技术知识

细胞破碎，细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。细胞破碎分离提纯某一种蛋白质时，首先要把蛋白质从组织或细胞中释放出来并保持原来的天然状态，不丧失活性。所以要采用适当的方法将组织和细胞破碎。不同的生物体或同一生物体的不同部位的组织，其细胞破碎的难易不一，使用的方法也不相同，如动物脏器的细胞膜较脆弱，容易破碎，植物和微生物由于具有较坚固的纤维素、半纤维素组成的细胞壁。

1. 简介

2. 原理与技术

3. 空穴效应

4. 撞击效应

5. 剪切效应

6.  应用介绍

 6.1.▪ 细胞破碎（大肠杆菌，酵母菌，细菌等）

 6.2.▪ 保持细胞活性

 6.3.▪ 细菌

 6.4.▪ 酵母菌

 6.5.▪ 真菌

 6.6▪ 植物细胞

7.  细胞破碎技术及常用方法

 7.1.  机械法

 7.2.非机械法

▪ 简介

细胞破碎技术是指利用外力破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术，是分离纯化细胞内合成的非分泌型生化物质（产品）的基础。 结合重组DNA技术和组织培养技术上的重大进展，蛋白质可以大规模生产。

▪ 原理与技术

超声波破碎法利用超声波振荡器发射的15-25kHz的超声波探头处理细胞悬浮液。 超声波振荡器有不同的类型，常用的为电声型，它是由发生器和换能器组成，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插入介质两种型式。

高压均质机是由一个高压柱塞泵及特殊结构的均质阀组成，需处理的物料在柱塞所造成的高压条件下进入可调节压力大小的阀组中，失压后的物料从可调节限流缝隙中以极高的流速（1000米/秒，最高可达1500米/秒）喷出，撞在阀组件之一的冲击环上。

空穴效应

被柱塞压缩的物料内积聚了极高的能量，通过可调节限流缝隙时瞬间失压，造成高能释放引起空穴爆炸，致使物料强烈粉碎细化。（主要应用于均质）

撞击效应

通过可调节限流缝隙的物料以上述极高的速度，撞击到用特殊材料制成的的冲击环上，造成物料粉碎。（主要应用于细胞破碎）

剪切效应

高速物料通过泵腔内通道和阀口狭缝时会产生剪切效应。被三种效应处理过的物料可均匀细化到0.03μm-2μm粒径。（主要应用于乳化）

▪ 应用介绍

细胞破碎（大肠杆菌，酵母菌，细菌等）

利用大肠杆菌、酵母等菌种进行发酵，然后经过破壁后提取细胞内酶、蛋白质等活性的产物是生物工程中的重要技术。而这些工艺中很重要的一步就是细胞破碎。

保持细胞活性

保持细胞活性的最重要参数是温度和时间，物料在高压均质阀内部的约0.01秒的瞬间，在高压的作用下温度会上升到大约10～15℃。

通过均质阀后在经过高效换热器的作用下，温度在2~3秒作用会迅速下降，所以物料在温度相对较高的条件下仅仅维持最多3秒钟。

细菌

几乎所有细菌的细胞壁都是由肽聚糖（peptidoglycan）组成，它是难溶性的聚糖链（glycan chain），借助短肽交联而成的网状结构，包围在细胞周围，使细胞具有一定的形状和强度。短肽一般由四或五个胺基酸组成，如L-丙氨醯-D-谷氨醯-L-赖氨醯-D-丙氨酸。而且短肽中常有D-胺基酸与二氨基庚二酸存在。 破碎细菌的主要阻力是来自于肽聚糖的网状结构，其网结构的致密程度和强度取决于聚糖链上所存在的肽键的数量和其交联的程度，如果交联程度大。

酵母菌

酵母细胞壁的最里层是由葡聚糖的细纤维组成，它构成了细胞壁的刚性骨架，使细胞具有一定的形状，覆盖在细纤维上面的是一层糖蛋白，最外层是甘露聚糖，由1,6一磷酸二酯键共价连接，形成网状结构。在该层的内部，有甘露聚糖-酶的复合物，它可以共价连接到网状结构上，也可以不连接。与细菌细胞壁一样，破碎酵母细胞壁的阻力主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度。

真菌

霉菌的细胞壁主要存在三种聚合物，葡聚糖（主要以β-1,3糖苷键连接，某些以β-1,6糖苷键连接），几丁质（以微纤维状态存在）以及糖蛋白。最外层是α-和β-葡聚糖的混合物，第2层是糖蛋白的网状结构，葡聚糖与糖蛋白结合起来，第3层主要是蛋白质，最内层主要是几丁质，几丁质的微纤维嵌入蛋白质结构中。与酵母和细菌的细胞壁一样，真菌细胞壁的强度和聚合物的网状结构有关，不仅如此，它还含有几丁质或纤维素的纤维状结构，所以强度有所提高。

植物细胞

对于已生长结束的植物细胞壁可分为初生壁和次生壁两部分。 初生壁是细胞生长期形成的。 次生壁是细胞停止生长后，在初生壁内部形成的结构。 较流行的初生细胞壁结构是由Lampert等人提出的“经纬”模型，依据这一模型，纤维素的微纤丝以平行于细胞壁平面的方向一层一层敷着在上面，同一层次上的微纤丝平行排列，而不同层次上则排列方向不同，互成一定角度，形成独立的网路，构成了细胞壁的“经”，模型中的“纬”是结构蛋白（富含羟脯氨酸的蛋白），它由细胞质分泌，垂直于细胞壁平面排列，并由异二酪氨酸交联成结构蛋白网，径向的微纤丝网和纬向的结构蛋白网之间又相互交联，构成更复杂的网路系统。半纤维素和果胶等胶体则填充在网路之中，从而使整个细胞壁既具有刚性又具有弹性。 在次生壁中，纤维素和半纤维素含量比初生壁增加很多，纤维素的微纤丝排列得更紧密和有规则。因此次生壁的形成提高了细胞壁的坚硬性，使植物细胞具有很高的机械强度。

▪ 细胞破碎技术

破碎方法可规纳为机械法和非机械法两大类。

机械法

高压匀浆破碎法（homogenization）

高压匀浆器是常用的设备，它由可产生高压的正向排代泵（positive displacenemt pump）和排出阀（discharge valve）组成，排出阀具有狭窄的小孔，其大小可以调节。细胞浆液通过止逆阀进入泵体内，在高压下迫使其在排出阀的小孔中高速冲出，并射向撞击环上，由于突然减压和高速冲击，使细胞受到高的液相剪切力而破碎。在操作方式上，可以采用单次通过匀浆器或多次循环通过等方式，也可连续操作。为了控制温度的升高，可在进口处用干冰调节温度，使出口温度调节在20℃左右。在工业规模的细胞破碎中，对于酵母等难破碎的及浓度高或处于生长静止期的细胞。

振荡珠击破碎法 (Skaking Bead)

将等体积的小量组织样品与高密度的ZircoBeads放入可密封的2ml螺旋盖微量管中，再加入缓冲液与稳定成份到1.5ml的体积，用6500RPM振汤机高速上下振动8秒，休息8秒，再振动8秒即可。此方法是目前最快且一次可处理最多样品的方法。 一台机器最多可以在一天处理2400支样品。对小量且多样的人很方便。

高速搅拌珠研磨破碎法（fine grinding）

研磨是常用的一种方法，它将细胞悬浮液与玻璃小珠、石英砂或氧化铝等研磨剂一起快速搅拌，使细胞获得破碎。在工业规模的破碎中，常采用高速珠磨机 。

超声波破碎法（ultrasonication）

超声波破碎法利用超声波振荡器发射的15-25kHz的超声波探头处理细胞悬浮液。 超声波振荡器有不同的类型，常用的为电声型，它是由发生器和换能器组成，发生器能产生高频电流，换能器的作用是把电磁振荡转换成机械振动。超声波振荡器以可分为槽式和探头直接插入介质两种型式。

非机械法

渗透压冲击破碎法（osmotic shock）

渗透压冲击是较温和的一种破碎方法，将细胞放在高渗透压的溶液中（如一定浓度的甘油或蔗糖溶液），由于渗透压的作用，细胞内水分便向外渗出，细胞发生收缩，当达到平衡后，将介质快速稀释，或将细胞转入水或缓冲液中，由于渗透压的突然变化，胞外的水迅速渗入胞内，引起细胞快速膨胀而破裂。

冻融破碎法（freezing and thawing）

将细胞放在低温下冷冻（约-15℃），然后在室温中融化，反覆多次而达到破壁作用。由于冷冻，一方面能使细胞膜的疏水键结构破裂，从而增加细胞的亲水性能，另一方面胞内水结晶，形成冰晶粒，引起细胞膨胀而破裂。对于细胞壁较脆弱的菌体，可采用此法。

酶溶破碎法（enzyme lysis）

酶解是利用溶解细胞壁的酶处理菌体细胞，使细胞壁受到部分或完全破坏后，再利用渗透压冲击等方法破坏细胞膜，进一步增大胞内产物的通透性。溶菌酶（lysozyme)适用于革兰氏阳性菌细胞的分解，应用于革兰氏阴性菌时，需辅以EDTA使之更有效地作用于细胞壁。 真核细胞的细胞壁不同于原核细胞，需采用不同的酶。

化学破碎法（chemical treatment）

采用化学法处理可以溶解细胞或抽提胞内组分。常用酸、碱、表面活性剂和有机溶剂等化学试剂。

去垢剂破碎法（detergents）

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