乳酸菌的耐酸性机制

基酸脱羧酶－ 反向转运体系— ——鸟氨酸脱羧酶体系。 ５ 产生碱
２ 蛋白质修复
５．１ 精氨酸脱亚氨酸酶体系
当细菌细胞处于酸性环境中时乳酸菌的某些伴
科学 家在 许 多乳 酸 菌中 都发 现 了 ＡＤＩ 体 系 的 存
侣 蛋白 、蛋 白酶 和 热激 蛋白 会 大量 表 达， 从 而 能 够 保 在。ＡＤＩ 体系主要由精氨酸脱亚氨酸酶、鸟氨酸转氨
Ｓｍａｌｌ 和 Ｗａｔｅｒｍａｎ 描 述 了 一 个 最 简 单 的 谷 氨 酸 脱羧酶体系（ ＧＡＤ） 的调控机制模型， 它由一个谷氨酸 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 。乳 酸 菌 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
Ｗａｔｅｒｍａｎ 和 Ｓｍａｌｌ 在 研 究 氯 化 物 诱 导 的 启 动 子 操纵子的特异性研究发现， 低 ｐＨ 值诱导的酸耐受反
表达时， 鉴定了乳酸乳球菌（ Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ ｌａｃｔｉｓ） 的 Ｇａｄ－ 应， 通常是由它们自身的热激蛋白的调控子 ＨｒｃＡ 和
ＣＢ 操纵子。他们发现乳球菌的 ｇａｄＣ 基因同大肠杆菌 ＣｔｓＲ 介导的。
护蛋白的活性或者降解对细胞有害的蛋白。例如利用 酶和鸟氨酸氨基甲酸激酶 ３ 种酶组成， 它们分别是由
蛋白质组学的方法分析某些 乳 酸菌 的 酸耐 受 响应 时 ａｒｃＡ、ａｒｃＢ 和 ａｒｃＣ 基因编码的， 能够催化精氨酸生成
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专题论述
张艳国等：乳酸菌的耐酸性机制
鸟氨酸、氨和二氧化碳， 产生的氨会中和细胞内的 Ｈ＋， 升高胞内 ｐＨ 值， 从而提高细菌的耐酸性。普遍认
到一致， 导致乳酸菌的生长停滞直至死亡。大量的研 究表明， Ｈ＋－ ＡＴＰａｓｅ 和 谷氨 酸 脱羧 酶（ ＧＡＤ） 体 系 是乳 酸菌维持胞内 ｐＨ 值稳定所使用的主要机制。 １．１ Ｈ＋－ ＡＴＰａｓｅ
多亚基的 Ｈ＋－ ＡＴＰａｓｅ（ 又可称为 Ｆ１Ｆ０－ ＡＴＰａｓｅ） 将 ＡＴＰ 的产生和跨膜的质子动力势（ ＰＭＦ） 耦联起来， 它
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
ＰＭＦ。ＰＭＦ 能够促进细胞质中质子的外排， 导致胞内 ｐＨ 值的降低。Ｆ１Ｆ０－ ＡＴＰｏｓｅ 由 Ｆ０ 蛋白和 Ｆ１ 蛋白构 成。嵌入细胞膜中的 Ｆ０ 亚基复合体是由 ａ、ｂ 和 ｃ 三
乳酸菌来发酵动物制品（ 乳、肉、鱼等） 和植物制品（ 蔬 菜、葡萄酒、橄榄等） 。随着食品发酵工业的不断发展
常低时， 乳酸菌就不能够再维持细胞内 ｐＨ 值的稳定， 胞内的 ｐＨ 值也开始下降， 最终细胞内外的 ｐＨ 值达
壮大， 开发利用乳酸菌的经济效益也不断在增长。虽 然乳酸菌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性作用， 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 （ ＧＲＡＳ） 的 微 生 物 ， 而 且 还 包 括 胃 肠 道 中
ｇａｄＲ 基因。ＧａｄＲ 蛋白正调控氯化物诱导的 ｇａｄＣ 和 丢失位点处的残基通常称为无碱基或 ＡＰ（ 无嘌呤， 无
ｇａｄＢ 基因的表达。Ｓａｎｄｅｒｓ 等的研究表明， 乳球菌在低 嘧啶） 位点。通常只有单个碱基缺陷， 乳酸菌才可以利
ｐＨ 值下生长以及培养基中存在 ＮａＣｌ 和谷氨酸时， 当 用碱基切除修复方式来进行修复。如果 ＤＮＡ 损伤造
以利用的耐酸性机制有许多种， 大体上可以分成 ８ 类 ： 质 子 泵 、蛋 白 质 修 复 、ＤＮＡ 修 复 、调 节 因 子 、细 胞 密 度的 改变 、细 胞膜 的 改变 、产生 碱 和 代 谢 方 式 的 改
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 ε５ 个亚基组成 的， 当它从膜中释放出来后就具有 ＡＴＰ 酶活 性 ， 当其
专题论述
《 饲料工业》·２００７ 年第 ２８ 卷第 ４ 期
乳酸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的耐酸性机制
张艳国 田 雷
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。乳酸菌在自然界分布广泛， 可栖居于人 和 动 物 的 肠 道 以 及 其 它 器 官 内 。很 久 以 前 人 们 就 利 用
正常生理 ｐＨ 值范围时， 乳酸菌能够通过某些机制维 持细胞内的 ｐＨ 值高于环境中的 ｐＨ 值， 使其保持在 正常的生理 ｐＨ 值范围内。但是当环境中的 ｐＨ 值非
相比， 存活率提高了 １ ０００ 倍。由于在唾液中存在尿 素 ， 因 此 尿 素 水 解 可 能 对 唾 液 链 球 菌 （ Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ
为， 口腔细菌所具有的 ＡＤＩ 体系对人类来说是有益 ｓａｌｉｖａｒｉｕｓ） 在其它嗜酸的乳杆菌和口腔链球菌正常生
的， 如格氏链球菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ ｇｏｒｄｏｎｉｉ）、副血链球菌 长导致的极低 ｐＨ 环境中生存尤其重要。
活 非 常 重 要 。Ｎｏｍｕｒａ 等 对 乳 酸 乳 球 菌 乳 脂 亚 种 （Ｌ． 有能够切除 ＡＰ 位点的内切酶活性， 而且还诱导了 ｕ－
ｌａｃｔｉｓ ｓｕｂｓｐ． Ｃｒｅｍｏｒｉｓ）的 研 究 表 明 ， 它 含 有 一 个 ｇａｄＢ ｖｒＡ 基因的表达。这说明， 在细菌的酸应激过程中， 它
氢离子的消耗导致细胞内的 ｐＨ 值升高， 胞外的谷氨 能够在不同乳酸菌中发现 Ｄｎａｋ 和 ＧｒｏＥＬ 蛋白， 然而
酸 被 转 变 成 碱 性 略 强 的 ＧＡＢＡ 而 导 致 胞 外 ｐＨ 值 的 在不同种的乳酸菌中， 酸诱导表达的热激蛋白的种类
略微升高。
各不相同。研究者对乳酸乳球菌（ Ｌ． ｌａｃｔｉｓ） ｇｒｏＥ 和 ｃｌｐＰ
基因同源物， 但是由于移码突变而导致其没有活性。 们可能同时使用碱基切除和核苷酸切除修复方式对
这 一 发现 至 少可 以在 某 种程 度 上 解 释 为 什 么 乳 酸 乳 ＤＮＡ 进行修复。
球菌乳酸亚种（Ｌ． ｌａｃｔｉｓ ｓｕｂｓｐ． Ｌａｃｔｉｓ）和乳酸乳球菌乳 ４ 细胞膜的改变
脂亚种（Ｌ． ｌａｃｔｉｓ ｓｕｂｓｐ． Ｃｒｅｍｏｒｉｓ）的耐酸性不同。
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张艳国等：乳酸菌的耐酸性机制
专题论述
一 分 子 的 胞 内 质 子 ， 反 应 的 产 物 γ－ 氨 基 丁 酸 （ ＧＡ－ 发现， 某些 热 激蛋 白 总是 增量 表 达 ， 可 能 会 修 复 酸 诱
ＢＡ） ， 通过反向转运体被排到胞外。最终 结 果是 胞 内 导损伤的蛋白， 有助于新合成蛋白的折叠。尽管经常
（Ｅ．ｃｏｌｉ）的 ｇａｄＣ 蛋 白 基 因 具 有 同 源 性 ， 根 据 此 同 源 性 ３ ＤＮＡ 修复
和乳球菌中存在的 １２ 个跨膜疏水结构域， 人们认为
由于内部 ｐＨ 值降低， 受损的 ＤＮＡ 可以通过错误
ｇａｄＣ 基因编码是一个氨基酸反向转运体。Ｎｏｍｕｒａ 等 碱基序列的剪切或已停止的复 制又 重 新起 始 复制 而
酸度更高的胃酸中生存， 以便于它们能够顺利的通过 个亚基组成的， 它是一个通道蛋白， 具有质子转运活
胃肠道到达小肠， 并在小肠中生存。因此， 人们已经把 耐 酸 性 作 为 筛 选 理 想 益 生 菌 株 的 特 征 之 一 。乳 酸 菌 可
性。它的活性可以通过一些与特定 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
对大量乳酸乳球菌乳酸亚种（Ｌ． ｌａｃｔｉｓ ｓｕｂｓｐ． Ｌａｃｔｉｓ）菌 被修复。当乳酸菌细胞内的 ｐＨ 值过低时会导致 ＤＮＡ
株的 Ｓｏｕｔｈｅｒｎ ｂｌｏｔ 分析表明， ｇａｄＢ 基因是以单拷贝形 的脱嘌呤和脱嘧啶， 这种现象的发生涉及碱基的质子
式存在的。在其上游发现了一个组成型表达基因— —— 化以及随后的碱基和戊糖之间的糖苷键的剪切， 碱基
变， 其中， 对质子泵、产生碱的机制研究的比较多。 １ 质子泵
同嵌在膜中的 Ｆ０ 亚基复合体络合在一起之后就能够 催化耦联的质粒转运和 ＡＴＰ 的合成或 者 水解 之 间的
乳酸菌调控其细胞内 ｐＨ 值的能力是乳酸菌细胞 能 够 正 常 存 活 的 重 要 的 生 理 要 求 之 一 。乳 酸 菌 在 生 长 过程或在低 ｐＨ 值环境中时， 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。Ｈｕｔｋｉｎｓ 等发现， 当环境中的 ｐＨ 值低于细胞
张艳国，东北农业大学实验实习基地，１５００３０，黑龙江哈 尔滨。
田雷，哈药集团制药总厂哈尔滨康铃科技开发有限公司。 收稿日期：２００６－ １２－ ０６
相互转换。Ｋｕｌｌｅｎ 和 Ｋｌａｅｎｈａｍｍｅｒ 鉴定了嗜酸乳杆菌 （ Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ ａｃｉｄｏｐｈｉｌｕｓ） 中 受 ｐＨ 值 诱 导 的 Ｆ１Ｆ０－ ＡＴＰａｓｅ 操纵子， 他们发现低 ｐＨ 值环境不但同 ＡＴＰ 基 因转录产物的增加相关， 而且还同细胞膜中 Ｈ＋－ ＡＴ－ Ｐａｓｅ 活性的增加有关。 １．２ 谷氨酸脱羧酶体系
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
既 可 以 利 用 细 胞 呼 吸 作 用 产 生 的 ＰＭＦ 来 生 成 ＡＴＰ， 又 可 以 利 用 通 过 底 物 磷 酸 化 产 生 的 ＡＴＰ 来 产 生
并有 ０．２ Ｍ 嘧啶－ ＨＣｌ 存在时活力最大， 而不是被 Ｎａ－ 反应。如 Ｑｕｉｖｅｙ 等 发现 ， 突 变链 球 菌（Ｓ． ｍｕｔａｎｓ）在 低
Ｃｌ 激活。此外， Ａｎｄｒｅａ 等在对嗜酸乳杆菌（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌ－ ｐＨ 值环境中生存时， 细胞膜中的单不饱和脂肪酸和长
ｌｕｓ ａｃｉｄｏｐｈｉｌｕｓ）ＮＣＦＭ 的 研 究 中 又 发 现 了 一 个 新 的 氨 链脂肪酸会增多， 这会降低细胞膜对质子的通透性。
被假定是乳球菌能够在胃中存活的机制， 因为在胃里 切除， 编码此酶的基因是 ｕｖｒ 基因， 由多个亚 基组 成 。
微生物面对的是高酸、高氯化物的生存环境。人们推 Ｈａｎｎａ 等发现， 在低 ｐＨ 值环境中生存时，突 变链 球 菌
测 ｇａｄＣＢ 基因可能对乳球菌在干酪生 产 过程 中的 存 （ Ｓｍｕｔａｎｓ） 的野生型和含有 ｒｅｃＡ 基因的突变株中都具
细胞膜是细菌生存的外部环境中物理化学压力
许多乳杆菌能够催化谷氨酸生成 ＧＡＢＡ 的反应。 的首要侵袭目标之一。细菌能够通过改变细胞膜的结
在 这 些 乳 杆 菌 中 短 乳 杆 菌 （Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ Ｂｒｅｖｉｓ）的 构、成分、稳定性和活性来保护细胞， 而细胞膜的脂肪
ＧＡＤ 已经被纯化出 来， 并 发 现其 在 ３０ ℃、ｐＨ 值 ４．２ 酸成分的改变是最常见的细菌对外部环境压力的一种
（Ｓ．Ｐａｒａｓａｎｇｕｉｓ）和 血链 球 菌（Ｓ．ｓａｎｇｕｉｓ）以 及 某 些 乳 杆 菌 ６ 代谢方式的改变
都利用游离的精氨酸（平均分泌 浓 度为 ５０ μＭ）， 或者
虽然人们已经了解了微生物在温和酸性环境中
利用唾液中的多肽和蛋白质中的精氨酸。它们能够提 生长、适应酸性环境和在极端 ｐＨ 值下存活的抗酸性
高乳酸菌的耐酸性， 这对某些很少具有固有的酸抗性 机制， 但是还不是很了解乳酸菌对其发酵过程中的自
的口腔乳酸菌 （也就是说非突变体） 来说是非常重要 酸化作用的响应机制。但是， 人们已经发现， 随着生存
的。对这些细菌来说， ＡＤＩ 体系非常重要， 因为它使得 环境的酸化， 乳酸菌改变了 ＡＴＰ 的 代 谢方 式 ， 它们 利
进入稳定期时其 ｇａｄＣ 和 ｇａｄＢ 基因的表达量最大， 并 成 ＤＮＡ 螺旋结构较大变形， 则需要以核苷酸切除修
且当基因插入而使 ｇａｄＢ 基因失活时会使得乳球菌的 复方式进行修复。最常见的是短片断修复， 只有多处
酸敏感性增加。氯化物诱导 ｇａｄＣ 和 ｇａｄＢ 基因的表达 发生严重的损伤才会诱导长片断修复。损伤由切除酶