细菌细胞壁对细菌功能的影响-周纯华

细菌细胞壁对细菌功能的影响兽医学院2010级动物丁颖班周纯华201030710330【摘要】细胞壁是在细菌细胞的外围，是一层坚韧而具有一定弹性的保护膜。

细胞壁的主要功能是维持细菌外形，保护细菌耐受低渗环境。

细胞壁还具有阻挡有害的物质进入菌体，维持菌体内外离子平衡，参与细胞的正常分裂等作用，并与细菌的致病性、抗原性、对噬菌体和药物的敏感性以及革兰染色特性等密切相关。

【关键词】细胞壁；功能；遗传变异；完整性；自身稳定性；致病性细胞壁是围在细菌最外层的固体物质，虽然它不是组成生命物质的必须组分，但是它对于维持细菌正常的生理功能具有重要的作用。

本文就从细菌细胞壁的组成、结核分枝杆菌的毒性的传播、自溶素对细菌的调控作用等方面来进行综述如下。

1.细菌细胞壁的组成1.1细菌的分类[1]根据细菌细胞壁的构造和化学组成不同，可将其分为革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌。

革兰氏阳性菌的细胞壁较厚（20～80nm），但化学组成比较单一，只含有90％的肽聚糖和10％的磷壁酸；但革兰氏阴性菌的细胞壁较薄（10～15nm），却有多层构造（肽聚糖和脂多糖层等），其化学成分中除含有肽聚糖以外，还含有一定量的类脂质和蛋白质等成分。

此外，两者在表面结构上也有显著不同。

1.2各个组分的具体介绍1.2.1肽聚糖[2]肽聚糖（peptidoglycan）,又称粘肽(mucopetide)、糖肽（glycopeptide）或胞壁质，是细菌细胞壁特有的物质。

细胞壁的机械强度有赖于肽聚糖的存在。

合成肽聚糖是原核生物特有的能力。

革兰阳性菌细胞壁的肽聚糖是由聚糖链支架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成的复杂聚合物。

1.2.1.1聚糖链支架由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过以β-1，4糖苷键交替连接起来，构成肽聚糖骨架。

溶菌酶是一种可以作用于肽聚糖β-1，4糖苷键的分解酶，可将肽聚糖分解成许多N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸，从而破坏细胞壁的骨架，它广泛存在于卵清、人的泪液和鼻腔、部分细菌和噬菌体内。

1.2.1.2四肽侧链一般是由4个氨基酸连接成的短肽链连接在N-乙酰胞壁酸分子上。

在革兰氏阳性菌如金黄色葡萄球菌中4个氨基酸是按L型与D型交替排列的方式连接而成的，即L-丙氨酸，D-谷氨酸，L-赖氨酸，D-丙氨酸。

在革兰氏阴性菌菌如大肠杆菌中为L-丙氨酸，D-谷氨酸，m-DAP(内消旋二氨基庚二酸)，D-丙氨酸。

两者的差异主要在第3个氨基酸分子上。

1.2.1.3五肽交联桥肽桥将相邻“肽尾”相互交联形成高强度的网状结构。

不同细菌的肽桥类型不同。

在革兰氏阳性菌如金黄色葡萄球菌中肽桥为甘氨酸五肽，这一肽桥的氨基端与甲肽尾中的第4个氨基酸的羧基相连接，而它的羧基端则与乙肽尾中的第3个氨基酸的氨基相连接，从而使前后两个肽聚糖单体交联起来形成网状结构；在革兰氏阴性菌如大肠杆菌中没有特殊的肽桥，其前后两个单体间的联系仅由甲肽尾的第4个氨基酸D-丙氨酸的羧基与乙肽尾第3个氨基酸m-DAP的氨基直接相连形成了较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套。

目前所知的肽聚糖有100多种，而不同种类的区别主要表现在肽桥的不同。

1.2.2磷壁酸磷壁酸又称垣酸，是革兰氏阳性菌细胞壁所特有的成分，约占细胞干重的50％。

主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。

根据结合部位不同可分为两种类型：壁磷壁酸和膜磷壁酸。

磷壁酸的主要生理功能为：①协助肽聚糖加固细胞壁；②提高膜结合酶的活力。

因磷壁酸带负电荷，可与环境中的Mg等阳离子结合，提高这些离子的浓度，以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要；③贮藏磷元素；④调节细胞内自溶素的活力，借以防止细胞因自溶而死亡；⑤作为某些噬菌体特异性吸附受体；⑥赋予G细菌特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定；⑦增强某些致病菌（如A族链球菌）对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬，并有抗补体的作用。

1.2.3外膜也称外壁，是革兰氏阴性菌所特有的结构。

它位于细胞壁的最外层，厚18～20nm。

由脂多糖、磷脂双分子层与脂蛋白组成。

因含有脂多糖，也常被称为脂多糖层。

外膜的内层是脂蛋白，连接着磷脂双分子层与肽聚糖层；中间是磷脂双分子层，它与细胞膜的脂双层非常相似，只是其中插有跨膜的孔蛋白；外层是脂多糖。

1.2.4脂多糖（LPS）脂多糖是革兰氏阴性菌细胞壁所特有的成分，位于革兰氏阴性菌细胞壁最外面的一层较厚（8～10nm）的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖和O－特异侧链3部分组成。

类脂A是由2个氨基葡萄糖组成的二糖，分别与磷酸和长链脂肪酸相连；核心多糖是由5～10种糖，主要是己糖或己糖胺组成；O-特异侧链（也称O-抗原）是由3～5个单糖组成的多个重复单位聚合而成，O-抗原具有抗原特异性。

LPS主要功能有：①类脂A是革兰氏阴性菌致病性内毒素的物质基础；②与磷壁酸相似，也有吸附Mg、Ca等阳离子以提高这些离子在细胞表面浓度的作用；③由于LPS结构的变化，决定了革兰氏阴性菌细胞表面抗原决定簇的多样性。

据统计（1983），国际上已报道根据LPS的结构特性而鉴定过沙门氏菌属的表面抗原类型多达2107个；④是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；⑤具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能。

脂多糖要维持其结构的稳定性需要足量Ca的存在。

如果用螯合剂除去Ca，LPS就解体。

这时，革兰氏阴性菌的内壁层肽聚糖就暴露出来，因而就可被溶菌酶所水解。

1.2.5膜蛋白蛋白质在革兰氏阴性菌细胞壁中含有较多的蛋白质，主要有外膜蛋白、脂蛋白、嵌合在脂多糖和磷脂层上的蛋白等。

另外还有存在于周质空间的周质蛋白（包括各种负责溶质运输的蛋白以及各种水解酶类和某些合成酶类）。

在革兰氏阴性菌细胞壁中也有蛋白质，但含量较少。

2.细菌细胞壁的致病性2.1结核分枝杆菌的危害[3]结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）是一种致病性的病原菌，它可以引起的具有传染性的结核病（Tuberculosis）。

目前由于艾滋病的大规模流行以及多重耐药性（MDR）菌株的广泛产生，已再度成为对人类健康最大的威胁之一。

（Peterson,2005;Van Rie,2006）我国是结核病疫情最严重的国家之一，结核病患者数量居世界第二位。

分枝杆菌的细胞壁结构独特，对细菌的生命、形态、毒性传播的非常重要，也是目前多数抗结核药物作用的靶位点。

2.2分枝杆菌中的致病成分分枝杆菌细胞壁中具有两种重要的成分，即mAGP（mycolic acid-arabinogalactan-petidoglycan）和LAM（lipoarabinomannan）mAGP 是细胞壁的核心结构，为一种复杂的脂多糖肽，由分支杆菌酸、阿拉伯聚糖半乳聚糖和肽聚糖三种成分组成。

mAGP直接影响了细胞壁的完整性（Brennan,2003;Crick,2004）是药物作用的良好靶点。

LAM是分支杆菌细胞壁中的另一种重要组分，主要由与细胞膜相连的肌醇脂、甘露聚糖和阿拉伯聚糖三种成分组成，它主要与细菌导致的免疫应答及毒性的传播等有关（Chatterjee,1998）。

3.细菌细胞壁能维持自身稳定3.1自溶素对细菌的调控[4]细菌自身产生的可以降解细菌细胞壁的蛋白水解酶称为自溶素（autolysin）。

肽聚糖是细菌细胞壁的重要组分之一，自溶素主要指肽聚糖水解酶。

自溶素与细菌细胞壁更新改建、细胞分裂、细胞粘附、生物膜形成、基因感受态等一系列代谢活动密切相关，对细菌生存和致病毒力至关重要。

自溶素活性受到严格调控，既保证细菌细胞壁适度降解满足其生存和攻击宿主的要求，又防止自溶素过度降解细胞壁造成细菌自溶。

2005年，Brown等首先报道变异链球菌Smu0630蛋白，其结构符合自溶素基本结构特征。

功能研究显示，Smu0630缺失，细菌形成长链，生物膜粗糙不成熟。

随后，Shibata等在筛选肽聚糖水解酶的实验中发现了同种蛋白，通过研究其对生物膜和细菌长链形成的作用，证实该蛋白是一种自溶素，命名为AtlA，编码基因为atlA。

BLAST 检索和抗体筛选结果表明AtlA可能是变异链球菌所特有的，口腔中的其他链球菌缺乏其同源物。

Chatfield等对表皮葡萄球菌（Staphylococcus）和乳酸乳球菌的研究表明，自溶素直接介导细菌间的粘附作用，启动细菌表面间的粘附。

粘附的分子机制是自溶素导致的细菌细胞壁肽聚糖的破坏。

AtlA的变异株细菌不能形成正常的生物膜，环境中有蔗糖存在时，生物膜呈稀疏的团块状，表面粗糙，状如海绵，孔隙较大，单位面积里的细菌较亲代相比少30%。

没有蔗糖存在时，则失去形成生物膜的能力。

加入纯化的AtlA后，这些缺陷完全恢复正常。

进一步研究表明，变异株生物膜内的细菌结构异常，使其易于形成长链结构，生物膜的异常结构可能源于长链的形成。

3.2双歧杆菌对宿主的作用双歧杆菌是重要的生理性细菌，维护机体的生理生态平衡，具有免疫调节、抗感染和抗肿瘤作用。

双歧杆菌及其细胞壁成分作为免疫调节剂经口服或非胃肠道途径应用均有增强宿主的免疫功能，促进各种细胞因子和抗体产生，促进自溶素的合成，提高NK细胞和巨噬细胞活性，增强局部或全身的防御功能[5]。

方宇红等也证实双歧杆菌有增强机体特异与非特异性免疫功能的作用，从而提高对感染的抵抗力。

[6]3.3D-氨基酸的作用[7]在细菌等低等生物中，D-丙氨酸不仅作为能量储存也作为细菌细胞壁的组成成分，它直接参与相邻肽聚糖的交联。

在革兰阳性菌中，D-丙氨酸还不同程度的存在于细胞壁中的胞壁酸和磷壁酸脂之中，具有调节自溶素的活性。

3.4总结从上述资料中可以看出细菌细胞壁有能量储存的作用，另外，细菌细胞壁与自溶素之间是相互调节、相互作用的。

这说明细菌细胞壁的溶解与生成不是被动的，而是与细菌细胞壁中的某些成分有关系。

从而可以推断出细菌细胞壁对于维持细菌自身的稳定具有重要作用。

此外，细菌细胞壁还可以使宿主细胞产生免疫反应，从而与宿主形成一种共生的有利关系。

4.细菌细胞壁对整体完整性的影响4.1壳聚糖对细菌细胞壁的损害[8]壳聚糖（chitosan）又称甲壳胺，是甲壳素脱乙酰基而形成的天然高分子量的直链型多糖，具有聚阳离子型电解质的特性。

分子量可达数十万，但壳聚糖水溶性差，限制了应用。

对壳聚糖进行降解可形成低分子量的壳寡聚糖（Chitooligo sacchairide）。

壳寡聚糖有水溶性好、功能作用大和生物活性高等特点，已开始应用与医药保健品等领域。

壳寡聚糖可以抑制口腔致龋性细菌的生长并抑制对羟基磷灰石（HA）表面的粘附。

当壳寡聚糖作用于细菌后，细菌细胞壁的通透性增加，对细胞内物质的保护功能明显降低，细菌的相关代谢活动同时也可能受到影响。

这表明细菌细胞壁的完整性被破坏。

从上述资料中可以看出，细菌细胞壁与生物膜有相似的功能，即可以使细胞内的物质在菌体内而不泄露于菌体外。