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細(xì)胞破碎
日期：2024-12-22 15:02
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摘要：
細(xì)胞破碎（cellrupture）技術(shù)是指利用外力破壞細(xì)胞膜和細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)容物包括目的產(chǎn)物成分釋放出來的技術(shù)。細(xì)胞破碎技術(shù)是分離純化細(xì)胞內(nèi)合成的非分泌型生化物質(zhì)（產(chǎn)品）的基礎(chǔ)。隨著重組DNA技術(shù)和組織培養(yǎng)技術(shù)上的重大進(jìn)展，以前認(rèn)為很難獲得的蛋白質(zhì)現(xiàn)在可以大規(guī)模生產(chǎn)。
一、細(xì)胞破碎阻力
細(xì)菌
幾乎所有細(xì)菌的細(xì)胞壁都是由肽聚糖（peptidoglycan）組成，它是難溶性的聚糖鏈（glycanchain），借助短肽交聯(lián)而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包圍在細(xì)胞周圍，使細(xì)胞具有一定的形狀和強(qiáng)度。短肽一般由四或五個氨基酸組成，如L-丙氨酰-D-谷氨酰-L-賴氨酰-D-丙氨酸。而且短肽中常有D-氨基酸與二氨基庚二酸存在。破碎細(xì)菌的主要阻力是來自于肽聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)結(jié)構(gòu)的致密程度和強(qiáng)度取決于聚糖鏈上所存在的肽鍵的數(shù)量和其交聯(lián)的程度，如果交聯(lián)程度大，則網(wǎng)結(jié)構(gòu)就致密。大腸桿菌(E.coli)屬于細(xì)菌。
酵母菌
酵母細(xì)胞壁的最里層是由葡聚糖的細(xì)纖維組成，它構(gòu)成了細(xì)胞壁的剛性骨架，使細(xì)胞具有一定的形狀，覆蓋在細(xì)纖維上面的是一層糖蛋白，最外層是甘露聚糖，由1,6一磷酸二酯鍵共價連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在該層的內(nèi)部，有甘露聚糖-酶的復(fù)合物，它可以共價連接到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，也可以不連接。與細(xì)菌細(xì)胞壁一樣，破碎酵母細(xì)胞壁的阻力主要決定于壁結(jié)構(gòu)交聯(lián)的緊密程度和它的厚度。
真菌
霉菌的細(xì)胞壁主要存在三種聚合物，葡聚糖（主要以β-1,3糖苷鍵連接，某些以β-1,6糖苷鍵連接），幾丁質(zhì)（以微纖維狀態(tài)存在）以及糖蛋白。最外層是α-和β-葡聚糖的混合物，第2層是糖蛋白的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，葡聚糖與糖蛋白結(jié)合起來，第3層主要是蛋白質(zhì)，最內(nèi)層主要是幾丁質(zhì)，幾丁質(zhì)的微纖維嵌入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。與酵母和細(xì)菌的細(xì)胞壁一樣，真菌細(xì)胞壁的強(qiáng)度和聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，不僅如此，它還含有幾丁質(zhì)或纖維素的纖維狀結(jié)構(gòu)，所以強(qiáng)度有所提高。
植物細(xì)胞
對于已生長結(jié)束的植物細(xì)胞壁可分為初生壁和次生壁兩部分。初生壁是細(xì)胞生長期形成的。次生壁是細(xì)胞停止生長后，在初生壁內(nèi)部形成的結(jié)構(gòu)。目前，較流行的初生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)是由Lampert等人提出的“經(jīng)緯”模型，依據(jù)這一模型，纖維素的微纖絲以平行于細(xì)胞壁平面的方向一層一層敷著在上面，同一層次上的微纖絲平行排列，而不同層次上則排列方向不同，互成一定角度，形成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了細(xì)胞壁的“經(jīng)”，模型中的“緯”是結(jié)構(gòu)蛋白（富含羥脯氨酸的蛋白），它由細(xì)胞質(zhì)分泌，垂直于細(xì)胞壁平面排列，并由異二酪氨酸交聯(lián)成結(jié)構(gòu)蛋白網(wǎng)，徑向的微纖絲網(wǎng)和緯向的結(jié)構(gòu)蛋白網(wǎng)之間又相互交聯(lián)，構(gòu)成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。半纖維素和果膠等膠體則填充在網(wǎng)絡(luò)之中，從而使整個細(xì)胞壁既具有剛性又具有彈性。在次生壁中，纖維素和半纖維素含量比初生壁增加很多，纖維素的微纖絲排列得更緊密和有規(guī)則，而且存在木質(zhì)素（酚類組分的聚合物）的沉積。因此次生壁的形成提高了細(xì)胞壁的堅(jiān)硬性，使植物細(xì)胞具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。
二、細(xì)胞破碎技術(shù)
目前世界上有多種細(xì)胞破碎方法，以適應(yīng)不同用途和不同類型的細(xì)胞壁破碎。破碎方法可規(guī)納為機(jī)械法和非機(jī)械法兩大類。在此重點(diǎn)介紹機(jī)械法中的高壓均質(zhì)破碎法。
高壓均質(zhì)破碎法（homogenization）：在歐美、中國、日本、韓國等多個國家，高壓均質(zhì)機(jī)是常用的細(xì)胞破碎設(shè)備。美國PhD高壓均質(zhì)機(jī)，其結(jié)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動泵體，進(jìn)而在均質(zhì)閥體內(nèi)生成壓力。細(xì)胞漿液通過止回閥進(jìn)入均質(zhì)閥體內(nèi)，在高壓下迫使其在均質(zhì)閥的小孔中高速沖出，且由于瞬間減壓和高速沖擊，使細(xì)胞同時受到高的液相剪切效用、空穴效用、撞擊效用而破碎。在操作方式上，可以采用單次通過高壓均質(zhì)機(jī)或多次循環(huán)通過等方式，也可連續(xù)操作。為了控制溫度的升高，PhD同時采用內(nèi)置式冷卻和外部冷卻的方式，使出料最低溫度能控制在0-10℃左右。在工業(yè)規(guī)模的細(xì)胞破碎中，對于大腸桿菌，用美國PhD高壓均質(zhì)機(jī)，在15,000psi(1,035bar)，均質(zhì)一次即可達(dá)用用戶要求;對于酵母等難破碎的及濃度高或處于生長靜止期的細(xì)胞，常采用均質(zhì)壓力在25,000psi(1,720bar)的情況下均質(zhì)。