乳酸菌能量代謝的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展

劉海新

（青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島266042）

乳酸菌是非常有趣的生物體，約3億年前，它們起源于厭氧到需氧的過渡時期，并且在演化過程中從未獲得過合成血紅素的能力。存在于細(xì)胞色素、過氧化物酶和過氧化氫酶中的卟啉可使它們進(jìn)行有氧和無氧呼吸及氧自由基的解毒作用。乳酸菌的病原菌種，即鏈球菌，可以通過來自動物宿主的溶血素混入細(xì)胞色素來減少血紅素，從而獲得減少氧氣及加快新陳代謝的功能性呼吸鏈，其它乳酸菌物種則被迫生活在具有較低能量的發(fā)酵代謝中。與厭氧細(xì)菌不同的是，乳酸菌在氧氣中也可以存活[1］。由于缺乏血紅素，它們抵抗氧氣的防御機制主要是以金屬的積累為基礎(chǔ)。事實上，有些乳酸菌物種能夠在細(xì)胞內(nèi)積累大量的錳（可達(dá)25mmol）、硒和鋅。錳可以充當(dāng)類似超氧化物歧化酶的角色，而硒可以在硒代胱氨酸系統(tǒng)中充當(dāng)自由基清除劑，鋅構(gòu)成了氧自由基的離子捕集器。所有這些能力使乳酸菌成為耐氧的厭氧菌，也為其憑借腸道環(huán)境中的金屬濃度成為有益菌種提供了可能。某些異型發(fā)酵的乳酸菌物種可以通過一個簡短的電子傳輸鏈（NADH－黃素－O2）將氧氣還原為水，從而消除氧氣，并最終通過乙酰磷酸產(chǎn)生的醋酸將NADH重新氧化為NAD＋，從而維持了系統(tǒng)的循環(huán)。

由于乳酸菌的生物合成能力有限，因此它們可以與為其提供糖類、維生素和氨基酸的動植物形成共生或寄生關(guān)系。另外，乳酸菌可以生活在食物生態(tài)環(huán)境中，因而普遍存在于水果、蔬菜、奶酪、葡萄酒，特別是牛奶中。牛奶因為含有豐富的乳糖，從而成為乳酸菌首選的生活環(huán)境。異型發(fā)酵乳酸菌可以產(chǎn)生100%的乳酸，兼同型和異型發(fā)酵的乳酸菌可以產(chǎn)生乳酸、乙醇和乙酸。在兼同型和異型發(fā)酵的乳酸菌中，1mol戊糖發(fā)酵代謝可以多產(chǎn)生2mol ATP。同型發(fā)酵的乳酸菌可以從己糖中獲得2mol ATP，而異型乳酸菌只能得到1mol ATP[2］。除了底物磷酸化，一些乳酸菌還可以從質(zhì)子運輸中獲得能量。

乳酸菌具有悠久的歷史、顯明的特征及與人類生活息息相關(guān)等特點。正是憑借這些特點，乳酸菌受到了各國科研人員的關(guān)注，近年來相關(guān)研究成果層出不窮。特別是最近幾年，利用蛋白質(zhì)組學(xué)作為研究工具對乳酸菌進(jìn)行研究更是成為了生物、醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點。作者在此概述了乳酸菌能量代謝的蛋白質(zhì)組學(xué)研究進(jìn)展，并討論了代謝路徑之間的相互關(guān)系。

1 乳酸菌替代能源途徑的影響因素

由于乳酸發(fā)酵是乳酸菌獲得能量的主要途徑，因此在同型乳酸菌物種和可以產(chǎn)生醋酸的異型乳酸菌物種中，減小pH值十分必要。在某些物種中，pH值減小可以通過質(zhì)子或底物的同向運輸來實現(xiàn)，系統(tǒng)產(chǎn)生電子并排出質(zhì)子，但不能在低pH值下工作，因為乳酸的pKa是3.9，低于此值時乳酸不能解離，只可以通過被動擴散排出，每摩爾乳酸只能排出1個質(zhì)子[3］。低pH值可能誘發(fā)其它系統(tǒng)來緩沖乳酸的酸性，如氨基酸脫羧或ADI途徑等。

1.1 氨基酸脫羧反應(yīng)對pH值的控制

在大腸桿菌中，細(xì)胞外的低pH值將引起cad編碼操縱子由賴氨酸轉(zhuǎn)換為尸胺，并引起谷氨酸轉(zhuǎn)化為氨基丁酸谷氨酸脫羧酶[4］，在這些比乳酸菌演化更高級的革蘭氏陰性菌中，氨基酸脫羧路線的活化與能源需求沒有必然的聯(lián)系，因為還有其它可供選擇的發(fā)酵途徑。因此，氨基酸脫羧反應(yīng)的主要生理功能是控制pH值，例如為了在胃管道中存活而調(diào)節(jié)pH值。乳酸菌中氨基酸的脫羧反應(yīng)至少在3個水平上進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)：微生物種群的篩選、脫羧酶的催化活化和脫羧酶合成的過度表達(dá)。

1.2 ADI途徑

和氨基酸脫羧反應(yīng)類似，人們發(fā)現(xiàn)葡萄酒中的乳酸菌的ADI途徑也可被不同的酸性pH值（pH＞3.2）激活。由此路徑產(chǎn)生的氨氣，有助于細(xì)胞承受低pH值（pH＜4）及保護口腔鏈球菌[5－6］、乳酸菌和酸性應(yīng)力下的干酪乳酸球菌。相比之下，在酵母株乳酸菌Sanfrancisciensis中觀測到不需要控制pH值的ADI途徑表達(dá)。

1.3 乳酸發(fā)酵

乳酸發(fā)酵通常在pH值呈酸性（pH值為3左右）時進(jìn)行。Gockowiak和Henschke指出，L－蘋果酸的降解速率在pH值為3.5和2.9時分別以每周3.1g·L－1和8.0g·L－1的速率急劇下降。Rosi等[7］也發(fā)現(xiàn)乳酸菌的代謝活性在pH值為3.2時會下降，因為pH值為3.2時蘋果酸的完全降解需要15d，而pH值為3.6時只需10d。

1.4 ATP的控制

促進(jìn)ATP合成的條件不利于 ADI的途徑[8］。ATP濃度和乳酸乳球菌的氨基甲酸酯類激酶的生物合成之間的反比關(guān)系表明，ADI途徑是在ATP衰竭的情況下被激活的[9－10］。有假設(shè)認(rèn)為即使ATP不足，三磷酸腺苷和精氨酸也可以通過促進(jìn)擴散或利用低pH值條件下的跨膜質(zhì)子梯度進(jìn)入細(xì)胞。

1.5 生長期的控制

將不同生長期當(dāng)作同一參數(shù)來評估路徑的激活是不正確的。事實上，在每個階段各種復(fù)雜因素在不同程度上發(fā)揮作用，這取決于培養(yǎng)基條件、媒介、菌株、養(yǎng)分供應(yīng)和輔源營養(yǎng)等等。Pessione等通過胺測定和蛋白質(zhì)組學(xué)研究，檢測到組胺的過度積累與乳酸桿菌穩(wěn)定生長期的HDC的過度表達(dá)相關(guān)聯(lián)。對乳酸乳球菌NCDO2118中γ－氨基丁胺的研究也得到了類似的結(jié)果。

2 碳底物對乳酸菌能量代謝的影響

除了pH值降低和ATP減少之外，人們認(rèn)為激活普通有機酸和氨基酸產(chǎn)能反應(yīng)的另一個因素是碳水化合物不足。而對于MLF、氨基酸脫羧和ADI途徑中糖類的影響，文獻(xiàn)中卻顯示出相反的結(jié)果。從物種到物種（有時從菌株到菌株）之間存在著巨大的差異[11］。

2.1 氨基酸脫羧反應(yīng)

糖類可以影響氨基酸脫羧路徑。Lonvaud－Funel等[12］研究表明，發(fā)酵糖的不足可以提高澳球菌中組胺生產(chǎn)量。隨后Rollan證實澳球菌中葡萄糖的量不影響HDC的催化過程，由此引入了對HDC操縱子進(jìn)行生物合成的假說。最近，Pessioneet等對Lactobacillus菌種的研究表明，葡萄糖耗盡時存在HDC的誘導(dǎo)。此外，雖然糖消耗能增強組氨酸脫羧作用且不發(fā)生酪胺積累，但對L.hilgardii和P.parvulus的研究已明確證實了葡萄糖和果糖對HDC編碼操縱子的抑制作用。糖在氨基酸脫羧途徑中的影響尚未完全明確，初步推斷，它與特定的氨基酸、氨反應(yīng)及與不同菌種的關(guān)系似乎比其它微生物物種更加密切，因為L.hilgardii同時具有兩種現(xiàn)象。

2.2 ADI途徑

1987年，Poolman等[9］在乳酸乳球菌的ADI酶生物合成途徑中進(jìn)行了葡萄糖的陰性對照研究，結(jié)果表明，cAMP的拮抗與分解抑制是相兼容的。在果糖加蔗糖和葡萄糖加乳糖中，鏈球菌和乳酸菌Leichmanii得到了相似的結(jié)果。微生物的合成抑制和負(fù)催化調(diào)控已經(jīng)通過乳酸球菌與L.buchneri中3個主要的ADI途徑酶（ADI、OTC、CK）得到證實。盡管在L.sakei中已發(fā)現(xiàn)，但負(fù)合成調(diào)控在這些研究結(jié)果中可能是由于物種或菌種差異引起的，ADI途徑的最終結(jié)果可能是合成和催化調(diào)節(jié)的共同結(jié)果。Jonsson和de Angelis等對L.plantarum、L.buchneri和Sanfrancisciensis的研究證明了葡萄糖在ADI途徑中發(fā)揮作用。這些研究表明要激活A(yù)DI途徑，少量的葡萄糖是必需的。pH值較高時，精氨酸才可以進(jìn)入細(xì)胞，并在精氨酸操縱子作用下發(fā)揮其激活作用。然而，仍不能解釋為什么都能產(chǎn)生能量及不同的糖（果糖、蔗糖、乳糖、半乳糖）或高血糖濃度卻產(chǎn)生相反效果等問題。

2.3 蘋果酸－乳酸發(fā)酵

乳酸菌中糖的代謝和蘋果酸－乳酸發(fā)酵之間的關(guān)系并沒有得到廣泛研究。Davies等觀察到，澳球菌生長中，在存在葡萄糖、果糖和蘋果酸的情況下，蘋果酸是同時與乳酸產(chǎn)生及消耗的，然而葡萄糖和果糖均不減少。這表明，碳底物酸和糖同時存在時，細(xì)菌傾向于通過蘋果酸－乳酸發(fā)酵消耗蘋果酸。其它研究也表明，在沒有發(fā)酵糖的蘋果酸合成培養(yǎng)基中乳酸菌不能生長。因此，作為MLF唯一補充碳源，盡管L－蘋果酸可以為利用底物補充能量，但它不能作為增長過程的唯一碳源。Landete等還觀察到蘋果酸乳酸酶的表達(dá)可以被葡萄糖激活，而蘋果酸酶基因的表達(dá)卻被葡萄糖抑制[13］。

3 結(jié)語

乳酸菌中產(chǎn)生能量的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)比以前人們認(rèn)為的要復(fù)雜得多。利用尖端的技術(shù)，如轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物合成調(diào)控是普遍存在的，而催化控制至關(guān)重要，調(diào)節(jié)基因表達(dá)往往存在不同的路線。此外，蛋白水解系統(tǒng)和蛋白激酶是相互協(xié)作的，它們一起抵制能量產(chǎn)生過程中pH值的變化等，這是乳酸菌通過漫長的進(jìn)化所得到的結(jié)果。

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