Aufbau und Funktion der Zellwand

Die Zellwand ist eine starre, halbdurchlässige Schicht, die bestimmte Arten von Zellen umgibt, sowohl eukaryotische als auch prokaryotische. In den meisten Fällen besteht die Zellwand aus Schichten mit verschiedenen Arten organischer Verbindungen, einschließlich Polypeptiden (einschließlich einiger Proteine), Polysacchariden (wie Cellulose und Chitin) und Lipiden sowie Kombinationen davon, wie Glykoproteinen, Lipoproteinen und Lipopolysaccharide.

In den Zellen, die eine haben, ist die Zellwand immer unmittelbar nach der Zellmembran, die das Zytoplasma (die Plasmamembran) umgibt und enthält. In vielen Fällen, wie beispielsweise Pflanzenzellen, ist die Zellwand die äußere Hülle, die als Schnittstelle zwischen der Zelle und dem extrazellulären Raum dient. In anderen Fällen, wie z. B. bei einigen Bakterienarten, ist die Zellwand von einer anderen Schicht, der sogenannten Kapsel, oder von einer gelartigen Schicht bedeckt.

Arten von Zellen, die eine Zellwand haben

Die Zellwand ist charakteristisch für die meisten Pflanzenzellen , für Pilze , Bakterien , Algen und einige Archaeen . So auch die überwiegende Mehrheit der Hefen. Sie sind jedoch nicht in tierischen Zellen vorhanden. Wie wir später im Detail sehen werden, erfüllt die Zellwand viele wichtige Funktionen, sowohl für die Zelle als auch für vielzellige Organismen, darunter unter anderem:

• Schutz.
• Struktur und Unterstützung.
• Regulation der Zellfunktion.
• Kommunikation.
• Lagerung.

Struktur der Zellwand

Sowohl die Zusammensetzung als auch die Struktur der Zellwand hängen stark von der Art der Zelle ab, die sie bedeckt. In diesem Sinne haben eukaryotische Zellen (solche, die einen Kern und andere Membrankompartimente haben) Zellwände, die sich bemerkenswert von denen prokaryotischer Zellen (die keinen Kern haben) unterscheiden, und sogar innerhalb dieser beiden Gruppen können Unterschiede beobachtet werden, wie Sie gezeigt haben werde unten sehen.

Aufbau der Zellwand eukaryotischer Zellen

pflanzliche Zellwand

Die Zellwand ist eines der herausragendsten Merkmale von Pflanzenzellen, ebenso wie das Vorhandensein von Chloroplasten und Vakuolen. Bei diesen Zellen kann die Zellwand je nach Pflanzenzelltyp zwei- oder dreischichtig aufgebaut sein. Die beiden Schichten, die allen Pflanzenzellen gemeinsam sind, werden als Primärwand und Mittellamelle bezeichnet, während die dritte als Sekundärwand bezeichnet wird:

Primäre Wand: Sie besteht aus drei bis vier gekreuzten Schichten von Zellulose-Mikrofibrillen, einem Glucose-Homopolymer, das das am häufigsten vorkommende Biomolekül in der Natur ist. Die langen Zellulosefasern sind durch Hemizellulosemoleküle miteinander verbunden. Zusammen geben sie der Zellwand die strukturelle Integrität.

Mittellamelle: Sie ist die äußerste Schicht der Pflanzenzellwand und besteht hauptsächlich aus Calcium- und Magnesiumpektinen und Hemicellulosen. Es ist eine sehr klebrige Schicht, die hilft, die Zellwände benachbarter Zellen aneinander zu haften. Tatsächlich ist Pektin in Früchten sehr reichlich vorhanden und verleiht Marmeladen ihre gallertartige Konsistenz.

Sekundärwand: kommt in Pflanzenzellen vor, die nicht mehr wachsen, wie z. B. in holzigen Geweben. In den Pflanzenzellen, die es besitzen, ist dies die Wandschicht, die direkt über der Plasmamembran liegt. Diese Wand enthält Lignin sowie einen höheren Zelluloseanteil als die Primärwand, was ihr eine hohe Steifigkeit und Strukturstabilität verleiht.

Pilz Zellwand

Nur einige Pilze haben eine Zellwand. In diesen Fällen wird es hauptsächlich von Glucanen, Chitin und Glykoproteinen gebildet. Es enthält auch Mengen an freiem Glucosamin.

Chitin: Es bildet die erste Schicht der Pilzzellwand, die in direktem Kontakt mit der Zytoplasmamembran steht. Dies ist das gleiche Polysaccharid, aus dem Arthropoden-Exoskelette bestehen, in dem die sich wiederholenden Einheiten ein Aminozucker namens N-Acetylglucosamin sind. Pilzzellwände enthalten unterschiedliche Anteile an Chitin.

Glucane: Mehr als 50 % der Masse der Pilzzellwand bestehen aus Glucanen. Sie sind Polysaccharide, die aus Glucoseeinheiten bestehen, die durch verschiedene Arten von glykosidischen Bindungen miteinander verbunden sind. Sie stellen den strukturellen Teil der Zellwand dar.

Mannoproteine: Wie die meisten Zellwände enthalten auch die von Pilzen einen guten Anteil an Glykoproteinen. In diesem speziellen Fall sind die Kohlenhydrate, die an die Proteine ​​gebunden sind, Mannose-Einheiten, weshalb sie Mannoproteine ​​genannt werden.

Zellwand der Hefe

Ungefähr 30 % des Trockengewichts von Hefen entspricht der Zellwand. Dieses wird hauptsächlich von Polysacchariden (90 %), zu einem geringeren Teil von Proteinen gebildet und nur zu einem kleinen Teil aus Lipiden. Ähnlich wie Pilze bestehen auch Hefezellwände aus zwei Schichten, deren Hauptbestandteil Polysaccharide sind.

Aufbau der Zellwand prokaryotischer Zellen

Einige prokaryotische Zellen haben eine Zellwand. Bei Bakterien unterscheidet man zwei Arten:

Grampositive Bakterien

Gram-positive Bakterien sind solche, die sich in der Gram-Färbung violett färben. Dies ist genau auf die Zellwand zurückzuführen, die nach der Plasmamembran eine dicke Schicht aus einer Polymerart namens Peptidoglycan aufweist, die aus abwechselnd langen Ketten von N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure besteht, die durch kurze Ketten miteinander verbunden sind aus vier Peptiden.

Gram-positive Zellen haben mehrere Schichten von Peptidoglykanen, die übereinander gestapelt und durch kurze Oligopeptide miteinander verbunden sind, die strukturelle Stabilität verleihen.

Neben Peptidoglycan, das bis zu 90 % der Zellwand ausmacht, enthalten sie auch Teitinsäuren und mehrere Proteine ​​sowohl auf ihrer Oberfläche als auch andere, die sie vollständig passieren.

Gramnegative Bakterien

Gramnegative Bakterien haben eine ganz andere Zellwand als grampositive.

Sie haben auch eine Peptidoglykanschicht, aber sie ist viel dünner. Der größte Teil der Wand wird von einer zweiten Phospholipidmembran gebildet, die eine beträchtliche Menge an lipidgebundenen Polysacchariden enthält, weshalb sie als Lipopolysaccharidschicht bezeichnet wird. Diese äußere Membran enthält auch Mengen an Protein. Der Raum zwischen der Plasmamembran und der äußeren Membran, in dem sich das Peptidoglykan befindet, wird als Periplasma bezeichnet.

Die Zellwand der Archaea

Einige Archaeen haben ähnliche Wände wie grampositive Bakterien, außer dass sie anstelle von Peptidoglycan Pseudomurein enthalten, das Peptidoglycan sehr ähnlich ist, außer dass es N-Acetylmuraminsäure durch N-Acetylaminouronsäure ersetzt und außerdem β-1 verwendet ,3-Bindungen anstelle von β-1,4, um Saccharide miteinander zu verbinden, wodurch diese Mikroorganismen resistent gegen Penicillin und Lysozym werden.

Der häufigste Zellwandtyp bei Archaeen ist jedoch die parakristalline Oberflächenschicht oder S-Schicht.Sie ​​besteht aus miteinander verbundenen Protein- und Glykoproteinmolekülen, die sehr regelmäßige Muster auf der Oberfläche bilden. Wenn vorhanden, ist die S-Schicht die äußere Schicht der Zelle in direktem Kontakt mit der Umgebung.

Funktion der Zellwand

Die Zellwand ist nicht nur eine Hülle, die Zellen umgibt und schützt. Es ist ein komplexes Organell mit mehreren Komponenten, die an einer Vielzahl von Zellfunktionen beteiligt sind, ohne die die Zelle in ihrer natürlichen Umgebung nicht überleben könnte. Die Hauptfunktionen der Zellwand sind:

Struktur und Unterstützung

Die Zellwand ist der steifste Teil der Zelle und bietet mechanischen Halt für den Rest der Zellstrukturen. In den meisten Fällen ist es für die Bestimmung der Zellform verantwortlich, da es die Richtung des Zellwachstums bestimmt.

Schutz vor äußeren Einflüssen

So wie die Wände eines Hauses Halt bieten und niemanden in sein Inneres eindringen lassen, so blockiert und verhindert die Zellwand das Eindringen verschiedener Krankheitserreger in die Zelle. Auf diese Weise schützt die Wand die Zelle vor Virusbefall, vor der Wirkung von Antibiotika und vor der Wirkung proteolytischer Enzyme, die die Zelle zerstören könnten. Beispielsweise schützt die Polyliposaccharidschicht gramnegativer Bakterien die Peptidoglykanschicht vor enzymatischem Abbau.

Resistenz gegen Turgor und osmolytischen Stress

Wenn eine Zelle in ein hypotonisches Medium (mit einer niedrigeren Gesamtkonzentration als das Zytoplasma) eingeführt wird, dringt das Wasser durch Osmose in ihr Inneres ein, erzeugt Druck und schwillt die Zelle an. Dies wird Turgor genannt. Die Zellwand ist dafür verantwortlich, dass die Zelle diesem Druck standhält, ohne zu brechen. Zellen, die keine Zellwand haben, wie zum Beispiel Erythrozyten, schwellen schnell bis zum Platzen an, wenn sie in ein hypotonisches Medium gegeben werden. Die Turgor-Resistenz ist für die Festigkeit des Pflanzengewebes verantwortlich.

Wachstumsregulierung

Die Zellwand sendet Signale, um den Prozess der Zellteilung zu induzieren, weshalb sie an der Regulierung des Wachstums von Pflanzengewebe und der Population von Mikroorganismen beteiligt ist.

Diffusionsregulierung

Da sie zwischen der Plasmamembran (und dem Zellinneren) und dem extrazellulären Raum liegen, müssen alle Substanzen, die in die Zelle eintreten und diese verlassen, die Zellwand passieren. Aus diesem Grund ist die Zellwand in der Lage, die Diffusion sowohl von Nährstoffen in die Zelle als auch von Abfallstoffen und Sekreten aus der Zelle heraus zu regulieren.

Gewebehaftung

Die Gewebeintegrität hängt stark von der Adhäsion zwischen benachbarten Zellen ab, und in vielen Fällen wird diese Adhäsion durch die äußere Schicht der Zellwand vermittelt.

Kommunikation mit anderen Zellen

In Pflanzengeweben sind Zellen durch Kanäle miteinander verbunden, die durch die Zellwände benachbarter Zellen verlaufen, die als Plasmodesmen bezeichnet werden. Diese Kanäle ermöglichen eine direkte Kommunikation zwischen den Zellen des Pflanzengewebes. Die Zellwand enthält auch Rezeptoren, die an der durch chemische Signale vermittelten interzellulären Kommunikation beteiligt sind.

Lagerung

Besonders in den Zellen, aus denen die Samen von Pflanzen bestehen, dient die Zellwand dazu, große Mengen an Kohlenhydraten in Form von Polysacchariden zu speichern, die sie für das Wachstum verstoffwechselt.

Tiertoxizität

Bei gramnegativen Bakterien ist in vielen Fällen die Lipopolysaccharidschicht für die toxischen Wirkungen pathogener Bakterien verantwortlich. Beispielsweise ist die Toxizität von Salmonella und einigen Escherichia- Arten auf Lipid A zurückzuführen, das in der äußeren Membran der Zellwand gefunden wird.

Quellen

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