从基础开始学习原核细胞04：细菌细胞壁

1、引言

细胞壁位于质膜外侧，通常较为坚硬，它可以维持细胞形状、防止渗透裂解、抵御有毒物质，在病原菌中，还能增强致病性。

绝大多数原核生物都有细胞壁。少数无细胞壁的种类，也具备其他可替代其功能的结构。多种抗生素的作用靶点正是细胞壁，因此理解其结构至关重要。

2、细菌细胞壁结构概述

1884年，克里斯蒂安·革兰（Christian Gram）发明了革兰氏染色法。人们很快发现，多数细菌可根据染色反应分为两大类：革兰氏阳性菌呈紫色，革兰氏阴性菌呈粉红或红色。

直到透射电子显微镜出现，两类细菌的真实结构差异才得以明确。如图1所示，革兰氏阳性菌的细胞壁由一层均质的肽聚糖（peptidoglycan，又称胞壁质murein）构成，厚度为20至80纳米，位于质膜外侧。

相比之下，革兰氏阴性菌的细胞壁结构更复杂。其肽聚糖层仅厚2至7纳米，外覆一层7至8纳米厚的外膜（outer membrane）。

由于肽聚糖层更厚，革兰氏阳性菌对渗透压的抵抗力强于革兰氏阴性菌。微生物学家常将质膜及其外的所有结构统称为细胞包膜（cell envelope），包括质膜、细胞壁，以及荚膜等。

图1 革兰氏阳性与革兰氏阴性细胞壁。左侧为地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）的革兰氏阳性包膜，右侧为蛇形水螺菌（Aquaspirillum serpens）的革兰氏阴性电镜图。M：肽聚糖或胞壁质层；OM：外膜；PM：质膜；P：周质空间；W：革兰氏阳性肽聚糖壁。

在革兰氏阴性菌的电镜照片中，常可见质膜与外膜之间存在一个间隙，在革兰氏阳性菌中有时也能观察到质膜与细胞壁之间的类似间隙。此间隙称为周质空间（periplasmic space），其中的物质称为周质（periplasm）。

3、肽聚糖结构

肽聚糖（peptidoglycan）或胞壁质（murein）是一种巨大的网状聚合物，由许多相同的亚基组成。该聚合物包含两种糖衍生物：N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine, NAG）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid, NAM，即N-乙酰葡糖胺的乳酸醚），以及多种氨基酸。

细菌肽聚糖中有三种氨基酸在一般细胞的结构蛋白中不常见：D-谷氨酸（D-glutamic acid）、D-丙氨酸（D-alanine）和内消旋二氨基庚二酸（meso-diaminopimelic acid）。D-型氨基酸的存在可防止细菌被大多数蛋白酶降解，因为这些酶通常只识别L-型氨基酸残基。

图2展示了多数革兰氏阴性菌及许多革兰氏阳性菌的肽聚糖亚基结构。该聚合物的主链由交替的N-乙酰葡糖胺（NAG）和N-乙酰胞壁酸（NAM）残基构成。一条由四个交替的D-型和L-型氨基酸组成的肽链，连接在N-乙酰胞壁酸的羧基上。许多细菌会用另一种二氨基氨基酸（通常是L-赖氨酸/L-lysine）替代内消旋二氨基庚二酸（见图3）。

图2 肽聚糖亚基组成。大肠杆菌（E. coli）、多数其他革兰氏阴性菌及许多革兰氏阳性菌的肽聚糖亚基。NAG为N-乙酰葡糖胺。NAM为N-乙酰胞壁酸（NAG通过醚键连接乳酸）。四肽侧链由交替的D-型和L-型氨基酸组成，因内消旋二氨基庚二酸通过其L-碳原子连接。图中NAM及其连接的四肽链以不同色阶区分，以便清晰展示。

图3 肽聚糖中的二氨基氨基酸。(a) L-赖氨酸（L-Lysine）。(b) 内消旋二氨基庚二酸（meso-Diaminopimelic acid）。

为形成坚固的网状聚合物，相连的肽聚糖亚基链必须通过肽链间的交联（cross-links）连接起来。通常，末端D-丙氨酸的羧基直接与二氨基庚二酸的氨基相连，但有时也会通过一个肽间桥（peptide interbridge）连接（见图4）。

多数革兰氏阴性菌的细胞壁肽聚糖不含肽间桥。这种交联最终形成一个巨大的肽聚糖囊（sac），实际上是一个致密且相互连接的网络（见图5）。从革兰氏阳性菌中分离出的这类囊体，足以保持其形状和完整性（见图6）。同时，它们也具有多孔性、弹性和一定的延展性。

图4 肽聚糖交联。(a) 大肠杆菌（E. coli）肽聚糖，具有直接交联，是许多革兰氏阴性菌的典型结构。(b) 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）肽聚糖S. aureus为革兰氏阳性菌。NAM为N-乙酰胞壁酸。NAG为N-乙酰葡糖胺。Gly为甘氨酸（glycine）。为清晰起见，图中多糖链被画成相对排列，但实际上两条并排的链即可相互连接（见图5）。

图5 肽聚糖结构。一种肽聚糖模型的示意图。图中展示了多糖链、四肽侧链和肽间桥。

图6 分离的革兰氏阳性细胞壁。来自革兰氏阳性菌巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）的肽聚糖壁。乳胶微球的直径为0.25微米。

4、革兰氏阳性细胞壁

革兰氏阳性菌的细胞壁通常很厚，主要由肽聚糖构成。其肽聚糖常含有肽间桥（见图5和图7）。

此外，革兰氏阳性细胞壁通常含有大量磷壁酸（teichoic acids）。磷壁酸是由甘油（glycerol）或核糖醇（ribitol）通过磷酸基团连接而成的聚合物（见图7和图8）。D-丙氨酸（D-alanine）等氨基酸或葡萄糖（glucose）等糖类会连接到甘油和核糖醇基团上。

磷壁酸通过共价键连接到肽聚糖本身或质膜脂质上。后者被称为脂磷壁酸（lipoteichoic acids）。磷壁酸似乎延伸至肽聚糖表面，因其带负电荷，有助于赋予革兰氏阳性细胞壁负电性。这些分子的功能尚不明确，但它们可能对维持细胞壁结构很重要。革兰氏阴性菌不含磷壁酸。

图7 革兰氏阳性包膜。

图8 磷壁酸结构。一段由磷酸、甘油和侧链R组成的磷壁酸。R可代表D-丙氨酸、葡萄糖或其他分子。

革兰氏阳性菌的周质空间（若存在）位于质膜与细胞壁之间，比革兰氏阴性菌的小。即使革兰氏阳性菌没有明显的周质空间，也可能存在周质。

周质中的蛋白质相对较少。这可能是因为肽聚糖囊是多孔的，细胞分泌的任何蛋白质通常都能穿过它。革兰氏阳性菌分泌的酶称为胞外酶（exoenzymes），常用于降解大分子营养物质，使其能被转运过质膜。留在周质空间的蛋白质通常附着在质膜上。

葡萄球菌（Staphylococci）和大多数革兰氏阳性菌在其细胞壁肽聚糖表面有一层蛋白质。这些蛋白质参与细胞与环境的相互作用。

有些蛋白质通过非共价方式结合到肽聚糖、磷壁酸或其他受体上。例如，S层蛋白（S-layer proteins），通过非共价方式结合到分散在细胞壁中的聚合物上。参与肽聚糖合成与周转的酶似乎也以非共价方式与细胞壁相互作用。

其他表面蛋白则通过共价键连接到肽聚糖上。许多共价连接的蛋白质（如致病性链球菌的M蛋白）具有毒力作用，例如帮助粘附宿主组织或干扰宿主防御。在葡萄球菌中，这些表面蛋白通过共价键连接到细胞壁肽聚糖的五甘氨酸桥（pentaglycine interbridge）上。

一种名为分选酶（sortase）的酶催化这些表面蛋白与革兰氏阳性肽聚糖的连接。分选酶附着在细菌细胞的质膜上。

5、革兰氏阴性细胞壁

从图1可以看出，革兰氏阴性细胞壁比革兰氏阳性壁复杂得多。紧邻质膜的薄肽聚糖层，两侧被周质空间包围，其重量可能不超过细胞壁总重的5%至10%。在大肠杆菌（E. coli）中，肽聚糖层厚度约为2纳米，仅含一到两层肽聚糖。

革兰氏阴性菌的周质空间也与革兰氏阳性菌显著不同。其大小范围从1纳米到71纳米不等。一些新研究表明，它可能占细胞总体积的20%至40%，通常宽30至70纳米。

当细胞壁被破坏或移除而不影响下方质膜时，周质酶和其他蛋白质会被释放出来，便于研究。

一些周质蛋白参与营养获取，例如水解酶和转运蛋白。

一些周质蛋白参与能量守恒。例如，将硝酸盐转化为氮气的反硝化细菌，以及利用无机分子作为能源的化能无机自养菌（chemolithotrophs），其周质中含有电子传递蛋白。

其他周质蛋白参与肽聚糖合成及有毒化合物的修饰，以保护细胞免受伤害。

外膜位于薄肽聚糖层之外（见图9和图10），并通过两种方式与细胞连接。

第一种是通过Braun脂蛋白（Braun's lipoprotein），这是外膜中最丰富的蛋白质。这种小脂蛋白通过共价键连接到下方的肽聚糖，并通过其疏水端嵌入外膜。外膜和肽聚糖通过这种脂蛋白牢固连接，可以作为一个整体被分离出来。

第二种连接机制涉及外膜和质膜之间的多个粘附位点。在这两个位点，两种膜似乎直接接触。在大肠杆菌中，可以看到两个膜之间有20至100纳米的接触区域。粘附位点可能是直接接触区，也可能是真正的膜融合区。有人提出，物质可以直接通过这些粘附位点进入细胞，而无需穿过周质。

外膜最不寻常的成分可能是其脂多糖（lipopolysaccharides, LPSs）。这些大而复杂的分子同时含有脂质和碳水化合物，由三部分组成：(1) 脂质A（lipid A），(2) 核心多糖（core polysaccharide），(3) O侧链（O side chain）。

沙门氏菌（Salmonella）的LPS被研究得最多，其一般结构如下所述（见图11）。脂质A区域包含两个氨基葡萄糖（glucosamine）糖衍生物，每个都连接有三个脂肪酸和一个磷酸基或焦磷酸基。

脂肪酸将脂质A锚定在外膜上，而LPS分子的其余部分则从表面伸出。核心多糖连接在脂质A上。在沙门氏菌中，它由10个糖组成，其中许多结构特殊。

图9 革兰氏阴性包膜。

图10 大肠杆菌外膜及相关结构的化学模型。此横截面为比例图。孔蛋白OmpF在三聚体蛋白复合物的前方有两个通道（实心箭头），后方有一个通道（空心箭头）。LPS分子可以比图中所示的更长。

图11 脂多糖结构。(a) 沙门氏菌的脂多糖。LPS。此略简化的图示展示了一种LPS形式。缩写：Abe，阿比糖（abequose）；Gal，半乳糖（galactose）；Glc，葡萄糖（glucose）；GlcN，氨基葡萄糖（glucosamine）；Hep，庚酮糖（heptulose）；KDO，2-酮-3-脱氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonate）；Man，甘露糖（mannose）；NAG，N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine）；P，磷酸（phosphate）；Rha，L-鼠李糖（L-rhamnose）。脂质A埋在外膜中。(b) 大肠杆菌脂多糖的分子模型。脂质A和核心多糖是直的；在此模型中，O侧链呈一定角度弯曲。

LPS有许多重要功能。由于核心多糖通常含有带电糖和磷酸基（见图11），LPS有助于赋予细菌表面负电荷。作为外膜外小叶的主要成分，脂质A也有助于稳定外膜结构。LPS可能有助于细菌附着在表面并形成生物膜。

LPS的一个主要功能是帮助形成通透性屏障。LPS的几何结构（见图11b）及相邻LPS分子间的相互作用被认为能限制胆汁盐、抗生素及其他有毒物质的进入，从而保护细菌。

LPS还在保护致病性革兰氏阴性菌免受宿主防御方面发挥作用。LPS的O侧链也被称为O抗原，因为它能引发免疫反应。这种反应涉及产生抗体，这些抗体会结合引发反应的特定LPS菌株。

然而，许多革兰氏阴性菌能够快速改变其O侧链的抗原性质，从而逃避宿主防御。重要的是，LPS的脂质A部分通常具有毒性；因此，LPS可作为内毒素（endotoxin），引起革兰氏阴性菌感染的部分症状。如果细菌进入血液，LPS内毒素可导致败血性休克，目前尚无直接治疗方法。

尽管LPS在形成通透性屏障方面起作用，但外膜比质膜更具通透性，允许葡萄糖等小分子单糖通过。这是由于孔蛋白（porin proteins）的存在（见图9和图10）。

大多数孔蛋白在外膜中聚集形成三聚体（见图9和图12）。每个孔蛋白贯穿外膜，形状大致呈管状；其狭窄的通道允许分子量小于约600至700道尔顿的分子通过。

然而，像维生素B12这样的大分子也能穿过外膜。这些大分子不通过孔蛋白，而是由特定的载体将其转运过外膜。

图12 孔蛋白（Porin Proteins）。大肠杆菌（E. coli）OmpF孔蛋白的两种视图。(a) 从外膜外表面俯视的孔蛋白三聚体结构（即顶视图）。构成该蛋白复合物的三个孔蛋白各自形成一个通道。每个孔蛋白可分为三个环：绿色环形成通道，蓝色环与其他孔蛋白相互作用以帮助形成三聚体，橙色环使通道变窄。箭头指示了(b)图中从侧面观察的孔蛋白分子区域。(b) 孔蛋白单体的侧视图，展示了孔蛋白特有的β-桶（β-barrel）结构。

6、革兰氏染色的机理

革兰氏染色反应结果有多种解释。目前认为，革兰氏阳性菌与阴性菌的差异源于其细胞壁的物理特性。

如果去除革兰氏阳性菌的细胞壁，它们会染成革兰氏阴性。同样，天生无细胞壁的支原体（mycoplasmas）也染成革兰氏阴性。肽聚糖本身不被染色，而是作为通透性屏障，防止结晶紫（crystal violet）流失。

染色过程中，细菌首先用结晶紫染色，再用碘液处理以促进染料滞留。随后用乙醇处理时，酒精会使革兰氏阳性菌厚实的肽聚糖层孔隙收缩。因此，在短暂的脱色步骤中，染料-碘复合物得以保留，细菌保持紫色。

相比之下，革兰氏阴性菌的肽聚糖层很薄，交联度较低，孔隙更大。酒精处理还可能从其外膜中提取足够多的脂质，进一步增加通透性。因此，酒精更容易将紫色的结晶紫-碘复合物从革兰氏阴性菌中洗脱。这样，它们就能被复染剂沙黄（safranin）轻易地染成红色或粉色。

7、细胞壁与渗透保护

微生物有多种机制应对渗透压变化。当细胞内外溶质浓度不同时，就会产生渗透压。适应性反应旨在平衡溶质浓度。

但在某些情况下，渗透压会超过细胞的适应能力。此时，细胞壁提供额外保护。当细胞处于低渗溶液（溶质浓度低于细胞质）中时，水会进入细胞，导致其膨胀。

没有细胞壁，质膜承受的压力会过大，最终破裂，细胞裂解（lysis）。相反，在高渗溶液中，水会流出，细胞质会皱缩，这个过程称为质壁分离（plasmolysis）。

细胞壁的保护作用在用溶菌酶（lysozyme）或青霉素（penicillin）处理细菌时表现得最为明显。

溶菌酶通过水解连接N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）和N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine）的键来攻击肽聚糖（见图2）。青霉素则通过不同机制起作用，它抑制肽聚糖的合成。

如果细菌在低渗溶液中接受这两种物质之一的处理，它们会裂解。但如果在等渗溶液中，它们可以存活并正常生长。

对于革兰氏阳性菌，经溶菌酶或青霉素处理后，细胞壁会完全丧失，细胞变成原生质体（protoplast）。当革兰氏阴性菌暴露于溶菌酶或青霉素时，肽聚糖层会丢失，但外膜仍然存在。这些细胞被称为球状体（spheroplasts）。

由于缺乏完整的细胞壁，原生质体和球状体对渗透压敏感。如果将它们转移到稀释溶液中，会因水分不受控制地涌入而裂解（见图13）。

图13 原生质体的形成与裂解。在等渗培养基中用青霉素孵育诱导原生质体形成。转移到稀释培养基会导致裂解。

尽管大多数细菌需要完整的细胞壁才能生存，但有些细菌完全没有细胞壁。例如，支原体（mycoplasmas）缺乏细胞壁，对渗透压敏感，却常能在稀释培养基或陆地环境中生长。这是因为它们的质膜比有壁细菌的质膜更能抵抗渗透压。确切原因尚不清楚，但许多支原体膜中存在甾醇（sterols），这可能提供了额外的强度。由于没有坚硬的细胞壁，支原体往往呈多形性（pleomorphic）或形状多变。

参考文献

《Microbiology （Seventh Edition）》 | 微生物学，第七版

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更新日期：2026-05-09

编制人：叶凡

审稿人：小藻