第三章 细菌的生理(Bacterial physiology

第三章细菌的生理(Bacterialphysiology)•细菌生理学的研究对象是细菌的组成成分、营养要求、能量代谢、生物合成和生长繁殖等一系列理论知识。•对于细菌生理学的研究，不但可从理论上分析细菌生命活动的基本规律，而且在生产实践上具有重要意义。•例如细菌的致病性和免疫机制、抗药性、人工培养、疫苗的制造、毒素与抗毒素的生产等方面，都与细菌生理学的研究具有极其密切的关系。•第一节细菌的理化性状•第二节细菌的生长繁殖•第三节细菌的新陈代谢•第四节细菌的人工培养第一节细菌的理化性状•一、细菌的化学组成•1、就元素来讲：灰分元素：P、S、K、Ca、Mg、Fe、Na、Cl、Cu、Zn、Mn、B、Co等。有机元素：C、N、H、O，这些元素主要以化合物的形式存在，构成了细菌细胞的水分和有机物、无机物的固体成分。2、细菌的化学组成1）小分子物质：水（占75~85%）无机盐（占干重的10%）2）大分子物质：蛋白质、糖类、脂类、核酸3）特殊化学物质：肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸（DAP),吡啶二羧酸（DPA)等。二、细菌的物理性状•1、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。•2、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。•3、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中，细菌均带负电荷，尤以前者所带负电荷更多。•4、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。•5、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。第二节细菌的生长繁殖(Growthandreproductionofbacteria)一、细菌生长繁殖条件1、营养物质：•水、碳源、氮源、无机盐、生长因子。•生长因子——许多细菌在其生长过程中还必需一些自身不能合成化合物，称为生长因子。有维持细菌正常发育和促进生长的功能，极其微量就能显示其影响足够份量可使某些细菌生长加快数百倍。•包括：–维生素类（特别是B族维生素）和一些有机酸、嘌呤、嘧啶等，如硫胺素、核黄素、生物素、泛酸、叶酸等。–生长因子多为辅基或辅酶的主要成分–对细菌的生命活动至关重要。–生长因子一般可由酵母浸膏、血液、血清或腹水等提供。•各种细菌对生长因子的需要情况有所不同。某些微生物能合成和积累生长因子的特性，已被用于人类生产和医药、食品、饲料等•2、酸碱度：多数病原菌最适PH为中性或弱碱性（pH7.2～7.6）。•3、温度：病原菌均为嗜温菌，最适温度为人体的体温，即37℃，故实验室一般采用37℃培养细菌。•4、气体：与细菌生长有关的气体，主要是氧和CO2。1）根据细菌代谢时对氧的需要情况，可将其分为三类：①专性需氧菌：这些细菌仅能在有氧条件下生长；如结核杆菌，霍乱弧菌②专性厌氧菌：这些细菌只能在无氧环境下生长；如破伤风杆菌，魏氏梭菌③兼性厌氧菌：在有氧及无氧的条件下均能生存，有氧条件比无氧环境生长更好，大多数病原菌属此。2）一般细菌代谢中都需CO2，但大多数细菌自身代谢所产生的CO2即可满足需要。–有些细菌，在初次分离时需要较高浓度的CO2，否则生长很差甚至不能生长。–布氏杆菌在初次分离时，要有5～10%CO2才能生长。炭疽杆菌在人工培养时，往往环境中有较高浓度的CO2，方能形成夹膜。二、细菌的营养类型•不同种类的细菌，对能源和碳源的要求并不一样•据此可将细菌分为不同的营养类型自养菌异养菌1）根据碳素营养区分①自养菌（autotrophicbacteria）：能用简单的无机物为原料合成复杂的菌体成分。–他们能利用无机碳如以二氧化碳或碳酸盐作为碳源，以N2、NO2-、NO3-等作为氮源，如：硝化菌。②异养菌（heterotrophicbacteria）：必须以多种有机物为原料合成复杂的菌体成分及获得能量。•他们不能利用无机碳•需要有机碳来合成所需要的含碳有机物•必须依赖其他生物供给现成的有机物异养菌有可分为：1）腐生菌（saprophytes）：从无生命的有机物质中摄取营养。2）寄生菌（parasites）：寄生于活的动植物体内，从宿主体内的有机物质中获得营养和能量，大部分致病菌属于这一类。2）根据能源区分②化能营养菌：从无机和有机物中取得能量的细菌。•大部分细菌属于此类•前者为无机化能营养菌•后者为有机化能营养菌①光能营养菌：能将光能转变为化学能的细菌。•这类细菌属于土壤和水中的细菌•病原菌中不存在此种类型的细菌因此，细菌的营养类型分为：1）化能自养菌2）化能异养菌3）光能自养菌4）光能异养菌三、细菌吸收营养物质的机制细菌代谢能力极强，繁殖快，消耗营养很多。细菌没有专门的摄食和排泄器官，营养物质是通过半透性的细胞壁和细胞膜进行吸收的。细菌主要有4种吸收营养物质的方式，不同的营养物质可沿不同的方式进入：1、单纯扩散（simplediffusion）2、促进扩散（facilitateddiffusion）3、主动运输（activetransport）4、基团转移（grouptranslocation）1、单纯扩散（simplediffusion）1）也称被动扩散，是一种简单的细胞内外物质交换方式，只靠简单的分子运动进行扩散。2）吸收的是溶液中的溶质。3）特点：–无特异性，不需要载体，不需要耗能–速度缓慢。–细胞内外溶质浓度一旦达到平衡，扩散便停止4）因此，单纯扩散不是细菌获得营养物质的主要方式。2、促进扩散（facilitateddiffusion）•1）某些物质如糖和氨基酸与某些位于细菌细胞膜上特异性载体蛋白相结合，而后将其转运至细胞内，并不使基质发生任何变化，也不需要能量，这种吸收营养物质的方式称为促进扩散•2）特点：–严格的特异性，需要载体，不需要能量–可逆–与被动扩散相同，不会使营养物质逆浓度积累3．主动运输（activetransport）•1）细菌吸收营养物质的主要机制，在代谢能的推动下，通过质膜上的特殊载体蛋白逆浓度梯度吸收营养物质的过程称为主动运输。•2）特点：•①需要载体蛋白，有严格特异性，要求供应能量。•②可逆浓度梯度运输，胞内基质可高于包内100~10000倍。•③饱和效应：如果膜外基质浓度甚高，足使载体饱和，输送速度达到一定高度时就无法进一步提高。4．基团转位（grouptranslocation）•1）上述各种物质输送过程中，输送到细胞内的基质都未发生任何化学变化。•2）基团转位：物质在运输的同时受到化学修饰，需要特异性载体蛋白参与，需要能量。•3）主要存在于厌氧细菌和兼性厌氧细菌中，用于糖以及脂肪酸、核苷、碱基等物质的运输，是由磷酸转移酶系统介导的一种反应。•4）与主动运输相似，可逆浓度运输，要求能量，酶介导。5、金属离子的吸收影响细菌生长的金属离子在动物体内极少以游离状态存在，如：血清中的转铁蛋白及乳中的乳铁蛋白。•细菌通过分泌载铁体摄取与蛋白结合的Fe3+，形成含铁螯合物，通过特异的主动输送，进入菌体细胞。细菌摄取营养，基本通过上述几种方式进行，但不同种类的细菌对同一物质可通过不同的方式运输。•例如，大肠杆菌主要利用促进扩散输送乳糖，而金黄色葡萄球菌则主要利用基团传为方式输送。四、细菌的生长繁殖方式和速度•细菌细胞的生长繁殖，体现在个体和群体两方面。•1、细菌个体的生长繁殖•1)细菌个体的繁殖方式：–细菌以二分裂法进行无性繁殖。–大肠杆菌菌体的分裂过程涉及30多个基因的调控。•2)细菌个体的繁殖速度：–一个菌体分裂为两个菌体所需的时间称为世代时间。–多数20~30min分裂一代。少数细菌繁殖较慢，如分支杆菌需18-24h才分裂一次•2、细菌群体的生长繁殖——生长曲线如将细菌接种在液体培养基并置于适宜的温度中，定时取样检查活菌数，可发现其生长过程具有规律性。以时间为横坐标，以活菌数的对数为纵坐标，可绘制出一条曲线，称为“细菌生长曲线”。迟缓期指数期衰亡期稳定期曲线显示了细菌生长繁殖的4个期1、迟缓期•是细菌初到新环境的适应期。•特点此时菌体增大、代谢活跃、合成所需酶系统。RNA含量明显增多，DNA无变化，此时细菌数并不增加约l~4h。2、对数期•细菌迅速分裂繁殖，活菌数以几何级数增长，生长曲线近斜线。•特点：该期病原菌致病力最强形态染色及生理均较典型对抗菌药物敏感。大肠杆菌的对数期可持续6~10h3、稳定期•此时因营养消耗、代谢产物蓄积等，细菌繁殖速度下降，死亡数逐步上升，新繁殖的活菌与死菌平衡，活菌数最多。•特点：–细菌形态及生理性状常有改变，染色不特异，芽孢开始形成。–产生毒素等代谢产物。–大肠杆菌的对数期可持续一般8h。•4、衰亡期•细菌死亡速度加大，繁殖速度变小。•如不移植到新培养基，最终可全部死亡。•特点：–此期菌体变形或自溶，染色不典型。细菌的群体生长繁殖可分为4个期迟缓期对数期稳定期衰亡期细菌群体典型的生长曲线生长曲线只有在体外人工培养条件下才能观察到第三节细菌的新陈代谢（Bacterialmetabolism)任何活细胞都有维持生长和繁殖的机能，这种机能是由独立的、但又密切联系的两种过程所组成，即：异化作用catabolism同化作用anabolism这两个过程合称为代谢（metabolism)代谢过程必须有酶参加一、细菌的酶1、细菌细胞内含有许多酶系统2、根据酶在细胞存在的部位和产生条件可分为胞内酶胞外酶诱导酶固有酶存在于细胞内的酶类分泌于细菌体外的酶类细菌常备的酶类适应环境而产生的酶类二、细菌的呼吸与发酵•细菌代谢所需要的能量，绝大多说通过生物氧化作用而获得的。1、生物氧化——在酶的所用下生物细胞内所发生的一系列氧化还原反应。–致病菌获得能量的基质主要是糖类–通过糖的氧化或酵解释放能量，并以高能磷酸键（ADP、ATP)的形式储存能量•细菌生物氧化类型：呼吸发酵有氧呼吸无氧呼吸大多数病原菌只进行需氧呼吸或发酵1、有氧呼吸(aerobicrespiration)有氧呼吸——以分子氧作为最终电子受体的称为。即化合物氧化脱下的氢和电子经呼吸链传递，最终将它们交给氧，并生成水。有氧呼吸的特点：•有氧存在、氧化彻底、产能量大。•能够进行有氧呼吸的微生物都是需氧菌和兼性厌氧菌。2、无氧呼吸(anaerobicrespiration)无氧呼吸——也叫厌氧呼吸，以无机化合物（如硝酸盐、硫酸盐）作为最终电子受体的称为无氧呼吸即指化合物氧化脱下的氢和电子经一系列电子传递体，最终交给无机氧化物的作用•3、发酵——是指微生物在无氧条件下，将有机物生物氧化过程中释放的电子直接转移给底物本身未彻底氧化的中间产物，生成代谢产物并释放能量的过程。厌氧微生物和无氧条件下的兼性厌氧微生物可以不同的途径将丙酮酸转化为多种发酵产物。葡萄糖丙酮酸乳酸细菌可以将丙酮酸还原为乳酸。酵母菌将丙酮酸脱羧形成乙醛，再由乙醛还原形成乙醇。例如生物氧化类型受氢体需氧情况产生能量（一个葡萄糖分子）呼吸无机物需氧呼吸分子氧需氧38个ATP厌氧呼吸无机化合物厌氧低于需氧呼吸发酵有机化合物厌氧2个ATP细菌生物氧化与产能三、细菌的代谢•1、糖的分解•2、蛋白质代谢•3、细菌的合成代谢四、细菌的代谢产物1、细菌有鉴别意义的代谢产物及其检查方法常用的生化试验有：1）糖发酵试验、2）氧化酶试验、3）触酶试验、4）氧化发酵(O/F)试验、5）VP试验、6）甲基红(MR)试验、7）吲哚试验、8）枸橼酸盐利用试验等。可采用微量法或常量法。现有商品化的微量生化试验试剂盒。2、细菌的生化试验主要用途是鉴别细菌–对革兰氏染色反应和菌体及菌落形态相同或相似的细菌尤为重要–其中吲哚试验（I）、甲基红(M)试验、VP（Vi）试验、枸橼酸盐利用（C）试验四种试验常用于鉴定肠道杆菌，合称IMViC试验。3、细菌合成的某些特殊产物–1）热原质（脂多糖）–2