麻风杆菌的生化代谢

出处：按学科分类—医药、卫生 科学普及出版社《麻风病实验室工作手册》第11页（4686字）

由于ML体外培养尚未成功。只能从人麻风瘤或犰狳实验感染模型的含菌组织(如肝)提供ML进行代谢研究。因此带来以下困难。

研究材料数量有限：小鼠足垫模型是ML的有限体内繁殖，其菌量仅达10⁶(每足垫)水平；裸鼠和人的麻风瘤虽然含菌量较高，来源也有限。犰狳实验感染模型的发展虽使问题得到缓解(50克感染组织能获得250毫克干菌)，但仍来源有限。

所谓纯菌不纯：当代用任何生化方法尚不能得到真正没有宿主组织成分污染的纯菌。而且提纯时的种种处理很难保证菌酶种类及活性的完整无损。

酶活性的归属：由于宿主组织成分(虽然量极少)与菌共存，是造成许多早期研究失败的主要原因。为确定酶之归属，目前一般有5条标准：①底物专一性的异同；②酶动力学的异同；③代谢活性抑制物及抑制作用的异同；④电泳率的异同和⑤对纯酶抗体反应的异同。

当代在体外用ML悬液或ML提取物进行代谢研究的主要方法为：层析法；薄层层析法；气相层析法；瓦博氏呼吸测压法；细胞化学法；同位素示踪法；聚丙烯酰胺凝胶电泳；血清免疫法和微量免疫沉淀法。

一．麻风杆菌的生化代谢

(一)ML代谢的酶系

ML的全部代谢虽尚不清楚，但已发现了许多包括控制葡萄糖代谢的重要酶系统(见下表)

表1－1 在ML代谢研究中发现的酶类

(二)游离氧残基的化谢

超氧歧化酶(SOD)是ML提取物中的一种主要蛋白，其活性与锰有关。SOD在氧化反应中产生的超氧离子对细胞有毒性作用。SOD催化0₂+0₂+2H⁺→0₂+H₂0₂的反应，所产生的H₂O₂被触酶(CA)或过氧化物酶(PO)还原。触酶和过氧化物酶普遍存在于分枝杆菌之中，但耐异烟肼结核杆菌例外。

(三)碳水化合物的异化作用

1．葡萄糖的利用：实际上葡萄糖代谢较慢，可能是由于代谢弥漫过程的影响所致。ML的明显特征是6－磷酸葡萄糖脱氢酶(6PG-DH)活性比葡萄糖酸脱氢酶(G6P－DH)高100倍，6PG的磷酸盐水解能抑制CO₂的产生。但6－磷酸葡萄糖在ML悬液及提取物代谢很快。

2．甘油；许多分枝杆菌都能氧化甘油，MLm也能氧化甘油，ML氧化甘油的速率仅为鼠ML的14%。在ML提取物中检测到甘油－3－磷酸脱氢酶和甘油脱氢酶。据此，甘油能被一种NDA依赖的酶所氧化而进入氧化磷酸化，或在EMP途径代谢磷酸二羟丙酮之前产生可逆反应。

3．醋酸和丙酮酸的命运：丙酮酸、琥珀酸、酵母提取物和许多巯基试剂能刺激ML对0₂的吸收。ML提取物不能氧化底物成C0₂，但ML悬液却能转化琥珀酸、柠檬酸、〔6－¹⁴C〕－葡萄糖和〔2－¹⁴G〕－丙酮酸成为CO₂。Wheeler等报告ML中有三羧酸循环和糖酵解中的酶类。也看到苹果酸盐(malate)的氧化作用。

4．ML的自养能力：Kato的研究认为，因为ML有核酮糖－1．5－二磷酸羧化酶(ribulose－1．5－diphosphatecarboxylase)和缺乏NADH氧化酶，酮戊二酸盐(oxoglutarate)脱氢酶，可能营自营生活。但这需要进一步证实。

(四)氧化磷酸代谢

1．电子传递系统 ML悬液在有琥珀酸盐的条件下细胞色素被还原和在对－苯二胺(P-phenyldiamine)存在时发现氧的吸收是ML有电子传递系统的最早证据，犰狳组织来源的ML提取物有NADH氧化酶活性。用NaOH处理的ML的提取物仍有此酶活性。在ML细胞色素种类研究中发现有a+a₃，b，c和o，至少可以确定细胞色素O是属于ML的。有人认为在细胞色素氧化还原酶位置还包括双酚氧化酶。因为二羟苯丙氨酸(3：4－dihydroxyphenylalanine，DOPA)色素在DOPA和ML提取物共存条件下能氧化NADPH和DADH。

2．氧化磷酸化和ATP的水平 由于ML能氧化各种碳源产生CO₂，和有三羧酸循环，代谢结果能产生NADH、NADPH和FADH以及能还原细胞色素类，必然会从ADP产生ATP。虽然详细途径还不十分清楚。但已测ML的ATP水平约为鼠ML的1／2(12．4微微克／毫克千重ML)。虽径NaOH或其它物质处理仍不丧失。

(五)氨基酸代谢

早期研究发现麻风组织中酪氨酸含量比正常组织中低，且神经周围有γ－氨基丁酸盐；在ML内显示有谷氨酸脱氢酶和邻－双酚氧化酶。最近发现ML¹⁴C－蛋白水解物(即氨基酸混合物)在葡萄糖存在下吸收增加，并能被迭氮钠抑制，某些放射活性能合并到三氯乙酸不溶性物质中，这种反应可被嘌呤霉素(puromycin)、氯霉素强烈抑制，提示ML能合成蛋白质。单个氨基酸的研究较多的要属谷氨酸和DOPA。研究表明：L－谷氨酸+吡哆醛－氨基丁酸盐，催化该反应的是ML的谷氨酸脱羧酶(该酶在宿主组织中不存在)，同时在ML中也发现了γ－谷酰移肽酶，据其能利用甘氨酰－D－氨基酸(二肽类)而与宿主组织的酶相区别。在ML胞壁成分分析中发现甘氨酸和D－氨基酸也是一个证据。对DOPA的代谢研究得更为详尽，本反应可被ML含有的特殊双酚氧化酶－DOPA氧化酶催化。该酶与哺乳动物的双酚氧化酶不同，它既能氧化L-DOPA也能氧化D-DOPA，而后者只能氧化L-DOPA。但尚无证据说明DOPA代谢参与蛋白质的合成。

(六)脂肪酸的代谢

ML的脂肪酸的代谢尚不清楚，但胞壁的分析发现含有多种脂质化合物，如Draper等人用TLC、HPLC和质谱复印技术(mass spectrOscopy)发现ML含有α－mycolate和ketomycolate，虽与结核杆菌相似，但微细结构不同。Andersen等人用气相层析和TLC的研究表明ML含有的结核菌硬脂酸与其它分枝杆菌在数量上相当。Tatati等人报告在ML中有脂肪酶和青霉素酶活性的存在。脂肪酶的活性可被利福平阻断，提示是ML的代谢。Ramasesh等人在一种鼠吞噬细胞系统内发现¹⁴C标记的软脂酸能合并到ML的酚糖脂组分。用利福平处理感染的吞噬细胞能明显减少。上述物质的合并，反应了ML能合成酚糖脂。这些初步数据提示ML有与其它分枝杆菌相同和不同的脂肪酸代谢。

(七)核酸代谢

现在尚不清楚ML是否能从头合成核苷酸，但发现能利用某些嘌呤和嘧啶碱类。嘧啶(PM)是DNA的一种前身化合物，巨噬细胞不利用该物质，所以在巨噬细胞中研究ML对PM的利用是很有意义的。Dratz第一个提示ML利用PM，Nath等人的工作支持这一点。ML悬液也能吸收胸腺嘧啶(TM)，尿嘧啶能以同样的速率合并到ML的DNA和RNA之中，乳清酸(orotic acid)是PM的前体，合并得更快。在相似的条件下嘌呤类能以5～20倍于PM的速率合并到ML，比次黄嘌呤、腺嘌呤略快但不恒定。有据说明嘌呤类合并到ML伎磷酸核糖移换酶来催化，这是嘌呤类的歧路代谢。ML既能内部转化嘌呤类，也能从头合成，¹⁴C－丝氨酸能在核酸水解产物中被检测出来就是证据。

(八)叶酸代谢

叶酸是一种重要生长因子，但二氢叶酸主要在细菌合成。1983年Kulkarni等人报告了ML的叶酸合成。但酶活性很低，加上实验无死菌对照，很难排除宿主组织的干扰。虽然DDS抑制其它分枝杆菌的生长均是抑制叶酸的合成，而对ML尽管很敏感，但还不能下结论，因为尚缺乏足够的证据。

(九)铁的吸收

游离的铁离子不能被利用，菌利用铁靠鳌合剂来完成。其与铁的结合力比宿主蛋白与铁的结合力大，分枝杆菌的鳌合剂有两种，一种是分枝菌素(mycobactins)，一种是鳌合素(etochelins)。分枝菌素是疏水的，存在胞浆膜中，而在慢生菌鳌合素可获得铁并输铁通过分枝菌素到分枝杆菌细胞中。有据表明ML通过分枝杆菌M．neoaurum的鳌合素来吸收铁离子。

二、研究ML代谢的意义

1．有助于制定ML分类与鉴定标准 如胞壁脂质组成及结构的分析支持ML是一种分枝杆菌，但与其它分枝杆菌在间脂质成分和分子水平上是有区别的，因而成为鉴定ML的标准。找到代谢中的特异酶类或其它特征可制定ML的生化分类与鉴定标准。如认为现已知的ML的双酚氧化酶是一种特异的鉴定ML的生化标准。

2．有助于设计合理的培养基 ML的培养至今尚未成功，其主要原因之一就是对ML的代谢尚不清楚，因而未能设计出合理的人工培养基。若ML培养成功，将可提供大量纯菌用于免疫和抗麻风药物筛选的研究。

3．有助于研究现有抗麻风药物的合理联合使用和发掘新的抗麻风药物 例如，(1)核酸代谢途径：认为利福平和氯苯吩嗪是作用在这个环节；(2)叶酸合成途经：虽然在ML的研究中尚无直接证据，但以分支杆菌M．1ufu为代替菌研究强力说明是相当有潜力的；(3)胞壁合成途径，亦是相当有潜力的途径。

4．有助于解释某些临床现象和提出假设 如Prabhakaran的研究表明谷氨酸在神经系统中最多，且谷氨酸经脱羧酶作用产生一种抑制神经传导的物质(inhibitory neurotransmitter)γ－氨基丁酸，因而提出假说：因为ML能代谢谷氨酸，而谷氨酸多存在神经系统中，这可能是ML亲神经的理由，而γ－氨基丁酸能抑制神经传导，则可能是麻风早期出现感觉丧失的原因，当然，这些还有待进一步证实；又如DOPA氧化，ML所独有的双酚氧代酶与哺乳动物的不同，除可做为鉴定标准外，它的代谢特点能解释为什么在少菌型病人造成皮肤色素脱失斑而在多菌型却不明显，也可解释为什么ML亲神经；第三，众所周知多菌型病人组织残留菌(持久菌)的产生是因为ML处于冬眠状态，而这种状态可能与三羧酸循环代谢能力低或氧化代谢被阻断有关。