从基础开始学习原核细胞05：古菌的细胞壁、原核生物的蛋白质分泌

1、古菌的细胞壁

在被确认为一个独立的生命领域之前，古菌曾被简单地归类为革兰氏阳性或阴性。然而，它们的染色反应与特定的细胞壁结构之间，并不像细菌的革兰氏染色那样有可靠的对应关系。

古菌的细胞壁在结构和化学组成上都与细菌不同。它们的细胞壁不含肽聚糖（peptidoglycan），并且在化学成分上表现出极大的多样性。

许多古菌具有一层厚而均匀的细胞壁，外观类似于革兰氏阳性细菌（图1a）。这类古菌通常呈革兰氏阳性染色。其细胞壁的化学成分因物种而异，但通常由复杂的杂多糖（heteropolysaccharides）构成。

例如，甲烷杆菌属（Methanobacterium）和其他一些产甲烷古菌（methanogens）的细胞壁含有假肽聚糖（pseudomurein）（图2）。

这是一种类似肽聚糖的聚合物，但其交联结构中使用的是L-型氨基酸而非D-型氨基酸；其糖骨架中含有N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸（N-acetyltalosaminuronic acid），而非N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）；并且其糖苷键为β(1→3)键，而非β(1→4)键。

其他古菌，如甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和嗜盐的盐球菌属（Halococcus），其细胞壁则含有类似于动物结缔组织中的硫酸软骨素（chondroitin sulfate）的复杂多糖。

图1 古菌的细胞包膜（Cell Envelopes of Archaea）。示意图及电镜照片：(a)甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formicicum） 和(b)硫化叶菌（Thermoproteus tenax） 。CW：细胞壁（cell wall）；SL：表层（surface layer）；CM：细胞膜或质膜（cell membrane or plasma membrane）；CPL：细胞质（cytoplasm）。

另一些呈革兰氏阴性染色的古菌，在其质膜外有一层糖蛋白（glycoprotein）或蛋白质（protein）（图1b）。这层结构厚度可达20至40纳米。有时甚至存在两层：一层电子致密层，以及包裹在其外的一层鞘。

一些产甲烷菌（如Methanolobus）、嗜盐古菌（如Halobacterium）和极端嗜热菌（如Sulfolobus, Thermoproteus, Pyrodictium）的细胞壁中含有糖蛋白。相比之下，其他产甲烷菌（如Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium）和极端嗜热菌Desulfurococcus则具有纯蛋白质构成的细胞壁。

图2 假肽聚糖的结构（The Structure of Pseudomurein）。括号内的氨基酸和氨基并非总是存在。Ac代表乙酰基（acetyl group）。

2、原核生物的蛋白质分泌

原核细胞的包膜（即古菌和革兰氏阳性菌的质膜，以及革兰氏阴性菌的质膜和外膜）对大分子进出细胞构成了显著屏障。

然而，许多重要结构位于细胞壁之外。构成这些结构的大分子是如何被运出细胞进行组装的？此外，原核生物会向周围环境释放胞外酶（exoenzymes）和其他蛋白质。这些蛋白质又是如何穿过细胞包膜的？

显然，原核生物必须具备分泌蛋白质的能力。过去几十年，蛋白质分泌通路的研究迅速发展。这不仅因为其基础重要性，也因为某些分泌机制与病原菌的致病性相关。

对分泌机制的理解还可用于疫苗开发和多种工业过程。由于对古菌的蛋白质分泌系统了解甚少，本次主要概述细菌的蛋白质分泌通路。

（1）细菌蛋白质分泌概述

蛋白质分泌的难度取决于细菌是革兰氏阳性还是阴性。革兰氏阳性菌分泌蛋白质时，只需将蛋白质转运穿过质膜。一旦穿过质膜，蛋白质要么通过相对多孔的肽聚糖层进入外部环境，要么嵌入或附着在肽聚糖上。

革兰氏阴性菌在分泌蛋白质时面临更多障碍。它们同样需要将蛋白质转运穿过质膜，但为了完成分泌，蛋白质还必须能避开周质空间（periplasmic space）中蛋白水解酶的降解，并且要穿过外膜。

在革兰氏阳性和阴性菌中，将蛋白质穿过质膜的主要通路是Sec依赖通路（Sec-dependent pathway）（图3）。在革兰氏阴性菌中，蛋白质可以通过多种不同机制穿过外膜。其中一些机制完全绕过Sec依赖通路，直接将蛋白质从细胞质运送到细胞外（图4）。

此处描述的所有蛋白质分泌通路在某个步骤都需要消耗能量。能量通常由ATP和GTP等高能分子的水解提供，有时质子动力（proton motive force）也起作用。

图3 Sec依赖通路（The Sec-Dependent Pathway）。大肠杆菌（E. coli）的Sec依赖通路。

（2）Sec依赖通路

Sec依赖通路，有时也称为一般分泌通路（general secretion pathway），在所有三个生命域中都高度保守（图3）。它能将蛋白质跨质膜转运，或将蛋白质整合到膜中。

通过此通路转运的蛋白质最初被合成为前体蛋白（preproteins）。前体蛋白的氨基末端带有一个信号肽（signal peptide），可被Sec转运机器识别。

信号肽合成后不久，一类名为分子伴侣（chaperone proteins）的特殊蛋白（如SecB）会与之结合。这有助于延迟蛋白质的折叠，从而帮助前体蛋白以适合转运的构象到达Sec转运机器。

有证据表明，蛋白质的转运可以在核糖体完成其合成之前就开始。某些Sec蛋白（SecY、SecE和SecG）被认为在膜上形成一个通道，前体蛋白由此通过。另一种蛋白（SecA）会与SecYEG蛋白和SecB-前体蛋白复合物结合。SecA作为一种马达，利用ATP水解的能量，将前体蛋白（而非分子伴侣）穿过质膜。

当前体蛋白从质膜另一侧出现并脱离分子伴侣后，一种名为信号肽酶（signal peptidase）的酶会切除信号肽。随后，蛋白质折叠成正确的形状，并在必要时形成二硫键。

图4 革兰氏阴性菌的蛋白质分泌系统（The Protein Secretion Systems of Gram-Negative Bacteria）。 图中展示了革兰氏阴性菌的五种分泌系统。Sec依赖通路和Tat通路将蛋白质从细胞质运送至周质空间。 II型、V型及部分IV型系统完成由Sec依赖通路启动的分泌过程。 Tat系统仅向II型通路输送蛋白质。 I型和III型系统则绕过Sec依赖和Tat通路，直接将蛋白质从细胞质经外膜运送到胞外。 IV型系统既可与Sec依赖通路协同工作，也可独立将蛋白质转运至胞外。 Sec依赖通路和III型通路转运的蛋白质由分子伴侣蛋白递送至相应系统。

（3）革兰氏阴性菌的蛋白质分泌

目前在革兰氏阴性菌中已鉴定出五种蛋白质分泌通路（图4）。革兰氏阴性菌拥有第二层外膜，蛋白质必须穿过这层膜。

革兰氏阴性菌利用II型和V型通路，将已由Sec依赖通路穿过质膜的蛋白质再转运穿过外膜。I型和III型通路不与Sec系统转运的蛋白质相互作用，因此被称为Sec非依赖通路。IV型通路有时与Sec依赖通路相连，但通常独立运作。

II型蛋白质分泌通路存在于多种动植物病原菌中，如胡萝卜软腐欧文氏菌（Erwinia carotovora）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和霍乱弧菌（Vibrio cholerae）。它负责分泌多种降解酶，如普鲁兰酶（pullulanases）、纤维素酶（cellulases）、果胶酶（pectinases）、蛋白酶（proteases）和脂肪酶（lipases），以及其他蛋白质，如霍乱毒素（cholera toxin）和菌毛蛋白（pili proteins）。

II型系统非常复杂，可包含多达12至14种蛋白质，其中大部分似乎是内在膜蛋白（integral membrane proteins）（图4）。

尽管II型系统的某些组分跨越质膜，但它们似乎只负责将蛋白质转运穿过外膜。在大多数情况下，Sec依赖通路首先将蛋白质转运穿过质膜，然后II型系统完成分泌过程。

在革兰氏阴性和阳性菌中，还存在另一种名为Tat通路（Tat pathway）的质膜转运系统，可将蛋白质转运穿过质膜。在革兰氏阴性菌中，这些蛋白质随后被递送给II型系统。Tat通路与Sec系统不同，它能转运已经折叠好的蛋白质。

V型蛋白质分泌通路是最新发现的分泌系统。它们同样依赖Sec依赖通路将蛋白质穿过质膜。然而，一旦进入周质空间，其中许多蛋白质能够在外膜上自行形成通道，并通过该通道将自身转运出去；这类蛋白质被称为自转运蛋白（autotransporters）。其他蛋白质则在一种独立的辅助蛋白（helper protein）的帮助下，通过V型通路分泌。

ABC蛋白质分泌通路（因其含有ATP结合盒（ATP binding cassette, ABC）而得名）在原核生物中普遍存在，即在革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和古菌中均有发现。它有时也被称为I型蛋白质分泌通路（图4）。

在致病性革兰氏阴性菌中，它参与分泌毒素（如α-溶血素（α-hemolysin））、蛋白酶、脂肪酶和特定肽类。分泌的蛋白质通常含有C端分泌信号（C-terminal secretion signals），可引导新合成的蛋白质到达I型分泌机器。该机器贯穿质膜、周质空间和外膜。这些系统能一步将蛋白质跨过两层膜转运出去，从而绕过Sec依赖通路。

革兰氏阳性菌则使用一种改良版的I型系统来将蛋白质转运穿过质膜。对枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）基因组的分析发现了77种ABC转运蛋白。这可能反映了ABC转运蛋白除了转运蛋白质外，还能转运多种溶质，包括糖和氨基酸，并能将药物从细胞内泵出。

几种革兰氏阴性病原菌拥有III型蛋白质分泌通路，这是另一种绕过Sec依赖通路的分泌系统。

大多数III型系统能将其攻击的动植物宿主细胞直接注入毒力因子（virulence factors）。这些毒力因子包括毒素、吞噬作用抑制剂、宿主细胞骨架重组刺激物以及宿主细胞凋亡（apoptosis）促进剂。

但在某些情况下，毒力因子只是被简单地分泌到胞外环境中。III型系统还能转运其他蛋白质，包括：①构成系统自身的部分蛋白质、②调控分泌过程的蛋白质、③协助分泌蛋白插入靶细胞的蛋白质。

III型系统结构复杂，常呈注射器状（图4）。其细长的针状部分从细胞表面伸出；圆柱形的基座连接着外膜和质膜，外观与鞭毛基体（flagellar basal body）有些相似。人们认为蛋白质可能通过一个易位通道（translocation channel）移动。

拥有III型系统的细菌的重要例子包括沙门氏菌（Salmonella）、耶尔森菌（Yersinia）、志贺氏菌（Shigella）、大肠杆菌（E. coli）、博德特氏菌（Bordetella）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和欧文氏菌（Erwinia）。

IV型蛋白质分泌通路的独特之处在于，它既可用于分泌蛋白质，也可在细菌接合（conjugation）过程中将DNA从供体菌转移到受体菌。IV型系统由多种不同的蛋白质组成，与III型系统一样，这些蛋白质也形成注射器状结构。

参考文献

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

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更新日期：2026-05-11

编制人：叶凡

审稿人：小藻