第十三節
“骨骼系統”

長久以來，細菌被認為是沒有內部結構的，沒有細胞核，沒有細胞器，基本上就是細胞壁和細胞膜包裹的一包溶液。然而細菌又有各種不同的形狀，有球狀、桿狀、螺旋狀、甚至三角或四角形。細菌在分裂時，必須在分裂面收縮，將自身“掐”成兩段。細胞里面的環狀DNA在復制后，也必須分入兩個“子”細胞去。這一切又是如何辦到的呢？這就是細菌的細胞骨架（bacterial cytoskeleton）的作用。它們有的成為細胞壁的組成成分，抵抗細胞的滲透壓，有的使細菌成為桿狀或螺旋狀，有的則在細菌的細胞分裂時起作用。

球形的細菌一般都比較小，直徑一般在0.5—1.0微米之間。例如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的直徑約為0.6微米。桿菌一般粗0.5—1.0微米，長1—5微米。螺旋菌一般粗1微米，長數微米。大多數細菌，至少在一個方向上的尺寸一般不會超過1微米，才能提供生命所需要的表面積和體積的比例，這樣迅速從環境中獲得養料，才能夠足夠快地繁殖（見下節）。桿菌和螺旋菌都可以看成球菌在一個方向上線性或螺旋性的延長，所以可以比較長，體積比較大，而又不會顯著減少表面積和體積的比例。

肽聚糖外壁

細菌的細胞膜外面有由肽聚糖（peptidoglycan，又稱胞壁質murein）組成的細胞壁。革蘭氏陽性細菌的細胞壁比較厚，革蘭氏陰性細菌的細胞壁比較薄。肽聚糖的骨架是由葡萄糖的兩種衍生物：N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）交替相連而形成的多糖鏈。鏈中每個N-乙酰胞壁酸引出一條由幾個氨基酸組成的寡肽鏈（例如大腸桿菌的寡肽鏈就由丙氨酸、右旋谷氨酸、二氨基庚二酸和右旋丙氨酸組成），與相鄰多糖鏈上的N-乙酰胞壁酸相連，使兩條平行的糖鏈橫向相連構成網絡，形成肽聚糖（圖2-34）。

由肽聚糖組成的細胞壁有兩個作用。第一是幫助細胞經受住滲透壓。細菌細胞的內容物濃度比周圍的水溶液溶質的濃度高，會產生滲透壓。例如革蘭氏陰性細菌的滲透壓相當于幾個大氣壓，而革蘭氏陽性細菌的滲透壓可以高至30個大氣壓，而汽車輪胎內的空氣壓力才兩個大氣壓左右（相當于203千帕）。除去細胞壁，這些細菌就會在水中被漲破。人體的防護系統也巧妙地利用了細菌的這一弱點。例如眼睛的角膜和空氣接觸而細菌不易在眼內生長，就是因為眼淚中含有溶菌酶（lysozyme）。它能夠水解N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的連接，使細菌的肽聚糖解體。肽聚糖一旦解體，細菌的細胞膜抵擋不住滲透壓，細胞就漲破了。青霉素的化學構造與一種肽聚糖單體的結構類似，可以結合在合成肽聚糖的酶上面，使肽聚糖的合成受到影響。細菌的高滲透壓使得細菌的形狀像充了氣的氣球，可以是球形或桿形，但是沒有尖銳的角。而一些高度耐鹽的細菌，細胞內外溶質濃度差不多大，即細菌細胞的滲透壓比較小，這些細菌的細胞就可以成片狀的三角形或四角形。

細胞壁的第二個作用是維持細胞的形狀。實驗表明，把細胞的內容物去掉，只剩下肽聚糖組成的細胞壁，這個細胞壁仍然保持細菌原來的形狀，說明細菌的形狀是由細胞壁的形狀決定的，問題是細菌如何合成不同形狀的細胞壁。科學研究發現，桿菌和螺旋菌都含有一種叫做MreB（名稱來自murein cluster e B）的蛋白質，而球菌則沒有這種蛋白質。大腸桿菌和枯草桿菌（Bacillus subtilis）都是桿狀的，每個細胞分別含有約30000和8000個MreB分子。如果用綠色熒光蛋白標記MreB，在細胞被紫外線照射時，這些蛋白質就會發出綠色的熒光，可以在顯微鏡下看見它們的分布情況。用這種技術，科學家發現，MreB分子在ATP存在時可以聚合成類似彈簧狀的螺旋形長絲，緊貼細胞膜的內面，貫穿細胞的全長，好像從內面撐住塑料管的金屬螺旋。但是除去細胞壁后，盡管MreB還存在，細菌仍會變成球形。這個事實說明，不是MreB的“彈簧”把細菌的細胞“撐”成桿狀，而是MreB的螺旋作為一種“腳手架”，使得合成肽聚糖的酶沿著MreB螺旋的位置合成新的細胞壁（圖2-35）。

桿狀細菌的細胞壁中，肽聚糖的糖鏈方向與長軸垂直，和這個機制相一致。萬古霉素（vancomycin）和“雷莫拉寧”（ramoplanin）都是能夠抑制肽聚糖合成的抗生素，可以用來標記新合成的肽聚糖。它們的標記結果表明，新合成的肽聚糖的確呈螺旋狀，與MreB的分布情況相符。對單個MreB分子的追蹤表明，MreB分子沿著細胞的短軸方向運動，大約每秒鐘6納米，說明MreB的螺旋結構在細胞內轉動，不斷制造新的肽聚糖合成點。細菌的細胞分裂時，MreB集中到分裂面附近，形成一個環狀結構，估計是在那里促進新的細胞壁合成。而球形的細菌則是失去了mreB基因的結果。

如果桿狀細胞彎曲，就可以形成新月狀或螺旋狀的細胞。例如新月柄桿菌（Caulobacter crescentus）的形狀就是弧形的。一些新月柄桿菌的突變種可以從弧形變成桿狀。研究發現，這是由于一種成新月蛋白（Crescentin，簡稱CreS）的基因被轉座子（transposon，一種可以在DNA分子中“跳來跳去”，轉移位置的DNA序列單位）打斷的緣故，說明CreS蛋白對于弧形或螺旋形的結構非常重要。Cres蛋白分子自身就可以聚合成長鏈，不需要ATP的存在。這些長鏈結合于細菌的內彎面，似乎是處于拉伸狀態。因為從細胞膜上分離下來后，這些鏈會縮回螺旋狀態。也許是CreS鏈的拉力使細胞內彎。另一個可能是CreS鏈的存在減慢了肽聚糖的合成速度，使得細胞另一面（即沒有CreS鏈結合的那一面）肽聚糖的合成速度更快，使細胞的桿狀部分發生彎曲。這后一種機制看來是更有可能的，因為新月柄桿菌的細胞壁在細胞的內容物被除去后仍然呈弧形，說明這個弧形并不需要CreS蛋白來維持。CreS需要MreB的存在才能發生作用。如果沒有MreB，盡管有CreS蛋白在，細胞仍然會是球形。

使細胞一分為二的FtsZ蛋白

細菌在分裂時，會在分裂處形成的一個分裂環。這個分裂環不斷收縮，就把細菌從中間勒斷。分裂環中的關鍵蛋白是FtsZ，全名為filamenting temperature-sensitive mutant Z，意思是這個基因的突變會使細菌在高溫下（如在42℃）無法分裂。FtsZ蛋白在GTP（三磷酸鳥苷，也是高能化合物）的存在下可以聚成幾十個單位的直鏈。這些鏈互相平行重疊排列，形成一個繞細胞分裂面的環，類似棉纖維被紡成線。與FtsZ蛋白結合的GTP水解時，直鏈會向一個方向彎曲，產生拉力。把FtsZ蛋白放入脂質體（liposome，由磷脂等兩性分子組成的由膜包成的囊，在性質上類似細胞膜），它也能形成環。當FtsZ和一個類似的FtsA蛋白一起被放入脂質體時，形成的環可以收縮，有時還可以把脂質體分成兩個。這說明FtsZ就有可能產生使分裂環收縮的力量（圖2-36）。

當然收縮環中的蛋白不止FtsZ一種，還有至少10種其他蛋白，包括合成新細胞壁的酶，以及幫助這些酶定位的MreB。在細菌形成孢子時，FtsZ會移動到細胞的頂端，在那里形成分裂環，使孢子與細胞體分離。FtsZ參與幾乎所有原核生物的細胞分裂，包括細菌和古菌。黃連素（Berberine）能夠與FtsZ緊密結合，抑制FtsZ環的形成。這就是黃連素具有廣譜抗菌作用的機制之一，因為它阻止細菌分裂。

細菌的細胞分裂時，DNA要先復制，再分配到兩個子細胞中去。這是由另外一組可以聚合成長鏈的蛋白質完成的，叫做ParABS系統。其中的Par是“劃分”（partition）的頭三個字母。ParA是一種蛋白質，在ATP存在時可以聚合成長鏈。ParB也是一種蛋白質，可以結合在DNA復制開始部位的序列ParS上。在染色體復制前，結合ParS的ParB（通過另一個蛋白質PopZ）把染色體的復制起始處固定在細胞的“老極”上（即在上次細胞分裂時已經有的極，細胞分裂新形成的極叫“新極”）。而ParA的長鏈則被另一種蛋白質TipN固定在細胞的新極上。染色體復制后，新染色體的ParS也和ParB結合，原來的染色體仍然被固定在老極上。當新染色體的ParSParB復合物遇到ParA的長鏈，就會與ParA結合，同時激活ParA水解ATP的活性。當末端ParA上面的ATP被水解為ADP后，形狀改變，從ParA鏈的末端脫落，使ParA鏈縮短一個單位，同時暴露出新的ParA-ATP末端。由于這個末端又可以和ParS-ParB復合物結合，ParS-ParB復合物就向縮短了的ParA鏈方向前進一步。ParS-ParB復合物與新的ParA-ATP末端結合，又觸發ParA水解ATP的活性，使又一個ParA分子從鏈端脫落。這樣，ParSParB復合物就一直“追”著不斷退縮的ParA鏈，直至它到達新極為止（圖2-37）。

質粒（plasmid）是細菌染色體外的環狀DNA，比染色體小得多，主要攜帶可以在細菌之間交換的基因。在細胞分裂時，質粒也要被復制，然后被分配到兩個子細胞中去。在質粒的分配中，科學家還發現了另外一種機制，即不是靠ParA蛋白質鏈的縮短把DNA“拉”著走，而是靠蛋白質鏈的延長把DNA“推”著走。這是通過另一組劃分蛋白ParMRC系統來實現的。ParM和ParA一樣，在結合ATP后可以聚合成長鏈。但是與ParA長鏈是由ParA-ATP組成的情況不同，新的ParM-ATP單位可以在鏈的兩端同時加入，而且新加入的ParM-ATP會使鏈里面的ParM-ATP單位水解為ParM-ADP。這樣，ParM鏈中間的部分就是由ParM-ADP單位組成的，兩端戴有ParM-ATP的“帽子”，而這個帽子使鏈保持穩定。ParC類似ParB，可以結合在質粒DNA復制開始處的DNA序列，相當于ParS；而ParR可以充當“中間人”，把ParM和ParC結合在一起。質粒復制后，會形成兩個復制起始點，它們分別和ParC-ParR結合。這時ParM鏈在這兩個ParC-ParR復合物之間形成。新的ParM-ATP單位在ParM與ParR結合處插入，使ParM鏈不斷延長，“推”著兩個質粒向細胞的兩極運動。細胞分裂時，ParM鏈會從中間被切斷。由于ParM鏈是由ParM-ADP單位組成的，中間ParM-ADP單位的暴露會使ParM鏈迅速瓦解，兩個質粒就分別留在兩個細胞里面了（圖2-38）。

從上面的例子可以看見，細菌不同形狀的形成，細胞分裂，染色體和質粒在子細胞之間的分配，都是由能夠聚合成鏈的蛋白質系統來實現的。它們通過與ATP或GTP的結合和水解來聚合、水解、伸長縮短、改變形狀，使肽聚糖形成不同形狀的細胞壁，使細胞被“掐”為兩個，把染色體和質粒分配到兩個“子”細胞中去。因為這類蛋白質可以形成鏈，又與細菌細胞的形狀、分裂、DNA分配有關，它們被統稱為細胞骨架。它們的存在和功能打破了細菌的細胞只是一包水溶液的想法，證明了原核生物就已經演化出了具有機械性質和功能的蛋白質系統，是非常了不起的發明。當然這樣的系統還是比較原始的，還沒有專門產生拉力的“動力蛋白”（motor proteins）出現，所以只能靠蛋白鏈自己的彎曲、伸長、縮短來執行功能。但是它們已經奠定了更復雜的運動和運輸系統的基礎。真核細胞更先進的系統，就是從原核生物的細胞骨架系統演化而來的。在真核生物的細胞中，這些“細胞骨架”只被當做“軌道”使用，真正唱主角的是動力蛋白。這就要等到真核生物的出現了。在下一章（第三章）第六節中，我們會介紹真核細胞的“骨骼系統”和“肌肉系統”。