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Die Zellwand

©2002 Timothy Paustian, University of Wisconsin-Madison

Allgemeine Eigenschaften:

Diese Diskussion beschränkt sich auf die eubacterial Zellwand. Wir werden viel Zeit damit verbringen, über die Zellwand zu sprechen, warum ist sie so wichtig?

Die Zellwand ist eine kritische Struktur in Bakterienzellen. Die meisten Bakterien können nicht ohne Sie Leben. Innerhalb der Bakterienzelle gibt es eine hohe gelöste Konzentration und einen großen Druck auf die Membran (75 lb/in2)., Außerhalb der Zelle befindet sich ein niedrig gelöstes Konzentrat. Ein Grundgesetz der Physik ist, dass Wasser dazu neigt, in eine Zelle zu fließen, um die Wassermenge innerhalb und außerhalb der Zelle auszugleichen. Denken Sie daran, dass Membranen verhindern, dass die meisten anderen Moleküle sie überqueren, aber Wasser kann. Ohne etwas, das die Membran stützt, würde die Zelle anschwellen und platzen. Eine Zellwand schützt Bakterien vor osmotischer Lyse

Die Zellwand bestimmt auch die Form der Zelle. Jede Zelle, die ihre Zellwand entweder künstlich oder natürlich verloren hat, wird amorph, ohne eine definierte Form.,

Zellwandstruktur und-synthese ist einzigartig für procaryotes. (Pflanzen machen auch Zellwände, aber sie sind völlig unterschiedliche Strukturen.) Viele Verbindungen, die in der bakteriellen Zellwand gefunden werden, finden sich nirgendwo sonst in der Natur. Es gibt zahlreiche antibakterielle Mittel, die auf die Zellwand abzielen, da Säugetiere keine Wände synthetisieren und daher immun gegen die toxischen Wirkungen dieser Mittel sind. Sie synthetisieren sogar ein Antizellwandenzym., Lysozym ist ein Enzym, das in Tränen und Speichel vorkommt und einen Bestandteil der Zellwände abbaut und ein kritischer Teil der Abwehr von Säugetieren gegen bakterielle Invasion ist.

Bevor wir mit dieser Diskussion über Zellwände beginnen, möchte ich Sie daran erinnern, dass es zwei grundlegende Arten von bakteriellen Zellwandstrukturen gibt, die im Detail untersucht wurden. Grampositiv (G+) und gramnegativ (G -). Bakterienzellen sehen nach der Färbung mit dem Gram-Fleck sehr unterschiedlich aus. G+ – Zellen sind Lila und G – Zellen sind rot.

Abbildung 1 – Ein Grammfleck von Gram + Staphylokokkenzellen.,

Abbildung 2 – Grammfleck von Gram – E. coli-Zellen

Die Basis für diese Differentialreaktion bezieht sich auf die Zellwand. Schauen Sie sich die Elektronenmikrographen eines typischen Gram + und einer typischen Gramzelle in den folgenden Abbildungen an.

Abbildung 3 – Elektronenmikrograph einer G+ Zellwand.

Abbildung 4 – Elektronenmikrograph einer G – Zellwand.

• Die G-Zelle hat eine zusätzliche Schicht und aus der Außenansicht der Zelle ist die Außenseite gewunden., (Auf dem obigen Foto nicht wirklich offensichtlich)

• Die G+ – Wand ist viel dicker als die G-und hat aus ihrer Außenansicht ein glatteres Aussehen.

Gram + und-Zellen haben eines gemeinsam, das für Bakterien einzigartig ist – Peptidoglycan. Wir werden über die Struktur sprechen und dann zur Anordnung der Zellwände übergehen.

Peptidoglycan ist eine dicke starre Schicht, die sowohl in G+ als auch in G – Zellen vorkommt. Es besteht aus einem überlappenden Gitter von 2 Zuckern, die durch Aminosäurebrücken vernetzt sind. Die genaue molekulare Zusammensetzung dieser Schichten ist speziesspezifisch.,

Die beiden Zucker sind N-Acetyl Glucosamin (NAG) und N-Acetyl Muraminsäure (NAM). ES ist nur in den Zellwänden von Bakterien und nicht wo sonst gefunden. An NAM ist eine Seitenkette gebunden, die im Allgemeinen aus vier Aminosäuren besteht. Viele bakterielle Zellwände wurden betrachtet und die Kreuzbrücke besteht am häufigsten aus…,

• L-Alanin

• D-Alanin*

• D-Glutaminsäure*

• diamino Pimelinsäure (DPA)

Die chemische Struktur von peptidoglycan

Beachten Sie, dass die D-Aminosäuren sich von den L-Aminosäuren in Proteinen unterscheiden. D-Aminosäuren haben die gleiche Struktur und Zusammensetzung wie L-Aminosäuren, außer dass sie Spiegelbilder der L-Aminosäuren sind (siehe Abbildung unten). Die meisten biologischen Systeme haben sich entwickelt, um im Allgemeinen nur die L-Form von Verbindungen zu behandeln., Bakterien verwenden jedoch die D-Aminosäuren in ihren Zellwänden und haben Enzyme, die Racemasen genannt werden, um zwischen D-und L-Formen umzuwandeln.

Abbildung 5 – Ein Vergleich von L-und D-Aminosäuren. Beachten Sie, dass die Struktur zwar identisch ist, sie jedoch nicht überlagert werden können.

Die NAM -, NAG-und Aminosäure-Seitenkette bilden eine einzelne Peptidoglycan-Einheit, die sich über kovalente Bindungen mit anderen Einheiten verbinden kann, um ein sich wiederholendes Polymer zu bilden., Das Polymer wird weiter verstärkt durch Querverbindungen zwischen Aminosäure 3 (D-Glutaminsäure oben) einer Einheit und Aminosäure 4 (DPA) des nächsten Glykan-Tetrapeptids . In einigen G+ Mikroben gibt es oft ein Peptid, das aus Glycin, Serin und Threonin zwischen den Querbrücken besteht. Das Kapitel über den Stoffwechsel enthält weitere Informationen zur Zellwandsynthese.

Der Grad der Vernetzung bestimmt den Grad der Steifigkeit. In G+ – Zellen ist das Peptidoglycan eine stark vernetzte Gewebestruktur, die sich um die Zelle wickelt., Es ist sehr dick mit Peptidoglycan, das 50% des Zellgewichts und 90% des Gewichts der Zellwand ausmacht. Elektronenmikrographen zeigen, dass das Peptidoglycan 20-80 nm dick ist.

Bei G – Bakterien ist das Peptidoglycan viel dünner, wobei nur 15-20% der Zellwand aus Peptidoglycan bestehen und dieses nur intermittierend vernetzt ist. In beiden Fällen kann das Peptidoglycan als ein starkes, gewebtes Netz betrachtet werden, das die Zellform hält. Es ist keine Barriere für gelöste Stoffe, die Öffnungen im Netz sind groß und alle Arten von Molekülen können sie passieren.,

Abbildung 6 – Ein Cartoon des Peptidoglycan-Netzes.

Die Zellwand ist der Wirkungsort vieler wichtiger Antibiotika und antibakterieller Mittel. Penicillin hemmt die Zellwandsynthese. Lysozym ein Enzym in Tränen und Speichel gefunden-Angriffe Peptidoglycan. Es hydrolysiert die NAG-NAM-Verbindung.

Die G + Zellwand

Eine dicke Peptidoglycanschicht bildet den größten Teil der G+ Zellwand. Infolgedessen ist die G+ – Zellwand sehr empfindlich gegenüber der Wirkung von Lysozym und Penicillin oder seinen Derivaten., Penicillin ist oft das Antibiotikum der Wahl für Infektionen, die durch G+ – Organismen verursacht werden. Ein Beispiel ist Streptococcus pyogenes, der Halsschmerzen verursacht. Dies wird fast immer mit einer Art Penicillin behandelt

Abbildung 7 – Die grampositive Zellwand

Eine andere Struktur in der G+ – Zellwand ist Teichsäure. Es ist ein Polymer aus Glycerin oder Ribitol, das durch Phosphatgruppen verbunden ist. Aminosäuren wie D-Alanin sind beigefügt. Teichoesäure ist kovalent mit Muraminsäure verbunden und verbindet verschiedene Schichten des Peptidoglycans miteinander.,

Abbildung 8 – Die Struktur von Teichsäure

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