保護劑對微生物的保護機理

影響微生物凍干效果的因素很多，而保護劑系統(tǒng)的使用是冷凍干燥活物質(zhì)由自然應(yīng)用進入科學研究的里程碑。在凍干過程中，保護劑對微生物細胞到底起何種保護作用呢？一直是低溫生物學研究的重點課題。雖然目前的看法尚未統(tǒng)一，且保護劑的配方仍以實驗為基礎(chǔ)，但若要由試驗摸索轉(zhuǎn)為自覺利用，其機理研究是不可少的。下面介紹一些有關(guān)保護劑的保護機理的看法。

1，避免細胞脫水造成的危害Crowe等認為，通常細胞膜中磷脂的極性端在一定程度上是以水合形式存在的，且相鄰磷脂極性端間被水分子隔開。當磷脂干燥脫水時，極性端靠近，糖鏈間引力增強，平時處于液晶態(tài)的脂膜變?yōu)槟z態(tài)，即細胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生相變，從而導致細胞死亡。如糖類凍干保護劑，在細胞脫水時，以糖分子置換水分子，抑制了質(zhì)膜的相變，起到了保護細胞膜結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生不可逆變化的作用。

Levitt等認為，蛋白質(zhì)分子表面的硫基可以被氧化成二硫鍵。

凍結(jié)中水分子析出結(jié)晶，使蛋白質(zhì)分子彼此靠近，有利于二硫鍵將蛋白質(zhì)分子彼此連接起來，產(chǎn)生不可逆變性。一些能阻止巰基被氧化的保護劑如谷胱甘肽、半胱氨酸等能誠輕一些含巰基的蛋白質(zhì)的冷凍損傷。

2.保護微生物細胞膜系統(tǒng)的完整性Aronson認為，通過膜定位電鏡技術(shù)曾觀察到核糖體的分布

與膜的完整性密切相關(guān)，通常核糖體能以多聚核糖體的形式結(jié)合到細菌細胞膜上，聚合到膜上的多聚核糖體具有抗核糖體酶裂解的作用。使細胞代謝需要的蛋白質(zhì)得以源源不斷地合成。聚合體的存在對核糖體是至關(guān)重要的。游離的核糖體易被酶解。而核糖體聚合形式取決于質(zhì)膜系統(tǒng)的完整性，膜系統(tǒng)的完整性被破壞，多聚核糖體隨之解體，影響蛋白質(zhì)的合成，導致細胞代謝受阻而死亡。

一些非滲透型保護劑如蔗糖等，可降低胞外溶質(zhì)（電解質(zhì)）的濃度，而滲透型保護劑多屬中性物質(zhì)，進入細胞膜后，能沖淡溶液中溶質(zhì)（鹽）的濃度，使細胞膜少受濃溶質(zhì)作用而溶解或變性。進入膜內(nèi)的保護劑改變了胞內(nèi)的過冷狀態(tài)，使胞內(nèi)壓接近于胞外壓，降低了細胞脫水的皺縮程度，增加了溶液的粘度，緩解了胞內(nèi)冰的形成，這些都對保護細胞膜的完整性起作用。

膜結(jié)構(gòu)的生物物理和生物化學研究顯示，在微生物中占細胞膜干重50%~60%的脂蛋白是以3折疊形式存在的。作為保護劑使用的血漿脂蛋白和卵黃脂蛋白也屬P結(jié)構(gòu)，兩者具有良好的親和性，其整體性由鹽類和氫離子濃度協(xié)調(diào)。控制保護劑的離子濃度，對膜脂蛋白具有良好的保護作用。

3.保護微生物細胞代謝酶的生物活性生物體內(nèi)的生命活動幾乎都是由酶催化進行的。如果酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或活性基團丟失，催化功能也將喪失。若一些關(guān)鍵的酶失活，則整個細胞內(nèi)的代謝作用就會紊亂，細胞將面臨死亡。許多報道認為，微生物細胞內(nèi)的一些重要酶類對凍干敏感。如過氧化氫酶、乳酸脫氫酶、磷酸甘油脫氫酶、磷酸葡萄糖變位酶、琥珀酸

脫氧酶、ATP酶、脂酶等都會因低溫冷凍而失活，長期干燥而變性。而添加保護劑后，不同程度地消除了對酶的活性的影響。因此，在凍干微生物菌種時應(yīng)根據(jù)微生物的特性優(yōu)選合適的保護劑系統(tǒng)，以減少凍干過程中代謝酶的損傷，提高凍后恢復(fù)生長率。