第十三节
“骨骼系统”

长久以来，细菌被认为是没有内部结构的，没有细胞核，没有细胞器，基本上就是细胞壁和细胞膜包裹的一包溶液。然而细菌又有各种不同的形状，有球状、杆状、螺旋状、甚至三角或四角形。细菌在分裂时，必须在分裂面收缩，将自身“掐”成两段。细胞里面的环状DNA在复制后，也必须分入两个“子”细胞去。这一切又是如何办到的呢？这就是细菌的细胞骨架（bacterial cytoskeleton）的作用。它们有的成为细胞壁的组成成分，抵抗细胞的渗透压，有的使细菌成为杆状或螺旋状，有的则在细菌的细胞分裂时起作用。

球形的细菌一般都比较小，直径一般在0.5—1.0微米之间。例如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的直径约为0.6微米。杆菌一般粗0.5—1.0微米，长1—5微米。螺旋菌一般粗1微米，长数微米。大多数细菌，至少在一个方向上的尺寸一般不会超过1微米，才能提供生命所需要的表面积和体积的比例，这样迅速从环境中获得养料，才能够足够快地繁殖（见下节）。杆菌和螺旋菌都可以看成球菌在一个方向上线性或螺旋性的延长，所以可以比较长，体积比较大，而又不会显著减少表面积和体积的比例。

肽聚糖外壁

细菌的细胞膜外面有由肽聚糖（peptidoglycan，又称胞壁质murein）组成的细胞壁。革兰氏阳性细菌的细胞壁比较厚，革兰氏阴性细菌的细胞壁比较薄。肽聚糖的骨架是由葡萄糖的两种衍生物：N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）交替相连而形成的多糖链。链中每个N-乙酰胞壁酸引出一条由几个氨基酸组成的寡肽链（例如大肠杆菌的寡肽链就由丙氨酸、右旋谷氨酸、二氨基庚二酸和右旋丙氨酸组成），与相邻多糖链上的N-乙酰胞壁酸相连，使两条平行的糖链横向相连构成网络，形成肽聚糖（图2-34）。

由肽聚糖组成的细胞壁有两个作用。第一是帮助细胞经受住渗透压。细菌细胞的内容物浓度比周围的水溶液溶质的浓度高，会产生渗透压。例如革兰氏阴性细菌的渗透压相当于几个大气压，而革兰氏阳性细菌的渗透压可以高至30个大气压，而汽车轮胎内的空气压力才两个大气压左右（相当于203千帕）。除去细胞壁，这些细菌就会在水中被涨破。人体的防护系统也巧妙地利用了细菌的这一弱点。例如眼睛的角膜和空气接触而细菌不易在眼内生长，就是因为眼泪中含有溶菌酶（lysozyme）。它能够水解N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的连接，使细菌的肽聚糖解体。肽聚糖一旦解体，细菌的细胞膜抵挡不住渗透压，细胞就涨破了。青霉素的化学构造与一种肽聚糖单体的结构类似，可以结合在合成肽聚糖的酶上面，使肽聚糖的合成受到影响。细菌的高渗透压使得细菌的形状像充了气的气球，可以是球形或杆形，但是没有尖锐的角。而一些高度耐盐的细菌，细胞内外溶质浓度差不多大，即细菌细胞的渗透压比较小，这些细菌的细胞就可以成片状的三角形或四角形。

细胞壁的第二个作用是维持细胞的形状。实验表明，把细胞的内容物去掉，只剩下肽聚糖组成的细胞壁，这个细胞壁仍然保持细菌原来的形状，说明细菌的形状是由细胞壁的形状决定的，问题是细菌如何合成不同形状的细胞壁。科学研究发现，杆菌和螺旋菌都含有一种叫做MreB（名称来自murein cluster e B）的蛋白质，而球菌则没有这种蛋白质。大肠杆菌和枯草杆菌（Bacillus subtilis）都是杆状的，每个细胞分别含有约30000和8000个MreB分子。如果用绿色荧光蛋白标记MreB，在细胞被紫外线照射时，这些蛋白质就会发出绿色的荧光，可以在显微镜下看见它们的分布情况。用这种技术，科学家发现，MreB分子在ATP存在时可以聚合成类似弹簧状的螺旋形长丝，紧贴细胞膜的内面，贯穿细胞的全长，好像从内面撑住塑料管的金属螺旋。但是除去细胞壁后，尽管MreB还存在，细菌仍会变成球形。这个事实说明，不是MreB的“弹簧”把细菌的细胞“撑”成杆状，而是MreB的螺旋作为一种“脚手架”，使得合成肽聚糖的酶沿着MreB螺旋的位置合成新的细胞壁（图2-35）。

杆状细菌的细胞壁中，肽聚糖的糖链方向与长轴垂直，和这个机制相一致。万古霉素（vancomycin）和“雷莫拉宁”（ramoplanin）都是能够抑制肽聚糖合成的抗生素，可以用来标记新合成的肽聚糖。它们的标记结果表明，新合成的肽聚糖的确呈螺旋状，与MreB的分布情况相符。对单个MreB分子的追踪表明，MreB分子沿着细胞的短轴方向运动，大约每秒钟6纳米，说明MreB的螺旋结构在细胞内转动，不断制造新的肽聚糖合成点。细菌的细胞分裂时，MreB集中到分裂面附近，形成一个环状结构，估计是在那里促进新的细胞壁合成。而球形的细菌则是失去了mreB基因的结果。

如果杆状细胞弯曲，就可以形成新月状或螺旋状的细胞。例如新月柄杆菌（Caulobacter crescentus）的形状就是弧形的。一些新月柄杆菌的突变种可以从弧形变成杆状。研究发现，这是由于一种成新月蛋白（Crescentin，简称CreS）的基因被转座子（transposon，一种可以在DNA分子中“跳来跳去”，转移位置的DNA序列单位）打断的缘故，说明CreS蛋白对于弧形或螺旋形的结构非常重要。Cres蛋白分子自身就可以聚合成长链，不需要ATP的存在。这些长链结合于细菌的内弯面，似乎是处于拉伸状态。因为从细胞膜上分离下来后，这些链会缩回螺旋状态。也许是CreS链的拉力使细胞内弯。另一个可能是CreS链的存在减慢了肽聚糖的合成速度，使得细胞另一面（即没有CreS链结合的那一面）肽聚糖的合成速度更快，使细胞的杆状部分发生弯曲。这后一种机制看来是更有可能的，因为新月柄杆菌的细胞壁在细胞的内容物被除去后仍然呈弧形，说明这个弧形并不需要CreS蛋白来维持。CreS需要MreB的存在才能发生作用。如果没有MreB，尽管有CreS蛋白在，细胞仍然会是球形。

使细胞一分为二的FtsZ蛋白

细菌在分裂时，会在分裂处形成的一个分裂环。这个分裂环不断收缩，就把细菌从中间勒断。分裂环中的关键蛋白是FtsZ，全名为filamenting temperature-sensitive mutant Z，意思是这个基因的突变会使细菌在高温下（如在42℃）无法分裂。FtsZ蛋白在GTP（三磷酸鸟苷，也是高能化合物）的存在下可以聚成几十个单位的直链。这些链互相平行重叠排列，形成一个绕细胞分裂面的环，类似棉纤维被纺成线。与FtsZ蛋白结合的GTP水解时，直链会向一个方向弯曲，产生拉力。把FtsZ蛋白放入脂质体（liposome，由磷脂等两性分子组成的由膜包成的囊，在性质上类似细胞膜），它也能形成环。当FtsZ和一个类似的FtsA蛋白一起被放入脂质体时，形成的环可以收缩，有时还可以把脂质体分成两个。这说明FtsZ就有可能产生使分裂环收缩的力量（图2-36）。

当然收缩环中的蛋白不止FtsZ一种，还有至少10种其他蛋白，包括合成新细胞壁的酶，以及帮助这些酶定位的MreB。在细菌形成孢子时，FtsZ会移动到细胞的顶端，在那里形成分裂环，使孢子与细胞体分离。FtsZ参与几乎所有原核生物的细胞分裂，包括细菌和古菌。黄连素（Berberine）能够与FtsZ紧密结合，抑制FtsZ环的形成。这就是黄连素具有广谱抗菌作用的机制之一，因为它阻止细菌分裂。

细菌的细胞分裂时，DNA要先复制，再分配到两个子细胞中去。这是由另外一组可以聚合成长链的蛋白质完成的，叫做ParABS系统。其中的Par是“划分”（partition）的头三个字母。ParA是一种蛋白质，在ATP存在时可以聚合成长链。ParB也是一种蛋白质，可以结合在DNA复制开始部位的序列ParS上。在染色体复制前，结合ParS的ParB（通过另一个蛋白质PopZ）把染色体的复制起始处固定在细胞的“老极”上（即在上次细胞分裂时已经有的极，细胞分裂新形成的极叫“新极”）。而ParA的长链则被另一种蛋白质TipN固定在细胞的新极上。染色体复制后，新染色体的ParS也和ParB结合，原来的染色体仍然被固定在老极上。当新染色体的ParSParB复合物遇到ParA的长链，就会与ParA结合，同时激活ParA水解ATP的活性。当末端ParA上面的ATP被水解为ADP后，形状改变，从ParA链的末端脱落，使ParA链缩短一个单位，同时暴露出新的ParA-ATP末端。由于这个末端又可以和ParS-ParB复合物结合，ParS-ParB复合物就向缩短了的ParA链方向前进一步。ParS-ParB复合物与新的ParA-ATP末端结合，又触发ParA水解ATP的活性，使又一个ParA分子从链端脱落。这样，ParSParB复合物就一直“追”着不断退缩的ParA链，直至它到达新极为止（图2-37）。

质粒（plasmid）是细菌染色体外的环状DNA，比染色体小得多，主要携带可以在细菌之间交换的基因。在细胞分裂时，质粒也要被复制，然后被分配到两个子细胞中去。在质粒的分配中，科学家还发现了另外一种机制，即不是靠ParA蛋白质链的缩短把DNA“拉”着走，而是靠蛋白质链的延长把DNA“推”着走。这是通过另一组划分蛋白ParMRC系统来实现的。ParM和ParA一样，在结合ATP后可以聚合成长链。但是与ParA长链是由ParA-ATP组成的情况不同，新的ParM-ATP单位可以在链的两端同时加入，而且新加入的ParM-ATP会使链里面的ParM-ATP单位水解为ParM-ADP。这样，ParM链中间的部分就是由ParM-ADP单位组成的，两端戴有ParM-ATP的“帽子”，而这个帽子使链保持稳定。ParC类似ParB，可以结合在质粒DNA复制开始处的DNA序列，相当于ParS；而ParR可以充当“中间人”，把ParM和ParC结合在一起。质粒复制后，会形成两个复制起始点，它们分别和ParC-ParR结合。这时ParM链在这两个ParC-ParR复合物之间形成。新的ParM-ATP单位在ParM与ParR结合处插入，使ParM链不断延长，“推”着两个质粒向细胞的两极运动。细胞分裂时，ParM链会从中间被切断。由于ParM链是由ParM-ADP单位组成的，中间ParM-ADP单位的暴露会使ParM链迅速瓦解，两个质粒就分别留在两个细胞里面了（图2-38）。

从上面的例子可以看见，细菌不同形状的形成，细胞分裂，染色体和质粒在子细胞之间的分配，都是由能够聚合成链的蛋白质系统来实现的。它们通过与ATP或GTP的结合和水解来聚合、水解、伸长缩短、改变形状，使肽聚糖形成不同形状的细胞壁，使细胞被“掐”为两个，把染色体和质粒分配到两个“子”细胞中去。因为这类蛋白质可以形成链，又与细菌细胞的形状、分裂、DNA分配有关，它们被统称为细胞骨架。它们的存在和功能打破了细菌的细胞只是一包水溶液的想法，证明了原核生物就已经演化出了具有机械性质和功能的蛋白质系统，是非常了不起的发明。当然这样的系统还是比较原始的，还没有专门产生拉力的“动力蛋白”（motor proteins）出现，所以只能靠蛋白链自己的弯曲、伸长、缩短来执行功能。但是它们已经奠定了更复杂的运动和运输系统的基础。真核细胞更先进的系统，就是从原核生物的细胞骨架系统演化而来的。在真核生物的细胞中，这些“细胞骨架”只被当做“轨道”使用，真正唱主角的是动力蛋白。这就要等到真核生物的出现了。在下一章（第三章）第六节中，我们会介绍真核细胞的“骨骼系统”和“肌肉系统”。