PERETELE CELULAR BACTERIAN: CARACTERISTICI, BIOSINTEZĂ, FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Peretelui celular bacterian este o structură complexă și semi-rigide, responsabile de asigurarea protecției și forma bacteriilor. Structural, este alcătuit dintr-o moleculă numită peptidoglican. Pe lângă protecția împotriva schimbărilor de presiune, peretele bacterian oferă un loc de ancorare pentru structuri precum flagelele sau pilisul și definește diverse proprietăți legate de virulență și motilitatea celulară.

O metodologie utilizată pe scară largă pentru clasificarea bacteriilor în funcție de structura peretelui celular este colorația Gram. Aceasta constă într-o aplicare sistematică a coloranților purpuriu și roz, unde bacteriile cu un perete gros și bogate în pete de peptidoglican violet (gram pozitiv) și cele cu un perete subțire înconjurat de lipopolisacharide colorați roz (gram negativ).

Sursa pixabay.com

Deși alte ființe organice precum arhaea, algele, ciupercile și plantele au pereți celulari, structura și compoziția lor diferă profund de peretele celular bacterian.

Caracteristici și structură

Peretele bacterian: o rețea de peptidoglicani

În biologie, de obicei definim granițele dintre cei vii și cei care nu trăiesc folosind membrana plasmatică. Cu toate acestea, există multe organisme care sunt înconjurate de o barieră suplimentară: peretele celular.

În bacterii, peretele celular este alcătuit dintr-o rețea complexă și complexă a unei macromolecule numită peptidoglican, cunoscută și sub numele de mureină.

În plus, putem găsi în perete alte tipuri de substanțe care sunt combinate cu peptidoglican, cum ar fi carbohidrații și polipeptidele care variază în lungime și structură.

Chimic, peptidoglicanul este un dizaharid ale cărui unități monomerice sunt N-acetilglucozamină și N-acetilmuramică (din rădăcina murus, ceea ce înseamnă perete).

Întotdeauna găsim un lanț format din tetrapeptide, format din patru resturi de aminoacizi legați de N-acetilmuramică.

Structura peretelui celular bacterian urmează două scheme sau două tipare generale, cunoscute sub denumirea de gram pozitiv și gram negative. În secțiunea următoare vom dezvolta această idee în profunzime.

Structuri în afara peretelui celular

De obicei, peretele celular al bacteriilor este înconjurat de unele structuri externe, cum ar fi glicocalixul, flagelul, filamentele axiale, fimbriae și pilis.

Glicocalixul este format dintr-o matrice gelatinoasă care înconjoară peretele și este de compoziție variabilă (polizaharide, polipeptide etc.). În unele tulpini bacteriene compoziția acestei capsule contribuie la virulență. De asemenea, este o componentă crucială în formarea de biofilme.

Flagelulele sunt structuri filamentoase, a căror formă seamănă cu un bici și contribuie la mobilitatea organismului. Restul filamentelor menționate anterior contribuie la ancorarea celulară, motilitatea și schimbul de material genetic.

Peretii celulelor bacteriene atipice

Deși structura menționată mai sus poate fi generalizată la marea majoritate a organismelor bacteriene, există excepții foarte specifice care nu sunt conforme cu această schemă a peretelui celular, deoarece le lipsește sau au foarte puțin material.

Membrii genului Mycoplasma și organismele asociate filogenetic sunt printre cele mai mici bacterii înregistrate vreodată. Datorită dimensiunilor mici, nu au perete celular. De fapt, la început au fost considerați viruși și nu bacterii.

Cu toate acestea, trebuie să existe un fel în care aceste mici bacterii să obțină protecție. Acestea fac acest lucru datorită prezenței lipidelor speciale numite steroli, care contribuie la protecția împotriva lizei celulare.

Caracteristici

-Funcțiile biologice ale peretelui celular bacterian

Protecţie

Principala funcție a peretelui celular în bacterii este de a oferi protecție celulei, funcționând ca un fel de exoschelet (ca cel al artropodelor).

Bacteriile conțin o cantitate semnificativă de soluții dizolvate în interior. Datorită fenomenului osmozei, apa care îi înconjoară va încerca să intre în celulă creând o presiune osmotică, care, dacă nu este controlată, poate duce la liza celulei.

Dacă peretele bacterian nu ar exista, singura barieră protectoare din interiorul celulei ar fi membrana plasmatică fragilă de natură lipidică, care s-ar produce rapid la presiunea cauzată de fenomenul de osmoză.

Peretele celular bacterian formează o baricadă de protecție împotriva fluctuațiilor de presiune care pot apărea, ceea ce împiedică liza celulară.

Rigiditate și formă

Datorită proprietăților de rigidizare, peretele ajută la modelarea bacteriilor. De aceea, putem diferenția între diverse forme de bacterii în funcție de acest element și putem folosi această caracteristică pentru a stabili o clasificare bazată pe cele mai frecvente morfologii (cocci sau bacili, printre altele).

Site ancorare

În cele din urmă, peretele celular servește ca locație de ancorare pentru alte structuri legate de motilitate și ancorare, cum ar fi flagelul.

-Aplicatii de perete celular

Pe lângă aceste funcții biologice, peretele bacterian are și aplicații clinice și taxonomice. După cum vom vedea mai târziu, peretele este folosit pentru a discrimina între diferite tipuri de bacterii. Mai mult, structura face posibilă înțelegerea virulenței bacteriilor și la ce fel de antibiotic poate fi susceptibilă.

Deoarece componentele chimice ale peretelui celular sunt unice pentru bacterii (lipsite de gazda umană), acest element este o potențială țintă pentru dezvoltarea antibioticelor.

Clasificare în funcție de colorația Gram

În microbiologie, petele sunt proceduri utilizate pe scară largă. Unele dintre ele sunt simple, iar scopul lor este să arate clar prezența unui organism. Cu toate acestea, alte pete sunt de tip diferențial, în care coloranții folosiți reacționează în funcție de tipul de bacterii.

Una dintre cele mai utilizate pete diferențiale în microbiologie este colorația Gram, o tehnică dezvoltată în 1884 de bacteriologul Hans Christian Gram. Tehnica permite bacteriilor să fie clasificate în grupe mari: gram pozitive și gram negative.

Astăzi este considerată o tehnică de mare utilitate medicală, deși unele bacterii nu reacționează corect la colorare. Se aplică de obicei când bacteriile sunt tinere și cresc.

Protocolul de colorare Gram

(i) Aplicarea colorantului primar: un eșantion fixat la căldură este acoperit cu un vopsea purpuriu de bază, de obicei este folosit cristal violet. Această pată pătrunde toate celulele găsite în probă.

(ii) Aplicarea iodului: după o perioadă scurtă de timp, colorantul purpuriu este îndepărtat din probă și iodul, un agent mordant, este aplicat. În această etapă, atât bacteriile gram-pozitive, cât și cele negative sunt pătate de un violet profund.

(iii) Spălare: a treia etapă implică spălarea colorantului cu o soluție de alcool sau cu un amestec alcool-acetonă. Aceste soluții au capacitatea de a elimina culoarea, dar numai din unele probe.

(iv) Aplicarea safraninei: în sfârșit, soluția aplicată în etapa anterioară este îndepărtată și se aplică un alt colorant, safranina. Aceasta este o colorare roșie de bază. Acest colorant este spălat și eșantionul este gata de observat sub lumina microscopului optic.

Peretele celular bacterian Gram pozitiv

În etapa (iii) a colorației, doar unele bacterii păstrează colorantul purpuriu, iar acestea sunt cunoscute sub numele de bacterii gram pozitive. Culoarea safraninei nu le afectează, iar la sfârșitul colorației cele care aparțin acestui tip sunt observate violet.

Principiul teoretic al colorației se bazează pe structura peretelui celular bacterian, deoarece depinde dacă scapă sau nu colorantul purpuriu, care formează un complex împreună cu iodul.

Diferența de bază între bacteriile gram negative și pozitive este cantitatea de peptidoglican pe care o prezintă. Gram-pozitive au un strat gros din acest compus care le permite să păstreze colorația purpurie, în ciuda spălării ulterioare.

Cristalul violet care intră în celulă în prima etapă formează un complex cu iodul, ceea ce face dificilă evadarea odată cu spălarea alcoolului, datorită stratului gros de peptidoglican care le înconjoară.

Spațiul dintre stratul de peptidoglican și membrana celulară este cunoscut sub numele de spațiul plasmic și constă dintr-un strat granular compus din acid lipoteichoic. În plus, bacteriile gram pozitive se caracterizează prin faptul că au o serie de acizi teichoici ancorați la perete.

Un exemplu de acest tip de bacterii este specia Staphylococcus aureus, care este un agent patogen pentru om.

Peretele celulei bacteriene gram negative

Bacteriile care nu păstrează colorarea etapei (iii) sunt, de regulă, gram negative. Acesta este motivul pentru care se aplică un al doilea colorant (safranină) pentru vizualizarea acestui grup de procariote. Astfel, bacteriile gram negative apar de culoare roz.

Spre deosebire de stratul gros de peptidoglican pe care îl au bacteriile gram pozitive, bacteriile negative au un strat mult mai subțire. În plus, ele prezintă un strat de lipopolizaharide care face parte din peretele lor celular.

Putem folosi analogia unui sandwich: pâinea reprezintă două membrane lipidice, iar interiorul sau umplutura ar fi peptidoglicanul.

Stratul de lipopolizaharide este format din trei componente principale: (1) lipida A, (2) un miez de polizaharide și (3) polizaharide O, care funcționează ca un antigen.

Când o astfel de bacterie moare, eliberează lipidul A, care funcționează ca o endotoxină. Lipida este legată de simptomele cauzate de infecțiile bacteriilor gram-negative, precum febra sau dilatarea vaselor de sânge, printre altele.

Acest strat subțire nu păstrează colorantul purpuriu aplicat în prima etapă, deoarece spălarea alcoolului îndepărtează stratul lipopolizaharidic (și împreună cu acesta colorantul). Nu conțin acizii teichoici menționați în gram pozitiv.

Un exemplu al acestui tipar de organizare a peretelui celular bacterian este celebra bacterie E. coli.

Consecințe medicale ale colorației Gram

Din perspectivă medicală este important să cunoaștem structura peretelui bacterian, deoarece bacteriile gram pozitive sunt de obicei eliminate cu ușurință prin aplicarea de antibiotice precum penicilina și cefalosporina.

În schimb, bacteriile gram-negative sunt, de obicei, rezistente la aplicarea antibioticelor care nu penetrează bariera lipopolizaharidelor.

Alte colorații

Deși pata Gram este cunoscută și aplicată pe scară largă în laborator, există și alte metodologii care fac posibilă diferențierea bacteriilor în funcție de aspectele structurale ale peretelui celular. Una dintre ele este colorarea acidă care se leagă puternic de bacteriile care au materiale asemănătoare cu ceara atașate la perete.

Aceasta este utilizată special pentru a diferenția speciile Mycobacterium de alte specii de bacterii.

biosinteza

Sinteza peretelui celular bacterian poate avea loc în citoplasma celulei sau în membrana internă. După ce unitățile structurale au fost sintetizate, asamblarea peretelui se desfășoară în afara bacteriilor.

Sinteza peptidoglicanului are loc în citoplasmă, unde se formează nucleotide care vor servi ca precursori pentru această macromoleculă care alcătuiește peretele.

Sinteza se desfășoară la nivelul membranei plasmatice, unde are loc generarea de compuși lipidici ai membranei. În interiorul membranei plasmatice are loc polimerizarea unităților care alcătuiesc peptidoglicanul. Întregul proces este asistat de diferite enzime bacteriene.

Degradare

Peretele celular poate fi degradat datorită acțiunii enzimatice a lizozimei, o enzimă care se găsește în mod natural în lichide precum lacrimile, mucusul și saliva.

Această enzimă acționează mai eficient asupra pereților bacteriilor gram pozitive, aceasta din urmă fiind mai vulnerabilă la liză.

Mecanismul acestei enzime constă în hidroliza legăturilor care țin împreună blocurile monomerice ale peptidoglicanului.

Peretele celular din Arqueas

Viața este împărțită în trei domenii principale: bacterii, eucariote și arhaea. Deși acestea din urmă amintesc superficial de bacterii, natura peretelui lor celular este diferită.

În arhaea poate exista sau nu un perete celular. Dacă compoziția chimică există, aceasta variază, incluzând o serie de polizaharide și proteine, dar până în prezent nu a fost raportată nicio specie cu perete compus din peptidoglican.

Cu toate acestea, ele pot conține o substanță cunoscută sub numele de pseudomureină. Dacă se aplică pata Gram, toate vor fi negative. Prin urmare, colorarea nu este utilă în arhaea.

Referințe

1. Albers, SV, & Meyer, BH (2011). Plicul celularului arheal. Nature Review Microbiology, 9 (6), 414–426.
2. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M., … și Walter, P. (2013). Biologia celulară esențială. Garland Science.
3. Cooper, G. (2000). Celula: o abordare moleculară. Ediția a II-a. Asociații Sinauer.
4. Cooper, GM, & Hausman, RE (2007). Celula: o abordare moleculară. Washington, DC, Sunderland, MA.
5. Cullimore, DR (2010). Atlas practic pentru identificarea bacteriilor. CRC Press.
6. Koebnik, R., Locher, KP, & Van Gelder, P. (2000). Structura și funcția proteinelor membranei exterioare bacteriene: butoaiele pe scurt. Microbiologie moleculară, 37 (2), 239-253.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Biologie celulară moleculară ediția a IV-a. Centrul Național de Informații în Biotehnologie, raft.
8. Scheffers, DJ, & Pinho, MG (2005). Sinteza peretelui celular bacterian: perspective noi din studiile de localizare. Recenzii pentru microbiologie și biologie moleculară, 69 (4), 585–607.
9. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2016). Microbiologie. O introducere. Pearson.