ผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรีย

เยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียเป็นขอบเขตที่มีหลายชั้นซึ่งทำหน้าที่ปกป้องเซลล์ รักษารูปร่างของเซลล์จากแรงดันเต่ง และเป็นตัวกลางในการแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อม โดยมีเพปทิโดไกลแคนเป็นพอลิเมอร์โครงสร้างที่สำคัญ

Definition

เยื่อหุ้มเซลล์แบคทีเรียประกอบด้วยชั้นต่างๆ ที่อยู่นอกไซโทพลาซึม ได้แก่ เยื่อหุ้มไซโทพลาซึม, ผนังเซลล์เพปทิโดไกลแคน และในแบคทีเรียแกรมลบจะมีเยื่อหุ้มชั้นนอก ซึ่งทั้งหมดนี้ทำงานร่วมกันเพื่อปกป้องเซลล์และควบคุมปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างและการสังเคราะห์เพปทิโดไกลแคน; สถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันของผนังเซลล์แกรมบวกและผนังเซลล์แกรมลบที่มีเยื่อหุ้มชั้นนอกและไลโปพอลิแซ็กคาไรด์; กรดไทโคอิก, เพริพลาซึม และพอริน; ผนังเซลล์ของอาร์เคียที่ไม่มีเพปทิโดไกลแคน; และพื้นฐานของการย้อมแกรม นอกจากนี้ยังเชื่อมโยงเคมีของเยื่อหุ้มเซลล์กับการย้อมสี, การออกฤทธิ์ของยาปฏิชีวนะ และการจดจำโดยระบบภูมิคุ้มกัน

Core questions

• เพปทิโดไกลแคนให้ความแข็งแรงเชิงกลได้อย่างไรในขณะที่ยังคงอนุญาตให้มีการเจริญเติบโต?
• ลักษณะโครงสร้างใดที่แยกความแตกต่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์แกรมบวกกับแกรมลบ?
• ทำไมยาปฏิชีวนะหลายชนิดจึงมุ่งเป้าไปที่การสังเคราะห์ผนังเซลล์?
• เยื่อหุ้มเซลล์ของอาร์เคียแตกต่างจากของแบคทีเรียอย่างไร?

Key concepts

• โครงสร้างและการเชื่อมโยงข้ามของเพปทิโดไกลแคน
• ผนังเซลล์แกรมบวกและกรดไทโคอิก
• เยื่อหุ้มชั้นนอกของแกรมลบและไลโปพอลิแซ็กคาไรด์
• เพริพลาซึมและพอริน
• พื้นฐานของการย้อมแกรม

Mechanisms

เพปทิโดไกลแคนเป็นตาข่ายของสายไกลแคนที่เชื่อมโยงกันด้วยเพปไทด์สั้นๆ ก่อตัวเป็นถุงต่อเนื่องที่ต้านทานแรงดันเต่ง ในเซลล์แกรมบวก ชั้นนี้จะหนาและเกี่ยวข้องกับกรดไทโคอิก; ในเซลล์แกรมลบ ชั้นนี้จะบางและอยู่ในเพริพลาซึมใต้เยื่อหุ้มชั้นนอก ซึ่งมีไลโปพอลิแซ็กคาไรด์ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันและสารพิษภายใน (endotoxin) การสังเคราะห์ผนังเซลล์ต้องอาศัยเอนไซม์ที่ทำงานประสานกันอย่างแม่นยำเพื่อเพิ่มวัสดุใหม่ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการรบกวนขั้นตอนเหล่านี้จึงเป็นอันตรายถึงชีวิตต่อเซลล์

Clinical relevance

ผนังเซลล์เพปทิโดไกลแคนมีเฉพาะในแบคทีเรียและเป็นเป้าหมายของยาปฏิชีวนะที่สำคัญหลายชนิด เช่น กลุ่มเบต้า-แลคแทมและไกลโคเพปไทด์ ในขณะที่ไลโปพอลิแซ็กคาไรด์ของเยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรียแกรมลบเป็นตัวกระตุ้นที่ทรงพลังต่อการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของโฮสต์ ทำให้โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญต่อทั้งการออกฤทธิ์ของยาต้านจุลชีพและปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์กับจุลชีพ

History

วิธีการย้อมสีแบบแยกความแตกต่างของคริสเตียน แกรม ซึ่งนำมาใช้ในปี 1884 ได้แบ่งแบคทีเรียออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ ซึ่งความแตกต่างนี้ได้รับการอธิบายในภายหลังโดยความแตกต่างในสถาปัตยกรรมของผนังเซลล์ที่เปิดเผยผ่านชีวเคมีและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในศตวรรษที่ 20 ซึ่งเชื่อมโยงการย้อมสีแบบคลาสสิกเข้ากับโครงสร้างโมเลกุล

Key figures

• Christian Gram
• Hans Christian Joachim Gram

Seminal works

• willey2020
• madigan2018

Frequently asked questions

ทำไมยาปฏิชีวนะกลุ่มเบต้า-แลคแทมจึงส่งผลต่อแบคทีเรียแต่ไม่ส่งผลต่อเซลล์มนุษย์?

เบต้า-แลคแทมจะรบกวนเอนไซม์ที่สร้างเพปทิโดไกลแคน ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่พบเฉพาะในผนังเซลล์แบคทีเรีย เซลล์มนุษย์ไม่มีเพปทิโดไกลแคน ดังนั้นยาจึงออกฤทธิ์เฉพาะเจาะจงกับเป้าหมายที่เป็นแบคทีเรีย