جدار الخلية البكتيرية: الخصائص ، التركيب الحيوي ، الوظائف - مادة الاحياء - 2025

على جدار الخلية البكتيرية هو بنية معقدة وشبه جامدة، مسؤولة عن توفير الحماية وشكل للبكتيريا. من الناحية الهيكلية ، يتكون من جزيء يسمى ببتيدوغليكان. بالإضافة إلى الحماية من تغيرات الضغط ، يوفر الجدار البكتيري موقعًا لتثبيت الهياكل مثل الأسواط أو البيليس ويحدد الخصائص المختلفة المتعلقة بالفوعة وحركة الخلية.

الطريقة المستخدمة على نطاق واسع لتصنيف البكتيريا وفقًا لبنية جدار الخلية هي صبغة جرام. يتكون هذا من تطبيق منهجي للأصباغ الأرجواني والوردي ، حيث تلطخ البكتيريا ذات الجدار السميك والغني بالببتيدوغليكان الأرجواني (موجب الجرام) وتلك ذات الجدار الرقيق المحاط بعديدات السكاريد الدهنية تلطخ باللون الوردي (سالب الجرام).

المصدر pixabay.com

على الرغم من أن الكائنات العضوية الأخرى مثل العتائق والطحالب والفطريات والنباتات لها جدران خلوية ، إلا أن تركيبها وتكوينها يختلفان بشكل عميق عن جدار الخلية البكتيرية.

الخصائص والهيكل

الجدار البكتيري: شبكة ببتيدوغليكان

في علم الأحياء عادةً ما نحدد الحدود بين الأحياء وغير الأحياء باستخدام غشاء البلازما. ومع ذلك ، هناك العديد من الكائنات الحية المحاطة بحاجز إضافي: جدار الخلية.

في البكتيريا ، يتكون جدار الخلية من شبكة معقدة ومعقدة من جزيء ضخم يسمى ببتيدوغليكان ، المعروف أيضًا باسم مورين.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكننا أن نجد أنواعًا أخرى من المواد في الجدار يتم دمجها مع الببتيدوغليكان ، مثل الكربوهيدرات وعديد الببتيدات التي تختلف في الطول والبنية.

كيميائيًا ، الببتيدوغليكان عبارة عن ثنائي السكاريد الذي تكون وحداته الأحادية هي N-acetylglucosamine و N-acetylmuramic (من جذر الفأر ، مما يعني الجدار).

نجد دائمًا سلسلة مكونة من رباعي الببتيدات ، تتكون من أربعة بقايا أحماض أمينية مرتبطة بـ N-acetylmuramic.

يتبع هيكل جدار الخلية البكتيرية مخططين أو نمطين عامين ، يُعرفان باسم الجرام الموجب والسالب الجرام. في القسم التالي سنقوم بتطوير هذه الفكرة بعمق.

الهياكل خارج جدار الخلية

عادة ما يكون جدار الخلية للبكتيريا محاطًا ببعض الهياكل الخارجية ، مثل glycocalyx ، السوط ، الشعيرات المحورية ، fimbriae ، و Pilis.

يتكون الكاليكس من مصفوفة تشبه الهلام تحيط بالجدار ، وهي ذات تكوين متغير (عديد السكاريد ، عديد الببتيدات ، إلخ). في بعض السلالات البكتيرية يساهم تكوين هذه الكبسولة في الضراوة. كما أنه عنصر حاسم في تكوين الأغشية الحيوية.

الأسواط عبارة عن هياكل خيطية ، يشبه شكلها السوط ويساهم في حركة الكائن الحي. تساهم بقية الخيوط المذكورة أعلاه في تثبيت الخلايا وحركتها وتبادل المواد الجينية.

جدران الخلايا البكتيرية غير النمطية

على الرغم من أن البنية المذكورة أعلاه يمكن تعميمها على الغالبية العظمى من الكائنات البكتيرية ، إلا أن هناك استثناءات محددة جدًا لا تتوافق مع مخطط جدار الخلية هذا ، نظرًا لأنها تفتقر إليه أو تحتوي على القليل جدًا من المواد.

تعد أعضاء جنس الميكوبلازما والكائنات الحية المرتبطة بالتطور من بين أصغر البكتيريا المسجلة على الإطلاق. نظرًا لصغر حجمها ، لا يوجد بها جدار خلوي. في الواقع ، في البداية كانوا يعتبرون فيروسات وليس بكتيريا.

ومع ذلك ، يجب أن تكون هناك طريقة ما لكي تحصل هذه البكتيريا الصغيرة على الحماية. يفعلون ذلك بفضل وجود دهون خاصة تسمى ستيرول ، والتي تساهم في الحماية من تحلل الخلايا.

المميزات

- الوظائف البيولوجية لجدار الخلية البكتيرية

الحماية

تتمثل الوظيفة الرئيسية لجدار الخلية في البكتيريا في توفير الحماية للخلية ، حيث تعمل كنوع من الهيكل الخارجي (مثل تلك الموجودة في المفصليات).

تحتوي البكتيريا على كمية كبيرة من المواد المذابة بالداخل. بسبب ظاهرة التناضح ، فإن الماء المحيط بها سيحاول دخول الخلية مما يؤدي إلى ضغط تناضحي ، والذي إذا لم يتم التحكم فيه يمكن أن يؤدي إلى تحلل الخلية.

إذا لم يكن الجدار البكتيري موجودًا ، فسيكون الحاجز الوقائي الوحيد داخل الخلية هو غشاء البلازما الهش ذو الطبيعة الدهنية ، والذي من شأنه أن يخضع بسرعة للضغط الناجم عن ظاهرة التناضح.

يشكل جدار الخلية البكتيرية حاجزًا وقائيًا ضد تقلبات الضغط التي قد تحدث ، مما يمنع تحلل الخلية.

الصلابة والشكل

بفضل خصائصه التقوية ، يساعد الجدار في تشكيل البكتيريا. لهذا السبب يمكننا التفريق بين الأشكال المختلفة للبكتيريا وفقًا لهذا العنصر ، ويمكننا استخدام هذه الخاصية لإنشاء تصنيف يعتمد على الأشكال الأكثر شيوعًا (cocci أو bacilli ، من بين أمور أخرى).

موقع المرساة

أخيرًا ، يعمل جدار الخلية كموقع رسو للهياكل الأخرى المتعلقة بالحركة والتثبيت ، مثل السوط.

تطبيقات جدار الخلية

بالإضافة إلى هذه الوظائف البيولوجية ، فإن الجدار البكتيري له أيضًا تطبيقات سريرية وتصنيفية. كما سنرى لاحقًا ، يُستخدم الجدار للتمييز بين أنواع البكتيريا المختلفة. علاوة على ذلك ، فإن الهيكل يجعل من الممكن فهم ضراوة البكتيريا ونوع المضادات الحيوية التي قد تكون عرضة لها.

نظرًا لأن المكونات الكيميائية لجدار الخلية فريدة من نوعها للبكتيريا (تفتقر إلى المضيف البشري) ، فإن هذا العنصر هو هدف محتمل لتطوير المضادات الحيوية.

التصنيف حسب صبغة جرام

في علم الأحياء الدقيقة ، تستخدم البقع على نطاق واسع الإجراءات. بعضها بسيط والغرض منه هو إظهار وجود كائن حي بوضوح. ومع ذلك ، فإن البقع الأخرى من النوع التفاضلي ، حيث تتفاعل الأصباغ المستخدمة وفقًا لنوع البكتيريا.

تعد صبغة جرام واحدة من أكثر البقع التفاضلية المستخدمة على نطاق واسع في علم الأحياء الدقيقة ، وهي تقنية تم تطويرها في عام 1884 من قبل عالم البكتيريا هانز كريستيان جرام. تسمح هذه التقنية بتصنيف البكتيريا إلى مجموعات كبيرة: إيجابية الجرام وسالبة الجرام.

تعتبر اليوم تقنية ذات فائدة طبية كبيرة ، على الرغم من أن بعض البكتيريا لا تتفاعل بشكل صحيح مع التلوين. يتم تطبيقه عادة عندما تكون البكتيريا صغيرة ومتنامية.

بروتوكول صبغ غرام

(ط) تطبيق الصبغة الأولية: يتم تغطية عينة ثابتة بالحرارة بصبغة أرجوانية أساسية ، وعادة ما يتم استخدام اللون البنفسجي البلوري لهذا الغرض. تتخلل هذه البقعة جميع الخلايا الموجودة في العينة.

(2) تطبيق اليود: بعد فترة قصيرة من الزمن ، تتم إزالة الصبغة الأرجواني من العينة ويتم تطبيق اليود ، وهو عامل لاذع. في هذه المرحلة ، يتم تلوين كل من البكتيريا موجبة الجرام والبكتيريا السالبة باللون الأرجواني الغامق.

(3) الغسل: تتضمن الخطوة الثالثة غسل الملون بمحلول كحول أو بمزيج كحول وأسيتون. هذه الحلول لها القدرة على إزالة اللون ، ولكن فقط من بعض العينات.

(4) تطبيق safranin: أخيرًا ، يتم إزالة المحلول المطبق في الخطوة السابقة ويتم تطبيق صبغة أخرى ، safranin. هذا لون أحمر أساسي. تغسل هذه الصبغة وتكون العينة جاهزة للرصد تحت ضوء المجهر الضوئي.

جدار الخلية البكتيرية الموجب الجرام

في الخطوة (3) من التلوين ، تحتفظ بعض البكتيريا فقط بالصباغ الأرجواني ، وتعرف هذه البكتيريا موجبة الجرام. لا يؤثر لون السفرانين عليهم ، وفي نهاية التلوين ، يلاحظ أولئك الذين ينتمون إلى هذا النوع باللون الأرجواني.

يعتمد المبدأ النظري للتلوين على بنية جدار الخلية البكتيرية ، لأنه يعتمد على هروب الصبغة الأرجواني أو لا ، والتي تشكل معقدًا مع اليود.

الفرق الأساسي بين البكتيريا سالبة الجرام والبكتيريا الموجبة هو كمية الببتيدوغليكان التي تظهر. موجبات الجرام لها طبقة سميكة من هذا المركب تسمح لها بالاحتفاظ باللون الأرجواني ، على الرغم من الغسيل اللاحق.

يشكل الكريستال البنفسجي الذي يدخل الخلية في الخطوة الأولى معقدًا مع اليود ، مما يجعل من الصعب الهروب بغسول الكحول ، بفضل الطبقة السميكة من الببتيدوغليكان التي تحيط بها.

تُعرف المسافة بين طبقة الببتيدوغليكان وغشاء الخلية باسم الفضاء البلازمي وتتكون من طبقة حبيبية تتكون من حمض ليبوتيكويك. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز البكتيريا الموجبة للجرام بوجود سلسلة من الأحماض التيشويك مثبتة على الحائط.

مثال على هذا النوع من البكتيريا هو نوع Staphylococcus aureus ، وهو أحد مسببات الأمراض للإنسان.

جدار الخلية البكتيرية سالب الجرام

البكتيريا التي لا تحتفظ بتلطيخ الخطوة (3) ، بحكم القاعدة ، سلبية الجرام. هذا هو سبب تطبيق صبغة ثانية (safranin) لتصور هذه المجموعة من بدائيات النوى. وهكذا ، تظهر البكتيريا سالبة الجرام باللون الوردي.

على عكس طبقة الببتيدوغليكان السميكة التي تمتلكها البكتيريا موجبة الجرام ، تحتوي البكتيريا السالبة على طبقة أرق بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تقدم طبقة من عديدات السكاريد الدهنية التي تشكل جزءًا من جدار الخلية.

يمكننا استخدام تشبيه الساندويتش: يمثل الخبز غشاءين دهنيين والداخل أو الحشو سيكون الببتيدوغليكان.

تتكون طبقة عديدات السكاريد الدهنية من ثلاثة مكونات رئيسية: (1) الدهون أ ، (2) نواة من عديدات السكاريد ، و (3) عديدات السكاريد O ، والتي تعمل كمستضد.

عندما تموت هذه البكتيريا ، فإنها تفرز الشحوم أ ، التي تعمل بمثابة سم داخلي. ترتبط الدهون بالأعراض التي تسببها الالتهابات البكتيرية سالبة الجرام ، مثل الحمى أو تمدد الأوعية الدموية ، من بين أمور أخرى.

لا تحتفظ هذه الطبقة الرقيقة بالصبغة الأرجوانية المطبقة في الخطوة الأولى ، حيث يزيل غسيل الكحول طبقة عديدات السكاريد الدهنية (ومعها الصبغة). لا تحتوي على أحماض التيكويك المذكورة في إيجابيات الجرام.

مثال على هذا النمط من تنظيم جدار الخلية البكتيرية هو بكتيريا E. coli الشهيرة.

العواقب الطبية لصبغة غرام

من الناحية الطبية ، من المهم معرفة بنية الجدار البكتيري ، حيث يتم التخلص من البكتيريا موجبة الجرام عادة بسهولة عن طريق تطبيق المضادات الحيوية مثل البنسلين والسيفالوسبورين.

في المقابل ، فإن البكتيريا سالبة الجرام تقاوم عادة استخدام المضادات الحيوية التي تفشل في اختراق حاجز عديد السكاريد الدهني.

تلوينات أخرى

على الرغم من أن صبغة جرام معروفة على نطاق واسع ويتم تطبيقها في المختبر ، إلا أن هناك أيضًا منهجيات أخرى تجعل من الممكن تمييز البكتيريا وفقًا للجوانب الهيكلية لجدار الخلية. أحدها هو تلطيخ الحمض الذي يرتبط بقوة بالبكتيريا التي تحتوي على مواد تشبه الشمع متصلة بالجدار.

يستخدم هذا على وجه التحديد للتمييز بين أنواع Mycobacterium وأنواع البكتيريا الأخرى.

التخليق الحيوي

يمكن أن يحدث تخليق جدار الخلية البكتيرية في سيتوبلازم الخلية أو في الغشاء الداخلي. بمجرد أن يتم تصنيع الوحدات الهيكلية ، يستمر تجميع الجدار خارج البكتيريا.

يحدث تخليق الببتيدوغليكان في السيتوبلازم ، حيث تتشكل النيوكليوتيدات التي ستكون بمثابة سلائف لهذا الجزيء الكبير الذي يتكون من الجدار.

يستمر التوليف في غشاء البلازما ، حيث يتم إنتاج مركبات الغشاء الدهنية. داخل غشاء البلازما يحدث بلمرة للوحدات المكونة للببتيدوغليكان. يتم مساعدة العملية برمتها بواسطة إنزيمات بكتيرية مختلفة.

انحلال

يمكن أن يتدهور جدار الخلية بفضل العمل الأنزيمي لليزوزيم ، وهو إنزيم موجود بشكل طبيعي في السوائل مثل الدموع والمخاط واللعاب.

يعمل هذا الإنزيم بكفاءة أكبر على جدران البكتيريا الموجبة للجرام ، وتكون الأخيرة أكثر عرضة للتحلل.

تتكون آلية هذا الإنزيم من التحلل المائي للروابط التي تربط الكتل الأحادية للببتيدوغليكان معًا.

جدار الخلية في Arqueas

تنقسم الحياة إلى ثلاثة مجالات رئيسية: البكتيريا ، وحقيقيات النوى ، والعتائق. على الرغم من أن الأخيرة تذكرنا ظاهريًا بالبكتيريا ، إلا أن طبيعة جدارها الخلوي مختلفة.

في الأركيا قد يكون أو لا يوجد جدار خلوي. إذا كان التركيب الكيميائي موجودًا ، فإنه يختلف ، بما في ذلك سلسلة من السكريات والبروتينات ، ولكن حتى الآن لم يتم الإبلاغ عن أنواع ذات جدار مكون من الببتيدوغليكان.

ومع ذلك ، يمكن أن تحتوي على مادة تعرف باسم pseudomurein. إذا تم تطبيق صبغة جرام ، فستكون جميعها سالبة الجرام. لذلك ، فإن التلوين ليس مفيدًا في الأركيا.

المراجع

1. Albers، SV، & Meyer، BH (2011). مغلف الخلية البدائية. مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة ، 9 (6) ، 414-426.
2. ألبرتس ، بي ، براي ، دي ، هوبكين ، كيه ، جونسون ، إيه دي ، لويس ، جيه ، راف ، إم ،… و والتر ، بي (2013). بيولوجيا الخلية الأساسية. علوم جارلاند.
3. كوبر ، ج. (2000). الخلية: نهج جزيئي. الطبعة الثانية. سيناوير أسوشيتس.
4. Cooper ، GM ، & Hausman ، RE (2007). الخلية: نهج جزيئي. واشنطن العاصمة ، سندرلاند ، ماساتشوستس.
5. كوليمور ، دكتور (2010). أطلس عملي لتحديد البكتيريا. اضغط CRC.
6. Koebnik، R.، Locher، KP، & Van Gelder، P. (2000). هيكل ووظيفة بروتينات الغشاء الخارجي البكتيرية: براميل باختصار. علم الأحياء الدقيقة الجزيئي، 37 (2) ، 239-253.
7. لوديش ، هـ. ، بيرك ، أ. ، زيبورسكي ، إس إل ، ماتسودايرا ، بي ، بالتيمور ، دي ، ودارنيل ، جي (2000). بيولوجيا الخلية الجزيئية الطبعة الرابعة. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ، رف الكتب.
8. شيفرز ، دي جي ، وبينهو ، إم جي (2005). تركيب جدار الخلية البكتيرية: رؤى جديدة من دراسات التوطين. مراجعات علم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا الجزيئية ، 69 (4) ، 585-607.
9. Tortora، GJ، Funke، BR، & Case، CL (2016). علم الاحياء المجهري. مقدمة. بيرسون.