De celwand van een bacteriecel

De meeste bacteriecellen hebben een celwand, met daarom heen ook nog vaak een kapsel of slijmlaag. (onderaan staan uitzonderingen)

Wat de bouw van de celwand betreft onderscheidt men grampositieve en gramnegatieve bacterien, dus elk met hun eigen celwandbouw, gemeenschappelijk is het mucopeptide het "skelet" dat voor de stevigheid zorgt.

(De archae hebben ook een celwand maar met een andere samenstelling als de bacterien dus geen mucopeptide)

Functie/ betekenis van de celwand

De celwand die het protoplasmamembraan omsluit, bepaalt de vorm en stevigheid van de cel. Ze biedt weerstand tegen de osmotische druk welke het cytoplasma uitoefent op de celmembraan. Deze osmotische druk is hoog, 6 atmosfeer bij Gramnegatieve bacteriën en 20 atmosfeer bij grampositieve bacteriën. Zonder celwand zal een bacteriecel uit elkaar knappen.

Ook is het voor veel bacteriën de buitenkant van de cel, het contactoppervlak met de omgeving. Veel structuren op de cel worden herkend door mens of dier als ze daar binnendringen, het lichaam vormt er passende antistoffen tegen. (zie antigenen)

De herkenning is wederzijds: omgekeerd zijn het vaak deze stoffen, de adhesinen, die kunnen hechten aan de slijmvliezen van de "gastheer" om zo een eerste stap te zetten in het infectieproces. Zie ook kapsel en flagellen die ook deel uitmaken van de buitenkant zijn een bacterie.

De stevigheid van de bacteriecelwand: mucopeptide

De stevigheid van de bacteriecelwand wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van mucopeptide, ook wel peptidoglycaan genoemd. Dit mucopeptide bestaat uit lange ketens gevormd door twee aminosuikers N-acetylglucosamine (G) en N-acetylmuraminezuur (M) die elkaar in de keten afwisselen. Deze ketens liggen parallel aan elkaar en zijn onderling verbonden door korte peptide-(aminozuur)bruggen. Zo ontstaat een stevig netwerk, een soort uitwendig skeletje.

Hieronder de ketens verbonden door de peptiden, kenmerkend zijn de peptide dwarsketens die rechtop staan (op het vlak) en verbindingen kunnen vormen met een tweede laag mucopeptide.

 mucopeptide

Omdat mucopeptide alleen bij bacteriën voorkomt en niet bij andere organismen als mens en dier is het de "achilleshiel" van de bacterie. Stoffen die het mucopeptide kunnen aantasten zijn dan ook specifiek werkende stoffen. Een bekende voorbeeld is het antibioticum penicilline , een stof die de opbouw van het mucopeptide verstoort. Een ander voorbeeld is lysozym, een stof welke wijd verspreid voorkomt in weefsels van organismen, speeksel, traanvocht en in zeer hoge concentraties in het wit van een ei. Lysozym tast ook bestaande bacteriecelwanden aan en zorgt zo voor een afweer (verdediging) tegen bacteriën. In de kaasindustrie wordt lysozym gebruikt ter vervanging van nitriet : het verhindert de groei van Clostridium butyricum, een bacterie die door boterzuurgisting het zogenaamde " laat los" effect  ( scheurvorming) in kaas veroorzaakt.

 

verschik gr+ en gram- cel

De grampositieve celwand

De grampositieve celwand heeft heel veel lagen mucopeptide met erg veel peptide-dwarsverbindingen.

In de grampositieve celwand liggen teichonzuren ingebed.

grampositief

De Grampositieve celwand bevat ook eiwit zoals proteïne A bij Staphylococcus aureus, dit eiwit is een voor deze soort specifiek antigen, welke met een bijpassend specifiek antiserum agglutinatie van de cellen veroorzaakt.

Deze specificiteit zorgt bij (melkzuur)bacteriën voor een specifieke gevoeligheid voor bepaalde bacteriofagen

De gram-negatieve celwand

In de Gramnegatieve celwand ligt slechts één laag mucopeptide met weinig dwarsverbindingen erin. De celwand van een gramnegatieve cel is dan ook kwetsbaarder dan die van een Grampositieve cel.

Aan de buitenkant van het mucopeptide ligt een tweede cyotoplasmamembraan de zogenaamde buitenmembraan een laag bestaande uit fosfolipiden ,  eiwitten en lipopolysaccharide.

Tussen dit buitenste membraan en het peptidoglycaan bevindt zich een holte: de periplasmatische ruimte. In deze ruimte bevinden zich belangrijke enzymen zoals ß-lactamase dat penicilline en andere antibiotica afbreekt en de bacterie zo resistent maakt tegen deze antibiotica.

gramnegatief

Het lipopolysaccharide bestaat uit lipide A, lpsen een keten van koolhydraten waaronder een specifiek gedeelte aan het uiteinde.Deze specifieke keten is binnen één soort zeer variabel van samenstelling en bepaalt de antigene samenstelling van het lipopolysaccharide : de O-antigenen. Deze O-antigenen vormen de basis van de serotypering bij Salmonella. Ook zijn het de specifieke aanhechtingsplaatsen voor bacteriofagen.

Het lipopolysaccharide-deel is giftig en wordt ook wel endotoxine genoemd. Het komt vrij als de cel afsterft (in de strijd met de afweer van de gastheer) en veroorzaakt koorts en hoofdpijn. Het endotoxine is zeer hittestabiel, het kan beter tegen verhitten dan de bacterie zelf en kan dan ook in gesteriliseerd glaswerk voorkomen. Dit is o.a. een probleem bij de bereiding van infuusvloeistoffen , deze moeten op speciale wijze in endotoxinevrij  (=pyrogeenvrij) glaswerk bereid worden. 

Door de poriën (eiwitmoleculen) van de buitenmembraan kunnen kleine moleculen door diffusie passeren, grote moleculen hebben transporteiwitten nodig. Door de aanwezigheid van de buitenmembraan zijn gramnegatieve bacteriën minder gevoelig voor penicilline dan grampositieve bacteriën. 

De gramkleuring

Zie voor de uitvoering in : het maken van preparaten 
Hieronder wat er gebeurt tijdens de kleuring

Na het maken van een uitstrijkje zijn de meeste bacterien (van nature) kleurloos.
Hieronder (niet op schaal) een objectglas met bacteriën  stap1
Vervolgens wordt gekleurd met kristalviolet en een jodiumoplossing wat de bacteriën een paarse kleur geeft:

stap2

Geen verschil te zien, nu wordt gespoeld met alcohol, met het volgende resultaat:

stap3

De grampositieve cellen hebben de kleurstof na de alcoholspoeling behouden, de gramnegatieve bacteriën zijn ontkleurd.Tot slot worden de gramnegatieve cellen met een roze kleurstof beter zichtbaar gemaakt:

stap4

Verklaring van het kleurverschil:

Het verschil in celwandstructuur is er de oorzaak van dat bij de gramkleuring een Grampositieve cel de eerste (paarse) kleurstof vasthoudt tijdens het spoelen met alcohol, terwijl de gramnegatieve bacterie hierdoor ontkleurd wordt :

Alternatieven voor de gramkleuring waarbij geen microscoop nodig hebt (en je dus ook de celvorm niet te weten komt) zijn de
KOH-methode en de bactident-aminopeptidase-test.

Uitzonderingen

Er zijn bacterien die geen celwand hebben: Mycoplasma (kan alleen in een gastheer leven).

Er zijn bacterien die slecht te kleuren zijn, omdat de celwand veel vette stoffen bevat, je doet dan geen gramkleuring maar een 'agressievere" kleuring, de zuurvastkleuring, bij Mycobacterium tuberculosis (veroorzaker van TBC).

Er zijn bacterien die te dun zijn om goed te kunnen zien door de gewone lichtmicroscoop. Met name de ziekteverwekkende spirochaeten, veroorzakers van de ziekte van Lyme, ziekte van Weil en syfilis. Hier biedt de donkerveldmicroscoop uitkomst of meer selectief met immuunfluorescentie de fluorescentie microscoop.