常见的细胞壁结构和细胞破碎技术

背景介绍

细胞壁是植物、细菌、真菌等细胞外层的刚性结构，主要由纤维素（植物）、肽聚糖（细菌）或几丁质（真菌）等成分构成，具有维持细胞形态、保护内部结构和抵抗外界压力的功能。在生物技术、医药和食品工业中，常需破碎细胞壁以提取胞内物质（如蛋白质、核酸或代谢产物），因此发展出机械研磨、酶解法、超声波破碎、高压均质等多种破碎技术，其选择取决于细胞壁组成及目标产物的稳定性。

1.细胞壁的结构特点

1.1细菌细胞壁

细菌的细胞壁主要由肽聚糖（Peptidoglycan）构成，其结构坚固且具有弹性。根据染色特性，细菌可分为：

革兰氏阳性菌：细胞壁厚（含多层肽聚糖），并含有大量磷壁酸。

革兰氏阴性菌：细胞壁较薄（单层肽聚糖），但外覆脂多糖外膜，使其对破碎技术的抗性较强。

1.2真菌细胞壁

真菌的细胞壁较厚，主要由多糖、少量的蛋白质和脂类组成。

细胞壁主要成分为几丁质（Chitin）、β-葡聚糖（β-Glucan）和甘露聚糖（Mannan），结构比细菌更复杂，因此破碎难度更高。

*酵母细胞壁

酵母细胞壁呈典型的三层“三明治"结构，外层为甘露聚糖层，由分支状多糖构成，约占细胞壁干重的30%；中间层为蛋白质层，含结构蛋白和酶类；内层为β-葡聚糖层。此外，酵母细胞壁含少量几丁质（主要集中于芽痕处），其厚度约为25-70纳米，成分比例以甘露聚糖和β-葡聚糖为主，兼具柔韧性与稳定性。

*霉菌细胞壁

霉菌细胞壁结构通常分为4-5层，外层为混合葡聚糖层，厚且多孔，内层含网状葡聚糖骨架与蛋白质填充，最内层为纤丝状几丁质（高等霉菌）或纤维素（低等水生霉菌）层，形成刚性支撑结构。其成分比例随菌龄和生态位动态变化，如高等陆生霉菌以几丁质为主，低等水生霉菌则以纤维素为主。

1.3植物细胞壁

植物细胞壁主要由纤维素（Cellulose）、半纤维素（Hemicellulose）和果胶（Pectin）构成，结构坚硬且具有多层性，能显著增加机械强度和抗压缩能力，需要更强的机械力或化学方法才能破碎。

2.常见的细胞破碎技术

2.1机械破碎法

高压均质法：其核心原理是利用高压使物料在通过狭窄缝隙时，受到剪切力、撞击力和空穴效应的共同作用，从而将物料中的颗粒或液滴破碎并均匀分散。

图1 高压均质机原理图

珠磨法：利用研磨剂（如玻璃珠、石英砂、氧化铝等，直径小于1mm）与细胞悬浮液在珠磨机内高速搅拌或研磨，通过研磨剂、珠子与细胞之间的相互剪切和碰撞作用使细胞破碎，释放出内含物。在珠液分离器的协助下，研磨剂被滞留在破碎室内，而浆液流出，从而实现连续操作。

图2 珠磨法原理图

超声破碎法：超声波破碎法是利用超声波在液体中传播时产生的空化效应，即超声波使液体形成微小气泡并迅速生长、闭合，在气泡闭合瞬间产生局部高温高压及冲击波和微射流，对周围细胞或组织等造成物理性破坏，从而实现细胞破碎、物质分散等目的 。

2.2化学与酶解法

溶菌酶处理：针对细菌细胞壁（尤其是革兰氏阳性菌），可特异性降解肽聚糖。

纤维素酶/几丁质酶：用于植物或真菌细胞壁的酶解，温和高效，但成本较高。特异性高，对细胞内容物影响小；适用于植物细胞的破碎，释放细胞内产物。

去垢剂（如SDS、Triton X-100）：破坏细胞膜脂质结构，这种方法操作简单，适用于提取膜蛋白。

2.3物理破碎法

冻融法：通过反复冻融（通常在-80℃至室温或4℃间循环）在低温下细胞内水分结冰形成冰晶，体积膨胀导致细胞膜和细胞壁机械性破裂；融化时冰晶迅速消融，产生局部渗透压冲击进一步破坏细胞结构。该方法操作简便、无需化学试剂或复杂设备，对热敏感产物（如蛋白质、核酸）的活性影响较小，但破碎效率较低，适用于实验室小规模样本（如少量细菌、酵母或动物细胞）的破碎。

渗透压冲击：将细胞置于低渗溶液中，使其吸水膨胀，随后快速转移至高渗溶液（如1M蔗糖）或蒸馏水中，细胞因渗透压骤变而收缩，膜结构在反复胀缩中破裂。该方法温和高效，尤其适用于膜结构较脆弱的动物细胞或某些微生物（如革兰氏阴性菌），能较好保留膜蛋白的天然构象和活性，但需精确控制溶液浓度和转移速度，且对细胞壁较厚的样本（如植物细胞）效果有限，常用于实验室级膜蛋白提取或亚细胞器分离。

结语

细胞破碎是生物技术、制药和食品工业中的关键步骤。了解细胞壁的结构差异，选择合适的方法，既能提高破碎效率，又能保护目标产物的活性。未来，随着酶工程和纳米技术的发展，更高效、低成本的细胞破碎技术将不断涌现！