革蘭氏細菌的細胞壁的小知識

1、革蘭氏陽性細菌的細胞壁

革蘭氏陽性細菌細胞壁的特點是厚度大（20~80nm）和化學組分簡單，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。

革蘭氏陽性菌——*（Staphylococcus aureus）具典型的肽聚糖，它的肽聚糖厚約20~80nm，由40層左右的網格狀分子交織成的網套覆蓋在整個細胞上。肽聚糖分子是由肽與聚糖兩部分組成，其中的肽有四肽尾和肽橋兩種，聚糖則由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸相互間隔連接而成，呈長鏈骨架狀。看似復雜的肽聚糖分子，若把它的基本組成單位剖析一下，就顯得十分簡單了。每一肽聚糖單體由三部分組成：

①雙糖單位：由一個N-乙酰葡糖胺通過β-1,4-糖苷鍵與另一個N-乙酰胞壁酸相連，后者為原核生物所*的已糖。這一雙糖單位中的β-1,4-糖苷鍵很容易被一種廣泛分布于卵清、人的淚液和鼻涕以及部分細菌和噬菌體中的*(lysozyme)所水解（水解位點在N-乙酰胞壁酸的1碳和N-乙酰葡糖胺的4碳間），從而引起細菌因肽聚糖細胞壁的“散架”而死亡。

②四肽尾或四肽側鏈(tetrapeptide side chain)：是由四個氨基酸分子按L型與D型交替方式連接而成。在*中，接在N-乙酰胞壁酸上的四肽尾為L-ala →D-glu → L-lys → D-ala，其中兩種D型氨基酸在細菌細胞壁之外很少出現。

③肽橋或肽間橋(peptide interbridge)：在*中，肽橋為*五肽，它起著連接前后兩個四肽尾分子的“橋梁”作用。目前所知的肽聚糖已超過100種，在這一“肽聚糖的多樣性”中，主要的變化發生在肽橋上。

（2）磷壁酸（teichoic acid）

是結合在革蘭氏陽性細菌細胞壁上的一種酸性多糖，主要成分為甘油磷酸或核糖醇磷酸。磷壁酸可分兩類，其一為壁磷壁酸，它與肽聚糖分子間進行共價結合，含量會隨培養基成分而改變，一般占細胞壁重量的10%，有時可接近50%。用稀酸或稀堿可以提取。其二為跨越肽聚糖層并與細胞膜相交聯的膜磷壁酸（又稱脂磷壁酸），由甘油磷酸鏈分子與細胞膜上的磷脂進行共價結合后形成。其含量與培養條件關系不大。可用45%熱酚水提取，也可用熱水從脫脂的凍干細菌中提取。磷壁酸有五種類型，主要為甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸兩類，前者在干酪乳桿菌(Lactobacillus casei)等細菌中存在，后者在*和芽孢桿菌屬(Bacillus)等細菌中存在。

2、革蘭氏陰性細菌的細胞壁

（1）肽聚糖

革蘭氏陰性細菌的肽聚糖可舉大腸桿菌為代表。它的肽聚糖埋藏在外膜層之內，是僅由1~2層肽聚糖網狀分子組成的薄層(2~3nm)，含量約占細胞壁總重的10%，故對機械強度的抵抗力較革蘭氏陽性菌弱。其結構單體與上述革蘭氏陽性菌基本相同，差別僅在于：

①四肽尾的第3個氨基酸不是L-lys，而是被一種只有在原核微生物細胞壁上才有的內消旋二氨基庚二酸(m-DAP)所代替；

②沒有特殊的肽橋，其前后兩個單體間的連接僅通過甲四肽尾的第4個氨基酸——D-ala的羧基與乙四肽尾的第3個氨基酸——mDAP的氨基直接相連，因而只形成較為疏稀、機械強度較差的肽聚糖網套

（2）外膜(outer membrane)

位于革蘭氏陰性細菌細胞壁外層，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干種蛋白質組成的膜，有時也稱為外壁。

脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）：是位于革蘭氏陰性細菌細胞壁zui外層的一層較厚（8~10nm）的類脂多糖類物質，由類脂A、核心多糖(core polysaccharide)和O-特異側鏈（O-specific side chain，或稱O-多糖或O-抗原）三部分組成。其主要功能為：

①其中的類脂A是革蘭氏陰性細菌致病物質——內毒素的物質基礎；

②因其負電荷較強，故與磷壁酸相似，也有吸附Mg2+、Ca2+等陽離子以提高其在細胞表面濃度的作用；

③由于LPS結構的多變，決定了革蘭氏陰性細菌細胞表面抗原決定簇的多樣性，例如，根據LPS抗原性的測定，上已報道過的沙門氏菌屬(Salmonella)的抗原型多達2107種（1983年）；

④是許多噬菌體在細胞表面的吸附受體；

⑤具有控制某些物質進出細胞的部分選擇性屏障功能，例如，它可透過若干種較小的分子（嘌呤、嘧啶、雙糖、肽類和氨基酸等），但能阻攔*、抗生素（*等）、去污劑和某些染料等較大分子進入細胞膜。要維持LPS結構的穩定性，必須有足夠的2+存在。如果用EDTA等螯合劑去除Ca2+和降低離子鍵，就會使LPS解體。這時，其內壁層的肽聚糖分子就會暴露出來，因而易被*所水解。

在LPS中，類脂A的種類較少（大約有7~8種），它是革蘭氏陰性細菌內毒素的物質基礎。 在LPS的核心多糖區和O-特異側鏈區中有幾種*的糖，例如2-酮-3-脫氧辛糖酸（KDO）、L-甘油-D-甘露庚糖和阿比可糖（Abq, 即3,6-二脫氧-D-半乳糖）。在沙門氏菌中，LPS中的O-特異側鏈種類極多，因其抗原性的差異故很易用靈敏的血清學方法加以鑒定，這在傳染病的診斷中有其重要意義，例如由此可對某傳染病的傳染原進行地理定位等。

（3）外膜蛋白(outer membrane protein)

指嵌合在LPS和磷脂層外膜上的蛋白。有20余種，但多數外膜蛋白的功能還未清楚。其中的脂蛋白(lipoprotein)是一種通過共價鍵使外膜層牢固地連接在肽聚糖內壁層上的蛋白，分子量約為7200。另有兩種蛋白研究得較為清楚，都稱孔蛋白（porins）。每個孔蛋白分子是由三個相同分子量（36000）蛋白亞基組成的一種三聚體跨膜蛋白，中間有一直徑約1nm的孔道，通過孔的開、閉，可阻止某些抗生素進入外膜層。已知有兩種孔蛋白，其一是非特異性孔蛋白(nonspecific porin)，其充水孔道可通過分子量小于800~900的任何親水性分子，如雙糖、氨基酸、二肽和三肽；另一為特異性孔蛋白(specific porin或specific channel protein)，其上存在專一性結合位點，只容許一種或少數幾種相關物質通過，其中zui大的孔蛋白可通過分子量較大的物質，如*12和核苷酸等。除脂蛋白和孔蛋白外，還有一些外膜蛋白與噬菌體的吸附或細菌素的作用有關。

(4)周質空間(periplasmic space, periplasm)

又稱壁膜間隙。在革蘭氏陰性細菌中，一般指其外膜與細胞膜之間的狹窄空間（寬約12~15nm），呈膠狀。在周質空間中，存在著多種周質蛋白（periplasmic proteins），包括：

①水解酶類，例如蛋白酶、核酸酶等；

②合成酶類，例如肽聚糖合成酶；

③結合蛋白（具有運送營養物質的作用）；

④受體蛋白（與細胞的趨化性相關）。周質蛋白可通過滲透休克法（osmotic shock）或稱“冷休克”的方法釋放。此法系根據突然改變滲透壓并使細胞發生物理性裂解的原理。其主要步驟是：將細菌放在用Tris緩沖液配制、含EDTA的20%蔗糖溶液中保溫，使其發生質壁分離（plasmolysis），接著快速地用4℃的0.005mol/L MgCl2溶液稀釋并降溫，使細胞外膜突然破裂并釋放周質蛋白。經離心即可從上清液中提取周質蛋白。

革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌間由于細胞壁和其他構造的不同，就產生了一系列形態、構造、化學組分、染色反應、生理功能和致病性等的差別，這些差別對微生物學的研究和實際應用都十分重要，現列表如下

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