脂多醣體

Glycobiology Analysis Manual, 2nd Edition

脂多醣 (LPS) 是革蘭氏陰性細菌外膜的主要成分。脂多糖定位于膜的外层，在非囊膜菌株中，脂多糖暴露于细胞表面。

結構

完整的細菌脂多醣是分子質量為 10-20 kDa 的大分子，由三種結構成分組成
(圖 1)：

• 疏水性脂質部分，即脂質A，負責分子的毒性特性，
  

圖 1. 細菌脂多醣的一般結構。有關各部分的詳細說明，請參閱正文。縮寫：KDO: 3-deoxy-α-D-mannooctulosonic acid; Hep: Heptulose (ketoheptose); NGa：半乳糖胺；NGc：葡萄糖胺。

脂質 A 核心是由β-葡萄糖胺-(1→6)-葡萄糖胺-1-磷酸基與脂肪酸酯兩種碳水化合物所組成。酰基鏈的長度和數量在不同的細菌品種之間可能會有所不同，但在同一品種內則相對保守。內層多糖核心通常含有 1 到 4 個分子的 KDO (3-deoxy-α-D-manno-ctulosonic acid，3-脫氧-α-D-甘露-辛酮索酸) 附著在二糖核心上。KDO 與脂多醣有特殊關聯，而具有生物活性的脂質 A 被認為至少需要一個 KDO 殘基才能讓細菌存活。² 然而，一株缺乏 KDO 的 大腸桿菌 K-12 抑制株證明，KDO 對於存活率的要求並非絕對。³

含有 KDO 的內核也會被七糖 (ketoheptose) 單糖所修飾，其中最常見的是 L-甘油-α-D-甘露庚吡喃糖。內層核心聚糖殘基通常會磷酸化或以含磷酸基團 (例如焦磷酸或 2-aminoethylphosphate) 進行修飾。

脂多醣的磷酸基團會增加細胞膜的整體負電荷，並有助於穩定結構。

脂多醣的外核心含有較常見的己糖，包括葡萄糖、半乳糖和 N-乙酰葡萄糖胺，在結構上比內核心更為多樣化。

O-抗原是一種重複的寡糖單位，通常由 2 到 6 種糖組成。O-antigen 是脂多醣中區分細菌的主要結構成分。獨特的 O-antigen 結構已被用來識別和指定大腸桿菌、腸沙門氏菌和霍亂弧菌的血清群。⁴ Lipopolysaccharides from rough mutant strains of E.

脂多糖的核心部分和脂質A部分在結構上可能有一些變異，而O-抗原則有高度的結構變異以及重複單位數量的變異。這些差異造成 LPS 製劑中存在大量的異質性。由於 LPS 是異質的，而且傾向於形成大小不一的聚集體，因此有報告指出這些聚集體的"分子質量"範圍為 1-4 百萬道尔顿或更大。⁵

功能與應用

在革蘭氏陰性細菌中，膜脂多醣保護細菌免受膽鹽和親脂肪抗生素的作用。⁶

脂多醣是一種熱穩定的內毒素，長久以來被認為是人類敗血性休克（敗血症）的關鍵因素^1,7 更廣泛而言，是誘發正常哺乳類細胞產生強烈免疫反應的關鍵因素。脂質 A 分子已被確定為脂多醣內毒素活性的關鍵。Galanos 等人的研究證明了這一點、發現合成和天然來源的 大腸桿菌 脂質 A 製劑具有相同的生物活性結果，包括內毒素活性。⁸ 脂多糖的活性受體已被確認為 CD14/TLR4/MD2 受體複合體，它會促進促炎細胞因子的分泌，包括腫瘤壞死因子-α 和白介素-1。⁹ 雖然脂質 A 成分主要負責啟動免疫反應，但 Salmonella enterica LPS 的多醣成分也是 NF-κB 啟動的必要成分。¹⁰

脂多糖製劑已被用於闡明 LPS 結構、¹¹ 新陳代謝、¹² 免疫學、¹³ 生理学、¹⁴ 毒性、¹⁵ 和生物合成。¹⁶ 它們也被用來誘導促進生長因子（如白細胞介素）的合成和分泌。^17,18 由於脂多醣與敗血病有關，因此脂多醣已被研究來找出可能的抗體目標和 LPS 生物合成的抑制劑。^19,20

Extraction and Purification

Lipopolysaccharides can be prepared by extraction from TCA,²¹ 苯酚，^22,23 或苯酚-氯仿-石油醚（用於粗糙菌株）中提取。²⁴ TCA提取的脂多糖與苯酚提取的脂多糖在結構上相似，具有相似的電泳圖和內毒性。主要差異在於萃取後殘留的核酸和蛋白質污染物的數量。TCA 萃取物含有 ~2% 的 RNA 和 ~10% 的變性蛋白質，而苯酚萃取物則含有高達 60% 的 RNA 和 <1%的蛋白質。使用凝膠過濾層析技術進行後續純化，可去除酚萃取物 LPS 中的大部分蛋白質，但會得到含有 10-20% 核酸的製備物。使用離子交換層析出法進一步純化，可得到含有<1%蛋白質和<1% RNA的脂多醣產品。

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