ผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรีย

เยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียเป็นขอบเขตที่มีหลายชั้น ได้แก่ เยื่อหุ้มเซลล์ (plasma membrane) ผนังเซลล์ และในแบคทีเรียแกรมลบจะมีเยื่อหุ้มชั้นนอกเพิ่มเติม ซึ่งห่อหุ้มไซโทพลาสซึมไว้ องค์ประกอบโครงสร้างหลักคือเพปทิโดไกลแคน (peptidoglycan) ซึ่งเป็นพอลิเมอร์คล้ายตาข่ายที่ให้รูปร่างแก่เซลล์และป้องกันเซลล์จากการสลายตัวเนื่องจากออสโมซิส (osmotic lysis) และการจัดเรียงตัวของเยื่อหุ้มเซลล์นี้เป็นตัวกำหนดการแบ่งประเภทโครงสร้างหลักของแบคทีเรีย

Definition

ผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียเป็นโครงสร้างพื้นผิวหลายชั้นของเซลล์แบคทีเรีย ซึ่งประกอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์ (plasma membrane) และผนังเซลล์ภายนอกที่สร้างจากเพปทิโดไกลแคน (โดยมีเยื่อหุ้มชั้นนอกเพิ่มเติมในแบคทีเรียแกรมลบ) ซึ่งทำหน้าที่รักษารูปร่างของเซลล์และต้านทานแรงดันเต่งภายในเซลล์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีและสถาปัตยกรรมของเพปทิโดไกลแคน, เยื่อหุ้มเซลล์แกรมบวก (ผนังหนาที่มีกรดไทโคอิก), เยื่อหุ้มเซลล์แกรมลบ (ผนังบางที่ถูกหุ้มด้วยเยื่อหุ้มชั้นนอกที่มีไลโปพอลิแซ็กคาไรด์) และบทบาทหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์ในด้านรูปร่าง ความสมบูรณ์ และการซึมผ่าน หัวข้อที่เกี่ยวข้องจะกล่าวถึงขั้นตอนการย้อมสีที่แสดงความแตกต่างนี้

Core questions

• สถาปัตยกรรมของเพปทิโดไกลแคนให้รูปร่างและการป้องกันออสโมซิสได้อย่างไร?
• ความแตกต่างทางโครงสร้างใดที่แยกเยื่อหุ้มเซลล์แกรมบวกออกจากแกรมลบ?
• เยื่อหุ้มชั้นนอกมีผลต่อการซึมผ่านของแบคทีเรียแกรมลบอย่างไร?

Key concepts

• แซคคูลัสของเพปทิโดไกลแคน (มิวรีน)
• สายไกลแคนเชื่อมโยงกันด้วยสะพานเปปไทด์
• ผนังหนาของแกรมบวกที่มีกรดไทโคอิก
• ผนังบางและเยื่อหุ้มชั้นนอกของแกรมลบ
• ไลโปพอลิแซ็กคาไรด์และเยื่อหุ้มชั้นนอก
• ช่องว่างเพริพลาสซึม
• การป้องกันออสโมซิสและแรงดันเต่ง

Mechanisms

เพปทิโดไกลแคนสร้างขึ้นจากสายไกลแคนของ N-acetylglucosamine และ N-acetylmuramic acid ที่สลับกัน ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยเปปไทด์สั้นๆ กลายเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่คล้ายตาข่ายเดี่ยวที่เรียกว่า แซคคูลัส (sacculus) ซึ่งห่อหุ้มเซลล์และต้านทานแรงดันเต่ง ในแบคทีเรียแกรมบวก ผนังนี้จะหนาและมีกรดไทโคอิก (teichoic acid) และไลโปไทโคอิก (lipoteichoic acid) แทรกอยู่ ส่วนในแบคทีเรียแกรมลบ ชั้นเพปทิโดไกลแคนจะบางและอยู่ในช่องว่างเพริพลาสซึม (periplasmic space) ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ (plasma membrane) และเยื่อหุ้มชั้นนอกที่ไม่สมมาตร ซึ่งใบด้านนอกประกอบด้วยไลโปพอลิแซ็กคาไรด์ (lipopolysaccharide) เยื่อหุ้มชั้นนอกทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นการซึมผ่าน โดยมีโปรตีนช่องทางควบคุมการเข้าของสารละลาย ความแตกต่างของเยื่อหุ้มเซลล์เหล่านี้เป็นพื้นฐานของการคงสภาพของสีย้อมที่แตกต่างกันในการย้อมแกรม และความแตกต่างทางโครงสร้างหลายประการในหมู่แบคทีเรีย

Clinical relevance

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นลักษณะโครงสร้างที่แยกแบคทีเรียแกรมบวกออกจากแบคทีเรียแกรมลบ และมีส่วนทำให้เกิดความแตกต่างโดยธรรมชาติในคุณสมบัติการกั้นระหว่างสองกลุ่มนี้ ไลโปพอลิแซ็กคาไรด์ของเยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรียแกรมลบเป็นโมเลกุลพื้นผิวที่สำคัญที่ร่างกายโฮสต์รู้จัก ข้อมูลนี้อธิบายโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

โครงสร้างโมเลกุลของเพปทิโดไกลแคนและสถาปัตยกรรมของเยื่อหุ้มเซลล์แกรมบวกและแกรมลบได้รับการยืนยันในวรรณกรรมทางชีวเคมีและชีววิทยาของเซลล์ และสรุปไว้ในตำราจุลชีววิทยามาตรฐาน

History

ผนังเซลล์ได้รับการยอมรับตั้งแต่แรกว่าเป็นโครงสร้างที่รับผิดชอบต่อรูปร่างของแบคทีเรียและปฏิกิริยาแกรม และการอธิบายเคมีของเพปทิโดไกลแคนในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ตามมาด้วยแบบจำลองสถาปัตยกรรมโดยละเอียด ได้อธิบายว่าเครือข่ายโควาเลนต์เดี่ยวสามารถสร้างรูปร่างและปกป้องเซลล์ได้อย่างไร

Key figures

• Waldemar Vollmer
• Thomas Silhavy
• Miguel de Pedro

Seminal works

• vollmer-2008
• silhavy-2010

Frequently asked questions

เพปทิโดไกลแคนคืออะไร?

เพปทิโดไกลแคน (มิวรีน) เป็นพอลิเมอร์คล้ายตาข่ายของสายไกลแคนที่เชื่อมโยงกันด้วยเปปไทด์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์แบคทีเรีย ทำให้เซลล์มีรูปร่างและป้องกันการสลายตัวเนื่องจากออสโมซิส

เยื่อหุ้มเซลล์แกรมบวกและแกรมลบแตกต่างกันอย่างไร?

แบคทีเรียแกรมบวกมีผนังเพปทิโดไกลแคนหนาที่มีกรดไทโคอิกและไม่มีเยื่อหุ้มชั้นนอก ในขณะที่แบคทีเรียแกรมลบมีชั้นเพปทิโดไกลแคนบางๆ ที่ถูกหุ้มด้วยเยื่อหุ้มชั้นนอกซึ่งมีไลโปพอลิแซ็กคาไรด์