细菌细胞的特殊构造——芽孢（三）：耐热机制

芽孢最显著的生物学特征之一是耐热性。与同一菌种的营养细胞相比，成熟芽孢通常能够耐受更高温度和更长时间的热处理。不过，不同菌种、菌株及培养条件形成的芽孢，其耐热程度差异很大，不能将所有芽孢视为具有相同的热抗性。

早期研究曾用“皮层膨胀学说”和“钙—吡啶二羧酸学说”解释芽孢耐热性。现代研究表明，芽孢耐热并不是由某一种物质或单一结构决定，而是核心脱水、钙—吡啶二羧酸积累、小酸溶性芽孢蛋白保护、内膜低通透性及损伤修复等多种机制共同作用的结果。

核心低含水量是湿热耐受的关键

成熟芽孢核心的含水量明显低于营养细胞。核心处于高度脱水状态时，蛋白质分子运动和化学反应速率降低，热引起的蛋白质展开、聚集和失活也受到限制。因此，核心脱水被认为是芽孢耐湿热的重要基础。

芽孢皮层由特殊的低交联肽聚糖构成，主要作用是维持核心脱水和适当膨胀状态。早期“渗透调节皮层膨胀学说”认为，皮层通过较高渗透压主动夺取核心中的水分。现代观点更强调皮层肽聚糖的结构特性及芽孢形成过程中的离子、水分转运共同控制核心含水量，而不是简单依赖皮层“吸水膨胀”。

皮层结构发生缺陷时，芽孢核心含水量可能升高，其湿热耐受性通常也会下降。芽孢萌发过程中，皮层被特异性水解酶降解，核心重新吸水，耐热性随之迅速降低。

钙—吡啶二羧酸的作用

吡啶-2,6-二羧酸通常简称DPA，是成熟芽孢中特有的高含量成分，主要以钙—吡啶二羧酸复合物，即Ca-DPA的形式存在。原文认为Ca-DPA主要存在于芽孢皮层并不准确，它主要积累在芽孢核心中。

Ca-DPA可占部分芽孢干重的较高比例，参与降低核心含水量，并有助于稳定核心中的蛋白质和其他大分子。缺少DPA的芽孢通常核心含水量较高，对湿热的耐受性下降。

不过，Ca-DPA并非在所有条件下都单独提高耐热性。其作用与皮层结构、核心水分和芽孢蛋白相互联系。某些缺少DPA的芽孢仍保留一定耐热能力，说明芽孢抗热不能完全用“DPA-Ca学说”解释。

小酸溶性芽孢蛋白保护DNA

芽孢核心中含有大量小酸溶性芽孢蛋白，通常简称SASP。这类蛋白能够与DNA紧密结合，改变DNA构象，并减少高温、干燥、紫外线和部分化学物质对遗传物质造成的损伤。

SASP对芽孢的干热耐受尤其重要。缺少主要SASP的芽孢，其DNA在加热过程中更容易发生损伤，存活率明显降低。芽孢萌发后，SASP会被迅速降解，其降解产物可为新生营养细胞提供氨基酸。

SASP主要保护DNA，并不是维持芽孢湿热耐受的唯一因素。湿热杀灭芽孢时，蛋白质和酶的失活往往比DNA损伤更为重要，因此还需要核心脱水和大分子稳定机制共同发挥作用。

芽孢内膜限制有害物质进入

芽孢内膜的脂质排列紧密，流动性和通透性较低，可限制水分及多种小分子化学物质进入核心。内膜也是芽孢核心与外界环境之间的重要屏障。

加热可能损伤芽孢内膜，使萌发后的细胞无法维持正常离子梯度和物质运输。部分受热芽孢虽然能够启动萌发，却不能继续生长形成菌落，其原因可能与内膜和膜蛋白损伤有关。

芽孢衣主要抵抗溶菌酶和部分化学物质，对耐热性的直接贡献通常低于核心脱水、皮层和内膜，但芽孢衣受损可能使内部结构更容易受到外界处理影响。

核心成分共同稳定蛋白质

除Ca-DPA外，芽孢核心中还含有较高浓度的无机离子和特定小分子。核心pH通常低于营养细胞，代谢活动接近停止，这些条件有助于降低蛋白质反应性和热变性速度。

芽孢耐热性也与核心蛋白质本身的稳定性有关。不同菌种形成芽孢时积累的矿物质、DPA含量及核心含水量不同，可导致其耐热性存在明显差异。培养基中的钙、锰、镁等矿物质以及产孢温度，也可能影响最终芽孢的热抗性。

损伤修复有助于加热后的存活

热处理可能造成DNA、蛋白质和细胞膜的亚致死损伤。芽孢在萌发和恢复生长过程中，可利用DNA修复酶和蛋白质质量控制系统修复部分损伤。

因此，芽孢是否能在热处理后形成菌落，不仅取决于加热过程中受到的损伤程度，还取决于培养基是否允许受损芽孢恢复。选择性培养基、低pH、高盐或其他抑制条件可能阻碍损伤修复，使检测到的芽孢存活数低于其实际数量。

湿热与干热的作用机制不同

湿热主要通过水分参与，引起蛋白质变性、酶失活和膜功能破坏。核心低含水量和Ca-DPA积累对湿热耐受具有重要作用。

干热条件下，DNA损伤、氧化反应和大分子化学变化更为突出，小酸溶性芽孢蛋白的保护作用更加重要。由于干热传热效率低，通常需要比湿热更高的温度和更长的处理时间才能达到相同的灭菌效果。

芽孢对湿热、干热、辐射和化学消毒剂的耐受机制并不完全相同。某一菌株对湿热耐受较强，并不代表其对所有处理方式都具有同等抗性。

芽孢耐热性受多种条件影响

芽孢耐热性不仅由菌种决定，还受到产孢和处理条件影响，主要包括：

• 产孢培养温度和培养基组成；

• 芽孢成熟程度及含水状态；

• 钙、锰等矿物质含量；

• 加热介质的pH和水活度；

• 脂肪、蛋白质、糖和盐等保护性成分；

• 芽孢浓度及是否发生聚集；

• 加热后的恢复培养条件。

低水活度、高脂肪或高糖环境有时可增强芽孢的表观耐热性。酸性条件通常可降低部分芽孢的湿热耐受，但不同菌种的反应并不一致。因此，不能仅根据水中芽孢的耐热数据直接推断其在食品、药品或培养基中的灭活效果。

芽孢耐热是多机制协同的结果

现代研究认为，芽孢耐热性主要来自以下机制的协同作用：

因此，早期的皮层膨胀学说和Ca-DPA学说分别解释了芽孢耐热机制的一部分，但均不能独立说明全部现象。芽孢的高耐热性本质上是特殊结构、核心化学组成及休眠生理状态共同形成的综合性状。