肽聚糖又称胞壁质，是一种结构性聚合物，构成大多数细菌细胞壁的承重骨架。它由短肽连接的长糖链组成，在细胞膜周围形成连续的网络。这种网络称为肽聚糖囊，有助于维持细胞形态并抵抗内部渗透压。肽聚糖并非静态的外壳，而是随着细菌的生长和分裂不断组装、修饰并在局部降解。其合成过程是抗菌药物的重要作用靶点。(nature.com)
化学结构
聚糖骨架由交替排列的N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc 或 NAG）和N-乙酰胞壁酸（MurNAc 或 NAM）残基组成，残基之间通过 β-(1→4) 糖苷键连接。MurNAc 通过其乳酰基连接一条短的肽干。肽干之间的连接将相邻聚糖链连成具有整体机械强度的结构。因此，肽聚糖由碳水化合物骨架和肽交联结构共同组成，而非仅由糖或蛋白质构成。(rudnerlab.med.harvard.edu)
一种常见的前体肽干含有五个氨基酸：L-丙氨酸、D-谷氨酸、内消旋二氨基庚二酸或 L-赖氨酸，以及两个 D-丙氨酸。第三个残基以及肽干之间可能存在的肽桥因细菌种类而异。在常规的 D,D-转肽反应中，交联形成涉及供体肽干的第四个残基，同时释放末端的 D-丙氨酸。因此，成熟肽聚糖中的肽干长度各不相同，而且并非每条肽干都参与交联。这些肽中的 D 构型残基，使其有别于核糖体合成的、主要由 L-氨基酸组成的蛋白质链。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
尽管简化示意图常将肽聚糖描绘为规则的网格，实际的肽聚糖囊却具有异质性。聚糖链长度、交联密度、化学修饰和链的取向，在不同物种之间以及同一细胞壁的不同区域之间均有所差异。(nature.com)
在细菌细胞包被中的组织形式
在革兰氏阳性细菌中，肽聚糖通常在细胞膜外形成较厚的细胞壁。在革兰氏阴性细菌中，它则位于外膜之下的周质内，形成薄得多的一层。这些布局使肽聚糖处于不同的化学和力学环境中。仅凭肽聚糖的厚度不足以描述完整的细菌细胞包被：膜、细胞壁相关聚合物和表面蛋白质也共同决定其性质。(nature.com)
肽聚糖囊限制由渗透作用和内部膨压驱动的细胞膨胀。不过，它具有多孔性，并不是像膜那样封闭的通透性屏障。对金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌开展的原子力显微镜观察显示，其内表面较为致密，而成熟的外层更为疏松多孔。对大肠杆菌的成像研究则表明，聚糖的组织形式与细胞形态有关，但并不需要呈现完美的晶体排列。(nature.com)
肽聚糖广泛存在于细菌中，但并非所有细菌都具有肽聚糖。例如，支原体既缺乏肽聚糖，也缺乏已在许多其他细菌类群中鉴定出的主要肽聚糖聚合酶系统。(rudnerlab.med.harvard.edu)
生物合成与生长
肽聚糖的生物合成将细胞内前体的生成与细胞外聚合物的组装联系起来。糖—肽前体首先在细胞质中合成，随后组装到与膜结合的脂质载体上。由此形成的脂质 II包含一个 GlcNAc–MurNAc 二糖单元、与其相连的肽干以及连接的十一异戊烯基脂质部分。由于其体积较大的亲水性头部难以自行穿过膜，需要转运蛋白将其转移到膜的另一侧单分子层。在大肠杆菌中，MurJ 负责完成脂质 II 的这一“翻转”步骤。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
在细胞膜外侧，酶催化聚糖骨架的聚合和肽链的交联。目前已知有两类主要的合成系统。A 类青霉素结合蛋白兼具聚糖聚合活性和肽交联活性。包括 RodA 在内的 SEDS 家族聚合酶则与 B 类青霉素结合蛋白协同作用，后者提供转肽酶活性。RodA 被鉴定为聚合酶，表明细胞壁合成并非完全由 A 类蛋白质承担。(nature.com)
合成发生的位置有助于决定细胞形态。在许多杆状细菌生长时，伸长系统负责添加细胞壁材料，而分裂系统则构建子细胞之间的隔膜。合成组分在局部的募集与调控，使肽聚糖沉积与细胞分裂相协调。(nature.com)
重塑与抗生素敏感性
细胞壁的扩展需要以受控方式切断已有的化学键，使新材料能够加入网络。水解酶通过改变聚糖链和肽连接，在维持整体完整性的同时，使细胞壁结构得以调整。因此，肽聚糖是一种动态材料，其结构反映了合成与降解的共同作用。(nature.com)
多种抗生素会干扰肽聚糖的构建。包括青霉素在内的 β-内酰胺类抗生素可抑制对其敏感的转肽酶，从而破坏交联的形成。万古霉素则识别前体的 D-Ala–D-Ala 末端。将这一末端替换为 D-Ala–D-乳酸，会显著降低万古霉素的结合能力，这体现了抗生素耐药性的一种分子机制。这些机制影响的是细胞壁的组装，而不只是溶解已有的肽聚糖囊。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
免疫识别与研究
溶菌酶通过水解攻击聚糖骨架。细菌对细胞壁的修饰可降低其对溶菌酶的敏感性：在金黄色葡萄球菌中开展的实验表明，MurNAc 的 O-乙酰化、壁磷壁酸以及高度交联均有助于抵抗溶菌酶。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
肽聚糖片段还可为固有免疫提供信号。细胞内的 NOD1 对含有二氨基庚二酸的肽基序作出反应，而 NOD2 则识别胞壁酰二肽；这一基序广泛存在于革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的肽聚糖中。这种识别依赖特定的分子片段，而不只是取决于完整细胞壁的存在。(nature.com)
实验分析将成像与化学测量相结合。荧光 D-氨基酸可标记活细菌中的细胞壁材料，揭示其掺入细胞壁的空间分布模式。色谱法和质谱法用于表征所得的胞壁肽，而原子力显微镜则用于研究纯化肽聚糖囊和活细胞表面的组织结构。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)