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1、细胞破碎技术孙万儒中国科学院微生物研究所前言细胞破碎是了解细胞组成和结构,获得细胞内含物的必要手段。胞内的生物活性物质的稳定性差,条件不适极易失活。特别是微生物细胞十分微小,细胞壁结构比较紧密,一般方法不易将细胞打破,有些技术虽然可以,但条件严苛,胞内生物活性物质在此条件下很易失活,限制了一些技术的应用。在一定程度上细胞破碎仍是生物技术产业化关键技术。破碎细胞的方法和技术细胞破碎方法┌───────┴───────┐物理法化学法渗透超声高压球磨研磨碱处酶法有机表面休克波法释放法法理法溶剂活性法法法剂法细胞壁的组成和结构微生物细胞外膜使细胞具有刚性的外形,由胞质膜和细胞壁组成,其结
2、构影响着细胞破碎。胞质膜保持着细胞内外的物质浓度梯度,主要由蛋白质和脂类组成。没有细胞壁时,膜对渗透休克敏感,对其它破碎方法影响较小。细胞壁是破碎的主要障碍,其组成和结构对细胞破碎有重要影响。细胞壁的组成和结构与遗传和环境因素有关,但在微生物的种属中也存在总结构上的相似性。细菌细胞壁的组成1964年Salton首次利用机械破碎法破碎细菌细胞，对细菌细胞壁组成、结构和功能进行研究。对格兰氏阳性菌和格兰氏阴性菌的细胞壁结构有了较为全面认识。除了菌质和一些L-型和嗜盐菌以外，几乎所有的细菌的壁的较坚硬部分都是由短肽交联的糖原链，即粘肽构成，围绕着细胞形成连续的网状结构，使细胞具有一定的
3、形状和强度。细菌细胞壁的组成细菌粘肽结构示意图N-乙酰基胞壁酸(M)和N-乙酰基葡萄糖胺(G)交替形成糖原束,由M引出的纵点代表四肽单元的氨基酸残基，横点代表肽交联桥细菌细胞壁的组成不同物种的N-乙酰基胞壁酸在其侧链基团上的取代有变化。但对糖原链的三维结构没有明显影响。N-乙酰基胞壁酸残基的乳酸基与肽链结合，将糖原链联结起来形成网状结构。至少N-乙酰基胞壁酸残基的乳酰基部分可为四肽单元取代，相邻的糖原链由肽桥交联。大肠杆菌大约有50%的四肽单元未交联，其它的仅作为二聚体交联。在嗜酸乳酸菌中，大约有90%的四肽单元交联，约30%的四肽单元作为三聚体交联。细菌细胞壁的组成虽然几乎所有
4、的细菌都含有基本的粘肽网结构，但格兰氏阳性和阴性细菌的壁结构有明显不同。格兰氏阳性菌的壁相当厚，约15-50nm，含有40-90%的由基础多糖和磷壁酸质组成的粘肽，一些种属的细胞表面有规律地排列着蛋白质亚基。格兰氏阴性菌细胞壁由薄的粘肽层(1.5-2.0nm)和在电子显微照片上看如同胞质膜一样的外膜组成，粘肽层上还共价结合有脂蛋白，一些种属在外膜上另外还有一层规律排列的蛋白质亚基。酵母细胞壁酵母细胞壁结构更难加以说明。总的结构要比格兰氏阳性菌的厚些。面包酵母细胞壁大约为70nm，且随培养时间的增加细胞壁加厚。酵母细胞壁含有大量葡聚糖，甘露聚糖和蛋白质，但不清楚以怎样的方式结合形成
5、基本结构。在葡聚糖链上有β(1,3)和β(1,6)键联结的分支链结构。酵母细胞壁的甘露聚糖主要是由α(1,2)糖苷键和少量的α(1,3)糖苷键联结的甘露糖组成，另外，也有通过α(1,6)糖苷键联结的甘露寡糖侧链，在甘露糖残基上有时也有磷酸二酯键。在酵母细胞壁上发现的蛋白质主要是与甘露糖复合，多数是酶，而不是结构组分。酵母细胞壁格兰氏阳性(a)和阴性(b)细菌的细胞壁的横断面图CM代表胞质膜;CW为细胞壁结构;SU为有规律排列的亚基;PG为粘肽层;OM为格兰氏阴性菌的外膜；类型不同，亚基可能存在也可能不存在。酵母细胞壁酵母细胞壁结构示意图外层甘露聚糖(M)通过磷酸二酯键与蛋白(P)
6、结合，内部蛋白含有交联的糖原(G)真菌细胞壁大多数真菌的细胞壁是由多糖和少量的蛋白质及脂类组成，但组成变化很大，只有个别的真菌细胞壁作了较详细研究。正如细菌和酵母一样，多糖是构成细胞形状和耐受破碎的主要结构物。真菌细胞壁组成和结构的多样性，不能将一个种属的结果推广到另一个种属上。从影响细胞破碎的角度看，有其共同点，就是菌丝体生长过程中细胞壁的变化对细胞破碎的影响。细胞壁组分与真菌分类关键多糖分类组纤维素，糖原集胞(粘)菌纲(Acrasiomycetes)纤维素，β-葡聚糖卵菌目(Oomycetes),水霉目(Saprolegnicales)霜霉目(Peronosporales),
7、水节霉目(Leptomitales)纤维素，壳多糖，卵菌目(Oomycetes),水节霉目(Leptomitales)β-葡聚糖纤维素，壳多糖丝壶菌目(Hyphochytridiomycetes)去乙酰基壳多糖，接合菌目(Zygomycetes)壳多糖壳多糖，β-葡聚糖壶菌目(Chytridiomycetes),子囊菌目[(Ascomycetes),除了半子囊菌亚纲(Hemiascomycetidae)],担子菌纲[Basidiomycetes)除了掷孢酵母科(Sporobolo
