跨膜钠离子电化学势的生存

三、适应机制

嗜碱细菌生存最为突出的问题是在高pH值条件下，细胞如何维持其细胞质pH值的相对衡稳，因为在pH10.0～11.0条件下，RNA不稳定，蛋白质的合成也不能进行。实际上，嗜碱细菌细胞质pH值不超过9.5，这表明嗜碱细菌能建立一个逆向的跨膜质子梯度，以维持细胞质pH值在正常生理范围内。同时，嗜碱细菌的细胞壁也显现出对高pH值条件的适应。此外，嗜碱细菌在营养物质的运输、鞭毛运动以及能量转换方面都与嗜中性细菌有明显的差异。

由于嗜碱细菌呈现明显的多样性，它们各自的适应方式很可能不尽相同，下面主要介绍嗜碱芽孢杆菌的适应机制。

1.细胞质pH值稳定的维持

中性细菌通过呼吸作用泵出质子，从而导致细胞质相对碱化。然而，对嗜碱细菌而言，在最适生长pH值条件下其细胞质却要保持相对酸化。

嗜碱细菌细胞膜上的Na⁺/H⁺反向载体在调节细胞质pH值方面起关键作用。细胞通过这一载体排出Na⁺和摄入H⁺，使H⁺净积累于细胞质中，以保证细胞质pH值的相对衡稳。Na⁺/H⁺反向载体有两个基本特征:①对Na⁺有专一性，其他一价阳离子(除Li⁺外)不能替代Na⁺;②依赖于呼吸作用建立一种耗能次级载体。

嗜碱细菌细胞膜上的Na⁺/H⁺反向载体可以由呼吸链向胞外泵出的质子供给能量，也可通过ATP水解提供能量。

尽管Na⁺/H⁺反向载体在维持嗜碱细菌细胞质稳定方面的作用已确认无疑，但嗜碱细菌也可通过其他途径稳定细胞质pH值。嗜碱细菌细胞质中存在一些起保护作用的碱性蛋白和胺类化合物，因而在碱性范围内有非常高的缓冲能力。此外，嗜碱细菌细胞壁中含有大量酸性组分，主要是以糖醛酸磷壁质和富含谷氨酸的肽聚糖的形式存在。在碱性pH值条件下，这些酸性组分在细胞壁表面形成大量负电荷，从而限制OH^－进入胞内。

2.物质运输与细胞运动

嗜碱细菌的离子运输依赖于细胞膜中一些不同的载体，除普遍存在的Na⁺/H^+>反向载体外，还发现了K⁺/H^+>反向载体和Na⁺/Ca²⁺反向载体。嗜碱细菌的主要阳离子运输如图2-1所示。

图2-1　嗜碱芽孢杆菌细胞中主要阳离子的跨膜运输

同向运输是细菌摄入溶质的一种主要方式，通常是质子与溶质耦联运输。对嗜碱细菌而言，其依赖于耦联质子的溶质摄入受到限制。然而在另一方面，由于Na⁺/H+反向载体不断向胞外排出Na⁺，其结果使嗜碱细菌细胞建立起一个向内的跨膜钠离子电化学势能，这种电化学势能可以为细胞摄入溶质提供能量。已经证实嗜碱细菌细胞膜中存在一类Na⁺/溶质同向载体，这类载体由跨膜钠离子电化学势能供能进行某些氨基酸、有机酸和葡萄糖的主动运输。值得注意的是Li⁺不能替代Na⁺，这是与Na⁺/H⁺反向载体最明显的差异。Na⁺/溶质同向载体在输送溶质进入细胞的同时，也使部分被Na⁺/H⁺反向载体排出的Na⁺返回细胞，从而保证了Na⁺循环的连续性和Na⁺/H⁺反向载体的正常运转。

与部分溶质的主动运输一样，嗜碱细菌的鞭毛运动也依赖于跨膜钠离子电化学势能。测定结果表明，嗜碱细菌运动的阈值为100mV，当介质中Na⁺浓度为100mmol/L时，细胞内的Na⁺浓度为30mmol/L。由此可知，跨膜钠离子电化学势能在嗜碱细菌细胞中确实存在，并且足以驱动细胞的运动。

嗜碱细菌鞭毛运动的能源与中性细菌有根本区别，后者依赖于跨膜质子电化学势能供能。虽然目前还不清楚这种区别的分子基础，但已经知道嗜碱细菌的运动方式和速度与中性细菌基本相同。此外，已知嗜碱细菌鞭毛蛋白中的碱性氨基酸含量较低，这可能使得鞭毛在碱性条件下更稳定。

3.呼吸链与氧化磷酸化

嗜碱细菌的呼吸链能利用电子传递过程中释放的能量泵出质子，其功能与其他生物的呼吸链完全相同。但是，由于嗜碱细菌在维持细胞质pH值衡稳等方面需要额外的能量，并且呼吸过程是在逆向pH值条件下进行，因此，嗜碱细菌呼吸链必须具有与之相适应的特性。其主要特征是:①细胞质膜中的细胞色素和其他呼吸链组分含量高，并且同型色素呈不均一性;②呼吸链在碱性条件下能更有效地进行能量转换，每消耗一个氧原子能泵出较多的质子;③呼吸链的终点氧化酶受高pH值诱导，通常只有一种主组分。

嗜碱细菌的氧化磷酸化是一个迄今令人困惑的生物能量转换问题。在最适pH值条件下生长的嗜碱细菌，由于逆向pH值的影响，其细胞的跨膜质子电化学势能很低，一般只有60mV左右。这与细胞经F1F0-ATPase合成ATP所需的磷酸化电位(一般为420～480mV)相差甚远。尽管嗜碱细菌能利用跨膜钠离子电化学势能进行物质运输和运动，却不能进行ATP合成，这是因为嗜碱细菌通常只有H+型ATP合成酶。有学者提出了一个平行耦联模型(parallel couping model)，用以阐明嗜碱细菌合成ATP的机理。这一模型认为嗜碱细菌的F1F0-ATPase上存在着一些质子结合基团，经呼吸链组分传递的质子，一部分被泵到细胞外，建立起细胞的跨膜质子电化学势能。这种势能很低，不能直接作为ATP合成的能源，但在阻止胞内质子向胞外渗漏方面起重要作用;另一部分则通过呼吸链组分与F1F0-ATPase的碰撞直接传递到后者的质子结合基团上。这部分质子具有较高的跨膜质子电化学势能，能满足ATP合成的能量需要。同时，嗜碱细菌的Na⁺/H⁺反向载体也以同样的方式获得高跨膜质子电化学势能的质子。

4.嗜碱性的遗传

嗜碱性是一种遗传性状，可以采用现代生物技术对其进行研究。有人用嗜碱芽孢杆菌YN-1和YN-2的DNA转化限制修饰系统缺陷型枯草杆菌，然后用pH10.0的平板选择转化子。鉴定结果表明，转化子在获得嗜碱性的同时，还将受体菌株中两个营养缺陷型标记中的一个转化成原养型，并保留受体菌株的另一个营养缺陷型标记和对噬菌体的敏感性。这一结果表明，至少部分嗜碱性状只涉及1～2个基因。

碱敏感突变株的回复实验显示，嗜碱芽孢杆菌C-125的嗜碱性状与其染色体DNA相关。进一步分析表明，该菌株的碱敏感突变仅涉及Na⁺/H⁺反向载体编码基因的一个点突变。