甘油保護(hù)菌種的冷凍機(jī)制之菌種在冷凍狀態(tài)下凍而不死！
小楊 / 2025-06-16 09:36:07
百歐博偉生物：甘油能讓菌種在冷凍狀態(tài)下“凍而不死”，主要歸功于它在細(xì)胞內(nèi)外發(fā)揮的多重保護(hù)作用，核心原理是減少冷凍過程中冰晶的形成和生長，并維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的平衡，從而保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)（尤其是細(xì)胞膜）和生物大分子（如蛋白質(zhì)和核酸）免受損傷。
以下是甘油發(fā)揮保護(hù)作用的詳細(xì)機(jī)制：
一、降低冰點與抑制冰晶形成：
甘油是一種多羥基醇，能與水分子形成氫鍵。
當(dāng)添加到細(xì)胞懸液中時，甘油分子會“束縛”住一部分水分子，干擾水分子形成規(guī)則冰晶結(jié)構(gòu)的能力。
這有效地降低了溶液的冰點，使得在更低的溫度下才開始結(jié)冰。
更重要的是，它顯著抑制了大冰晶的形成。在冷凍過程中，水傾向于形成尖銳、體積較大的冰晶，這些冰晶是導(dǎo)致細(xì)胞損傷（機(jī)械穿刺）的主要原因。甘油的存在促使水形成更小、更均勻、危害性小得多的微冰晶。
二、減少“溶液效應(yīng)”損傷：
當(dāng)水開始結(jié)冰時，未結(jié)冰部分的溶液中溶質(zhì)（鹽、離子、代謝物等）濃度會急劇升高。
這種極高的局部濃度環(huán)境會對細(xì)胞造成多重傷害：滲透壓休克（導(dǎo)致細(xì)胞失水皺縮）、蛋白質(zhì)變性（高鹽/高濃度環(huán)境破壞蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)）、脂質(zhì)雙分子層不穩(wěn)定（影響細(xì)胞膜流動性）。
甘油作為一種滲透壓保護(hù)劑，其分子本身也參與構(gòu)成溶液的溶質(zhì)成分。在冷凍過程中，甘油的濃度也會升高，但它本身對細(xì)胞的毒性遠(yuǎn)低于高濃度的鹽離子。它起到了一種“緩沖”作用，稀釋了有害溶質(zhì)的濃度，減輕了高滲環(huán)境對細(xì)胞的損害。
三、滲透進(jìn)入細(xì)胞與維持滲透平衡：
甘油分子相對較小，能夠緩慢地滲透通過許多微生物的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。
這一點至關(guān)重要！如果保護(hù)劑不能進(jìn)入細(xì)胞，它只能保護(hù)細(xì)胞外部環(huán)境，對細(xì)胞內(nèi)部因冷凍脫水和高濃度溶質(zhì)造成的損傷無能為力。
進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的甘油在冷凍時：
降低胞內(nèi)冰點，抑制胞內(nèi)大冰晶形成：保護(hù)細(xì)胞器免受穿刺損傷。
維持胞內(nèi)外滲透壓平衡：當(dāng)胞外水結(jié)冰導(dǎo)致胞外溶液濃度升高時，胞內(nèi)的甘油濃度也隨之升高，減少了水分子從胞內(nèi)向胞外流失的趨勢（即減少細(xì)胞過度脫水皺縮），也避免了胞內(nèi)溶質(zhì)濃度升高到有害水平。
穩(wěn)定胞內(nèi)大分子結(jié)構(gòu)：甘油能與蛋白質(zhì)等生物大分子相互作用，幫助維持其在脫水或高滲環(huán)境下的天然構(gòu)象，防止變性。
四、保護(hù)細(xì)胞膜：
細(xì)胞膜（磷脂雙分子層）在冷凍過程中特別脆弱，容易因冰晶穿刺、脫水/再水化導(dǎo)致的劇烈體積變化以及脂質(zhì)相變而破裂。
甘油通過減少冰晶損傷、減輕滲透壓應(yīng)力和穩(wěn)定膜蛋白，有助于維持細(xì)胞膜的完整性和流動性。
五、總結(jié)關(guān)鍵點：
冰晶控制者：甘油通過束縛水分子，抑制有害大冰晶的形成，促進(jìn)形成危害小的微晶。
滲透壓緩沖器：在冷凍濃縮過程中，甘油稀釋了有害溶質(zhì)的濃度，減輕“溶液效應(yīng)”損傷。
細(xì)胞滲透者：它能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，在胞內(nèi)發(fā)揮同樣的降低冰點和穩(wěn)定滲透壓的作用，保護(hù)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)。
膜穩(wěn)定劑：綜合作用保護(hù)細(xì)胞膜免受物理和化學(xué)損傷。
因此，在冷凍保存菌種時：
將菌懸液與一定濃度（通常為10-20%）的甘油混合。
甘油滲透進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)外。
進(jìn)行冷凍（通常是快速降溫到超低溫，如-80°C或液氮-196°C）。
冷凍過程中，甘油在細(xì)胞內(nèi)外抑制大冰晶形成，維持滲透平衡，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。
解凍時，快速融化（通常在37°C水?。┍苊庵亟Y(jié)晶損傷，存活的細(xì)胞即可恢復(fù)生長。
可以說，甘油就像給細(xì)胞穿上了一層抗凍、防穿刺、維持水分的“盔甲”，讓它們在看似致命的低溫環(huán)境中“假死”休眠，解凍后又能“復(fù)活”。其他冷凍保護(hù)劑也遵循類似原理，但甘油因其相對低毒性和對多種微生物的有效性而被廣泛應(yīng)用。
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