淺析肽聚糖以及其相關功能

（廣東實驗中學附屬天河學校，廣東廣州 510650）

0 引言

細胞膜外有一層厚而有彈性的細胞壁組織。它的堅韌性和厚度有利于保護和支撐細胞，同時能夠維持細菌的固有形態(tài)?，F(xiàn)實生活中存在大量的真菌與細菌，現(xiàn)代生物科學已經(jīng)聚焦到細胞水平，研究者通過顯微鏡觀察到的細菌外層的膜狀物主要是肽聚糖，其中真菌細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，是細菌細胞壁機械強度的基礎。N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸以及肽橋、肽鏈緊密相連，構成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構。這樣的網(wǎng)狀結構使肽聚糖有著較強的機械強度。

1 肽聚糖的組成結構

肽聚糖在細胞膜外層起到保護細胞的作用，在植物細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)狀大分子結構，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、交替從而構成肽聚糖骨架，使肽聚糖擁有了網(wǎng)狀結構。在四肽尾（又稱四肽側鏈）中，L型與D型交替的四個氨基酸分子相連。在G+細菌中，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-細菌中，四肽尾則比較相似[1]。

其中形成的肽橋結構往往為短肽，用于連接周圍單位，使周圍的單位形成一種網(wǎng)狀結構。肽聚糖分子的機械強度正是得益于肽聚糖分子的網(wǎng)格狀結構。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)強度較差。肽橋中的短肽有多種變化，連接方式、化學成分在不同的細菌中呈現(xiàn)方式不同，使得不同細菌的細胞壁具有厚度上的差異。如直接交聯(lián)的細菌所具備的網(wǎng)狀結構較間接交聯(lián)的細菌的稀疏，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、物理以及化學方法處理，其中以機械粉碎、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”破碎細胞壁并將細胞壁離心收集，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，進一步離心去除磷壁酸和脂類物質(zhì)，得到肽聚糖，最后計算細胞壁得率（肽聚糖得率(%)=得到的肽聚糖質(zhì)量/處理的菌體質(zhì)量×100%）。超聲時間、超聲功率、水浴溫度對細胞壁得率有遞減的影響。溶菌酶法需要破碎細胞壁并將細胞壁離心收集。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、作用時間對細胞壁得率有遞減的影響[3]。

三氯乙酸法參考宋曉玲等改進的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。烯醇式丙酮酸轉移酶能夠促進細胞壁的合成，而抑制它能夠增強肽聚糖對機體的生物學功能[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胞膜以及細胞質(zhì)上，首先需要生成原料N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，接著需要與細胞質(zhì)中的核糖體結合，然后在此過程中被加工成N-乙酰胞壁酸五肽。后續(xù)合成過程在細胞膜進行，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)物會被運送到正在活躍合成肽聚糖的部位，多糖鏈轉化為雙糖單位，再在轉肽酶的作用下形成網(wǎng)狀結構的肽聚糖。

3 肽聚糖的功能簡介

3.1 肽聚糖的免疫增強功能

肽聚糖能激活免疫體系，誘導免疫因子釋放或表達，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物細胞乃至無脊椎動物中的巨噬細胞和多克隆B細胞。而作用于體內(nèi)時，肽聚糖直接作用于靶細胞或誘導細胞釋放細胞因子以造成細菌感染的許多癥狀。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行小鼠巨噬細胞吞噬活力實驗，設置分別腹腔注射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驗，并于第四天測定小鼠巨噬細胞吞噬和血清溶菌酶活力。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，實驗組（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，此實驗說明肽聚糖可能通過某種信號激活了吞噬細胞，機體免疫能力增強，提高了免疫力[6]。

另一組實驗使用30只公母各半的1日齡雛雞，進行肽聚糖對雞新城疫疫苗免疫增強效果的觀察。連續(xù)兩天進行頸部皮下注射，同樣設置分別腹腔注射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驗。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，研究者實驗發(fā)現(xiàn)，實驗組肽聚糖組中的抗體有了明顯的提升，其機體內(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，此結果進一步說明肽聚糖能夠增強疫苗免疫效果，并使其長時間處于一個較高水平。

3.2 肽聚糖的抗癌功能

肽聚糖生物學功能一直受到研究者的廣泛關注，其中上述的免疫增強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纖維肉瘤實驗，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能夠與靶細胞上具有抑制腫瘤細胞生長作用的Fas-Fas配體系統(tǒng)結合的TNF-α產(chǎn)生，利用其對腫瘤細胞的細胞毒性，使腫瘤細胞編程性死亡。研究者溫曉慶通過對小鼠肝癌細胞移植瘤與肽聚糖的互相作用實驗發(fā)現(xiàn)，肽聚糖能夠?qū)Π┘毎膹椭七M行干擾，通過抑制癌細胞的G1至S期，進而阻斷DNA的合成，通過一系列分子生物學層面干擾，使癌細胞無法增殖，最終達到抗腫瘤的效果，進一步研究發(fā)現(xiàn)，肽聚糖除了能抑制癌細胞遺傳物質(zhì)的復制外，還能促進癌細胞凋亡[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到62.50%、67.87%和87.50%，和陽性對照（5-氟脲嘧啶）水平相當；同時，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胞株H22；在小鼠體內(nèi)WPG能夠促進淋巴細胞轉化以增強免疫作用，同時能夠抑制肝癌細胞株H22生長，使其凋亡[8]。

4 展望

多種菌廣泛地存在于人體中，其細胞壁上的肽聚糖具有多種多樣生物學活性，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體非常安全，因此肽聚糖在未來的生物領域發(fā)展前景廣闊。例如益生菌是公認的副作用小、安全性高的微生物。依據(jù)肽聚糖的生物學特性，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，對肽聚糖的進一步研究可能使其應用在更廣泛的領域。同時，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。肽聚糖的相關衍生物也具有值得注意的生物學活性。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。在未來科學發(fā)展過程中相信研究者一定能摸清其相關規(guī)律為生物科研界奠定基礎。