乳酸菌1

乳酸菌的耐酸机制

摘要:对乳酸菌耐酸机理进行了初步介绍, 主要从以下几个方面进行

了阐述, 包括质子泵机制、蛋白质及RNA修复、细胞膜及代谢方式的改变和碱生成等, 以期为人们了解乳酸菌耐酸的生理生化机制提供借鉴, 为研究者对乳酸菌耐酸性研究提供理论指导。

关键词:乳酸菌; 耐酸性; 机理

Review on the Mechanism of Acid Tolerance of Lactic Acid

Bacteria

Abstract:This review provided the possible acid tolerance mechanism of Lactic acid bacteria, including proton pump, repair of protein and RNA, cell membrane and metabolic ways change, production of alkali and so on. The purpose of this article was to make comprehensive understandings of the mechanism for acid tolerance of Lactic acid bacteria and provide a theoretical basis for the research work related to Lactic acid bacteria.

Key words:Lactic acid bacteria; acid tolerance; mechanism

引言

乳酸菌是一类能利用可发酵糖产生大量乳酸的细菌的通称。它们在自然界分布广泛，可栖居于人和动物的肠道及其他器官中。在土壤、植物根际和许多的人类食品、动物饲料，还有自然界的湖泊和污泥以及一些临床样品中都发现有乳酸菌的存在。很久以前人们就利用乳酸菌来发酵动物（乳、肉、鱼等）和植物制品（蔬菜、葡萄酒、橄榄等）生产各种各样的产品。随着食品发酵工业的不断发展壮大，乳酸菌的经济效益不断在增长，因为虽然它们在发酵食品中的含量非常少，但是对食品的感官品质和质量却有决定作用。因此，发酵剂菌株的质量功能特性和生长特性对于产品的成功发酵是非常必要的。

乳酸菌不但包括在食品发酵中使用的一般认为安全的微生物，而且还包括胃肠道中普遍存在的共生体和具有潜在益生作用的益生菌。对这些微生物来说，食品和胃肠道中的酸性环境对它们的生存是一个很大的挑战。例如，益生菌的最佳

载体是酸奶和发酵乳制品，益生菌如果想要在其中生存就不得不适应这两类载体的酸性环境。而且，益生菌需要能够在酸度更高的胃酸中生存，以便于它们能够顺利地通过胃到达小肠，并在小肠中生存。因此，人们已经普遍接受耐酸性作为筛选理想的益生菌株的特性之一[1]。因此，我们有必要及时研究乳酸菌的抗酸性机制，并对提高或者抑制其耐酸性的机制进行评价。本文讨论了乳酸菌可能的耐酸机理, 并对其进行了初步分析。

1质子泵

乳酸菌调控其细胞内pH的能力是乳酸菌细胞能够正常生存的重要的生理需求之一。乳酸菌在生长过程或在低pH环境中时，如果它不能够维持其细胞内环境的近中性，那么它就可能会丧失活力或者细胞活性。当环境中的pH低于细胞正常生理范围时，在一定的pH范围内时，乳酸菌能够通过某些机制维持细胞内的pH高于环境中的pH，使其保持在正常的生理范围之内。但是当环境中的pH非常低时，乳酸菌就不能够保持细胞内pH的稳定，胞内的pH也开始下降，最终内外的pH达到一致，乳酸菌生长停滞直至死亡[2]。大量的研究也表明，H+-ATPase 和谷氨酸脱羧酶（GAD）体系是乳酸菌维持胞内pH内稳定所使用的主要机制。

1.1H+-ATPase

多亚基的H+-ATPase（F1F0-ATPase）将ATP的产生和跨膜的质子动力势（PMF）偶联起来，它既可以通过利用细胞呼吸作用产生的PMF来生成ATP,可以利用底物磷酸化产生的ATP来产生PMF[3]。PMF能够促进细胞质中的质子的外排，导致胞内的pH的降低。嵌入细胞中的F0亚基复合体是由a、b和c三个亚基组成的，它是一个通道蛋白，具有质子转运活性。它的活性可以通过一些特定F1蛋白的共同表达而得到提高，这表明F1蛋白可能在F0通道蛋白的装配或开启过程中发挥一定的作用。结合在细胞膜表面的F1亚基复合体是由α、β、γ、δ和ε五个亚基组成的，当它被从膜中释放出来后就具有ATP酶活性。当其同嵌在膜中的F0亚基复合体络合在一起之后就能够醉话偶联的质子转运和ATP的合成或者水解之间的相互转换[4]。大量的科学研究已经表明H+-ATPase能够增强许多不同的乳酸菌菌种对低于环境pH的耐受性，例如对德式乳杆菌保加利亚亚种

（Lb.delbrueckiisubsp.bulgaricus）全基因测序的研究已经证实，在H+-ATPase的作用下，德式乳杆菌保加利亚亚种能够在其代谢过程所生成的乳酸导致的低pH

环境中正常生长。研究还坚定了嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）中受pH 诱导的F1F0-ATPase操纵子，他们发现嗜酸乳杆菌在低pH环境中生长时，不但atp 基因转录的产物会增加，而且细胞膜中H+-ATPase活性也会增加[5]。此外，还有研究者对乳酸乳球菌（Lactococcus latis）中编码F1F0-ATPase的基因进行了克隆和测序。

1.2谷氨酸脱羧酶体系

大约60年前，科学家通过研究发现微生物的氨基酸脱羧酶能够通过在脱羧反应中消耗质子来控制其生存环境中的pH。这些氨基酸脱羧酶包括赖氨酸脱羧酶、精氨酸脱羧酶和谷氨酸脱羧酶，它们发挥作用的方式是首先将一个质子结合到摄入细胞内部的氨基酸（赖氨酸、精氨酸或者谷氨酸）底物上，然后再将此合成的产物（尸胺、精胺或者γ-氨基丁酸）同细胞外的另一个氨基酸底物交换。通过这种方式，一分子的胞外氨基酸被转化成一分子的胞外产物，同时消耗的一分子胞内的质子导致胞内pH的升高[6]。在以上所提到的三种系统中，只有GAD系统同乳酸菌细胞的pH调控有关。按照最简单的调控机制模型的描述，GAD系统有一个赖氨酸脱羧酶、一个氨基酸通透酶和一个谷氨酸γ-氨基丁酸反向转运体组成。细胞通过特异的转运体摄入谷氨酸之后，在细胞内经过谷氨酸脱羧酶脱羧消耗一分子的胞内质子，反应的产物γ-氨基丁酸（GABA），通过反向转运体被排到胞外。最终结果是由于胞内氢离子的消耗导致细胞内的pH升高，胞外的谷氨酸被转变成碱性略强的GABA而导致胞外pH的略微升高。人们发现在乳杆菌中，谷氨酸的代谢能够产生ATP。基于此研究结果有人提出GAD系统通过将产生电子的反向转运体和氨基酸的脱羧作用偶联起来，能够提供给细胞所需的代谢能量。人们认为，通过三个连续的脱羧-反向转运偶联循环就能够产生一个足够的PMF供

F1F0-ATPase来合成一分子的ATP[7]。GAD系统的重要性显然同食品中存在的谷氨酸相关。谷氨酸被作为食品风味增强剂来使用具有悠久的历史，在很久以前，亚洲许多国家都有使用富含谷氨酸的海带作为食品风味增强剂的习俗。在现代食品生产中，谷氨酸钠是最常使用的添加剂，虽然钾盐、铵盐和钙盐也使用。在许多食品成分中也含有谷氨酸，它被用来调节这些食品的酸度。蛋白质含量丰富的食品，例如肉类和乳制品，同时还有一些蔬菜也含有较多结合的谷氨酸，这些食品的发酵衍生物也会提高游离的谷氨酸的含量。