浅析肽聚糖以及其相关功能

（广东实验中学附属天河学校，广东广州 510650）

0 引言

细胞膜外有一层厚而有弹性的细胞壁组织。它的坚韧性和厚度有利于保护和支撑细胞，同时能够维持细菌的固有形态。现实生活中存在大量的真菌与细菌，现代生物科学已经聚焦到细胞水平，研究者通过显微镜观察到的细菌外层的膜状物主要是肽聚糖，其中真菌细胞壁的主要成分为肽聚糖，在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中肽聚糖的占比不同。肽聚糖又称黏肽，是细菌细胞壁机械强度的基础。N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸以及肽桥、肽链紧密相连，构成稳定的网状结构。这样的网状结构使肽聚糖有着较强的机械强度。

1 肽聚糖的组成结构

肽聚糖在细胞膜外层起到保护细胞的作用，在植物细胞中行使此功能的是纤维素，在不具有纤维素的生物，如各种动物、微生物中，肽聚糖扮演重要的角色，它是一种具有双糖单位的多层网状大分子结构，其中双糖单位中N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸相互联系、交替从而构成肽聚糖骨架，使肽聚糖拥有了网状结构。在四肽尾（又称四肽侧链）中，L型与D型交替的四个氨基酸分子相连。在G+细菌中，四肽尾的氨基酸组成与顺序多种多样。如金黄色葡萄球菌 ( Staphylococcus aureus) 的四肽尾为L-Ala→D-Glu→L-Lys→D-Ala，星星木棒杆菌( Corynebacterium poinsettiae) 的四肽尾为 L-Ser→ D-Glu →L-Orn →D-Ala，在G-细菌中，四肽尾则比较相似[1]。

其中形成的肽桥结构往往为短肽，用于连接周围单位，使周围的单位形成一种网状结构。肽聚糖分子的机械强度正是得益于肽聚糖分子的网格状结构。肽桥由一条四肽尾的第4位氨基酸与另一条四肽尾的第3位氨基酸进行4-3直接交联或间接交联形成。与间接交联相比，直接交联时两条四肽尾上的氨基与羧基直接缩合形成肽腱( -CO-NH-)，因而其连续强度较差。肽桥中的短肽有多种变化，连接方式、化学成分在不同的细菌中呈现方式不同，使得不同细菌的细胞壁具有厚度上的差异。如直接交联的细菌所具备的网状结构较间接交联的细菌的稀疏，使其厚度较小[2]。

2 肽聚糖的分离与合成

2.1 肽聚糖的提取

在提取肽聚糖的过程中，常用到生物、物理以及化学方法处理，其中以机械粉碎、生化提取的方式为主。在提取嗜酸乳杆菌的肽聚糖过程中，常会用到以下三种方法：即生物化学溶菌酶法，物理超声波法以及三氯乙酸法，其中三氯乙酸法提取效率最高。首先，超声波法利用超声波的“空穴效应”破碎细胞壁并将细胞壁离心收集，再先后用十二烷基磺酸钠(SDS)水浴和胰蛋白酶处理去除蛋白，进一步离心去除磷壁酸和脂类物质，得到肽聚糖，最后计算细胞壁得率（肽聚糖得率(%)=得到的肽聚糖质量/处理的菌体质量×100%）。超声时间、超声功率、水浴温度对细胞壁得率有递减的影响。溶菌酶法需要破碎细胞壁并将细胞壁离心收集。再去除蛋白、磷壁酸和脂类物质，得到肽聚糖。溶菌酶添加量、pH、水浴温度、作用时间对细胞壁得率有递减的影响[3]。

三氯乙酸法参考宋晓玲等改进的Park法。水浴加热离心洗涤后的嗜酸乳杆菌的三氯乙酸溶液，冷却后离心处理，收集沉淀进行洗涤；在胰蛋白酶磷酸缓冲液中再次离心去除蛋白，接着除脂类物质，最终得到淡褐色胶质肽聚糖提取物。

这三种方法中，三氯乙烯法的肽聚糖得率明显较高，主要是由于超声波法与溶菌酶法多次进行离心、洗涤，有肽聚糖损失；而去除肽聚糖蛋白的效果差别不大，主要原因是都使用三氯乙烯去除蛋白；且三种方法都不具有保持肽聚糖完整性的功能。烯醇式丙酮酸转移酶能够促进细胞壁的合成，而抑制它能够增强肽聚糖对机体的生物学功能[4]。

2.2 肽聚糖的合成

肽聚糖的合成步骤约为20步，其合成位置主要在细胞膜以及细胞质上，首先需要生成原料N-乙酰葡萄糖胺-1-磷酸，接着需要与细胞质中的核糖体结合，然后在此过程中被加工成N-乙酰胞壁酸五肽。后续合成过程在细胞膜进行，合成肽聚糖单体过程中，需要溶菌酶以及脂质载体参与合成，合成N-乙酰胞壁酸五肽与N-乙酰葡萄糖胺[5]。在此之后，第二步生成的产物会被运送到正在活跃合成肽聚糖的部位，多糖链转化为双糖单位，再在转肽酶的作用下形成网状结构的肽聚糖。

3 肽聚糖的功能简介

3.1 肽聚糖的免疫增强功能

肽聚糖能激活免疫体系，诱导免疫因子释放或表达，从而提高免疫功能。乳酸菌中的肽聚糖具有免疫调节作用，能够激活体外所有哺乳动物细胞乃至无脊椎动物中的巨噬细胞和多克隆B细胞。而作用于体内时，肽聚糖直接作用于靶细胞或诱导细胞释放细胞因子以造成细菌感染的许多症状。双杰等通过研究发现肽聚糖有激活巨噬细胞以提高免疫力的功能。李迎雪等研究发现双歧杆菌的完整肽聚糖能够通过信号ERK→AP-1活化巨噬细胞。

姚光国等使用18只4～6周龄、雌雄各半的昆明种小白鼠进行小鼠巨噬细胞吞噬活力实验，设置分别腹腔注射1mg/ml的Z8肽聚糖提取物、Z17肽聚糖提取物和生理盐水的对照实验，并于第四天测定小鼠巨噬细胞吞噬和血清溶菌酶活力。在实验过程中发现，实验组（注射肽聚糖提取物）相比于对照组（注射生理盐水）显示出吞噬功能和活力有了明显的提升，此实验说明肽聚糖可能通过某种信号激活了吞噬细胞，机体免疫能力增强，提高了免疫力[6]。

另一组实验使用30只公母各半的1日龄雏鸡，进行肽聚糖对鸡新城疫疫苗免疫增强效果的观察。连续两天进行颈部皮下注射，同样设置分别腹腔注射1mg/ml的Z8肽聚糖提取物、Z17肽聚糖提取物和生理盐水的对照实验。用ND-Lasota IV系活疫苗免疫，接种鸡法氏囊疫苗以测定新城疫抗体。在经过了近30d之后，研究者实验发现，实验组肽聚糖组中的抗体有了明显的提升，其机体内抗体水平能够保持较高水平，其中抗体水平下降速度较慢，此结果进一步说明肽聚糖能够增强疫苗免疫效果，并使其长时间处于一个较高水平。

3.2 肽聚糖的抗癌功能

肽聚糖生物学功能一直受到研究者的广泛关注，其中上述的免疫增强功能以及抗癌功能被研究者广泛挖掘。Sekine等利用小鼠的皮下移植Meth-A纤维肉瘤实验，证明肽聚糖的抗癌作用。据马西艺等研究，乳酸杆菌肽聚糖可诱导能够与靶细胞上具有抑制肿瘤细胞生长作用的Fas-Fas配体系统结合的TNF-α产生，利用其对肿瘤细胞的细胞毒性，使肿瘤细胞编程性死亡。研究者温晓庆通过对小鼠肝癌细胞移植瘤与肽聚糖的互相作用实验发现，肽聚糖能够对癌细胞的复制进行干扰，通过抑制癌细胞的G1至S期，进而阻断DNA的合成，通过一系列分子生物学层面干扰，使癌细胞无法增殖，最终达到抗肿瘤的效果，进一步研究发现，肽聚糖除了能抑制癌细胞遗传物质的复制外，还能促进癌细胞凋亡[7]。

杨平等通过对裸鼠胃癌的研究发现，双歧杆菌的完整肽聚糖（WPG）能够抑制移植瘤的生长速度，WPG低、中、高剂量组的抑瘤率分别可达到62.50%、67.87%和87.50%，和阳性对照（5-氟脲嘧啶）水平相当；同时，WPG组中的移植瘤还出现了普遍的坏死现象。齐占朋等发现，上述WPG还对大肠癌Lovo细胞有作用。栗敏等的研究表明上述WPG在体外可选择性杀伤肝癌细胞株H22；在小鼠体内WPG能够促进淋巴细胞转化以增强免疫作用，同时能够抑制肝癌细胞株H22生长，使其凋亡[8]。

4 展望

多种菌广泛地存在于人体中，其细胞壁上的肽聚糖具有多种多样生物学活性，如文中提到的免疫调节、抗肿瘤，以及抗感染、黏附作用等。而且低分子量的肽聚糖对机体非常安全，因此肽聚糖在未来的生物领域发展前景广阔。例如益生菌是公认的副作用小、安全性高的微生物。依据肽聚糖的生物学特性，益生菌肽聚糖具有作为免疫调节及抗癌药物的前景。目前，肽聚糖已经被用于畜禽饲料添加剂和药物添加剂，借助其免疫调节功能增强畜禽的抗病能力。但要使肽聚糖成为更稳定的添加剂和人类药物，还有些问题亟待解决。未来，对肽聚糖的进一步研究可能使其应用在更广泛的领域。同时，在之后的研究中有可能找到受体分子、信号分子，让肽聚糖发挥更大的作用。肽聚糖的相关衍生物也具有值得注意的生物学活性。Fernandez等发现益生菌肽聚糖的衍生物胞壁肽能够在炎性肠疾病的治疗方面发挥作用，可能成为炎性肠疾病的解决思路之一。在未来科学发展过程中相信研究者一定能摸清其相关规律为生物科研界奠定基础。