第-章原核生物的形态、构造和功能.12（plasmolysis）或制成原生质体后再在光学显微镜（简称光镜）下观察，均可证实细胞壁的存在：若用电子显微镜（简称电镜）直接观察细菌的超薄切片，则可以更清楚地证明细胞壁的存在。细胞壁的主要功能有：①固定细胞外形和提高机械强度，使其免受渗透压等外力的损伤；②为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需：③阻拦大分子有害物质（某些抗生素和水解酶）进入细胞；④赋予细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。细菌细胞壁除了绝大多数以肽聚糖为基本成分外，在G+、G-细菌和古生菌中还各有自己的特点。这可以看作细菌细胞壁成分的多样性（图1-2和表1-1)。革兰氏阳性细菌(0)草兰氏阴性细菌（G）外膜蛋门孔鲨白肽聚糖脂多糖壁磷壁酸外膜一磷脂膜磷壁酸F脂蛋白肽聚糖周质空间周质空间细胞质膜XA细胞质膜细胞内部图1-2G+细菌与G-细菌细胞壁构造的比较表1-1C*细菌与G-细菌细胞壁成分的比较占细胞壁干重的%成分G+细菌G-细菌肽聚糖含量很高（30~95）含量很低（5~20）磷壁酸含量较高（<50）0类脂质一般无（<2)含量较高（约20）蛋白质0含量较商以下分别对C+、G-细菌和古生菌的细胞壁以及缺壁细菌和革兰氏染色的机制作一介绍。1）G+细菌的细胞壁：C*细菌细胞壁的特点是厚度大（20~80nm）和化学组分简单，一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。现分别叙述如下：肽聚糖（peptidoglycan）又称粘肽（mucopeptide）、胞壁质（murein）或粘质复合物（mucoco-mplex），是真细菌细胞壁中的特有成分。现以G+细菌Staphylococctusaureus（金黄色葡萄球菌）的肽聚糖作-介绍。肽聚糖分子由肽和聚糖两部分组成，其中的肽包括四肽尾和肽桥两种，面聚糖则是由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸两种单糖相互间隔连接成的长链。这种肽聚糖网格状分子交织成一个致密的网套覆盖在整个细胞上（图1-3）看似十分复杂的肽聚糖分子，若把它基本组成单位剖析一下，就显得十分简单了（图
菌第一节细131 - 4)。N-乙酰葡糖胺N-乙酰胞壁酸β-1,4-糖背键四肽尾肽桥图1-3G*细菌肽聚糖的立体结构（片段）双糖单位CH,OHCH,OH0NH-CO-CH,NH-CO-CH,CH-CH-C-ONH四肽尾H-C-CH,L-AlaC-0NH一(后）0前）00000-HD-GluHO(CHh钛桥0NHH-1.-Lys-(CH,),-NH,C-0NHM-N-乙酰胞壁酸CH,-C-HD-Ala@=N-乙酰葡糖胺COOH图1-4G+细菌肽聚糖的单体图解左：简化的单体分了；右：单体的分子构造。箭头示溶菌酶的水解点以图1-4可知，每-肽聚糖单体由3部分组成：①双糖单位：由一个N-乙酰葡糖胺通过β-1,4-糖苷键与另--个N-乙酰胞壁酸相连。这一双糖单位中的β-1,4-糖苷键很易被一种广泛分布于卵清、人泪和鼻涕以及部分细菌和噬菌体中的溶菌酶（lysozyme）所水解，从而导致细菌因细胞壁肽聚糖的“散架”而死亡。②四肽尾（或四肽侧链，tetrapeptidesidechain）：是由4个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成。在S.aureus中，接在N-乙酰胞壁酸上的四肽尾为L-Ala→D-Clu-→L-Lys-→D-Ala，其中2种
第一章原核生物的形态、构造和功能.14D型氨基酸一般仅在细菌细胞壁上见到。③肽桥（或肽间桥，peptideinterbridge）：在Saureus中，肽桥为甘氨酸五肽，它起着连接前后2个四肽尾分子的"桥梁”作用。肽桥的变化甚多，由此形成了“肽聚糖的多样性”（目前已超过100种）。现把G*细菌的3种肽聚糖代表列在表1-2中，同时列出G-细菌E.coli的肽桥以作比较。表1-2肽聚糖分子中的4种主要肽桥类型类型甲肽尾上连接点肽桥乙肽尾上连接点实例1第四氨基酸- CO-NH-第三氨基酸E.coli(G-)11第四氨基酸(Gly), -第三氨基酸S.aureus(Gt)M第四氨基酸-(肽尾)1-2~第三氨基酸M, luteius(G*)"IV第四氨基酸- D-Lys --第二氨基酸C.poinsettiae(G+)"*Microcoxcuslulens（藤黄微球菌）。**Corynehacteriumppinseuriae（星星木棒杆茵）。磷壁酸（teichoicacid）是结合在G+细菌细胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。磷壁酸可分为两类，一类是与肽聚糖分子进行共价结合的，称壁磷壁酸，其含量会随培养基成分而改变；另一类是跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的，称为膜磷壁酸或脂磷壁酸。磷壁酸的主要生理功能为：①通过分子上的大量负电荷浓缩细胞周围的Mg+，以提高细胞膜上一些合成酶的活力；④贮元素；③调节细胞内自溶素（autolysin）的活力，借以防止细胞因自溶而死亡；④作为噬菌体的特异性吸附受体；③赋予G+细菌特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定；增强某些致病菌（如A族链球菌）对宿主细胞的粘连，避免被J1-OH0@HO0NH,HAH@0OH?CmMCH,CH,OH03OHNH-CO-CH,NH-CO-CH,CH,CHCO一肽尾图1-5甘油铸壁酸的结构模式（左）及其单体（虚线范围内）的分子结构（右）
第一节细菌*15白细胞吞噬，并有抗补体的作用。磷壁酸有5种类型，主要为甘油磷壁酸（图1~5)和核糖醇磷壁酸2类。2）G细菌的细胞壁：G*细菌细胞壁的特点是厚度较C+细菌薄，层次较多，成分较复杂，肽聚糖层很薄（仅2~3nm），故机械强度较G*细菌弱。G"细菌肽聚糖的构造可以E.coli为典型代表。其肽聚糖层埋藏在外膜脂多糖(LPS)层之内。G-细菌肽聚糖单体结构与G*细菌基本相同，差别仅在于：①四肽尾的第三个氮基酸分子不是L-Lys，而是被--种只存在于原核生物细胞壁上的特殊氨基酸一一内消旋二氨基庚二酸（m-DAP）所代替；②没有特殊的肽桥，故前后两单体间的连接仅通过甲四肽尾的第四个氨基酸(D-Ala)的羧基与乙四肽尾的第三个氨基酸(m-DAP)的氨基直接相连，因而只形成较稀疏、机械强度较差的肽聚糖网套（图1-6)。M=N-乙酰胞壁酸-M-G~MFMMMMFMG=N-乙醛葡糖胺一0L-AlaGGGGGD-GluMMM-MM-M肽桥-D-Ala-0--DAP-G-GQ0GD-AlaMEMMMDAPMFMGGGD-GluGG.GM-ML-Ala-MMMMCGGGGG-G-M-MFMMMMFM//1T图1-6C-细菌——E.coli肽聚糖结构左：肽桥的连接方式；右：网的部分外膜（outermembrane，又称"外壁）是G-细菌细胞壁所特有的结构，它位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和若干种外膜蛋白。现分别介绍其中的脂多糖和外膜蛋白：①脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），是位于G-细菌细胞壁最外层的--层较厚（8~10nm）的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖（core polysaccharide）和0-特异侧链（0-specificsidechain，或称0多糖或0-抗原)3部分组成。外膜具有控制细胞的透性、提高Mg+浓度、决定细胞壁抗原多样性等作用，因而可用于传染病的诊断和病原的地理定位，其中的类脂A更是G-病原菌致病物质内毒素的物质基础；②外膜蛋白（outermembraneproteins），指嵌合在LPS和磷脂层外膜上的20余种蛋白，多数功能还不清楚。其中的脂蛋白具有使外膜层与内壁肽聚糖层紧密连接的功能；另有一类中间有孔道、可控制某些物质（如抗生素等）进入外膜的三聚体跨膜蛋白，称孔蛋白（porin),有特异性与非特异性两种。在G-细菌中，其外膜与细胞膜间的狭窄胶质空间（约12~15nm）称周质空间（periplasmic space，periplasm），其中存在着多种周质蛋白，包括水解酶类、合成酶类和运输蛋白等。C和C-细菌的细胞壁结构和成分间的显著差别不仅反映在染色反应上，更反映在
16第一章原核生物的形态、构造和功能一系列形态，构造、化学组分、生理生化和致病性等的差别上（表1-3）,从而对生命科学的基础理论研究和实际应用产生了巨大的影响。表1-3G+细菌与G-细菌一系列生物学特性的比较比较项目G细菌G细菌1.革兰氏染色反应能阻留结晶紫而染成紫色可经脱色而复染成红色2.肽聚精层厚，层次多薄，一般单层3.磷壁酸多数含有无4.外膜无有无5. 脂多糖(LPS)有6.类脂和脂蛋白含量低（仅抗酸性细菌含类脂）高7.鞭毛结构基体上着生两个环基体上着生4个环8.产毒素以外毒素为主以内毒素为主强9.对机械力的抗性弱弱10.细胞壁抗溶菌酶强11.对青霉素和磺胺敏感不敏感12.对链裤素、氯霉素、四环素不敏感敏感13.碱性染料的抑菌作用强弱14.对阴离子去污剂敏感不敏感15.对叠鼠化钠敏感不敏感16.对干燥抗性强抗性册17.产芽孢有的产不产3）古生菌（Ara:haea）的细胞壁：古生菌又称古细菌（Archaebacteria）或称古菌，是个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群，主要包括些独特生态类型的原核生物，如产甲烷菌及大多数晴极菌（extremophile），包括极端嗜盐菌、极端嗜热菌和Thermoplasma（热原体属）等（详见第十章）。在古生菌中，除Thermoplasma没有细胞壁外，其余都具有与真细菌功能相似的细胞壁。然而，从化学成分来看，真细菌与古生菌的差别甚大。据已被研究过的一些古生菌来看，其细胞壁中都不含真正的肽聚糖，而含假肽聚糖、糖蛋白或蛋白质。以下仅选Methanobacterium（甲烷杆菌属）的假肽聚糖为例加以说明。假肽聚糖（pseudopeptidoglycan)的结构虽与肽聚糖相似，但其多糖骨架则是由N-乙酰葡糖胺和N乙酰塔罗糖胺糖醛酸（N-acetyltalosaminouronicacid）以β-1,3-糖苷键（不被溶菌酶水解）交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-Clu、L-Ala和L-Lys3个L型氨基酸组成，肽桥则由L-Glu1个氨基酸组成(图1-7)4）缺壁细菌（cellwalldeficientbacteria）：虽然细胞壁是一切原核生物的最基本构造，但在自然界长期进化中和在实验室菌种的自发突变中都会产生少数缺细胞壁的种类：此外，在实验室中，还可用人为方法通过抑制新生细胞壁的合成或对现成细胞壁进行酶解而获得人工缺壁细菌。现将4类缺壁细菌表解如下