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1 绪 第 一 节 论 微 生 物 微 生 物 (microorganism) 是 存 在 于 自 然 界 的 一 大 群 体 形 微 小 结 构 简 单 肉 眼 直 接 看 不 见, 必 须 籍 助 光 学 显 微 镜 或 电 子 显 微 镜 放 大 数 百 倍 数 千 倍, 甚 至 数 万 倍 才 能 观 察 到 的 微 小 生 物 微 生 物 的 种 类 与 分 布 微 生 物 的 种 类 繁 多, 在 数 十 万 种 以 上 按 其 大 小 结 构 组 成 等, 可 分 为 三 大 类 1. 非 细 胞 型 微 生 物 是 最 小 的 一 类 微 生 物 无 典 型 的 细 胞 结 构, 无 产 生 能 量 的 酶 系 统, 只 能 在 活 细 胞 内 生 长 增 殖 核 酸 类 型 为 DNA 或 RNA, 两 者 不 同 时 存 在 病 毒 属 之 2. 原 核 细 胞 型 微 生 物 这 类 微 生 物 的 原 始 核 呈 环 状 裸 DNA 团 块 结 构, 无 核 膜 核 仁 细 胞 器 很 不 完 善, 只 有 核 糖 体 DNA 和 RNA 同 时 存 在 这 类 微 生 物 众 多, 有 细 菌 支 原 体 衣 原 体 立 克 次 体 螺 旋 体 和 放 线 菌 后 五 类 的 结 构 和 组 成 与 细 菌 接 近, 故 从 分 类 学 观 点, 将 它 们 列 入 广 义 的 细 菌 范 畴 3. 真 核 细 胞 型 微 生 物 细 胞 核 分 化 程 度 高, 有 核 膜 和 核 仁 细 胞 器 完 整 真 菌 属 此 类 微 生 物 在 自 然 界 的 分 布 极 为 广 泛 江 河 湖 泊 海 洋 土 壤 矿 层 空 气 等 都 有 数 量 不 等, 种 类 不 一 的 微 生 物 存 在 其 中 以 土 壤 中 的 微 生 物 最 多, 例 如 1g 肥 沃 土 壤 可 有 几 亿 到 几 十 亿 个 在 人 类 动 物 和 植 物 的 体 表, 以 及 与 外 界 相 通 的 人 类 和 动 物 的 呼 吸 道 消 化 道 等 腔 道 中, 亦 有 大 量 的 微 生 物 存 在 微 生 物 与 人 类 的 关 系 绝 大 多 数 微 生 物 对 人 类 和 动 植 物 是 有 益 的, 而 且 有 些 是 必 需 的 自 然 界 中 N C S 等 元 素 的 循 环 要 靠 有 关 的 微 生 物 的 代 谢 活 动 来 进 行 例 如 土 壤 中 的 微 生 物 能 将 死 亡 动 植 物 的 有 机 氮 化 物 转 化 为 无 机 氮 化 物, 以 供 植 物 生 长 的 需 要, 而 植 物 又 为 人 类 和 动 物 所 食 用 此 外, 空 气 中 的 大 量 游 离 氮, 也 只 有 依 靠 固 氮 菌 等 作 用 后 才 能 被 植 物 吸 收 因 此, 没 有 微 生 物, 植 物 就 不 能 进 行 代 谢, 人 类 和 动 物 也 将 难 以 生 存 在 农 业 方 面, 也 可 以 应 用 微 生 物 制 造 菌 肥 植 物 生 长 激 素 等 ; 也 可 利 用 微 生 物 感 染 昆 虫 这 一 自 然 现 象 来 杀 死 害 虫 例 如 苏 云 金 杆 菌 能 在 一 些 农 作 物 害 虫 的 肠 腔 中 生 长 繁 殖 并 分 泌 毒 素, 导 致 寄 生 昆 虫 的 死 亡 这 样, 开 辟 了 以 菌 造 肥 以 菌 1

2 催 长 以 菌 防 病 以 菌 治 病 等 农 业 增 产 新 途 径, 为 人 类 创 造 物 质 财 富 在 工 业 方 面, 微 生 物 应 用 于 食 品 皮 革 纺 织 石 油 化 工 冶 金 等 行 业 日 趋 广 泛 例 如 采 用 盐 酸 水 解 法 生 产 1 吨 味 精 需 要 小 麦 30 吨, 现 改 用 微 生 物 发 酵 法 只 需 薯 粉 3 吨 既 降 低 生 产 成 本, 又 大 大 节 约 细 粮 又 如 在 炼 油 工 业 中, 利 用 多 种 能 以 石 油 为 原 料 的 微 生 物 进 行 石 油 脱 蜡, 可 以 提 高 石 油 的 质 量 和 产 量 在 医 药 工 业 方 面, 有 许 多 抗 生 素 是 微 生 物 的 代 谢 产 物 也 可 选 用 微 生 物 来 制 造 一 些 维 生 素 辅 酶 ATP 等 药 物 此 外, 在 污 水 处 理 方 面, 利 用 微 生 物 降 解 有 机 磷 氰 化 物 等 亦 有 良 好 效 果 近 年 来, 随 着 分 子 生 物 学 的 发 展, 微 生 物 在 基 因 工 程 技 术 中 的 作 用 更 显 辉 煌 不 仅 提 供 了 必 不 可 少 的 多 种 工 具 酶 和 载 体 系 统, 更 可 人 为 地 定 向 创 建 有 益 的 工 程 菌 新 品 种, 能 在 无 污 染 自 然 环 境 中 制 造 出 多 样 大 量 的 人 类 必 需 品 正 常 情 况 下, 寄 生 在 人 类 和 动 物 口 鼻 咽 部 和 消 化 道 的 中 微 生 物 是 无 害 的, 且 有 的 尚 能 拮 抗 病 原 微 生 物 再 则, 定 植 在 肠 道 中 的 大 肠 埃 希 菌 等 还 能 向 宿 主 提 供 必 需 的 硫 胺 素 核 黄 素 烟 酸 维 生 素 B 12 维 生 素 K 和 多 种 氨 基 酸 等 营 养 物 质 又 牛 羊 等 反 刍 动 物 的 胃, 因 有 分 解 纤 维 素 的 微 生 物 定 植, 才 能 利 用 草 饲 料 作 为 营 养 物 质 有 少 数 微 生 物 能 引 起 人 类 和 动 物 植 物 的 病 害, 这 些 具 有 致 病 性 的 微 生 物 称 为 病 原 微 生 物 它 们 分 别 引 起 人 类 的 伤 寒 痢 疾 结 核 破 伤 风 麻 疹 脊 髓 灰 质 炎 肝 炎 艾 滋 病 (AIDS) 等 ; 禽 兽 的 鸡 霍 乱 鸭 瘟 牛 炭 疽 猪 气 喘 等 ; 以 及 农 作 物 的 水 稻 白 叶 枯 病 小 麦 赤 霉 病 大 豆 病 毒 病 等 有 些 微 生 物, 在 正 常 情 况 下 不 致 病, 只 是 在 特 定 情 况 下 导 致 疾 病, 这 类 微 生 物 称 为 条 件 致 病 微 生 物 例 如 一 般 大 肠 埃 希 菌 在 肠 道 不 致 病, 在 泌 尿 道 或 腹 腔 中 就 引 起 感 染 此 外, 有 些 微 生 物 的 破 坏 性 还 表 现 在 使 工 业 产 品 农 副 产 品 和 生 活 用 品 的 腐 蚀 和 霉 烂 等 第 二 节 微 生 物 学 微 生 物 学 (microbiology) 是 生 命 科 学 的 一 个 重 要 分 支, 是 研 究 微 生 物 的 类 型 分 布 形 态 结 构 代 谢 生 长 繁 殖 遗 传 进 化, 以 及 与 人 类 动 物 植 物 等 相 互 关 系 的 一 门 科 学 微 生 物 学 工 作 者 的 任 务 是 将 对 人 类 有 益 的 微 生 物 用 于 2

3 生 产 实 际, 对 人 类 有 害 的 微 生 物 予 以 改 造 控 制 和 消 灭 ; 使 微 生 物 学 朝 向 人 类 需 要 的 方 向 发 展 微 生 物 学 随 着 研 究 范 围 的 日 益 广 泛 和 深 入, 又 形 成 了 许 多 分 支 着 重 研 究 微 生 物 学 基 础 的 有 普 通 微 生 物 学 微 生 物 分 类 学 微 生 物 生 理 学 微 生 物 生 态 学 微 生 物 遗 传 学 分 子 微 生 物 学 等 按 研 究 对 象 分 为 细 菌 学 病 毒 学 真 菌 学 等 在 应 用 领 域 中, 分 为 农 业 微 生 物 学 工 业 微 生 物 学 医 学 微 生 物 学 诊 断 微 生 物 学 兽 医 微 生 物 学 食 品 微 生 物 学 海 洋 微 生 物 学 石 油 微 生 物 学 土 壤 微 生 物 学 等 新 近 又 有 一 门 由 细 胞 生 物 学 与 微 生 物 学 融 合 的 细 胞 微 生 物 学 (cellular microbiology) 的 新 分 支 学 科 形 成 该 学 科 是 用 病 原 体 来 研 究 细 胞 生 物 学 问 题, 这 一 分 支 的 发 展 将 大 大 有 利 于 病 原 微 生 物 致 病 机 制 的 研 究 这 些 分 支 学 科 的 相 互 配 合 和 促 进, 使 整 个 微 生 物 学 不 断 的 全 面 的 向 纵 深 发 展 微 生 物 学 的 发 展 过 程 大 致 可 分 三 个 时 期 微 生 物 学 经 验 时 期 古 代 人 类 虽 未 观 察 到 具 体 的 微 生 物, 但 早 已 将 微 生 物 知 识 用 于 工 农 业 生 产 和 疾 病 防 治 之 中 公 元 前 两 千 多 年 前 的 夏 禹 时 代, 就 有 仪 狄 作 酒 的 记 载 北 魏 ( ) 贾 思 勰 齐 民 要 术 一 书 中, 详 细 记 载 了 制 醋 方 法 那 时 也 已 知 道 豆 类 的 发 酵 过 程, 从 而 制 成 了 酱 民 间 常 用 的 盐 腌 糖 渍 烟 熏 风 干 等 保 存 食 物 的 方 法, 实 际 上 都 是 防 止 食 物 因 微 生 物 生 长 繁 殖 而 腐 烂 变 质 的 有 效 措 施 11 世 纪 时, 北 宋 末 年 刘 真 人 就 有 肺 痨 由 虫 引 起 之 说 意 大 利 Fracastoro( ) 认 为 传 染 病 的 传 播 有 直 接 间 接 和 通 过 空 气 等 数 种 途 径 奥 地 利 Plenciz( ) 主 张 传 染 病 的 病 因 是 活 的 物 体, 每 种 传 染 病 由 独 特 的 活 物 体 所 引 起 18 世 纪 清 乾 隆 年 间, 我 国 师 道 南 在 天 愚 集 鼠 死 行 篇 中 写 道 : 东 死 鼠, 西 死 鼠, 人 见 死 鼠 如 见 虎, 鼠 死 不 几 日, 人 死 如 圻 堵, 昼 死 人 莫 问 数, 日 色 惨 淡 愁 云 护, 三 人 行 未 十 步 多, 忽 死 两 人 横 截 路 生 动 地 描 述 了 当 时 鼠 疫 猖 獗 流 行 的 可 怕 凄 惨 景 况, 同 时 也 正 确 地 指 出 了 鼠 疫 的 流 行 环 节 在 预 防 医 学 方 面, 我 国 自 古 以 来 就 有 将 水 煮 沸 后 饮 用 的 习 惯 明 李 时 珍 本 草 纲 目 中 指 出, 对 病 人 的 衣 服 蒸 过 再 穿 就 不 会 感 染 到 疾 病, 表 明 已 有 消 毒 的 记 载 3

4 古 代 人 早 已 认 识 到 天 花 是 一 种 烈 性 传 染 病, 一 旦 与 患 者 接 触, 几 乎 都 将 受 染, 且 死 亡 率 极 高 但 已 康 复 者 去 护 理 天 花 病 人, 则 不 会 再 得 天 花 这 种 免 得 瘟 疫 的 现 象, 是 免 疫 一 词 的 最 早 概 念 我 国 祖 先 在 这 个 现 象 的 启 发 下, 开 创 了 预 防 天 花 的 人 痘 接 种 法 大 量 古 书 表 明, 我 国 在 明 隆 庆 年 间 ( ), 人 痘 已 经 广 泛 使 用, 并 先 后 传 至 俄 国 朝 鲜 日 本 土 耳 其 英 国 等 国 家 人 痘 接 种 预 防 天 花 是 我 国 预 防 医 学 上 的 一 大 贡 献 实 验 微 生 物 学 时 期 1. 微 生 物 的 发 现 首 先 观 察 到 微 生 物 的 是 荷 兰 人 列 文 虎 克 (Antony van Leeuwenhoek, ) 他 于 1676 年 用 自 磨 镜 片, 创 制 了 一 架 能 放 大 266 倍 的 原 始 显 微 镜 检 查 了 污 水 齿 垢 粪 便 等, 发 现 许 多 肉 眼 看 不 见 的 微 小 生 物, 并 正 确 地 描 述 了 微 生 物 的 形 态 有 球 形 杆 状 和 螺 旋 样 等, 为 微 生 物 的 存 在 提 供 了 科 学 依 据 19 世 纪 60 年 代, 欧 洲 一 些 国 家 占 重 要 经 济 地 位 的 酿 酒 和 蚕 丝 工 业 分 别 发 生 酒 味 变 酸 和 蚕 病 流 行, 这 就 促 进 了 对 微 生 物 的 研 究 法 国 科 学 家 巴 斯 德 (Louis Pasteur, ) 首 先 实 验 证 明 有 机 物 质 发 酵 和 腐 败 是 由 微 生 物 引 起, 而 酒 类 变 质 是 因 污 染 了 杂 菌 所 致, 从 而 推 翻 了 当 时 盛 行 的 自 然 发 生 说 巴 斯 德 的 研 究, 开 始 了 微 生 物 的 生 理 学 时 代 人 们 认 识 到 不 同 微 生 物 间 不 仅 有 形 态 学 上 的 差 异, 在 生 理 学 特 性 方 面 亦 有 所 不 同, 进 一 步 肯 定 了 微 生 物 在 自 然 界 中 所 起 的 重 要 作 用 自 此, 微 生 物 学 成 为 一 门 独 立 学 科 巴 斯 德 为 防 止 酒 类 发 酵 成 醋 创 用 的 加 温 处 理 法, 就 是 至 今 仍 沿 用 于 酒 类 和 牛 奶 的 巴 氏 消 毒 法 在 巴 斯 德 的 影 响 下, 英 国 外 科 医 生 李 斯 特 (Joseph Lister, ) 创 用 石 炭 酸 喷 洒 手 术 室 和 煮 沸 手 术 用 具, 以 防 止 术 后 感 染, 为 防 腐 消 毒, 以 及 无 菌 操 作 奠 定 基 础 微 生 物 学 的 另 一 奠 基 人 是 德 国 学 者 郭 霍 (Robert Koch, ) 他 创 用 固 体 培 养 基, 使 有 可 能 将 细 菌 从 环 境 或 病 人 排 泄 物 等 标 本 中 分 离 成 为 纯 培 养, 利 于 对 各 种 细 菌 的 特 性 分 别 研 究 他 还 创 用 了 染 色 方 法 和 实 验 动 物 感 染, 为 发 现 多 种 传 染 病 的 病 原 菌 提 供 实 验 手 段 在 19 世 纪 的 最 后 20 年 中, 许 多 传 染 病 的 病 原 菌 如 炭 疽 芽 胞 杆 菌 伤 寒 沙 门 菌 结 核 分 枝 杆 菌 霍 乱 弧 菌 白 喉 棒 状 杆 菌 葡 萄 球 菌 破 伤 风 梭 菌 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 菌 鼠 疫 耶 氏 菌 肉 毒 梭 菌 痢 疾 志 贺 菌 4

5 等, 由 郭 霍 和 在 他 带 动 下 的 一 大 批 学 者 相 继 发 现 并 分 离 培 养 成 功 郭 霍 根 据 对 炭 疽 芽 胞 杆 菌 的 研 究, 提 出 了 著 名 的 郭 霍 法 则 ( Koch's postulates,1884) 认 为 :1 特 殊 的 病 原 菌 应 在 同 一 种 疾 病 中 查 见, 在 健 康 人 中 不 存 在 ;2 该 特 殊 病 原 菌 能 被 分 离 培 养 得 纯 种 ;3 该 纯 培 养 物 接 种 至 易 感 动 物, 能 产 生 同 样 病 症 ;4 自 人 工 感 染 的 实 验 动 物 体 内 能 重 新 分 离 得 该 病 原 菌 纯 培 养 郭 霍 法 则 在 鉴 定 一 种 新 病 原 体 时 确 有 重 要 的 指 导 意 义, 但 应 注 意 到 一 些 特 殊 情 况 例 如 表 面 看 来 似 很 健 康, 实 则 是 带 菌 者 ; 有 的 病 原 体 如 麻 风 分 枝 杆 菌 迄 今 尚 未 能 在 体 外 人 工 培 养 ; 亦 有 的 病 原 体 尚 未 发 现 有 易 感 动 物 等 等 另 一 方 面, 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展, 新 病 原 体 的 确 定 尚 可 通 过 免 疫 学 方 法 检 测 患 者 血 清 中 的 特 异 性 抗 体, 以 及 分 子 生 物 学 技 术 鉴 定 靶 组 织 中 的 特 异 基 因 等 1892 年 俄 国 伊 凡 诺 夫 斯 基 (Ивановский ДИ) 发 现 了 第 一 个 病 毒 即 烟 草 花 叶 病 病 毒 1897 年 Loeffler 和 Frosch 发 现 动 物 口 蹄 疫 病 毒 对 人 致 病 的 病 毒 首 先 被 证 实 的 是 黄 热 病 病 毒 细 菌 病 毒 ( 噬 菌 体 ) 则 分 别 由 Twort (1915) 和 d'herelle(1917) 发 现 随 后 相 继 分 离 出 许 多 人 类 和 动 物 植 物 致 病 性 病 毒 2. 免 疫 学 的 兴 起 18 世 纪 末, 英 国 琴 纳 (Edward Jenner, ) 创 用 牛 痘 预 防 天 花, 为 预 防 医 学 开 辟 了 广 阔 途 径 随 后, 巴 斯 德 研 制 鸡 霍 乱 炭 疽 和 狂 犬 病 疫 苗 成 功 德 国 Behring 在 1891 年 用 含 白 喉 抗 毒 素 的 动 物 免 疫 血 清 成 功 地 治 愈 一 名 白 喉 女 孩, 此 为 第 一 个 被 动 免 疫 治 疗 的 病 例 自 此 引 起 科 学 家 们 从 血 清 中 寻 找 杀 菌 抗 毒 物 质, 导 致 血 清 学 的 发 展 免 疫 化 学 的 研 究, 始 自 Landsteiner(1910) 用 偶 氮 蛋 白 人 工 抗 原 研 究 抗 原 抗 体 反 应 的 特 异 性 化 学 基 团 Tiselius 和 Kabat(1938) 等 创 建 血 清 蛋 白 电 泳 技 术, 证 明 抗 体 活 性 存 在 于 血 清 的 丙 种 球 蛋 白 部 分 ; 其 后 又 建 立 了 分 离 纯 化 抗 体 球 蛋 白 方 法, 对 抗 体 的 理 化 性 质 有 了 进 一 步 的 了 解 人 们 对 感 染 免 疫 现 象 本 质 的 认 识 始 于 19 世 纪 末 当 时 有 两 种 不 同 的 学 术 观 点 一 派 以 俄 国 梅 契 尼 可 夫 (Мечников ИИ, ) 为 首 的 吞 噬 细 胞 学 说, 另 派 以 德 国 艾 利 希 (Paul Ehrlich, ) 为 代 表 的 体 液 抗 体 学 说 两 派 长 期 争 论 不 休 不 久,Wright 在 血 清 中 发 现 了 调 理 素 抗 体, 并 证 明 5

6 吞 噬 细 胞 的 作 用 在 体 液 抗 体 的 参 与 下 可 大 为 增 强, 两 种 免 疫 因 素 是 相 辅 相 成 的 从 而 统 一 了 两 学 说 间 的 矛 盾, 使 人 们 对 免 疫 机 制 的 认 识 可 有 一 个 较 全 面 的 观 点 澳 大 利 亚 学 者 Burnet 以 生 物 学 和 分 子 遗 传 学 的 发 展 为 基 础, 在 艾 利 希 侧 链 学 说 和 Jerne 等 天 然 抗 体 选 择 学 说, 以 及 人 工 耐 受 诱 导 成 功 的 启 发 下, 于 1958 年 提 出 了 关 于 抗 体 生 成 的 克 隆 选 择 学 说 该 学 说 的 基 本 观 点 是 将 机 体 的 免 疫 现 象 建 立 在 生 物 学 的 基 础 上, 它 不 仅 阐 明 了 抗 体 产 生 机 制, 同 时 也 可 对 抗 原 的 识 别 免 疫 记 忆 形 成 自 身 耐 受 建 立 和 自 身 免 疫 发 生 等 重 要 免 疫 生 物 学 现 象 作 出 解 答 这 样, 免 疫 学 跨 越 了 感 染 免 疫 的 范 畴, 逐 渐 形 成 生 物 医 学 (biomedicine) 中 的 一 门 新 学 科 3. 化 学 疗 剂 和 抗 生 素 的 发 明 首 先 合 成 化 学 疗 剂 的 是 艾 利 希 他 在 1910 年 合 成 治 疗 梅 毒 的 砷 凡 纳 明 ( 编 号 606), 后 又 合 成 新 砷 凡 纳 明 ( 编 号 914), 开 创 了 微 生 物 性 疾 病 的 化 学 治 疗 时 代 1935 年 Domagk 发 现 百 浪 多 息 (protosil) 可 以 治 疗 致 病 性 球 菌 感 染 后, 一 系 列 磺 胺 药 物 相 继 合 成, 广 泛 应 用 于 感 染 性 疾 病 的 治 疗 中 1929 年 Fleming 发 现 青 霉 菌 产 生 的 青 霉 素 能 抑 制 金 黄 色 葡 萄 球 菌 的 生 长 直 到 1940 年,Florey 等 将 青 霉 菌 的 培 养 液 予 以 提 纯, 才 获 得 可 供 临 床 使 用 的 青 霉 素 纯 品 青 霉 素 的 发 现, 鼓 舞 了 微 生 物 学 家 们 寻 找 发 掘 抗 生 素 的 热 潮, 于 是 链 霉 素 氯 霉 素 金 霉 素 土 霉 素 红 霉 素 等 等 相 继 发 现 使 许 多 由 细 菌 引 起 的 感 染 和 传 染 病 得 到 控 制 和 治 愈, 为 人 类 健 康 作 出 了 巨 大 贡 献 现 代 微 生 物 学 时 期 近 30 年 来, 随 着 化 学 物 理 学 生 物 化 学 遗 传 学 细 胞 生 物 学 免 疫 学 和 分 子 生 物 学 等 学 科 的 进 展, 电 子 显 微 镜 技 术 细 胞 培 养 组 织 化 学 标 记 技 术 核 酸 杂 交 色 谱 技 术 和 电 子 计 算 机 等 新 技 术 的 建 立 和 改 进, 微 生 物 学 得 到 极 为 迅 速 的 发 展 1. 新 病 原 微 生 物 的 发 现 自 1973 年 以 来, 新 发 现 的 病 原 微 生 物 已 有 30 多 种 其 中 主 要 的 有 军 团 菌, 幽 门 螺 杆 菌, 霍 乱 弧 菌 O139 血 清 群, 大 肠 埃 希 菌 O157: H7 血 清 型, 肺 类 衣 原 体, 伯 氏 疏 螺 旋 体, 人 类 免 疫 缺 陷 病 毒, 人 类 疱 疹 病 毒 型, 丙 丁 戊 己 庚 型 肝 炎 病 毒, 汉 坦 病 毒, 轮 状 病 毒 等 年 间, 美 国 植 物 学 家 Diener 等 从 马 铃 薯 纺 锤 形 块 茎 病 中 发 现 一 种 不 具 有 蛋 白 质 组 分 的 RNA 致 病 因 子, 称 为 类 病 毒 (viroid). 后 来 在 研 究 类 病 6

7 毒 时 发 现 另 一 种 引 起 苜 蓿 等 植 物 病 害 的 拟 病 毒 (virusoid) 1983 年 有 关 国 际 会 议 将 这 些 微 生 物 统 称 为 亚 病 毒 (subvirus) 年, 美 国 科 学 家 Prusiner 从 感 染 羊 搔 痒 病 (scrapie) 的 鼠 脑 分 离 出 一 种 称 为 朊 粒 (prion) 的 传 染 性 蛋 白 因 子 该 因 子 只 含 蛋 白 质, 无 核 酸 组 分 引 起 海 绵 状 脑 病, 是 一 种 慢 性 进 行 性 致 死 性 中 枢 神 经 系 统 疾 病 朊 粒 所 致 疾 病, 动 物 中 除 羊 搔 痒 病 外, 有 牛 海 绵 状 脑 病 ( 俗 称 疯 牛 病 ), 貂 传 染 性 脑 炎 等 ; 人 类 中 有 库 鲁 (kuru) 病 克 - 雅 病 (Creutzfeldt-Jakob disease,cjd) 格 斯 综 合 征 (Gerstmann's syndrome,gss) 致 死 性 家 族 失 眠 症 (fatal familial insomnia, FFI) 等.prion 曾 译 为 朊 病 毒, 但 有 学 者 认 为 其 生 物 学 性 状 与 寻 常 病 毒 差 异 太 大, 不 宜 列 入 病 毒 范 畴. 因 而, 其 确 切 生 物 学 位 置 待 定. 2. 致 病 机 制 近 年 来, 分 子 生 物 学 技 术 的 介 入, 对 病 原 微 生 物 致 病 机 制 的 认 识 可 深 入 到 分 子 水 平 和 基 因 水 平. 迄 今 一 些 主 要 病 原 菌 的 外 毒 素 内 毒 素 侵 袭 性 蛋 白 粘 附 素 等, 病 毒 的 结 构 蛋 白 和 非 结 构 蛋 白 等 组 成 和 功 能, 以 及 相 应 的 编 码 基 因 和 调 控 基 因 有 所 了 解, 它 们 与 宿 主 间 的 相 互 关 系 亦 有 进 一 步 的 明 确. 这 些 都 有 助 于 为 诊 断 和 防 治 微 生 物 感 染 性 疾 病 设 计 更 有 效 措 施 提 供 新 的 科 学 依 据. 最 近, 和 人 类 基 因 组 计 划 相 呼 应, 病 原 微 生 物 的 基 因 组 计 划 已 提 到 议 事 日 程. 病 毒 基 因 组 的 结 构 和 功 能 分 析 早 已 处 于 领 先 地 位. 截 至 1998 年 9 月, 已 有 572 株 病 毒 进 行 了 全 基 因 测 序, 其 中 与 人 类 有 关 的 病 毒 占 76 株. 已 完 成 原 核 微 生 物 基 因 组 测 序 工 作 的 有 20 种, 其 中 属 医 学 微 生 物 的 有 流 感 嗜 血 杆 菌 幽 门 螺 杆 菌 结 核 分 枝 杆 菌 大 肠 埃 希 菌 肺 炎 支 原 体 生 殖 器 支 原 体 苍 白 密 螺 旋 体 和 伯 氏 疏 螺 旋 体. 病 原 微 生 物 基 因 组 序 列 测 定 的 重 大 意 义, 除 更 好 地 了 解 其 致 病 机 制 和 与 宿 主 的 相 互 关 系 外, 尚 能 发 现 更 灵 敏 特 异 的 致 病 分 子 标 记 作 为 诊 断 分 型 等 依 据 ; 为 临 床 筛 选 有 效 药 物 和 开 发 疫 苗 提 供 资 料 ; 为 对 人 类 相 关 基 因 功 能 的 认 识 和 探 讨 人 类 遗 传 性 疾 病 机 制 提 供 参 考 等 3. 诊 断 技 术 细 菌 的 鉴 定 和 分 类, 过 去 以 表 型 方 法 为 主, 现 则 侧 重 于 基 因 型 方 法 来 分 析 待 检 菌 的 遗 传 学 特 征. 后 法 包 括 DNA 的 G+C mol% 测 定 DNA DNA 杂 交 DNA rdna 杂 交 16SrRNA 寡 核 苷 酸 序 列 分 析 氨 基 酸 序 列 分 析 质 粒 分 析 基 因 转 移 和 重 组 基 因 探 针 多 聚 酶 链 反 应 (PCR) 限 制 性 片 段 长 度 多 态 性 (RFLP) 分 析 等. 这 些 分 子 生 物 学 技 术 在 分 类 新 种 鉴 定 和 流 行 病 学 中 尤 为 重 要. 例 如 现 已 7

8 普 遍 为 学 术 界 接 受 的 将 生 物 分 成 真 核 生 物 真 细 菌 和 古 细 菌 (Archaeobacteria) 三 个 域 (domain), 就 是 Woese 等 用 16SrRNA 寡 核 苷 酸 序 列 分 析 技 术, 获 得 了 大 量 原 核 生 物 和 真 核 生 物 的 序 列 谱 后 创 立 的. 临 床 微 生 物 学 检 验 中, 快 速 诊 断 方 法 发 展 较 快. 免 疫 荧 光 放 射 核 素 和 酶 联 (ELISA) 三 大 标 记 技 术 中, 以 ELISA 快 速 测 定 微 生 物 抗 原 技 术 较 为 普 遍. 放 射 核 素 标 记 因 有 辐 射 危 害, 已 逐 渐 为 地 高 辛 光 敏 生 物 素 等 非 放 射 性 物 质 标 记 所 替 代. 细 菌 检 验 中 的 微 量 化 和 自 动 化, 也 是 微 生 物 学 诊 断 中 的 发 展 方 向. 经 过 多 年 的 研 究 和 不 断 改 进, 常 规 的 临 床 细 菌 学 诊 断 已 可 由 系 列 的 试 剂 盒 商 品 成 套 供 应, 来 替 代 各 检 验 部 门 自 行 配 制 试 剂 手 工 操 作 等 缓 慢 和 繁 琐 状 态. 4. 防 治 措 施 针 对 灭 活 全 菌 体 疫 苗 接 种 后 普 遍 有 一 定 的 不 良 副 反 应 和 减 毒 活 疫 苗 株 不 易 获 得 ; 而 对 一 些 病 原 微 生 物 与 免 疫 防 御 有 关 的 组 分, 可 以 通 过 分 子 生 物 学 技 术 分 离 或 克 隆 入 无 害 载 体 近 年 来 肺 炎 链 球 菌 荚 膜 多 糖 疫 苗 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 荚 膜 多 糖 疫 苗 百 日 咳 血 凝 素 组 分 疫 苗 铜 绿 假 单 胞 菌 外 膜 蛋 白 疫 苗 伤 寒 沙 门 菌 Ty2la 疫 苗 乙 型 肝 炎 基 因 工 程 疫 苗 等 相 继 问 世.1993 年 Ulmer 等 开 创 的 核 酸 疫 苗 被 誉 为 疫 苗 学 的 新 纪 元, 具 有 广 阔 的 发 展 前 景. 多 种 抗 生 素 的 发 现 对 细 菌 性 感 染 的 防 治 起 着 极 大 作 用, 但 不 少 病 原 菌 的 单 元 和 多 重 耐 药 株 随 着 出 现, 使 治 疗 带 来 很 大 困 难. 经 过 科 研 人 员 的 努 力, 不 断 对 老 药 修 饰 改 造 和 新 抗 菌 药 物 的 研 制, 情 况 有 所 改 善, 但 仍 不 能 逆 转 耐 药 性 这 一 根 本 问 题. 抗 病 毒 和 真 菌 药 物, 也 很 少 有 突 破 性 进 展. 近 年 来, 应 用 生 物 工 程 产 生 大 批 量 干 扰 素 白 介 素 2 等 细 胞 因 子, 在 试 治 某 些 病 毒 性 疾 病 中, 取 得 一 定 效 果. 在 由 肠 道 菌 群 失 调 造 成 的 消 化 功 能 紊 乱 患 者, 微 生 态 制 剂 可 以 一 试. 第 三 节 医 学 微 生 物 学 医 学 微 生 物 学 (medical microbiology) 是 微 生 物 学 的 一 个 分 支, 是 一 门 基 础 医 学 课 程. 主 要 研 究 与 医 学 有 关 病 原 微 生 物 的 生 物 学 特 性 致 病 和 免 疫 机 制, 以 及 特 异 性 诊 断 防 治 措 施, 以 控 制 和 消 灭 感 染 性 疾 病 和 与 之 有 关 的 免 疫 损 伤 等 疾 病, 达 到 保 障 和 提 高 人 类 健 康 水 平 的 目 的. 根 据 医 学 微 生 物 学 的 系 统 性 和 教 学 上 的 循 序 渐 进 原 则, 本 课 程 分 为 细 菌 学 真 菌 学 和 病 毒 学 三 篇. 每 篇 内 容 包 括 总 论 和 各 论 两 个 部 分, 分 别 叙 述 原 核 微 生 物 8

9 真 核 微 生 物 和 非 细 胞 型 微 生 物 的 形 态 结 构 生 长 繁 殖 遗 传 变 异 等 生 物 学 特 性 病 原 微 生 物 和 宿 主 机 体 的 相 互 关 系, 以 及 微 生 物 学 检 查 法 和 防 治 原 则 支 原 体 衣 原 体 立 克 次 体 螺 旋 体 和 放 线 菌, 按 分 类 原 则 虽 列 入 细 菌 篇 中, 但 为 便 于 教 学, 它 们 仍 分 别 在 专 章 中 各 自 单 独 阐 述. 辛 亥 革 命 后, 我 国 仅 有 少 数 学 者 从 事 微 生 物 学 的 研 究, 并 取 得 一 定 成 就. 例 如 发 现 旱 獭 也 可 为 鼠 疫 耶 氏 菌 的 存 储 宿 主 ; 首 先 应 用 鸡 胚 培 养 立 克 次 体 等. 新 中 国 成 立 后, 较 快 地 消 灭 了 天 花 ; 鼠 疫 白 喉 脊 髓 灰 质 炎 新 生 儿 破 伤 风 等 得 到 了 控 制 ; 我 国 学 者 汤 飞 凡 等 首 先 成 功 地 分 离 出 沙 眼 衣 原 体 此 外,1959 年 国 内 分 离 出 麻 疹 病 毒, 成 功 地 制 成 减 毒 活 疫 苗, 很 快 地 控 制 了 麻 疹 的 流 行 ; 年 分 离 出 流 行 性 出 血 性 角 膜 结 膜 炎 的 病 原 体, 并 证 明 是 肠 道 病 毒 70 型. 近 30 年 来, 甲 乙 丙 戊 庚 型 肝 炎 病 毒 和 HIV 的 诊 断 方 法 已 建 立 并 广 泛 用 于 临 床 ; 甲 型 肝 炎 病 毒 已 分 离 培 养 建 株 成 功, 并 制 成 疫 苗 用 于 预 防 ; 流 行 性 出 血 热 的 病 因 学 和 流 行 病 学 研 究 已 进 入 世 界 前 列 ;EB 病 毒 和 鼻 咽 癌 间 发 现 有 密 切 联 系, 并 建 立 了 早 期 诊 断 方 法. 在 病 原 菌 方 面, 军 团 菌 幽 门 螺 杆 菌 伯 氏 疏 螺 旋 体 等 陆 续 分 离 成 功.ELISA 等 标 记 技 术 已 广 泛 应 用 于 实 际 ; 核 酸 杂 交 PCR 技 术 也 已 在 有 关 领 域 中 开 展. 至 于 我 国 特 有 的 中 医 中 药 对 防 治 某 些 微 生 物 感 染 的 研 究 长 期 持 续 不 断, 并 发 现 多 种 中 草 药 能 抑 制 或 杀 死 某 些 病 原 微 生 物. 在 医 学 微 生 物 学 领 域, 国 内 外 虽 都 取 得 不 小 成 绩, 但 距 离 控 制 和 消 灭 传 染 病 的 目 标 尚 存 在 颇 大 差 距 目 前, 由 病 原 微 生 物 引 起 的 多 种 传 染 病 仍 严 重 威 胁 人 类 的 健 康. 据 世 界 卫 生 组 织 (WHO) 报 道, 近 年 全 球 平 均 每 年 有 1700 多 万 人 死 于 传 染 病. 新 病 原 体 的 不 断 出 现, 造 成 新 的 ( 新 现,emerging) 传 染 病 ; 原 流 行 病 原 体 因 变 异 耐 药 等 重 新 流 行, 导 致 再 现 (reemerging) 传 染 病 为 病 死 的 主 要 原 因. 最 近 几 年 发 生 的 来 源 于 畜 禽 病 原 体 的 感 染 人 类 事 件, 值 得 人 们 警 惕 例 如 1996 年 日 本 爆 发 的 大 肠 埃 希 菌 O157:H7 食 物 中 毒, 发 病 1 万 余 人, 死 亡 11 例 ;1997 年 我 国 香 港 有 18 人 患 H5N1 型 禽 流 感 病 毒 感 染, 死 亡 4 人 ;1998 年 英 国 有 十 万 头 牛 患 牛 海 绵 状 脑 病 ( 疯 牛 病,BSE), 死 亡 十 万 余 头, 至 少 有 十 个 青 年 死 于 不 典 型 的 CJD, 据 调 查 他 ( 她 ) 们 都 有 进 食 牛 肉 史 鉴 于 迄 今 仍 有 一 些 感 染 性 疾 病 的 病 原 体 还 未 发 现 ; 有 些 病 原 体 的 致 病 和 免 疫 机 制 有 待 阐 明 ; 不 少 疾 病 尚 缺 乏 有 效 防 治 措 施. 因 此, 医 学 微 生 物 学 今 后 要 继 续 9

10 加 强 对 病 原 微 生 物 的 致 病 因 子 及 其 致 病 机 制 和 免 疫 机 制 的 研 究, 研 制 完 全 有 效 的 疫 苗 ; 运 用 分 子 生 物 学 和 免 疫 学 等 新 手 段, 创 建 特 异 灵 敏 快 速 简 便 的 诊 断 方 法 ; 深 入 研 究 微 生 物 的 耐 药 机 制, 探 讨 防 止 和 逆 转 耐 药 性 措 施, 并 积 极 开 发 抗 细 菌 真 菌 和 病 毒 的 新 型 药 物 等. 只 有 这 样 多 方 面 的 综 合 研 究, 才 能 使 医 学 微 生 物 学 和 有 关 学 科 在 共 同 努 力 下, 达 到 控 制 和 消 灭 危 害 人 类 健 康 的 感 染 性 疾 病 这 一 宏 ( 陆 德 源 刘 晶 星 ) 第 一 篇 第 1 章 细 菌 学 细 菌 的 形 态 与 结 构 细 菌 (bacterium) 是 属 原 核 生 物 界 (prokaryotae) 的 一 种 单 细 胞 微 生 物, 有 广 义 和 狭 义 两 种 范 畴 广 义 上 泛 指 各 类 原 核 细 胞 型 微 生 物, 包 括 细 菌 放 线 菌 支 原 体 衣 原 体 立 克 次 体 螺 旋 体 狭 义 上 则 专 指 其 中 数 量 最 大 种 类 最 多 具 有 典 型 代 表 性 的 细 菌, 是 本 章 讨 论 的 对 象 它 们 形 体 微 小, 结 构 简 单, 具 有 细 胞 壁 和 原 始 核 质, 无 核 仁 和 核 膜, 除 核 糖 体 外 无 其 他 细 胞 器 了 解 细 菌 的 形 态 和 结 构 对 研 究 细 菌 的 生 理 活 动 致 病 性 和 免 疫 性, 以 及 鉴 别 细 菌 诊 断 疾 病 和 防 治 细 菌 性 感 染 等 均 有 重 要 的 理 论 和 实 际 意 义 a 第 一 节 细 菌 的 大 小 与 形 态 观 察 细 菌 最 常 用 的 仪 器 是 光 学 显 微 镜, 其 大 小 可 以 用 测 微 尺 在 显 微 镜 下 进 行 测 量, 一 般 以 微 米 (μm) 为 单 位 不 同 种 类 的 细 菌 大 小 不 一, 同 一 种 细 菌 也 因 菌 龄 和 环 境 因 素 的 影 响 而 有 差 异 细 菌 按 其 外 形, 主 要 有 球 菌 杆 菌 和 螺 形 菌 三 大 类 ( 图 1-1) 图 1-1 球 菌 多 数 球 菌 (coccus) 直 径 在 1μm 左 右, 外 观 呈 圆 球 形 或 近 似 球 形 由 于 繁 殖 时 细 菌 分 裂 平 面 不 同 和 分 裂 后 菌 体 之 间 相 互 粘 附 程 度 不 一, 可 形 成 不 同 的 排 列 方 式, 这 对 一 些 球 菌 的 鉴 别 颇 有 意 义 1. 双 球 菌 (diplococcus) 在 一 个 平 面 上 分 裂, 分 裂 后 两 个 菌 体 成 对 排 列, 如 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 肺 炎 链 球 菌 2. 链 球 菌 (streptococcus) 在 一 个 平 面 上 分 裂, 分 裂 后 多 个 菌 体 粘 10

11 连 成 链 状, 如 乙 型 溶 血 性 链 球 菌 3. 葡 萄 球 菌 (staphylococcus) 在 多 个 不 规 则 的 平 面 上 分 裂, 分 裂 后 菌 体 无 一 定 规 则 地 粘 连 在 一 起 似 葡 萄 状, 如 金 黄 色 葡 萄 球 菌 4. 四 联 球 菌 (tetrads) 在 两 个 互 相 垂 直 的 平 面 上 分 裂, 分 裂 后 四 个 菌 体 粘 附 在 一 起 呈 正 方 形, 如 四 联 加 夫 基 菌 5. 八 叠 球 菌 (sarcina) 在 三 个 互 相 垂 直 的 平 面 上 分 裂, 分 裂 后 八 个 菌 体 粘 附 成 包 裹 状 立 方 体, 如 藤 黄 八 叠 球 菌 各 类 球 菌 在 标 本 或 培 养 物 中 除 上 述 的 典 型 排 列 方 式 外, 还 可 有 分 散 的 单 个 菌 体 存 在 杆 菌 不 同 杆 菌 (bacillus) 的 大 小 长 短 粗 细 很 不 一 致 大 的 杆 菌 如 炭 疽 芽 胞 杆 菌 长 3~10μm, 中 等 的 如 大 肠 埃 希 菌 长 2~3μm, 小 的 如 布 鲁 菌 长 仅 0.6~1.5μm 杆 菌 形 态 多 数 呈 直 杆 状, 也 有 的 菌 体 稍 弯 ; 多 数 呈 分 散 存 在, 也 有 的 呈 链 状 排 列, 称 为 链 杆 菌 (streptobacillus); 菌 体 两 端 大 多 呈 钝 圆 形, 少 数 两 端 平 齐 ( 如 炭 疽 芽 胞 杆 菌 ) 或 两 端 尖 细 ( 如 梭 杆 菌 ) 有 的 杆 菌 末 端 膨 大 成 棒 状, 称 为 棒 状 杆 菌 (corynebacterium); 有 的 菌 体 短 小, 近 于 椭 圆 形, 称 为 球 杆 菌 (coccobacillus); 有 的 常 呈 分 支 生 长 趋 势, 称 为 分 枝 杆 菌 (mycobacterium); 有 的 末 端 常 呈 分 叉 状, 称 为 双 歧 杆 菌 (bifidobacterium) 螺 形 菌 螺 形 菌 (spiral bacterium) 菌 体 弯 曲, 有 的 菌 体 长 2~3μm, 只 有 一 个 弯 曲, 呈 弧 形 或 逗 点 状 称 为 弧 菌 (vibrio), 如 霍 乱 弧 菌 ; 有 的 菌 体 长 3~6 μm, 有 数 个 弯 曲 称 为 螺 菌 (spirillum), 如 鼠 咬 热 螺 菌 ; 也 有 的 菌 体 细 长 弯 曲 呈 弧 形 或 螺 旋 形, 称 为 螺 杆 菌 (helicobacterium), 如 幽 门 螺 杆 菌 细 菌 的 形 态 受 温 度 ph 培 养 基 成 分 和 培 养 时 间 等 因 素 影 响 很 大 一 般 是 细 菌 在 适 宜 的 生 长 条 件 下 培 养 8~18d 时 形 态 比 较 典 型, 在 不 利 环 境 或 菌 龄 老 时 常 出 现 梨 形 气 球 状 和 丝 状 等 不 规 则 的 多 形 性 (polymorphism), 称 为 衰 退 型 (involution form) 因 此, 观 察 细 菌 的 大 小 和 形 态, 应 选 择 适 宜 生 长 条 件 下 的 对 数 期 为 宜 第 二 节 细 菌 的 结 构 11

12 细 菌 虽 小, 仍 具 有 一 定 的 细 胞 结 构 ( 图 1-2) 和 功 能 细 胞 壁 细 胞 膜 细 胞 质 和 核 质 等 各 种 细 菌 都 有, 是 细 菌 的 基 本 结 构 ; 荚 膜 鞭 毛 菌 毛 芽 胞 仅 某 些 细 菌 具 有, 为 其 特 殊 结 构 图 1-2 一 细 菌 的 基 本 结 构 细 胞 壁 细 胞 壁 (cell wall) 位 于 菌 细 胞 的 最 外 层, 包 绕 在 细 胞 膜 的 周 围 是 一 种 膜 状 结 构, 组 成 较 复 杂, 并 随 不 同 细 菌 而 异 用 革 兰 染 色 法 可 将 细 菌 分 为 两 大 类, 即 革 兰 阳 性 菌 和 革 兰 阴 性 菌 两 类 细 菌 细 胞 壁 的 共 有 组 分 为 肽 聚 糖, 但 各 自 有 其 特 殊 组 分 1. 肽 聚 糖 (peptidoglycan) 肽 聚 糖 是 一 类 复 杂 的 多 聚 体, 是 细 菌 细 胞 壁 中 的 主 要 组 分, 为 原 核 细 胞 所 特 有, 又 称 为 粘 肽 (mucopeptide) 糖 肽 (glycopeptide) 或 胞 壁 质 (murein) 革 兰 阳 性 菌 的 肽 聚 糖 由 聚 糖 骨 架 四 肽 侧 链 和 五 肽 交 联 桥 三 部 分 组 成 ( 图 1-3), 革 兰 阴 性 菌 的 肽 聚 糖 仅 由 聚 糖 骨 架 和 四 肽 侧 链 两 部 分 组 成 ( 图 1-4) 图 1-3 图 1-4 聚 糖 骨 架 由 N- 乙 酰 葡 糖 胺 (N-acetyl glucosamine) 和 N- 乙 酰 胞 壁 酸 (N-acetylmuramic acid) 交 替 间 隔 排 列, 经 β-1,4 糖 苷 键 联 结 而 成 各 种 细 菌 细 胞 壁 的 聚 糖 骨 架 均 相 同 四 肽 侧 链 的 组 成 和 联 结 方 式 随 菌 不 同 而 异 如 葡 萄 球 菌 ( 革 兰 阳 性 菌 ) 细 胞 壁 的 四 肽 侧 链 的 氨 基 酸 依 次 为 L- 丙 氨 酸 D- 谷 氨 酸 L- 赖 氨 酸 和 D- 丙 氨 酸 ; 第 三 位 的 L- 赖 氨 酸 通 过 由 五 个 甘 氨 酸 组 成 的 交 联 桥 连 接 到 相 邻 聚 糖 骨 架 四 肽 侧 链 末 端 的 D- 丙 氨 酸 上, 从 而 构 成 机 械 强 度 十 分 坚 韧 的 三 维 立 体 结 构 在 大 肠 埃 希 菌 ( 革 兰 阴 性 菌 ) 的 四 肽 侧 链 中, 第 三 位 氨 基 酸 是 二 氨 基 庚 二 酸 (diaminopimelic acid,dap), 并 由 DAP 与 相 邻 四 肽 侧 链 末 端 的 D- 丙 氨 酸 直 接 连 接, 没 有 五 肽 交 联 桥, 因 而 只 形 成 单 层 平 面 网 络 的 二 维 结 构 其 他 细 菌 的 四 肽 侧 链 中 第 三 位 氨 基 12

13 酸 变 化 最 大, 大 多 数 革 兰 阴 性 菌 为 DAP, 而 革 兰 阳 性 菌 可 以 是 DAP L- 赖 氨 酸 或 其 他 L- 氨 基 酸 2. 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 特 殊 组 分 革 兰 阳 性 菌 的 细 胞 壁 较 厚 (20~ 80nm), 除 含 有 15~50 层 肽 聚 糖 结 构 外, 大 多 数 尚 含 有 大 量 的 磷 壁 酸 (teichoic acid), 少 数 是 磷 壁 醛 酸 (teichuroic acid), 约 占 细 胞 壁 干 重 的 50%( 图 1-5) 图 1-5 磷 壁 酸 是 由 核 糖 醇 (ribitol) 或 甘 油 残 基 经 磷 酸 二 酯 键 互 相 连 接 而 成 的 多 聚 物, 其 结 构 中 少 数 基 团 被 氨 基 酸 或 糖 所 取 代, 多 个 磷 壁 酸 分 子 组 成 长 链 穿 插 于 肽 聚 糖 层 中 按 其 结 合 部 位 不 同, 分 为 壁 磷 壁 酸 (wall teichoic acid) 和 膜 磷 壁 酸 (membrane teichoic acid) 两 种 前 者 的 一 端 通 过 磷 脂 与 肽 聚 糖 上 的 胞 壁 酸 共 价 结 合, 另 端 伸 出 细 胞 壁 游 离 于 外 膜 磷 壁 酸, 或 称 脂 磷 壁 酸 (lipoteichoic acid, LTA), 一 端 与 细 胞 膜 外 层 上 的 糖 脂 共 价 结 合, 另 端 穿 越 肽 聚 糖 层 伸 出 细 胞 壁 表 面 呈 游 离 状 态 磷 壁 醛 酸 与 磷 壁 酸 相 似, 仅 其 结 构 中 以 糖 醛 酸 代 替 磷 酸 此 外, 某 些 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 表 面 尚 有 一 些 特 殊 的 表 面 蛋 白 质, 如 金 黄 色 葡 萄 球 菌 的 A 蛋 白, A 群 链 球 菌 的 M 蛋 白 等 3. 革 兰 阴 性 菌 细 胞 壁 特 殊 组 分 革 兰 阴 性 菌 细 胞 壁 较 薄 (10~15nm), 但 结 构 较 复 杂 除 含 有 1~2 层 的 肽 聚 糖 结 构 外, 尚 有 其 特 殊 组 分 外 膜 (outer membrane), 约 占 细 胞 壁 干 重 的 80%( 图 1-6) 图 1-6 外 膜 由 脂 蛋 白 脂 质 双 层 和 脂 多 糖 三 部 分 组 成 脂 蛋 白 位 于 肽 聚 糖 层 和 脂 质 双 层 之 间, 其 蛋 白 质 部 分 与 肽 聚 糖 侧 链 的 二 氨 基 庚 二 酸 相 连, 其 脂 质 成 分 与 脂 质 双 层 非 共 价 结 合, 使 外 膜 和 肽 聚 糖 层 构 成 一 个 整 体 脂 质 双 层 的 结 构 类 似 细 胞 膜, 双 层 内 镶 嵌 着 多 种 蛋 白 质 称 为 外 膜 蛋 白 (outer membrane protein,omp), 其 中 有 的 为 孔 蛋 白 (porin), 如 大 肠 杆 埃 希 的 OmpF OmpC, 允 许 水 溶 性 分 子 ( 分 子 量 600) 通 过 ; 有 的 为 诱 导 性 或 去 阻 遏 蛋 白 质, 参 与 特 殊 物 质 的 扩 散 过 程 ; 有 的 为 噬 菌 体 性 菌 毛 或 细 菌 素 的 受 体 由 脂 质 双 层 向 细 胞 外 伸 出 的 是 脂 多 糖 13

14 (lipopolysaccharide,lps) LPS 由 脂 质 A 核 心 多 糖 和 特 异 多 糖 三 部 分 组 成, 即 革 兰 阴 性 菌 的 内 毒 素 (endotoxin) (1) 脂 质 A(lipid A) 为 一 种 糖 磷 脂, 由 β1,6- 糖 苷 键 相 联 的 D- 氨 基 葡 萄 糖 双 糖 组 成 的 基 本 骨 架, 双 糖 骨 架 的 游 离 羟 基 和 氨 基 可 携 带 多 种 长 链 脂 肪 酸 和 磷 酸 基 团 不 同 种 属 细 菌 的 脂 质 A 骨 架 基 本 一 致, 其 主 要 差 别 是 脂 肪 酸 的 种 类 和 磷 酸 基 团 的 取 代 不 尽 相 同, 其 中 β- 羟 基 豆 蔻 酸 是 肠 道 菌 所 共 有 的 脂 质 A 是 内 毒 素 的 毒 性 和 生 物 学 活 性 的 主 要 组 分, 无 种 属 特 异 性, 故 不 同 细 菌 产 生 的 内 毒 素 的 毒 性 作 用 均 相 似 (2) 核 心 多 糖 (core polysaccharide) 位 于 脂 质 A 的 外 层, 由 己 糖 ( 葡 萄 糖 半 乳 糖 等 ) 庚 糖 2- 酮 基 -3- 脱 氧 辛 酸 (2-keto-3-deoxyoctonic acid,kdo) 磷 酸 乙 醇 胺 等 组 成 经 KDO 与 脂 质 A 共 价 联 结 核 心 多 糖 有 属 特 异 性, 同 一 属 细 菌 的 核 心 多 糖 相 同 (3) 特 异 多 糖 (specific polysaccharide) 是 脂 多 糖 的 最 外 层, 由 数 个 至 数 十 个 低 聚 糖 (3~5 个 单 糖 ) 重 复 单 位 所 构 成 的 多 糖 链 特 异 多 糖 即 革 兰 阴 性 菌 的 菌 体 抗 原 (O 抗 原 ), 具 有 种 特 异 性, 因 其 多 糖 中 单 糖 的 种 类 位 置 排 列 和 空 间 构 型 各 不 相 同 所 致 特 异 多 糖 的 缺 失, 细 菌 从 光 滑 (smooth,s) 型 变 为 粗 糙 (rough,r) 型 另 外, 少 数 革 兰 阴 性 菌 ( 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 淋 病 奈 瑟 菌 流 感 嗜 血 杆 菌 ) 的 LPS 结 构 不 典 型, 其 外 膜 糖 脂 含 有 短 链 分 枝 状 聚 糖 组 分 ( 与 粗 糙 型 肠 道 菌 的 LPS 相 似 ), 称 为 脂 寡 糖 (lipooligosaccharide,los) 它 与 哺 乳 动 物 细 胞 膜 的 鞘 糖 脂 成 分 非 常 相 似, 从 而 使 这 些 细 菌 逃 避 宿 主 免 疫 细 胞 的 识 别 LOS 作 为 重 要 的 毒 力 因 子 受 到 关 注 在 革 兰 阴 性 菌 的 细 胞 膜 和 外 膜 的 脂 质 双 层 之 间 有 一 空 隙, 约 占 细 胞 体 积 的 20%~40%, 称 为 周 浆 间 隙 (periplasmic space) 该 间 隙 含 有 多 种 蛋 白 酶 核 酸 酶 解 毒 酶 及 特 殊 结 合 蛋 白, 在 细 菌 获 得 营 养 解 除 有 害 物 质 毒 性 等 方 面 有 重 要 作 用 β- 内 酰 胺 抗 生 素 是 指 其 结 构 中 含 有 β- 内 酰 胺 环 的 一 类 抗 生 素, 包 括 青 霉 素 类 和 头 孢 菌 素 类, 由 于 其 抑 制 细 胞 壁 肽 聚 糖 的 合 成 而 达 到 杀 菌 作 用 细 菌 产 生 的 β- 内 酰 胺 酶 (β -lactamase, BLA) 可 以 特 异 性 地 打 开 药 物 分 子 结 构 中 的 β- 内 酰 胺 环, 使 其 完 全 失 去 活 性 一 般 是 革 兰 阳 性 菌 的 BLA 为 胞 外 酶, 革 兰 阴 性 菌 的 BLA 位 于 周 浆 间 隙 内,BLA 的 产 生 可 以 由 细 菌 染 色 体 编 码, 也 可 以 由 质 粒 编 码 20 世 纪 90 年 代 以 来, 应 用 Bush-Jocoby-Medeiros ( 简 称 Bush 法 ) 分 类 法, 即 根 据 该 酶 来 源, 分 子 生 物 学 特 征, 底 物 谱 和 抑 制 物 敏 感 性 等, 14

15 将 细 菌 的 BLA 分 为 四 大 类 近 年 来, 在 克 雷 伯 菌 大 肠 埃 希 菌 肠 杆 菌 等 革 兰 阴 性 菌 中 又 出 现 了 新 的 BLA 突 变 体, 扩 大 了 原 来 的 底 物 谱, 可 以 水 解 青 霉 素 类, 一 二 三 代 头 孢 菌 素 和 单 环 类 抗 生 素 ( 氨 曲 南 ), 称 其 为 超 广 谱 β- 内 酰 胺 酶 (extended spectrum β-lactamase, ESBL) β- 内 酰 胺 酶 介 导 的 耐 药 性 是 细 菌 耐 药 机 制 研 究 的 重 要 内 容, 也 是 抗 生 素 不 断 改 造 的 理 论 基 础 革 兰 阳 性 和 阴 性 菌 细 胞 壁 结 构 显 著 不 同 ( 表 1-1), 导 致 这 两 类 细 菌 在 染 色 性 抗 原 性 致 病 性 及 对 药 物 的 敏 感 性 等 方 面 的 很 大 差 异 表 1-1 革 兰 阳 性 菌 与 阴 性 菌 细 胞 壁 结 构 比 较 细 胞 壁 革 兰 阳 性 菌 革 兰 阴 性 菌 强 度 较 坚 韧 较 疏 松 厚 度 20 ~80nm 10~15nm 肽 聚 糖 层 数 可 多 达 50 层 1~2 层 肽 聚 糖 含 量 占 细 胞 壁 干 重 50%~80% 占 细 胞 壁 干 重 5%~20% 糖 类 含 量 约 45% 15%~20% 脂 类 含 量 1% ~ 4% 11%~22% 磷 壁 酸 + 外 膜 + 15

16 4. 细 胞 壁 的 功 能 细 菌 细 胞 壁 坚 韧 而 富 弹 性, 其 主 要 功 能 维 持 菌 体 固 有 的 形 态, 并 保 护 细 菌 抵 抗 低 渗 环 境 细 菌 细 胞 质 内 有 高 浓 度 的 无 机 盐 和 大 分 子 营 养 物 质, 其 渗 透 压 高 达 5~25 个 大 气 压 由 于 细 胞 壁 的 保 护 作 用, 使 细 菌 能 承 受 内 部 巨 大 的 渗 透 压 而 不 会 破 裂, 并 能 在 相 对 低 渗 的 环 境 下 生 存 细 胞 壁 上 有 许 多 小 孔, 参 与 菌 体 内 外 的 物 质 交 换 菌 体 表 面 带 有 多 种 抗 原 表 位, 可 以 诱 发 机 体 的 免 疫 应 答 革 兰 阳 性 菌 的 磷 壁 酸 是 重 要 表 面 抗 原, 与 血 清 型 分 类 有 关 它 带 有 较 多 的 负 电 荷, 能 与 Mg 2+ 等 双 价 离 子 结 合, 有 助 于 维 持 菌 体 内 离 子 的 平 衡 磷 壁 酸 还 可 起 到 稳 定 和 加 强 细 胞 壁 的 作 用 乙 型 溶 血 性 链 球 菌 表 面 的 M 蛋 白 与 LTA 结 合 在 细 菌 表 面 形 成 微 纤 维 (microfibrils), 后 者 介 导 菌 体 与 宿 主 细 胞 的 粘 附, 是 其 致 病 因 素 之 一 革 兰 阴 性 菌 的 外 膜 是 一 种 有 效 的 屏 障 结 构, 使 细 菌 不 易 受 到 机 体 的 体 液 杀 菌 物 质 肠 道 的 胆 盐 及 消 化 酶 等 的 作 用 ; 还 可 阻 止 某 些 抗 生 素 的 进 入, 成 为 细 菌 耐 药 的 机 制 之 一 LPS( 内 毒 素 ) 是 革 兰 阴 性 菌 重 要 的 致 病 物 质, 使 机 体 发 热, 白 细 胞 增 多, 直 至 休 克 死 亡 另 一 方 面 LPS 也 可 增 强 机 体 非 特 异 性 抵 抗 力, 并 有 抗 肿 瘤 等 有 益 作 用 外 膜 是 革 兰 阴 性 菌 的 重 要 结 构, 其 屏 障 功 能 改 变 介 导 的 耐 药 性 包 括 外 膜 通 透 性 降 低 和 主 动 外 排 ( 泵 出 ) 两 种 机 制 革 兰 阴 性 菌 的 外 膜 是 抗 生 素 与 细 菌 接 触 的 第 一 道 防 线, 外 膜 屏 障 作 用 是 由 孔 蛋 白 所 决 定 大 肠 杆 菌 有 两 种 主 要 的 孔 蛋 白,OmpF 和 OmpC, 正 常 情 况 下 的 孔 径 分 别 为 1.16nm 和 1.08nm, 为 亲 水 性 抗 菌 药 物 的 通 道 抗 菌 药 物 分 子 越 大, 所 带 负 电 荷 越 多, 疏 水 性 越 强 则 不 易 通 过 细 菌 外 膜 细 菌 发 生 突 变 可 以 造 成 孔 蛋 白 的 丢 失 或 降 低 其 表 达, 均 会 影 响 药 物 从 细 胞 外 向 细 胞 内 的 运 输, 使 抗 生 素 不 能 达 到 作 用 靶 位 而 发 挥 抗 菌 效 能 铜 绿 假 单 胞 菌 外 膜 对 抗 生 素 的 通 透 性 比 其 他 革 兰 阴 性 菌 差, 是 该 菌 对 多 种 抗 生 素 天 然 耐 药 的 原 因 之 一 革 兰 阳 性 和 阴 性 菌 对 四 环 素 耐 药 主 要 由 于 细 胞 膜 存 在 能 量 依 赖 性 泵 出 系 统, 使 菌 体 内 药 物 量 减 少, 此 种 泵 出 系 统 由 Tet 膜 蛋 白 介 导 这 种 抗 生 素 的 泵 出 系 统 也 见 于 氯 霉 素 红 霉 素 和 喹 诺 酮 类 药 物 耐 药 菌 5. 细 菌 细 胞 壁 缺 陷 型 ( 细 菌 L 型 ) 细 菌 细 胞 壁 的 肽 聚 糖 结 构 受 到 理 化 或 生 物 因 素 的 直 接 破 坏 或 合 成 被 抑 制, 这 种 细 胞 壁 受 损 的 细 菌 一 般 在 普 通 环 16

17 境 中 不 能 耐 受 菌 体 内 的 高 渗 透 压 而 将 会 胀 裂 死 亡 但 在 高 渗 环 境 下, 它 们 仍 可 存 活 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 缺 失 后, 原 生 质 仅 被 一 层 细 胞 膜 包 住, 称 为 原 生 质 体 (protoplast); 革 兰 阴 性 菌 肽 聚 糖 层 受 损 后 尚 有 外 膜 保 护, 称 为 原 生 质 球 (spheroplast) 这 种 细 胞 壁 受 损 的 细 菌 能 够 生 长 和 分 裂 者 称 为 细 菌 细 胞 壁 缺 陷 型 或 L 型 (bacterial L form), 因 1935 年 klieneberger 首 先 在 Lister 研 究 院 发 现 而 得 名 细 菌 L 型 在 体 内 或 体 外 人 工 诱 导 或 自 然 情 况 下 均 可 形 成, 诱 发 因 素 很 多, 如 溶 菌 酶 (lysozyme) 和 溶 葡 萄 球 菌 素 (lysostaphin) 青 霉 素 胆 汁 抗 体 补 体 等 细 菌 L 型 的 形 态 因 缺 失 细 胞 壁 而 呈 高 度 多 形 性, 大 小 不 一, 有 球 形 杆 状 和 丝 状 等 ( 图 1-7) 着 色 不 匀, 无 论 其 原 为 革 兰 阳 性 或 阴 性 菌, 形 成 L 型 大 多 染 成 革 兰 阴 性 细 菌 L 型 难 以 培 养, 其 营 养 要 求 基 本 与 原 菌 相 似, 但 需 在 高 渗 低 琼 脂 含 血 清 的 培 养 基 中 生 长, 即 必 须 补 充 3%~5%NaCl 10%~20% 蔗 糖 或 7% 聚 乙 烯 吡 咯 烷 酮 (PVP) 等 稳 定 剂, 以 提 高 培 养 基 的 渗 透 压 同 时 还 需 加 10%~20% 人 或 马 血 清 制 备 固 体 培 养 基 时, 可 在 液 体 培 养 基 中 加 入 0.8%~1.0% 的 少 量 琼 脂, 使 L 型 在 生 长 时 可 以 琼 脂 为 支 架 细 菌 L 型 生 长 繁 殖 较 原 菌 缓 慢, 一 般 培 养 2~7d 后 在 软 琼 脂 平 板 上 形 成 中 间 较 厚 四 周 较 薄 的 荷 包 蛋 样 细 小 菌 落, 也 有 的 长 成 颗 粒 状 或 丝 状 菌 落 ( 图 1-8) L 型 在 液 体 培 养 基 中 生 长 后 呈 较 疏 松 的 絮 状 颗 粒, 沉 于 管 底, 培 养 液 则 澄 清 去 除 诱 发 因 素 后, 有 些 L 型 可 回 复 为 原 菌, 有 些 则 不 能 回 复, 其 决 定 因 素 为 L 型 是 否 含 有 残 存 的 肽 聚 糖 作 为 自 身 再 合 成 的 引 物 图 1-7 图 1-8 某 些 L 型 仍 有 一 定 的 致 病 力, 通 常 引 起 慢 性 感 染, 如 尿 路 感 染 骨 髓 炎 心 内 膜 炎 等, 并 常 在 使 用 作 用 于 细 胞 壁 的 抗 菌 药 物 (β- 内 酰 胺 类 抗 生 素 等 ) 治 疗 过 程 中 发 生 临 床 上 遇 有 症 状 明 显 而 标 本 常 规 细 菌 培 养 阴 性 者, 应 考 虑 细 菌 L 型 感 染 的 可 能 性, 宜 作 L 型 的 专 门 分 离 培 养, 并 更 换 抗 菌 药 物 溶 菌 酶 和 青 霉 素 是 细 菌 L 型 最 常 用 的 人 工 诱 导 剂 溶 菌 酶 和 溶 葡 萄 球 菌 素 作 用 相 同, 能 裂 解 肽 聚 糖 中 N- 乙 酰 葡 糖 胺 和 N- 乙 酰 胞 壁 酸 之 间 的 β-1,4 糖 苷 键, 破 坏 聚 糖 骨 17

18 架, 引 起 细 菌 裂 解 青 霉 素 能 与 细 菌 竞 争 合 成 肽 聚 糖 过 程 中 所 需 的 转 肽 酶, 抑 制 四 肽 侧 链 上 D- 丙 氨 酸 与 五 肽 桥 之 间 的 联 结, 使 细 菌 不 能 合 成 完 整 的 肽 聚 糖, 在 一 般 渗 透 压 环 境 中, 可 导 致 细 菌 死 亡 在 高 渗 情 况 下, 这 些 细 胞 壁 缺 陷 的 L 型 仍 可 活 存 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 缺 陷 形 成 的 原 生 质 体, 由 于 菌 体 内 渗 透 压 很 高, 可 达 20 ~ 25 个 大 气 压, 故 在 普 通 培 养 基 中 很 容 易 胀 裂 死 亡, 必 须 保 存 在 高 渗 环 境 中 革 兰 阴 性 菌 细 胞 壁 中 肽 聚 糖 含 量 较 少, 菌 体 内 的 渗 透 压 (5 ~ 6 个 大 气 压 ) 亦 比 革 兰 阳 性 菌 低, 细 胞 壁 缺 陷 形 成 的 原 生 质 球 在 低 渗 环 境 中 仍 有 一 定 的 抵 抗 力 细 胞 膜 细 胞 膜 ( cell membrane ) 或 称 胞 质 膜 ( cytoplasmic membrane), 位 于 细 胞 壁 内 侧, 紧 包 着 细 胞 质 厚 约 7.5nm, 柔 韧 致 密, 富 有 弹 性, 占 细 胞 干 重 的 10%~30% 细 菌 细 胞 膜 的 结 构 与 真 核 细 胞 者 基 本 相 同, 由 磷 脂 和 多 种 蛋 白 质 组 成, 但 不 含 胆 固 醇 细 菌 细 胞 膜 是 细 菌 赖 以 生 存 的 重 要 结 构 之 一, 其 功 能 也 与 真 核 细 胞 者 类 似, 主 要 有 物 质 转 运 生 物 合 成 分 泌 和 呼 吸 等 作 用 细 菌 细 胞 膜 可 形 成 一 种 特 有 的 结 构, 称 为 中 介 体 (mesosome) 是 部 分 细 胞 膜 内 陷 折 叠 卷 曲 形 成 的 囊 状 物, 多 见 于 革 兰 阳 性 细 菌 ( 图 1-9) 中 介 体 常 位 于 菌 体 侧 面 ( 侧 中 介 体 ) 或 靠 近 中 部 ( 横 膈 中 介 体 ), 可 有 一 个 或 多 个 中 介 体 一 端 连 在 细 胞 膜 上, 另 一 端 与 核 质 相 连, 细 胞 分 裂 时 中 介 体 亦 一 分 为 二, 各 携 一 套 核 质 进 入 子 代 细 胞, 有 类 似 真 核 细 胞 纺 锤 丝 的 作 用 中 介 体 的 形 成, 有 效 地 扩 大 了 细 胞 膜 面 积, 相 应 地 增 加 了 酶 的 含 量 和 能 量 的 产 生, 其 功 能 类 似 于 真 核 细 胞 的 线 粒 体, 故 亦 称 为 拟 线 粒 体 (chondroid) 图 1-9 β- 内 酰 胺 抗 生 素 越 过 细 胞 壁 后, 与 细 胞 膜 上 的 一 组 蛋 白 质 共 价 结 合, 称 其 为 青 霉 素 结 合 蛋 白 (penecillin-binding proteins,pbp) 这 类 蛋 白 质 参 与 细 胞 壁 肽 聚 糖 的 合 成, 为 青 霉 素 作 用 的 主 要 生 化 靶 PBP 与 青 霉 素 结 合 后 即 可 使 其 酶 功 能 受 抑 制, 影 响 到 细 胞 壁 中 肽 聚 糖 的 合 成 将 菌 细 胞 膜 提 取 物 与 [ 14 C]- 青 霉 素 一 起 孵 育, 然 后 经 过 SDS- 聚 丙 烯 酰 胺 凝 胶 电 泳 和 放 射 自 显 影 可 以 检 测 PBP, 并 进 行 定 量 对 于 某 一 种 细 菌, PBP 的 排 列 以 其 分 子 量 从 大 到 小 为 顺 序 分 类 学 上 相 关 的 细 菌 具 有 相 似 的 PBP 谱 PBP 分 为 两 大 类, 一 类 为 低 分 子 量 PBP, 主 要 与 DD- 羧 肽 酶 活 性 有 关, 影 响 细 胞 的 分 裂 和 形 态 改 变, 对 细 菌 18

19 生 存 似 乎 不 是 必 需 的 另 一 类 为 高 分 子 量 PBP, 具 有 转 肽 酶 和 转 糖 基 酶 活 性, 对 细 菌 的 存 活 是 必 需 的 大 肠 埃 希 菌 有 7 种 PBP, 金 黄 色 葡 萄 球 菌 有 4 种 PBP PBP 改 变 可 以 导 致 细 菌 对 β- 内 酰 胺 抗 生 素 的 耐 药 性, 在 革 兰 阳 性 菌 比 较 突 出 耐 药 菌 的 某 些 PBP 发 生 改 变, 降 低 了 对 β- 内 酰 胺 抗 生 素 的 亲 和 力 ; 或 获 得 另 外 一 种 低 亲 和 力 的 PBP, 低 亲 和 力 的 PBP 代 替 正 常 PBP 起 作 用, 完 成 细 胞 壁 的 合 成 耐 甲 氧 西 林 金 黄 色 葡 萄 球 菌 (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) 就 属 于 后 一 种 耐 药 机 制, 该 菌 产 生 一 种 新 的 低 亲 和 力 的 PBP2' 代 替 正 常 PBP2 行 使 功 能 细 胞 质 细 胞 膜 包 裹 的 溶 胶 状 物 质 为 细 胞 质 (cytoplasm) 或 称 原 生 质 (protoplasm), 由 水 蛋 白 质 脂 类 核 酸 及 少 量 糖 和 无 机 盐 组 成, 其 中 含 有 许 多 重 要 结 构 1. 核 糖 体 (ribosome) 核 糖 体 是 细 菌 合 成 蛋 白 质 的 场 所, 游 离 存 在 于 细 胞 质 中, 每 个 细 菌 体 内 可 达 数 万 个 细 菌 核 糖 体 沉 降 系 数 为 70S, 由 50S 和 30S 两 个 亚 基 组 成, 以 大 肠 埃 希 菌 为 例, 其 化 学 组 成 66% 是 RNA( 包 括 23S 16S 和 5S rrna),34% 为 蛋 白 质 核 糖 体 常 与 正 在 转 录 的 mrna 相 连 呈 串 珠 状, 称 多 聚 核 糖 体 (polysome), 使 转 录 和 转 译 偶 联 在 一 起 在 生 长 活 跃 的 细 菌 体 内, 几 乎 所 有 的 核 糖 体 都 以 多 聚 核 糖 体 的 形 式 存 在 真 核 生 物 的 核 糖 体 与 细 菌 者 不 同, 有 些 抗 生 素 如 链 霉 素 或 红 霉 素 能 分 别 与 细 菌 核 糖 体 的 30S 亚 基 或 50S 亚 基 结 合, 干 扰 其 蛋 白 质 合 成, 从 而 杀 死 细 菌 ; 但 这 些 药 物 对 人 类 的 核 糖 体 则 无 作 用 2. 质 粒 (plasmid) 质 粒 是 染 色 体 外 的 遗 传 物 质, 存 在 于 细 胞 质 中 为 闭 合 环 状 的 双 链 DNA, 带 有 遗 传 信 息, 控 制 细 菌 某 些 特 定 的 遗 传 性 状 质 粒 能 独 立 自 行 复 制, 随 细 菌 分 裂 转 移 到 子 代 细 胞 中 质 粒 不 是 细 菌 生 长 所 必 不 可 少 的, 失 去 质 粒 的 细 菌 仍 能 正 常 存 活 质 粒 除 决 定 该 菌 自 身 的 某 种 性 状 外, 还 可 通 过 接 合 或 转 导 作 用 等 将 有 关 性 状 传 递 给 另 一 细 菌 质 粒 编 码 的 细 菌 性 状 有 菌 毛 细 菌 素 毒 素 和 耐 药 性 的 产 生 等 3. 胞 质 颗 粒 细 菌 细 胞 质 中 含 有 多 种 颗 粒, 大 多 为 贮 藏 的 营 养 物 质, 包 括 糖 原 淀 粉 等 多 糖 脂 类 磷 酸 盐 等 胞 质 颗 粒 又 称 为 内 含 物 (inclusion), 不 是 细 菌 的 恒 定 结 构, 不 同 菌 有 不 同 的 胞 质 颗 粒, 同 一 菌 在 不 同 环 境 或 生 长 期 亦 可 不 同 当 营 养 充 足 时, 胞 质 颗 粒 较 多 ; 养 料 和 能 源 短 缺 时, 动 用 贮 备, 颗 粒 减 19

20 少 甚 至 消 失 胞 质 颗 粒 中 有 一 种 主 要 成 分 是 RNA 和 多 偏 磷 酸 盐 (polymetaphosphate) 的 颗 粒, 其 嗜 碱 性 强, 用 亚 甲 蓝 染 色 时 着 色 较 深 呈 紫 色, 称 为 异 染 颗 粒 (metachromatic granule) 或 纡 回 体 (volutin) 异 染 颗 粒 常 见 于 白 喉 棒 状 杆 菌, 位 于 菌 体 两 端, 故 又 称 极 体 (polar body), 有 助 于 鉴 定 核 质 细 菌 是 原 核 细 胞, 不 具 成 形 的 核 细 菌 的 遗 传 物 质 称 为 核 质 (nuclear material) 或 拟 核 (nucleoid), 集 中 于 细 胞 质 的 某 一 区 域, 多 在 菌 体 中 央, 无 核 膜 核 仁 和 有 丝 分 裂 器 ; 因 其 功 能 与 真 核 细 胞 的 染 色 体 相 似, 故 习 惯 上 亦 称 之 为 细 菌 的 染 色 体 (chromosome) 细 菌 核 质 为 单 倍 体, 细 胞 分 裂 时 可 有 完 全 相 同 的 多 拷 贝 核 质 由 单 一 密 闭 环 状 DNA 分 子 反 复 回 旋 卷 曲 盘 绕 组 成 松 散 网 状 结 构 电 镜 支 持 膜 上 直 接 温 和 裂 菌 观 察, 显 示 有 类 似 于 真 核 细 胞 染 色 质 的 串 珠 样 结 构 核 质 的 化 学 组 成 除 DNA 外, 还 有 小 量 的 RNA( 以 RNA 多 聚 酶 形 式 ) 和 组 蛋 白 样 的 蛋 白 质 (histone-like proteins) 细 菌 经 RNA 酶 或 酸 将 RNA 水 解, 再 用 Feulgen 法 染 色, 光 学 显 微 镜 下 可 看 到 着 染 的 核 质, 形 态 多 呈 球 形 棒 状 或 哑 铃 状 大 肠 埃 希 菌 的 核 质 分 子 量 约 , 伸 展 后 长 度 可 达 1.1mm, 含 碱 基, 可 以 有 3000~5000 个 基 因 细 菌 的 染 色 体 ( 核 质 ) 为 一 个 共 价 闭 合 环 状 双 链 DNA 分 子, 由 两 股 方 向 相 反 的 DNA 多 聚 链 呈 右 手 双 螺 旋 结 构 细 菌 染 色 体 DNA 的 超 螺 旋 依 赖 于 一 类 拓 扑 异 构 酶 (topoisomerase), 其 中 所 有 细 菌 共 有 的 一 种 酶 为 旋 转 酶 (gyrase) 氟 哌 酸 环 丙 沙 星 等 喹 诺 酮 类 药 物 就 是 通 过 与 旋 转 酶 结 合 而 抑 制 细 菌 繁 殖 的 细 菌 的 染 色 体 与 真 核 细 胞 者 相 比, 有 两 个 显 著 的 不 同 : 一 是 前 者 的 DNA 量 要 小 得 多, 其 序 列 的 组 织 性 也 就 简 单 得 多 二 是 除 了 RNA 基 因 通 常 是 多 拷 贝, 以 便 装 备 大 量 的 核 糖 体 满 足 细 菌 的 迅 速 生 长 繁 殖 外, 细 菌 绝 大 多 数 的 蛋 白 质 基 因 保 持 单 拷 贝 形 式, 很 少 有 重 复 序 列 二 细 菌 的 特 殊 结 构 荚 膜 某 些 细 菌 在 其 细 胞 壁 外 包 绕 一 层 粘 液 性 物 质, 为 疏 水 性 多 糖 或 蛋 白 质 的 多 聚 体, 用 理 化 方 法 去 除 后 并 不 影 响 菌 细 胞 的 生 命 活 动 凡 粘 液 性 物 质 牢 固 地 与 细 胞 壁 结 合, 厚 度 0.2μm, 边 界 明 显 者 称 为 荚 膜 (capsule) 或 大 荚 膜 20

21 (macrocapsule)( 图 1-10) 厚 度 <0.2μm 者 称 为 微 荚 膜 (microcapsule), 伤 寒 沙 门 菌 的 Vi 抗 原, 以 及 大 肠 埃 希 菌 的 K 抗 原 等 属 之 若 粘 液 性 物 质 疏 松 地 附 着 于 菌 细 胞 表 面, 边 界 不 明 显 且 易 被 洗 脱 者 称 为 粘 液 层 (slime layer) 介 于 荚 膜 和 粘 液 层 之 间 的 结 构 称 为 糖 萼 (glycocalyx), 由 多 糖 或 糖 蛋 白 组 成, 是 从 菌 体 伸 出 的 疏 松 纤 维 网 状 结 构 图 荚 膜 的 化 学 组 成 大 多 数 细 菌 的 荚 膜 是 多 糖, 炭 疽 芽 胞 杆 菌 鼠 疫 耶 氏 菌 等 少 数 菌 的 荚 膜 为 多 肽 荚 膜 多 糖 为 高 度 水 合 分 子, 含 水 量 95% 以 上, 与 菌 细 胞 表 面 的 磷 脂 或 脂 质 A 共 价 结 合 多 糖 分 子 组 成 和 构 型 的 多 样 化 使 其 结 构 极 为 复 杂, 成 为 血 清 学 分 型 的 基 础 例 如 肺 炎 链 球 菌 的 荚 膜 多 糖 物 质 的 抗 原 至 少 可 分 成 85 个 血 清 型 荚 膜 与 同 型 抗 血 清 结 合 发 生 反 应 后 即 逐 渐 增 大, 出 现 荚 膜 肿 胀 反 应, 可 藉 此 将 细 菌 定 型 荚 膜 的 形 成 需 要 能 量, 与 环 境 条 件 有 密 切 关 系 一 般 在 动 物 体 内 或 含 有 血 清 或 糖 的 培 养 基 中 容 易 形 成 荚 膜, 在 普 通 培 养 基 上 或 连 续 传 代 则 易 消 失 有 荚 膜 的 细 菌 在 固 体 培 养 基 上 形 成 粘 液 (M) 型 或 光 滑 (S) 型 菌 落, 失 去 荚 膜 后 其 菌 落 变 为 粗 糙 (R) 型 荚 膜 对 一 般 碱 性 染 料 亲 和 力 低, 不 易 着 色, 普 通 染 色 只 能 见 到 菌 体 周 围 有 未 着 色 的 透 明 圈 如 用 墨 汁 作 负 染 色, 则 荚 膜 显 现 更 为 清 楚 用 特 殊 染 色 法 可 将 荚 膜 染 成 与 菌 体 不 同 的 颜 色 分 子 遗 传 学 研 究 证 明 编 码 荚 膜 多 糖 的 基 因 簇 (capsule gene cluster) 位 于 细 菌 染 色 体 上, 报 道 较 多 的 是 大 肠 埃 希 菌 和 肺 炎 链 球 菌 大 肠 埃 希 菌 有 80 多 种 K 抗 原, 依 据 其 生 物 学 和 化 学 特 性 不 同 分 为 三 个 群 (group),i 群 K 抗 原 又 分 为 I a 群 ( 不 含 氨 基 糖 ) 和 I b 群 ( 含 氨 基 糖 ) I a 群 K 抗 原 位 于 染 色 体 his 基 因 近 端 靠 近 rfb 基 因 簇 处 ; 编 码 Ⅱ 群 或 Ⅲ 群 K 抗 原 的 基 因 簇 位 于 染 色 体 sera 位 点 附 近, 其 中 心 部 位 为 血 清 型 特 异 性 编 码 区 域 不 同 菌 属 间 荚 膜 基 因 簇 的 组 成 有 显 著 的 相 似 性, 与 大 肠 埃 希 菌 比 较, 已 克 隆 的 I 群 样 (group I like) 荚 膜 基 因 簇 有 肺 炎 克 雷 伯 菌 解 淀 粉 欧 文 菌,Ⅱ 群 样 (group II like) 荚 膜 基 因 簇 有 流 感 嗜 血 杆 菌 b 型 B 群 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 伤 寒 沙 门 菌 的 Vi 抗 原 21

22 2. 荚 膜 的 功 能 荚 膜 和 微 荚 膜 具 有 相 同 的 功 能 (1) 抗 吞 噬 作 用 : 荚 膜 具 有 抵 抗 宿 主 吞 噬 细 胞 的 作 用, 因 而 荚 膜 是 病 原 菌 的 重 要 毒 力 因 子 例 如 肺 炎 链 球 菌, 有 荚 膜 株 数 个 菌 就 可 使 实 验 小 鼠 致 死, 无 荚 膜 株 则 高 达 上 亿 个 菌 才 能 使 小 鼠 死 亡 吞 噬 现 象 有 两 种 类 型, 一 为 表 面 吞 噬 (surface phagocytosis), 另 一 为 调 理 素 介 导 的 吞 噬 (opsonin-mediated phagocytosis) 表 面 吞 噬 是 吞 噬 细 胞 直 接 摄 取 细 菌 等 颗 粒 性 异 物, 被 吞 菌 并 不 被 IgG 抗 体 和 活 化 的 补 体 组 分 C3b 包 被 这 种 吞 噬 的 强 弱 与 被 吞 颗 粒 表 面 的 理 化 性 质 关 系 极 大 颗 粒 表 面 的 疏 水 性 与 表 面 吞 噬 的 强 度 密 切 相 关, 菌 体 表 面 越 疏 水, 细 菌 抗 吞 噬 作 用 越 差 荚 膜 多 糖 亲 水 且 带 负 电 荷, 故 能 阻 滞 表 面 吞 噬 活 性 由 调 理 素 介 导 的 吞 噬, 其 吞 噬 效 率 大 大 超 过 表 面 吞 噬 荚 膜 在 菌 细 胞 表 面 的 空 间 占 位 和 屏 障 作 用, 阻 止 补 体 组 分 C3b 的 沉 积, 并 遮 蔽 了 细 菌 激 活 补 体 旁 路 途 径 的 表 面 结 构, 从 而 抵 抗 补 体 介 导 的 杀 伤 作 用 此 外, 大 肠 杆 菌 K1 和 B 群 脑 膜 炎 奈 瑟 菌 的 荚 膜 多 糖 含 有 NeuNAc 组 分, 大 肠 埃 希 菌 K5 抗 原 含 有 脱 硫 肝 素 (desulfoheparin) 组 分, 而 宿 主 的 组 织 多 糖 也 有 与 上 述 结 构 相 似 的 组 分, 故 这 类 荚 膜 的 免 疫 原 性 低 弱, 感 染 后 机 体 产 生 抗 体 量 亦 少, 可 能 是 这 些 细 菌 具 有 致 病 性 的 重 要 原 因 (2) 粘 附 作 用 : 荚 膜 多 糖 可 使 细 菌 彼 此 之 间 粘 连, 也 可 粘 附 于 组 织 细 胞 或 无 生 命 物 体 表 面, 形 成 生 物 膜 (biofilm), 是 引 起 感 染 的 重 要 因 素 变 异 链 球 菌 (S. mutans) 依 靠 荚 膜 将 其 固 定 在 牙 齿 表 面, 利 用 口 腔 中 的 蔗 糖 产 生 大 量 的 乳 酸, 积 聚 在 附 着 部 位, 导 致 牙 齿 珐 琅 质 的 破 坏, 形 成 龋 齿 荚 膜 菌 株 在 住 院 病 人 的 各 种 导 管 内 粘 附 定 居, 是 院 内 感 染 发 生 的 重 要 因 素 (3) 抗 有 害 物 质 的 损 伤 作 用 : 荚 膜 处 于 菌 细 胞 的 最 外 层, 有 保 护 菌 体 避 免 和 减 少 受 溶 菌 酶 补 体 抗 菌 抗 体 抗 菌 药 物 等 有 害 物 质 的 损 伤 作 用 鞭 毛 许 多 细 菌, 包 括 所 有 的 弧 菌 和 螺 菌, 约 半 数 的 杆 菌 和 个 别 球 菌, 在 菌 体 上 附 有 细 长 并 呈 波 状 弯 曲 的 丝 状 物, 少 仅 1~2 根, 多 者 达 数 百 这 些 丝 状 物 称 为 鞭 毛 (flagellum), 是 细 菌 的 运 动 器 官 鞭 毛 长 5~20μm, 直 径 12~30nm, 需 用 电 子 显 微 镜 观 察 ( 图 1-11), 或 经 特 殊 染 色 法 使 鞭 毛 增 粗 后 才 能 在 普 通 光 学 显 微 镜 下 看 到 ( 图 1-12) 图 1-11 图

23 根 据 鞭 毛 的 数 量 和 部 位, 可 将 鞭 毛 菌 分 成 4 类 ( 图 1-13) 1 单 毛 菌 (monotrichate): 只 有 一 根 鞭 毛, 位 于 菌 体 一 端, 如 霍 乱 弧 菌 ;2 双 毛 菌 ( amphitrichate ): 菌 体 两 端 各 有 一 根 鞭 毛, 如 空 肠 弯 曲 菌 ; 3 丛 毛 菌 (lophotrichate): 菌 体 一 端 或 两 端 有 一 丛 鞭 毛, 如 铜 绿 假 单 胞 菌 ;4 周 毛 菌 (peritrichate): 菌 体 周 身 遍 布 许 多 鞭 毛, 如 伤 寒 沙 门 菌 图 鞭 毛 的 结 构 鞭 毛 自 细 胞 膜 长 出, 游 离 于 菌 细 胞 外, 由 基 础 小 体 钩 状 体 和 丝 状 体 三 个 部 分 组 成 ( 图 1-14) 图 1-14 (1) 基 础 小 体 (basal body): 位 于 鞭 毛 根 部, 嵌 在 细 胞 壁 和 细 胞 膜 中 革 兰 阴 性 菌 鞭 毛 的 基 础 小 体 由 一 根 圆 柱 两 对 同 心 环 和 输 出 装 置 组 成 其 中, 一 对 是 M(membrane) 环 和 S ( supramembrane ) 环, 附 着 在 细 胞 膜 上 ; 另 一 对 是 P ( peptidoglycan ) 环 和 L (lipopolysaccharide) 环, 附 着 在 细 胞 壁 的 肽 聚 糖 和 外 膜 的 脂 多 糖 上 基 础 小 体 的 基 底 部 是 鞭 毛 的 输 出 装 置 (export apparatus), 位 于 细 胞 膜 内 面 的 细 胞 质 内 基 底 部 圆 柱 体 周 围 的 发 动 器 (motor) 为 鞭 毛 运 动 提 供 能 量, 近 旁 的 开 关 (switch) 决 定 鞭 毛 转 动 的 方 向 革 兰 阳 性 菌 的 细 胞 壁 无 外 膜, 其 鞭 毛 只 有 M S 一 对 同 心 环 (2) 钩 状 体 (hook): 位 于 鞭 毛 伸 出 菌 体 之 处, 呈 约 90 的 钩 状 弯 曲 鞭 毛 由 此 转 弯 向 外 伸 出, 成 为 丝 状 体 (3) 丝 状 体 (filament): 呈 纤 丝 状, 伸 出 于 菌 体 外, 由 鞭 毛 蛋 白 (flagellin) 紧 密 排 列 并 缠 绕 而 成 的 中 空 管 状 结 构 丝 状 体 的 作 用 犹 如 船 舶 或 飞 机 的 螺 旋 桨 推 进 器 鞭 毛 蛋 白 是 一 种 弹 力 纤 维 蛋 白, 其 氨 基 酸 组 成 与 骨 骼 肌 中 的 肌 动 蛋 白 相 似, 可 能 与 鞭 毛 的 运 动 有 关 鞭 毛 是 从 尖 端 生 长, 在 菌 体 内 形 成 的 鞭 毛 蛋 白 分 子 不 断 地 添 加 到 鞭 毛 的 末 端 若 用 机 械 方 法 去 除 鞭 毛, 新 的 鞭 毛 很 快 合 成,3~6 分 钟 内 恢 复 动 力 各 菌 种 的 鞭 毛 蛋 白 结 构 不 同, 具 有 高 度 的 抗 原 性, 称 为 鞭 毛 (H) 抗 原 23

24 2. 鞭 毛 的 功 能 具 有 鞭 毛 的 细 菌 在 液 体 环 境 中 能 自 由 游 动, 速 度 迅 速, 如 单 鞭 毛 的 霍 乱 弧 菌 每 秒 移 动 可 达 55μm, 周 毛 菌 移 动 较 慢, 每 秒 25~30μm 细 菌 的 运 动 有 化 学 趋 向 性, 常 向 营 养 物 质 处 前 进, 而 逃 离 有 害 物 质 有 些 细 菌 的 鞭 毛 与 致 病 性 有 关 例 如 霍 乱 弧 菌 空 肠 弯 曲 菌 等 通 过 活 泼 的 鞭 毛 运 动 穿 透 小 肠 粘 膜 表 面 覆 盖 的 粘 液 层, 使 菌 体 粘 附 于 肠 粘 膜 上 皮 细 胞, 产 生 毒 性 物 质 导 致 病 变 的 发 生 根 据 鞭 毛 菌 的 动 力 和 鞭 毛 的 抗 原 性, 可 用 以 鉴 定 细 菌 和 进 行 细 菌 分 类 细 菌 是 由 鞭 毛 发 动 器 将 跨 膜 质 子 梯 度 中 贮 存 的 化 学 能 转 变 为 鞭 毛 转 动 所 需 的 能 量, 周 浆 间 隙 中 的 质 子 (H + ) 通 过 鞭 毛 发 动 器 流 入 细 胞 质 内 有 少 数 细 菌 能 利 用 钠 离 子 梯 度 供 给 鞭 毛 转 动 的 能 量 在 这 个 过 程 中, 由 跨 膜 质 子 梯 度 或 钠 离 子 梯 度 构 成 质 子 动 力 (proton motive force) 鞭 毛 发 动 器 能 够 顺 时 钟 或 逆 时 钟 方 向 转 动, 从 而 决 定 细 菌 游 动 的 方 向 当 发 动 器 逆 时 钟 方 向 转 动 时, 鞭 毛 的 丝 状 体 结 合 成 一 束 拖 在 菌 体 后, 推 动 细 菌 向 前 进 (run); 若 发 动 器 呈 顺 时 钟 方 向 转 动, 束 状 丝 状 体 松 开, 细 菌 停 顿 或 向 相 反 方 向 游 动 (tumble) 平 时, 细 菌 以 这 两 种 方 式 交 替 游 动, 称 为 随 意 移 动 (random walk) 细 菌 的 运 动 具 有 方 向 性, 受 环 境 因 素 的 影 响 极 大 菌 细 胞 膜 上 有 众 多 的 特 异 信 号 受 体 (signal receptor), 能 接 受 不 同 的 理 化 和 生 物 学 刺 激 而 作 出 相 应 反 应 例 如 大 肠 埃 希 菌 细 胞 膜 上 的 特 异 性 糖 结 合 受 体, 既 能 察 觉 化 学 趋 化 信 号, 也 参 与 该 物 质 的 运 输 如 果 遇 到 吸 引 性 刺 激 时, 细 菌 就 会 暂 时 性 抑 制 发 动 器 的 顺 时 钟 方 向 转 动, 使 菌 体 向 吸 引 物 移 动 ; 反 之, 遇 到 有 害 物 质 时, 也 会 增 强 发 动 器 的 顺 时 钟 方 向 转 动, 于 是 细 菌 背 离 有 害 物 运 动 以 保 存 自 己 菌 毛 许 多 革 兰 阴 性 菌 和 少 数 革 兰 阳 性 菌 菌 体 表 面 存 在 着 一 种 比 鞭 毛 更 细 更 短 而 直 硬 的 丝 状 物, 与 细 菌 的 运 动 无 关, 称 为 菌 毛 (pilus 或 fimbriae) 菌 毛 由 结 构 蛋 白 亚 单 位 菌 毛 蛋 白 (pilin) 组 成, 呈 螺 旋 状 排 列 成 圆 柱 体, 新 形 成 的 菌 毛 蛋 白 分 子 插 入 菌 毛 的 基 底 部 菌 毛 蛋 白 具 有 抗 原 性, 其 编 码 基 因 位 于 细 菌 的 染 色 体 或 质 粒 上 菌 毛 在 普 通 光 学 显 微 镜 下 看 不 到, 必 须 用 电 子 显 微 镜 观 察 ( 图 1-15) 图 1-15 根 据 功 能 不 同, 菌 毛 可 分 为 普 通 菌 毛 和 性 菌 毛 两 类 24

25 1. 普 通 菌 毛 (ordinary pilus) 长 0.2~2μm, 直 径 3~8nm 遍 布 菌 细 胞 表 面, 每 菌 可 达 数 百 根 这 类 菌 毛 是 细 菌 的 粘 附 结 构, 能 与 宿 主 细 胞 表 面 的 特 异 性 受 体 结 合, 是 细 菌 感 染 的 第 一 步 因 此, 菌 毛 和 细 菌 的 致 病 性 密 切 相 关 菌 毛 的 受 体 常 为 糖 蛋 白 或 糖 脂, 与 菌 毛 结 合 的 特 异 性 决 定 了 宿 主 感 染 的 易 感 部 位 同 样, 如 果 红 细 胞 表 面 具 有 菌 毛 受 体 的 相 似 成 分, 不 同 的 菌 毛 就 会 引 起 不 同 类 型 的 红 细 胞 凝 集, 称 此 为 血 凝 (hemagglutination, HA), 藉 此 可 以 鉴 定 菌 毛 例 如 大 肠 埃 希 菌 的 I 型 菌 毛 (type I 或 common pili), 粘 附 于 肠 道 和 下 尿 道 粘 膜 上 皮 细 胞 表 面 ; 能 凝 集 豚 鼠 红 细 胞, 可 被 D- 甘 露 糖 所 抑 制, 称 为 甘 露 糖 敏 感 性 血 凝 (MSHA) 致 肾 盂 肾 炎 大 肠 埃 希 菌 (pyelonephritic E.coli 或 uropathogenic E.coli, UPEC) 的 P 菌 毛 (pyelonephritis-associated pili, P pili) 常 粘 附 于 肾 脏 的 集 合 管 和 肾 盏 ; 能 凝 集 P 血 型 阳 性 红 细 胞, 且 不 被 甘 露 糖 所 抑 制, 称 为 甘 露 糖 抗 性 血 凝 ( MRHA ), 是 上 行 性 尿 路 感 染 的 重 要 致 病 菌 肠 产 毒 型 大 肠 埃 希 菌 (enterotoxigenic E.coli, ETEC) 的 定 植 因 子 是 一 种 特 殊 类 型 的 菌 毛 (CFA/I, CFA/ Ⅱ), 粘 附 于 小 肠 粘 膜 细 胞, 编 码 定 植 因 子 和 肠 毒 素 的 基 因 均 位 于 可 接 合 传 递 质 粒 上, 是 该 菌 重 要 的 毒 力 因 子 霍 乱 弧 菌 肠 致 病 型 大 肠 埃 希 菌 (EPEC) 和 淋 病 奈 瑟 菌 的 菌 毛 都 属 于 Ⅳ 型 菌 毛, 在 所 致 的 肠 道 或 泌 尿 生 殖 道 感 染 中 起 到 关 键 作 用 有 菌 毛 菌 株 的 粘 附 可 抵 抗 肠 蠕 动 或 尿 液 的 冲 洗 作 用 而 有 利 于 定 居, 一 旦 丧 失 菌 毛, 其 致 病 力 亦 随 之 消 失 在 革 兰 阳 性 球 菌 中,A 群 链 球 菌 的 菌 毛 与 M 蛋 白 和 LTA 结 合 在 一 起, 介 导 该 菌 与 宿 主 粘 膜 上 皮 细 胞 的 粘 附 2. 性 菌 毛 (sex pilus) 仅 见 于 少 数 革 兰 阴 性 菌 数 量 少, 一 个 菌 只 有 1~4 根 比 普 通 菌 毛 长 而 粗, 中 空 呈 管 状 性 菌 毛 由 一 种 称 为 致 育 因 子 (fertility factor, F factor) 的 质 粒 编 码, 故 性 菌 毛 又 称 F 菌 毛 带 有 性 菌 毛 的 细 菌 称 为 F + 菌 或 雄 性 菌, 无 性 菌 毛 者 称 为 F - 菌 或 雌 性 菌 当 F + 菌 与 F - 菌 相 遇 时,F + 菌 的 性 菌 毛 与 F - 菌 相 应 的 性 菌 毛 受 体 ( 如 外 膜 蛋 白 A, OmpA) 结 合,F + 菌 体 内 的 质 粒 或 染 色 体 DNA 可 通 过 中 空 的 性 菌 毛 进 入 F - 菌 体 内, 这 个 过 程 称 为 接 合 (conjugation) 细 菌 的 毒 力 耐 药 性 等 性 状 可 通 过 此 方 式 传 递 此 外, 性 菌 毛 也 是 某 些 噬 菌 体 吸 附 于 菌 细 胞 的 受 体 芽 胞 某 些 细 菌 在 一 定 的 环 境 条 件 下, 能 在 菌 体 内 部 形 成 一 个 圆 形 或 卵 圆 25

26 形 小 体, 是 细 菌 的 休 眠 形 式, 称 为 内 芽 胞 (endospore), 简 称 芽 胞 (spore), 以 别 于 真 菌 在 菌 体 外 部 形 成 的 孢 子 产 生 芽 胞 的 细 菌 都 是 革 兰 阳 性 菌, 重 要 的 有 芽 胞 杆 菌 属 ( 炭 疽 芽 胞 杆 菌 等 ) 和 梭 菌 属 ( 破 伤 风 梭 菌 等 ) 1. 芽 胞 的 形 成 与 发 芽 细 菌 形 成 芽 胞 的 能 力 是 由 菌 体 内 的 芽 胞 基 因 决 定 的 芽 胞 一 般 只 是 在 动 物 体 外 才 能 形 成, 其 形 成 条 件 因 菌 种 而 异 如 炭 疽 杆 菌 在 有 氧 下 形 成, 而 破 伤 风 梭 菌 则 相 反 营 养 缺 乏 尤 其 是 C N P 元 素 不 足 时, 细 菌 生 长 繁 殖 减 速 启 动 芽 胞 形 成 基 因 但 亦 有 例 外, 苏 云 金 杆 菌 形 成 芽 胞 则 要 求 适 宜 的 生 长 条 件 芽 胞 带 有 完 整 的 核 质 酶 系 统 和 合 成 菌 体 组 分 的 结 构, 能 保 存 细 菌 的 全 部 生 命 必 需 物 质 芽 胞 形 成 后, 菌 体 即 成 为 空 壳, 有 些 芽 胞 可 从 菌 体 脱 落 游 离 芽 胞 折 光 性 强, 壁 厚, 不 易 着 色 染 色 时 需 经 媒 染 加 热 等 处 理 芽 胞 的 大 小 形 状 位 置 等 随 菌 种 而 异, 有 重 要 的 鉴 别 价 值 ( 图 l-16) 例 如 炭 疽 芽 胞 杆 菌 的 芽 胞 为 卵 圆 形 比 菌 体 小, 位 于 菌 体 中 央 ; 破 伤 风 梭 菌 芽 胞 正 圆 形, 比 菌 体 大, 位 于 顶 端, 状 如 鼓 锤 ( 图 l-17); 肉 毒 梭 菌 芽 胞 亦 比 菌 体 大, 位 于 次 极 端 图 l-16 图 l-17 芽 胞 形 成 在 形 态 学 上 可 分 Ⅰ~Ⅶ 7 个 期, 全 程 6~8d 始 于 对 数 生 长 期 末, 菌 细 胞 膜 进 行 性 地 内 陷 性 生 长, 逐 渐 形 成 双 层 膜 结 构, 包 被 核 质 成 为 芽 胞 的 核 心 细 胞 膜 又 能 合 成 特 殊 物 质, 在 内 膜 和 外 膜 间 形 成 细 胞 壁 和 皮 质 在 外 膜 外 围 再 形 成 芽 胞 壳 和 芽 胞 外 衣 成 熟 的 芽 胞 具 有 多 层 膜 结 构 ( 图 l-18) 芽 胞 核 心 (core) 是 芽 胞 的 原 生 质 体, 含 有 细 菌 原 有 的 核 质 和 核 糖 体 酶 类 等 主 要 生 命 基 质 核 心 的 外 层 依 次 为 内 膜 芽 胞 壁 皮 质 外 膜 芽 胞 壳 和 芽 胞 外 衣, 将 其 层 层 包 裹, 成 为 坚 实 的 球 体 内 膜 和 外 膜 由 原 来 的 细 胞 膜 形 成 芽 胞 壁 (spore wall) 含 肽 聚 糖, 发 芽 后 成 为 细 菌 的 细 胞 壁 皮 质 (cortex) 是 芽 胞 包 膜 中 最 厚 的 一 层, 由 一 种 特 殊 的 肽 聚 糖 组 成 芽 胞 壳 (coat) 是 一 种 类 似 角 蛋 白 的 疏 水 性 蛋 白 质, 致 密 无 通 透 性, 能 抗 化 学 药 物 进 入, 并 增 强 对 紫 外 线 照 射 的 抵 抗 力 有 些 细 菌 芽 胞 还 有 一 层 疏 松 的 芽 胞 外 衣 (exosporium), 含 有 脂 蛋 白 和 糖 类 图 l-18 26

27 芽 胞 形 成 后, 若 由 于 机 械 力 热 ph 改 变 等 刺 激 作 用 下, 破 坏 其 芽 胞 壳, 并 供 给 水 分 和 营 养, 芽 胞 可 发 芽, 形 成 新 的 菌 体 一 个 细 菌 只 形 成 一 个 芽 胞, 一 个 芽 胞 发 芽 也 只 生 成 一 个 菌 体, 细 菌 数 量 并 未 增 加, 因 而 芽 胞 不 是 细 菌 的 繁 殖 方 式 与 芽 胞 相 比, 未 形 成 芽 胞 而 具 有 繁 殖 能 力 的 菌 体 可 称 为 繁 殖 体 (vegetative form) 细 菌 的 芽 胞 发 芽 (germination) 成 繁 殖 体 的 过 程, 可 分 为 活 化 (activation) 启 动 (initiation) 和 长 出 (outgrowth) 三 个 连 续 阶 段 整 个 过 程 大 约 需 要 90min 热 刺 激 ( 如 60 1d 或 85 5min) 和 ph 值 降 低 均 可 活 化 芽 胞 发 芽,L- 丙 氨 酸 葡 萄 糖 肌 苷 和 腺 苷 均 为 启 动 剂 芽 胞 壳 经 活 化 后, 其 富 含 二 硫 键 的 蛋 白 构 型 变 化, 引 起 渗 透 性 改 变, 致 使 阳 离 子 渗 入, 细 胞 膜 脂 质 活 性 增 强, 并 启 动 电 子 传 递 链 同 时, 随 着 水 分 渗 入, 芽 胞 特 有 成 分 吡 啶 二 羧 酸 钙 皮 质 肽 聚 糖 和 芽 胞 壳 物 质 等 大 量 降 解, 使 芽 胞 通 透 性 加 强, 耐 热 抗 辐 射 等 特 性 消 失 由 于 代 谢 活 性 和 呼 吸 增 强, 生 物 合 成 加 速, 顺 序 为 RNA 蛋 白 质 脂 质, 最 后 是 DNA 继 而 芽 胞 核 心 体 积 增 大 皮 质 膨 松 芽 胞 壳 破 裂, 芽 管 长 出 并 逐 渐 长 大 发 育 成 新 的 繁 殖 体 细 胞 2. 芽 胞 的 功 能 细 菌 的 芽 胞 对 热 力 干 燥 辐 射 化 学 消 毒 剂 等 理 化 因 素 均 有 强 大 的 抵 抗 力 一 般 细 菌 繁 殖 体 在 80 水 中 迅 速 死 亡, 而 有 的 细 菌 芽 胞 可 耐 100 沸 水 数 小 时 被 炭 疽 芽 胞 杆 菌 芽 胞 污 染 的 草 原, 传 染 性 可 保 持 20 ~ 30 年 细 菌 芽 胞 并 不 直 接 引 起 疾 病, 仅 当 发 芽 成 为 繁 殖 体 后, 就 能 迅 速 大 量 繁 殖 而 致 病 例 如 土 壤 中 常 有 破 伤 风 梭 菌 的 芽 胞, 一 旦 外 伤 深 部 创 口 被 泥 土 污 染, 进 入 伤 口 的 芽 胞 在 适 宜 条 件 下 即 可 发 芽 成 繁 殖 体 再 致 病 被 芽 胞 污 染 的 用 具 敷 料 手 术 器 械 等, 用 一 般 方 法 不 易 将 其 杀 死, 杀 灭 芽 胞 最 可 靠 的 方 法 是 高 压 蒸 气 灭 菌 当 进 行 消 毒 灭 菌 时, 应 以 芽 胞 是 否 被 杀 死 作 为 判 断 灭 菌 效 果 的 指 标 细 菌 芽 胞 抵 抗 力 强 的 原 因, 可 能 与 下 列 因 素 有 关 :1 芽 胞 含 水 量 少, 约 占 繁 殖 体 的 40 %, 蛋 白 质 受 热 后 不 易 变 性 ;2 芽 胞 具 有 多 层 致 密 的 厚 膜, 理 化 因 素 不 易 透 入 ;2 芽 胞 的 核 心 和 皮 质 中 含 有 一 种 特 有 的 化 学 组 分 吡 啶 二 羧 酸 (dipicolinic acid,dpa),dpa 与 钙 结 合 生 成 的 盐 能 提 高 芽 胞 中 各 种 酶 的 热 稳 定 性 芽 胞 形 成 过 程 中 很 快 合 成 DPA, 同 时 也 获 得 耐 热 性 ; 芽 胞 发 芽 时, DPA 从 芽 胞 内 渗 出, 其 耐 热 性 亦 随 之 丧 失 27

28 第 三 节 细 菌 形 态 与 结 构 检 查 法 一 显 微 镜 放 大 法 细 菌 形 体 微 小, 肉 眼 不 能 直 接 看 到, 必 须 藉 助 显 微 镜 放 大 后 才 能 看 到 普 通 光 学 显 微 镜 普 通 光 学 显 微 镜 (light microscope) 以 可 见 光 ( 日 光 或 灯 光 ) 为 光 源, 波 长 0.4~0.7μm, 平 均 约 0.5μm 其 分 辨 率 为 光 波 波 长 的 一 半, 即 0.25μm 0.25μm 的 微 粒 经 油 镜 放 大 1000 倍 后 成 0.25mm, 人 的 眼 睛 便 能 看 清 一 般 细 菌 都 大 于 0.25μm, 故 可 用 普 通 光 学 显 微 镜 予 以 观 察 电 子 显 微 镜 电 子 显 微 镜 (electron microscope) 是 利 用 电 子 流 代 替 可 见 光 波, 以 电 磁 圈 代 替 放 大 透 镜 电 子 波 长 极 短, 约 为 0.005nm, 其 放 大 倍 数 可 达 数 十 万 倍, 能 分 辨 1nm 的 微 粒 不 仅 能 看 清 细 菌 的 外 形, 内 部 超 微 结 构 也 可 一 览 无 遗 电 子 显 微 镜 显 示 的 形 象, 可 投 射 到 荧 光 屏 上, 也 可 照 像 拍 摄 当 前 使 用 的 电 子 显 微 镜 有 两 类, 即 透 射 电 子 显 微 镜 (transmission electron microscope, TEM) 和 扫 描 电 子 显 微 镜 (scanning electron microscope, SEM) SEM 的 分 辨 率 一 般 较 TEM 低, 但 可 清 楚 地 显 露 观 察 物 体 的 三 维 立 体 图 像 配 合 电 子 显 微 镜 观 察 使 用 的 标 本 制 备 方 法 有 用 磷 钨 酸 或 钼 酸 铵 作 负 染 色 投 影 法 (shadowing) 超 薄 切 片 (ultrathin section) 冰 冻 蚀 刻 法 (freeze etching) 等 电 子 显 微 镜 标 本 须 在 真 空 干 燥 的 状 态 下 检 查, 故 不 能 观 察 活 的 微 生 物 此 外, 尚 有 暗 视 野 显 微 镜 (darkfield microscope) 相 差 显 微 镜 (phase contrast microscope) 荧 光 显 微 镜 (fluorescence microscope) 和 同 焦 点 显 微 镜 (cofocal microscope) 等, 适 用 于 观 察 不 同 情 况 下 的 细 菌 形 态 和 ( 或 ) 结 构 二 染 色 法 细 菌 体 小 半 透 明, 经 染 色 后 才 能 观 察 较 清 楚 染 色 法 是 染 色 剂 与 细 菌 细 胞 质 的 结 合 最 常 用 的 染 色 剂 是 盐 类 其 中, 碱 性 染 色 剂 (basic stain) 由 有 色 的 阳 离 子 和 无 色 的 阴 离 子 组 成, 酸 性 染 色 剂 (acidic stain) 则 相 反 菌 细 胞 富 含 核 酸, 可 以 与 带 正 电 荷 的 碱 性 染 色 剂 结 合 ; 酸 性 染 色 剂 不 能 使 细 菌 着 色, 而 使 背 景 着 色 形 成 反 差, 故 称 为 负 染 (negative staining) 染 色 法 有 多 种, 最 常 用 最 重 要 的 分 类 鉴 别 染 色 法 是 革 兰 染 色 法 (Gram stain) 该 法 是 丹 麦 细 菌 学 家 革 兰 (Hans Christian Gram) 于 1884 年 创 建, 至 今 28

29 仍 在 广 泛 应 用 标 本 固 定 后, 先 用 碱 性 染 料 结 晶 紫 初 染, 再 加 碘 液 媒 染, 使 之 生 成 结 晶 紫 碘 复 合 物 ; 此 时 不 同 细 菌 均 被 染 成 深 紫 色 然 后 用 95% 乙 醇 处 理, 有 些 细 菌 被 脱 色, 有 些 不 能 最 后 用 稀 释 复 红 或 沙 黄 复 染 此 法 可 将 细 菌 分 为 两 大 类 : 不 被 乙 醇 脱 色 仍 保 留 紫 色 者 为 革 兰 阳 性 菌, 被 乙 醇 脱 色 后 复 染 成 红 色 者 为 革 兰 阴 性 菌 革 兰 染 色 法 在 鉴 别 细 菌 选 择 抗 菌 药 物 研 究 细 菌 致 病 性 等 方 面 都 具 有 极 其 重 要 的 意 义 革 兰 染 色 法 的 原 理 尚 未 完 全 阐 明 但 与 菌 细 胞 壁 结 构 密 切 相 关, 如 果 在 结 晶 紫 碘 染 之 后, 乙 醇 脱 色 之 前 去 除 革 兰 阳 性 菌 的 细 胞 壁, 革 兰 阳 性 菌 细 胞 就 能 够 被 脱 色 目 前, 对 革 兰 阳 性 和 革 兰 阴 性 菌 细 胞 壁 的 化 学 组 分 已 十 分 清 楚, 但 对 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 阻 止 染 料 被 溶 出 的 原 因 尚 不 清 楚 细 菌 染 色 法 中 尚 有 单 染 色 法 抗 酸 染 色 法 以 及 荚 膜 芽 胞 鞭 毛 细 胞 壁 核 质 等 特 殊 染 色 法 ( 陈 锦 英 ) 29

30 第 2 章 细 菌 的 生 理 细 菌 的 生 理 活 动 包 括 摄 取 和 合 成 营 养 物 质, 进 行 新 陈 代 谢 及 生 长 繁 殖 整 个 生 理 活 动 的 中 心 是 新 陈 代 谢, 细 菌 的 代 谢 活 动 十 分 活 跃 而 且 多 样 化, 乃 至 繁 殖 迅 速 是 其 显 著 的 特 点 研 究 细 菌 的 生 理 活 动 不 仅 是 基 础 生 物 学 科 的 范 畴, 而 且 与 医 学 环 境 卫 生 工 农 业 生 产 等 都 密 切 相 关 诸 如 对 于 人 体 的 正 常 菌 群, 特 别 是 益 生 菌 (probiotic), 如 何 促 进 其 生 长 繁 殖 和 产 生 有 益 的 代 谢 产 物 对 于 致 病 菌, 了 解 其 代 谢 与 致 病 的 关 系, 设 计 和 寻 找 有 关 诊 断 和 防 治 的 方 法 利 用 细 菌 的 代 谢 来 净 化 环 境, 开 发 极 端 环 境 的 微 生 物 资 源 等 都 具 有 重 要 的 理 论 和 实 际 意 义 第 一 节 细 菌 的 理 化 性 状 一 细 菌 的 化 学 组 成 细 菌 和 其 他 生 物 细 胞 相 似, 含 有 多 种 化 学 成 分, 包 括 水 无 机 盐 蛋 白 质 糖 类 脂 质 和 核 酸 等 水 分 是 菌 细 胞 重 要 的 组 成 部 分, 占 细 胞 总 重 量 的 75%~90% 菌 细 胞 去 除 水 分 后, 主 要 为 有 机 物, 包 括 碳 氢 氮 氧 磷 和 硫 等 还 有 少 数 的 无 机 离 子, 如 钾 钠 铁 镁 钙 氯 等 ; 用 以 构 成 菌 细 胞 的 各 种 成 分 及 维 持 酶 的 活 性 和 跨 膜 化 学 梯 度 细 菌 尚 含 有 一 些 原 核 细 胞 型 微 生 物 所 特 有 的 化 学 组 成, 如 肽 聚 糖 胞 壁 酸 磷 壁 酸 D 型 氨 基 酸 二 氨 基 庚 二 酸 吡 啶 二 羧 酸 等 这 些 物 质 在 真 核 细 胞 中 还 未 发 现 二 细 菌 的 物 理 性 状 光 学 性 质 细 菌 为 半 透 明 体 当 光 线 照 射 至 细 菌, 部 分 被 吸 收, 部 分 被 折 射, 故 细 菌 悬 液 呈 混 浊 状 态 菌 数 越 多 浊 度 越 大, 使 用 比 浊 法 或 分 光 光 度 计 可 以 粗 略 地 估 计 细 菌 的 数 量 由 于 细 菌 具 有 这 种 光 学 性 质, 可 用 相 差 显 微 镜 观 察 其 形 态 和 结 构 表 面 积 细 菌 体 积 微 小, 相 对 表 面 积 大, 有 利 于 同 外 界 进 行 物 质 交 换 如 葡 萄 球 菌 直 径 约 1μm, 则 1cm 3 体 积 的 表 面 积 可 达 60000cm 2 ; 直 径 为 1cm 的 生 物 体, 每 cm 3 体 积 的 表 面 积 仅 6cm 2, 两 者 相 差 1 万 倍 因 此 细 菌 的 代 谢 旺 盛, 繁 殖 迅 速 带 电 现 象 细 菌 固 体 成 分 的 50%~80% 是 蛋 白 质, 蛋 白 质 由 兼 性 离 子 氨 基 酸 组 成 革 兰 阳 性 菌 pi 为 2~3, 革 兰 阴 性 菌 pi 为 4~5, 故 在 近 中 性 或 弱 碱 性 环 境 30

31 中, 细 菌 均 带 负 电 荷, 尤 以 前 者 所 带 电 荷 更 多 细 菌 的 带 电 现 象 与 细 菌 的 染 色 反 应 凝 集 反 应 抑 菌 和 杀 菌 作 用 等 都 有 密 切 关 系 半 透 性 细 菌 的 细 胞 壁 和 细 胞 膜 都 有 半 透 性, 允 许 水 及 部 分 小 分 子 物 质 通 过, 有 利 于 吸 收 营 养 和 排 出 代 谢 产 物 渗 透 压 细 菌 体 内 含 有 高 浓 度 的 营 养 物 质 和 无 机 盐, 一 般 革 兰 阳 性 菌 的 渗 透 压 高 达 20~25 个 大 气 压, 革 兰 阴 性 菌 为 5~6 个 大 气 压 细 菌 所 处 一 般 环 境 相 对 低 渗, 但 有 坚 韧 细 胞 壁 的 保 护 不 致 崩 裂 若 处 于 比 菌 内 渗 透 压 更 高 的 环 境 中, 菌 体 内 水 分 逸 出, 胞 质 浓 缩, 细 菌 就 不 能 生 长 繁 殖 第 二 节 细 菌 的 营 养 与 生 长 繁 殖 一 细 菌 的 营 养 类 型 各 类 细 菌 的 酶 系 统 不 同, 代 谢 活 性 各 异, 因 而 对 营 养 物 质 的 需 要 也 不 同 根 据 细 菌 所 利 用 的 能 源 和 碳 源 的 不 同, 将 细 菌 分 为 两 大 营 养 类 型 2 自 养 菌 (autotroph) 该 类 菌 以 简 单 的 无 机 物 为 原 料, 如 利 用 CO 2 CO 3 作 为 碳 源, 利 用 N 2 NH 3 NO 2 NO 3 等 作 为 氮 源, 合 成 菌 体 成 分 这 类 细 菌 所 需 能 量 来 自 无 机 物 的 氧 化 称 为 化 能 自 养 菌 (chemotroph), 或 通 过 光 合 作 用 获 得 能 量 称 为 光 能 自 养 菌 (phototroph) 异 养 菌 (heterotroph) 该 类 菌 必 须 以 多 种 有 机 物 为 原 料, 如 蛋 白 质 糖 类 等, 才 能 合 成 菌 体 成 分 并 获 得 能 量 异 养 菌 包 括 腐 生 菌 (saprophyte) 和 寄 生 菌 (parasite) 腐 生 菌 以 动 植 物 尸 体 腐 败 食 物 等 作 为 营 养 物 ; 寄 生 菌 寄 生 于 活 体 内, 从 宿 主 的 有 机 物 获 得 营 养 所 有 的 病 原 菌 都 是 异 养 菌, 大 部 分 属 寄 生 菌 二 细 菌 的 营 养 物 质 对 细 菌 进 行 人 工 培 养 时, 必 须 供 给 其 生 长 所 必 须 的 各 种 成 分, 一 般 包 括 水 碳 源 氮 源 无 机 盐 和 生 长 因 子 等 水 细 菌 所 需 营 养 物 质 必 须 先 溶 于 水, 营 养 的 吸 收 与 代 谢 均 需 有 水 才 能 进 行 碳 源 各 种 碳 的 无 机 或 有 机 物 都 能 被 细 菌 吸 收 和 利 用, 合 成 菌 体 组 分 和 作 为 获 得 能 量 的 主 要 来 源 病 原 菌 主 要 从 糖 类 获 得 碳 氮 源 细 菌 对 氮 源 的 需 要 量 仅 次 于 碳 源, 其 主 要 功 能 是 作 为 菌 体 成 分 的 原 31

32 料 很 多 细 菌 可 以 利 用 有 机 氮 化 物, 病 原 性 微 生 物 主 要 从 氨 基 酸 蛋 白 胨 等 有 机 氮 化 物 中 获 得 氮 少 数 病 原 菌 如 克 雷 伯 菌 亦 可 利 用 硝 酸 盐 甚 至 氮 气, 但 利 用 率 较 低 无 机 盐 细 菌 需 要 各 种 无 机 盐 以 提 供 细 菌 生 长 的 各 种 元 素, 其 需 要 浓 度 在 10-3 ~10-4 mol/l 的 元 素 为 常 用 元 素, 其 需 要 浓 度 在 10-6 ~10-8 mol/l 元 素 为 微 量 元 素 前 者 如 磷 硫 钾 钠 镁 钙 铁 等 ; 后 者 如 钴 锌 锰 铜 钼 等 各 类 无 机 盐 的 功 用 如 下 :1 构 成 有 机 化 合 物, 成 为 菌 体 的 成 分 ;2 作 为 酶 的 组 成 部 分, 维 持 酶 的 活 性 ;3 参 与 能 量 的 储 存 和 转 运 ;4 调 节 菌 体 内 外 的 渗 透 压 ; 5 某 些 元 素 与 细 菌 的 生 长 繁 殖 和 致 病 作 用 密 切 相 关 例 如 白 喉 棒 状 杆 菌 在 含 铁 0.14mg/L 的 培 养 基 中 毒 素 量 最 高, 铁 的 浓 度 达 到 0.6mg/L 时 则 完 全 不 产 毒 在 人 体 内, 大 部 分 铁 均 结 合 在 铁 蛋 白 乳 铁 蛋 白 或 转 铁 蛋 白 中, 细 菌 必 须 与 人 体 细 胞 竞 争 得 到 铁 才 能 生 长 繁 殖 具 有 载 铁 体 (siderophore) 的 细 菌 就 有 此 竞 争 力, 它 可 与 铁 螯 合 和 溶 解 铁, 并 带 入 菌 体 内 以 供 代 谢 之 需 如 结 核 分 枝 杆 菌 的 有 毒 株 和 无 毒 株 的 一 个 重 要 区 别 就 是 前 者 有 一 种 称 为 分 枝 菌 素 (mycobactin) 的 载 铁 体, 而 后 者 则 无 一 些 微 量 元 素 并 非 所 有 细 菌 都 需 要, 不 同 菌 只 需 其 中 的 一 种 或 数 种 生 长 因 子 许 多 细 菌 的 生 长 还 需 一 些 自 身 不 能 合 成 的 生 长 因 子 (growth factor), 通 常 为 有 机 化 合 物, 包 括 维 生 素 某 些 氨 基 酸 嘌 呤 嘧 啶 等 少 数 细 菌 还 需 特 殊 的 生 长 因 子, 如 流 感 嗜 血 杆 菌 需 要 Х Ⅴ 两 种 因 子,Ⅹ 因 子 是 高 铁 血 红 素,Ⅴ 因 子 是 辅 酶 Ⅰ 或 辅 酶 Ⅱ, 两 者 为 细 菌 呼 吸 所 必 需 三 细 菌 摄 取 营 养 物 质 的 机 制 水 和 水 溶 性 物 质 可 以 通 过 具 有 半 透 膜 性 质 的 细 胞 壁 和 细 胞 膜 进 入 细 胞 内, 蛋 白 质 多 糖 等 大 分 子 营 养 物 需 经 细 菌 分 泌 的 胞 外 酶 的 作 用 分 解 成 小 分 子 物 质 才 能 被 吸 收 营 养 物 质 进 入 菌 体 内 的 方 式 有 被 动 扩 散 和 主 动 转 运 系 统 被 动 扩 散 被 动 扩 散 指 营 养 物 质 从 浓 度 高 向 浓 度 低 的 一 侧 扩 散, 其 驱 动 力 是 浓 度 梯 度, 不 需 要 提 供 能 量 将 不 需 要 任 何 细 菌 组 分 的 帮 助, 营 养 物 就 可 以 进 入 细 胞 质 内 的 过 程 称 为 简 单 扩 散 如 果 需 要 菌 细 胞 的 特 异 性 蛋 白 来 帮 助 或 促 进 营 养 物 的 跨 膜 转 运 称 为 易 化 扩 散 如 甘 油 的 转 运 就 属 于 后 者, 进 入 细 胞 内 的 甘 油 要 被 甘 油 激 酶 催 化 形 成 磷 酸 甘 油 才 能 在 菌 体 内 积 累 32

33 主 动 转 运 系 统 主 动 转 运 系 统 是 细 菌 吸 收 营 养 物 质 的 主 要 方 式, 其 特 点 是 营 养 物 质 从 浓 度 低 向 浓 度 高 的 一 侧 转 运, 并 需 要 提 供 能 量 细 菌 有 如 下 三 种 主 动 转 运 系 统 : 1. 依 赖 于 周 浆 间 隙 结 合 蛋 白 的 转 运 系 统 (periplasmic-binding protein-dependent transport system): 营 养 物 与 周 浆 间 隙 内 的 受 体 蛋 白 结 合 后, 引 起 后 者 构 型 的 改 变, 继 而 将 营 养 物 转 送 给 细 胞 膜 上 的 ATP 结 合 型 载 体 (ATP-binding cassette-type carrier), 导 致 ATP 水 解 提 供 能 量 和 营 养 物 通 过 细 胞 膜 进 入 胞 质 内 革 兰 阳 性 菌 以 膜 结 合 脂 蛋 白 作 为 该 系 统 的 受 体 蛋 白 2. 化 学 渗 透 驱 使 转 运 系 统 (chemiosmotic-driven transport system): 该 系 统 利 用 膜 内 外 两 侧 质 子 或 离 子 浓 度 差 产 生 的 质 子 动 力 (proton motive force) 或 钠 动 力 (sodium motive force) 作 为 驱 使 营 养 物 越 膜 转 移 的 能 量 转 运 营 养 物 的 载 体 是 电 化 学 离 子 梯 度 透 性 酶, 这 种 酶 是 一 种 能 够 进 行 可 逆 性 氧 化 还 原 反 应 的 疏 水 性 膜 蛋 白, 即 在 氧 化 状 态 与 营 养 物 结 合, 而 在 还 原 状 态 时 其 构 象 发 生 变 化, 使 营 养 物 释 放 进 入 胞 质 内 3. 基 团 转 移 (group translation): 营 养 物 在 转 运 的 过 程 中 被 磷 酸 化, 并 将 营 养 物 的 转 运 与 代 谢 相 结 合, 更 为 有 效 地 利 用 能 量 如 大 肠 埃 希 菌 摄 入 葡 萄 糖 需 要 的 磷 酸 转 移 酶 系 统, 细 胞 膜 上 的 载 体 蛋 白 首 先 在 胞 质 内 从 磷 酸 烯 醇 丙 酮 酸 获 得 磷 酸 基 团 后, 在 细 胞 膜 的 外 表 面 与 葡 萄 糖 相 结 合, 将 其 送 入 胞 质 内 后 释 放 出 6- 磷 酸 葡 萄 糖 经 过 磷 酸 化 的 葡 萄 糖 在 胞 内 累 积, 不 能 再 逸 出 菌 体 该 系 统 的 能 量 供 体 是 磷 酸 烯 醇 丙 酮 酸 需 要 指 出 的 是 各 种 细 菌 的 转 运 营 养 物 质 的 方 式 不 同, 即 使 对 同 一 种 物 质, 不 同 细 菌 的 摄 取 方 式 也 不 一 样 四 影 响 细 菌 生 长 的 环 境 因 素 营 养 物 质 能 量 和 适 宜 的 环 境 是 细 菌 生 长 繁 殖 的 必 备 条 件 营 养 物 质 充 足 的 营 养 物 质 可 以 为 细 菌 的 新 陈 代 谢 及 生 长 繁 殖 提 供 必 要 的 原 料 和 充 足 的 能 量 氢 离 子 浓 度 (ph) 每 种 细 菌 都 有 一 个 可 生 长 的 ph 范 围, 以 及 最 适 生 长 ph 大 多 数 嗜 中 性 细 菌 生 长 的 ph 范 围 是 6.0~8.0, 嗜 酸 性 细 菌 最 适 生 长 ph 可 低 至 3.0, 嗜 碱 性 细 菌 最 适 生 长 ph 可 高 达 10.5 多 数 病 原 菌 最 适 ph 为 7.2~7.6, 在 宿 主 体 内 极 易 生 存 ; 个 别 细 菌 如 霍 乱 弧 菌 在 ph8.4~9.2 生 长 最 好, 结 核 杆 菌 生 长 的 最 适 ph 为 6.5~6.8 细 菌 依 靠 细 胞 膜 上 的 质 子 转 运 系 统 调 节 菌 体 内 的 ph, 使 其 保 持 稳 定, 包 括 ATP 驱 使 的 质 子 泵,Na + /H + 和 K + /H + 交 换 系 统. 33