoglykanovou vrstvou a buněčnou membránou je známý jako plazmatický prostor a sestává z granulární vrstvy složené z kyseliny lipoteichoové. Kromě toho jsou grampozitivní bakterie charakterizovány tím, že mají řadu teichoických kyselin ukotvených ke stěně.

Příkladem tohoto typu bakterií je druh Staphylococcus aureus, který je pro člověka patogenem.

Gram negativní bakteriální buněčná stěna

Bakterie, které nezachovávají barvení v kroku (iii), jsou zpravidla gramnegativní. To je důvod, proč se k vizualizaci této skupiny prokaryotů používá druhé barvivo (safranin). Gram negativní bakterie tedy vypadají růžově.

Na rozdíl od silné peptidoglykanové vrstvy, kterou mají grampozitivní bakterie, mají negativní bakterie mnohem tenčí vrstvu. Kromě toho představují vrstvu lipopolysacharidů, která je součástí jejich buněčné stěny.

Můžeme použít analogii sendviče: chléb představuje dvě lipidové membrány a vnitřek nebo náplň by byl peptidoglykan.

Lipopolysacharidová vrstva se skládá ze tří hlavních složek: (1) lipid A, (2) jádro polysacharidů a (3) polysacharidy O, které fungují jako antigen.

Když taková bakterie zemře, uvolňuje lipid A, který funguje jako endotoxin. Lipid souvisí mimo jiné s příznaky způsobenými infekcemi gramnegativních bakterií, jako je horečka nebo dilatace krevních cév.

Tato tenká vrstva nezachovává fialové barvivo aplikované v prvním kroku, protože promývání alkoholem odstraňuje lipopolysacharidovou vrstvu (a spolu s tím i barvivo). Neobsahují kyseliny teichoové uvedené v gramech pozitivních.

Příkladem tohoto uspořádání organizace bakteriální buněčné stěny jsou známé bakterie E. coli.

Lékařské důsledky Gramovy skvrny

Z lékařského hlediska je důležité znát strukturu bakteriální stěny, protože gram pozitivní bakterie jsou obvykle snadno eliminovány aplikací antibiotik, jako je penicilin a cefalosporin.

Naproti tomu gramnegativní bakterie jsou obvykle rezistentní na aplikaci antibiotik, která nedokážou proniknout lipopolysacharidovou bariérou.

Ostatní zbarvení

Přestože je Gramovo barvení všeobecně známé a aplikováno v laboratoři, existují i ​​jiné metodologie, které umožňují rozlišit bakterie podle strukturálních aspektů buněčné stěny. Jedním z nich je kyselé barvení, které se silně váže na bakterie, které mají na stěně připevněné voskové materiály.

To se používá konkrétně k odlišení druhů Mycobacterium od jiných druhů bakterií.

Biosyntéza

K syntéze bakteriální buněčné stěny může dojít v cytoplazmě buňky nebo ve vnitřní membráně. Jakmile jsou strukturální jednotky syntetizovány, pokračuje montáž stěny mimo bakterie.

K syntéze peptidoglykanu dochází v cytoplazmě, kde se tvoří nukleotidy, které budou sloužit jako prekurzory pro tuto makromolekulu, která tvoří stěnu.

Syntéza probíhá na plazmatické membráně, kde dochází k tvorbě membránových lipidových sloučenin. Uvnitř plazmatické membrány dochází k polymerizaci jednotek, které tvoří peptidoglykan. Celý proces je podporován různými bakteriálními enzymy.

Degradace

Buněčná stěna může být degradována díky enzymatickému působení lysozymu, enzymu, který se přirozeně vyskytuje v tekutinách, jako jsou slzy, hlen a sliny.

Tento enzym působí účinněji na stěny grampozitivních bakterií, které jsou náchylnější k lýze.

Mechanismus tohoto enzymu spočívá v hydrolýze vazeb, které drží pohromadě monomerní bloky peptidoglykanu.

Buněčná zeď v Arqueas

Život je rozdělen do tří hlavních domén: bakterie, eukaryoty a archaea. Ačkoli tyto povrchově připomínají bakterie, podstata jejich buněčné stěny je odlišná.

V archaea může nebo nemusí být buněčná zeď. Pokud chemické složení existuje, liší se, včetně řady polysacharidů a proteinů, zatím však nebyl hlášen žádný druh se stěnou složenou z peptidoglykanu.

Mohou však obsahovat látku známou jako pseudomurein. Pokud se použije Gramovo barvení, budou všechny gramově negativní. Proto není barvení v archaea užitečné.

Reference

1. Albers, SV a Meyer, BH (2011). Obálka buněk archaealu. Nature Reviews Microbiology, 9 (6), 414–426.
2. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.
3. Cooper, G. (2000). Buňka: molekulární přístup. 2. vydání. Sinauer Associates.
4. Cooper, GM a Hausman, RE (2007). Buňka: molekulární přístup. Washington, DC, Sunderland, MA.
5. Cullimore, DR (2010). Praktický atlas pro identifikaci bakterií. CRC Stiskněte.
6. Koebnik, R., Locher, KP, a Van Gelder, P. (2000). Struktura a funkce bakteriálních bílkovin vnější membrány: sudy v kostce. Molekulární mikrobiologie, 37 (2), 239–253.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekulární buněčná biologie, 4. vydání. Národní centrum pro biotechnologické informace, polička.
8. Scheffers, DJ a Pinho, MG (2005). Syntéza buněčných stěn bakterií: nové poznatky z lokalizačních studií. Recenze mikrobiologie a molekulární biologie, 69 (4), 585–607.
9. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2016). Mikrobiologie. Úvod. Pearson.