淺析肽聚糖以及其相關(guān)功能

（廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)附屬天河學(xué)校，廣東廣州 510650）

0 引言

細(xì)胞膜外有一層厚而有彈性的細(xì)胞壁組織。它的堅(jiān)韌性和厚度有利于保護(hù)和支撐細(xì)胞，同時(shí)能夠維持細(xì)菌的固有形態(tài)?，F(xiàn)實(shí)生活中存在大量的真菌與細(xì)菌，現(xiàn)代生物科學(xué)已經(jīng)聚焦到細(xì)胞水平，研究者通過顯微鏡觀察到的細(xì)菌外層的膜狀物主要是肽聚糖，其中真菌細(xì)胞壁的主要成分為肽聚糖，在革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌中肽聚糖的占比不同。肽聚糖又稱黏肽，是細(xì)菌細(xì)胞壁機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)。N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸以及肽橋、肽鏈緊密相連，構(gòu)成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使肽聚糖有著較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。

1 肽聚糖的組成結(jié)構(gòu)

肽聚糖在細(xì)胞膜外層起到保護(hù)細(xì)胞的作用，在植物細(xì)胞中行使此功能的是纖維素，在不具有纖維素的生物，如各種動(dòng)物、微生物中，肽聚糖扮演重要的角色，它是一種具有雙糖單位的多層網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)，其中雙糖單位中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸相互聯(lián)系、交替從而構(gòu)成肽聚糖骨架，使肽聚糖擁有了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在四肽尾（又稱四肽側(cè)鏈）中，L型與D型交替的四個(gè)氨基酸分子相連。在G+細(xì)菌中，四肽尾的氨基酸組成與順序多種多樣。如金黃色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus) 的四肽尾為L-Ala→D-Glu→L-Lys→D-Ala，星星木棒桿菌( Corynebacterium poinsettiae) 的四肽尾為 L-Ser→ D-Glu →L-Orn →D-Ala，在G-細(xì)菌中，四肽尾則比較相似[1]。

其中形成的肽橋結(jié)構(gòu)往往為短肽，用于連接周圍單位，使周圍的單位形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。肽聚糖分子的機(jī)械強(qiáng)度正是得益于肽聚糖分子的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。肽橋由一條四肽尾的第4位氨基酸與另一條四肽尾的第3位氨基酸進(jìn)行4-3直接交聯(lián)或間接交聯(lián)形成。與間接交聯(lián)相比，直接交聯(lián)時(shí)兩條四肽尾上的氨基與羧基直接縮合形成肽腱( -CO-NH-)，因而其連續(xù)強(qiáng)度較差。肽橋中的短肽有多種變化，連接方式、化學(xué)成分在不同的細(xì)菌中呈現(xiàn)方式不同，使得不同細(xì)菌的細(xì)胞壁具有厚度上的差異。如直接交聯(lián)的細(xì)菌所具備的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較間接交聯(lián)的細(xì)菌的稀疏，使其厚度較小[2]。

2 肽聚糖的分離與合成

2.1 肽聚糖的提取

在提取肽聚糖的過程中，常用到生物、物理以及化學(xué)方法處理，其中以機(jī)械粉碎、生化提取的方式為主。在提取嗜酸乳桿菌的肽聚糖過程中，常會用到以下三種方法：即生物化學(xué)溶菌酶法，物理超聲波法以及三氯乙酸法，其中三氯乙酸法提取效率最高。首先，超聲波法利用超聲波的“空穴效應(yīng)”破碎細(xì)胞壁并將細(xì)胞壁離心收集，再先后用十二烷基磺酸鈉(SDS)水浴和胰蛋白酶處理去除蛋白，進(jìn)一步離心去除磷壁酸和脂類物質(zhì)，得到肽聚糖，最后計(jì)算細(xì)胞壁得率（肽聚糖得率(%)=得到的肽聚糖質(zhì)量/處理的菌體質(zhì)量×100%）。超聲時(shí)間、超聲功率、水浴溫度對細(xì)胞壁得率有遞減的影響。溶菌酶法需要破碎細(xì)胞壁并將細(xì)胞壁離心收集。再去除蛋白、磷壁酸和脂類物質(zhì)，得到肽聚糖。溶菌酶添加量、pH、水浴溫度、作用時(shí)間對細(xì)胞壁得率有遞減的影響[3]。

三氯乙酸法參考宋曉玲等改進(jìn)的Park法。水浴加熱離心洗滌后的嗜酸乳桿菌的三氯乙酸溶液，冷卻后離心處理，收集沉淀進(jìn)行洗滌；在胰蛋白酶磷酸緩沖液中再次離心去除蛋白，接著除脂類物質(zhì)，最終得到淡褐色膠質(zhì)肽聚糖提取物。

這三種方法中，三氯乙烯法的肽聚糖得率明顯較高，主要是由于超聲波法與溶菌酶法多次進(jìn)行離心、洗滌，有肽聚糖損失；而去除肽聚糖蛋白的效果差別不大，主要原因是都使用三氯乙烯去除蛋白；且三種方法都不具有保持肽聚糖完整性的功能。烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)移酶能夠促進(jìn)細(xì)胞壁的合成，而抑制它能夠增強(qiáng)肽聚糖對機(jī)體的生物學(xué)功能[4]。

2.2 肽聚糖的合成

肽聚糖的合成步驟約為20步，其合成位置主要在細(xì)胞膜以及細(xì)胞質(zhì)上，首先需要生成原料N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，接著需要與細(xì)胞質(zhì)中的核糖體結(jié)合，然后在此過程中被加工成N-乙酰胞壁酸五肽。后續(xù)合成過程在細(xì)胞膜進(jìn)行，合成肽聚糖單體過程中，需要溶菌酶以及脂質(zhì)載體參與合成，合成N-乙酰胞壁酸五肽與N-乙酰葡萄糖胺[5]。在此之后，第二步生成的產(chǎn)物會被運(yùn)送到正在活躍合成肽聚糖的部位，多糖鏈轉(zhuǎn)化為雙糖單位，再在轉(zhuǎn)肽酶的作用下形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的肽聚糖。

3 肽聚糖的功能簡介

3.1 肽聚糖的免疫增強(qiáng)功能

肽聚糖能激活免疫體系，誘導(dǎo)免疫因子釋放或表達(dá)，從而提高免疫功能。乳酸菌中的肽聚糖具有免疫調(diào)節(jié)作用，能夠激活體外所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞乃至無脊椎動(dòng)物中的巨噬細(xì)胞和多克隆B細(xì)胞。而作用于體內(nèi)時(shí)，肽聚糖直接作用于靶細(xì)胞或誘導(dǎo)細(xì)胞釋放細(xì)胞因子以造成細(xì)菌感染的許多癥狀。雙杰等通過研究發(fā)現(xiàn)肽聚糖有激活巨噬細(xì)胞以提高免疫力的功能。李迎雪等研究發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌的完整肽聚糖能夠通過信號ERK→AP-1活化巨噬細(xì)胞。

姚光國等使用18只4～6周齡、雌雄各半的昆明種小白鼠進(jìn)行小鼠巨噬細(xì)胞吞噬活力實(shí)驗(yàn)，設(shè)置分別腹腔注射1mg/ml的Z8肽聚糖提取物、Z17肽聚糖提取物和生理鹽水的對照實(shí)驗(yàn)，并于第四天測定小鼠巨噬細(xì)胞吞噬和血清溶菌酶活力。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組（注射肽聚糖提取物）相比于對照組（注射生理鹽水）顯示出吞噬功能和活力有了明顯的提升，此實(shí)驗(yàn)說明肽聚糖可能通過某種信號激活了吞噬細(xì)胞，機(jī)體免疫能力增強(qiáng)，提高了免疫力[6]。

另一組實(shí)驗(yàn)使用30只公母各半的1日齡雛雞，進(jìn)行肽聚糖對雞新城疫疫苗免疫增強(qiáng)效果的觀察。連續(xù)兩天進(jìn)行頸部皮下注射，同樣設(shè)置分別腹腔注射1mg/ml的Z8肽聚糖提取物、Z17肽聚糖提取物和生理鹽水的對照實(shí)驗(yàn)。用ND-Lasota IV系活疫苗免疫，接種雞法氏囊疫苗以測定新城疫抗體。在經(jīng)過了近30d之后，研究者實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組肽聚糖組中的抗體有了明顯的提升，其機(jī)體內(nèi)抗體水平能夠保持較高水平，其中抗體水平下降速度較慢，此結(jié)果進(jìn)一步說明肽聚糖能夠增強(qiáng)疫苗免疫效果，并使其長時(shí)間處于一個(gè)較高水平。

3.2 肽聚糖的抗癌功能

肽聚糖生物學(xué)功能一直受到研究者的廣泛關(guān)注，其中上述的免疫增強(qiáng)功能以及抗癌功能被研究者廣泛挖掘。Sekine等利用小鼠的皮下移植Meth-A纖維肉瘤實(shí)驗(yàn)，證明肽聚糖的抗癌作用。據(jù)馬西藝等研究，乳酸桿菌肽聚糖可誘導(dǎo)能夠與靶細(xì)胞上具有抑制腫瘤細(xì)胞生長作用的Fas-Fas配體系統(tǒng)結(jié)合的TNF-α產(chǎn)生，利用其對腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性，使腫瘤細(xì)胞編程性死亡。研究者溫曉慶通過對小鼠肝癌細(xì)胞移植瘤與肽聚糖的互相作用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肽聚糖能夠?qū)Π┘?xì)胞的復(fù)制進(jìn)行干擾，通過抑制癌細(xì)胞的G1至S期，進(jìn)而阻斷DNA的合成，通過一系列分子生物學(xué)層面干擾，使癌細(xì)胞無法增殖，最終達(dá)到抗腫瘤的效果，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，肽聚糖除了能抑制癌細(xì)胞遺傳物質(zhì)的復(fù)制外，還能促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡[7]。

楊平等通過對裸鼠胃癌的研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌的完整肽聚糖（WPG）能夠抑制移植瘤的生長速度，WPG低、中、高劑量組的抑瘤率分別可達(dá)到62.50%、67.87%和87.50%，和陽性對照（5-氟脲嘧啶）水平相當(dāng)；同時(shí)，WPG組中的移植瘤還出現(xiàn)了普遍的壞死現(xiàn)象。齊占朋等發(fā)現(xiàn)，上述WPG還對大腸癌Lovo細(xì)胞有作用。栗敏等的研究表明上述WPG在體外可選擇性殺傷肝癌細(xì)胞株H22；在小鼠體內(nèi)WPG能夠促進(jìn)淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化以增強(qiáng)免疫作用，同時(shí)能夠抑制肝癌細(xì)胞株H22生長，使其凋亡[8]。

4 展望

多種菌廣泛地存在于人體中，其細(xì)胞壁上的肽聚糖具有多種多樣生物學(xué)活性，如文中提到的免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤，以及抗感染、黏附作用等。而且低分子量的肽聚糖對機(jī)體非常安全，因此肽聚糖在未來的生物領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。例如益生菌是公認(rèn)的副作用小、安全性高的微生物。依據(jù)肽聚糖的生物學(xué)特性，益生菌肽聚糖具有作為免疫調(diào)節(jié)及抗癌藥物的前景。目前，肽聚糖已經(jīng)被用于畜禽飼料添加劑和藥物添加劑，借助其免疫調(diào)節(jié)功能增強(qiáng)畜禽的抗病能力。但要使肽聚糖成為更穩(wěn)定的添加劑和人類藥物，還有些問題亟待解決。未來，對肽聚糖的進(jìn)一步研究可能使其應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域。同時(shí)，在之后的研究中有可能找到受體分子、信號分子，讓肽聚糖發(fā)揮更大的作用。肽聚糖的相關(guān)衍生物也具有值得注意的生物學(xué)活性。Fernandez等發(fā)現(xiàn)益生菌肽聚糖的衍生物胞壁肽能夠在炎性腸疾病的治療方面發(fā)揮作用，可能成為炎性腸疾病的解決思路之一。在未來科學(xué)發(fā)展過程中相信研究者一定能摸清其相關(guān)規(guī)律為生物科研界奠定基礎(chǔ)。