15细菌的生理

第3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。新陈代谢是整个生理活动的中心，细菌的代谢活动十分活跃而且多样化。繁殖迅速是细菌的显著特点。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。对于益生菌，研究如何促进其生长繁殖和产生对机体有益的代谢产物；对于致病菌，研究其代谢与致病的关系，从而寻找诊断和防治的方法；还可以研究如何利用细菌的代谢来净化环境，开发极端环境的微生物资源。这些工作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，占细胞总质量的75%~90%。菌细胞去除水分后，主要为由碳、氢、氮、氧、磷和硫等元素构成的有机物。还有少数的无机离子，如钾、钠、铁、镁、钙、氯离子等，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分，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（一）光学性质细菌为半透明体。当光线照射至细菌悬液，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。（二）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1cm3体积葡萄球菌的表面积可达60000cm2；而直径为1cm的生物体，每cm3体积的表面积仅6cm2，两者相差1万倍。因此细菌的代谢旺盛，繁殖迅速。（三）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。（四）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。（五）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，将细菌分为自养菌和异养菌两大营养类型。1．自养菌（autotroph）以简单的无机物为原料合成菌体成分，如利用CO2、CO3-作为碳源，利用N2、NH3、NO2-、NO3-等作为氮源。其中，化能自养菌（chemotroph）所需能量来自无机物的氧化，光能自养菌（phototroph）则通过光合作用获得能量。2．异养菌（heterotroph）以多种有机物为原料合成菌体成分并获得能量，如蛋白质、糖类等。异养菌分为腐生菌（saprophyte）和寄生菌（parasite）。腐生菌以动植物尸体和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、细菌的营养物质细菌的营养物质一般包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。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。1．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。2．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。3．氮源氮源的主要作用是作为菌体成分的原料，细菌对氮源的需要量仅次于碳源。病原菌主要从氨基酸、蛋白胨等有机氮化物中获得氮。少数病原菌如克雷伯菌也可利用硝酸盐甚至氮气，但利用率较低。4．无机盐细菌需要各种无机盐以提供生长所需的各种元素，分为常用元素和微量元素。需要浓度在10-3～10-4mol/L的元素为常用元素，如磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等；需要浓度在10-6～10-8mol/L元素为微量元素，如钴、锌、锰、铜、钼等。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。无机盐有以下的功能：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时则完全不产生毒素。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。5．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(growthfactor)，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，如流感嗜血杆菌的生长需要Ⅹ、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，而蛋白质和多糖等大分子营养物需经细菌分泌的胞外酶作用，分解成小分子物质后才能被吸收。营养物质进入菌体内的方式有被动扩散和主动转运系统。（一）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，不需要能量。被动扩散可分为简单扩散和易化扩散。简单扩散是指不需要任何细菌组分的帮助，营养物就可以进入细胞质内；而易化扩散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。甘油的转运属于易化扩散，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。（二）主动转运系统主动转运系统的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，是细菌吸收营养物质的主要方式。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-bindingprotein-dependenttransportsystem）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-bindingcassette-typecarrier)，导致ATP水解，从而将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-driventransportsystem）该系统驱使营养物越膜转移的能量是膜内外两侧质子或离子浓度差产生的质子动力势（protonmotiveforce）或钠动力势（sodiummotiveforce）。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(grouptranslation)基团转移是指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，基团转移可以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细菌生长繁殖的必备条件包括营养物质、能量和适宜的环境等。1．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。2．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（neutrophile）生长的pH范围是6.0~8.0，嗜酸性细菌（acidophile）最适生长pH低于5.5，嗜碱性细菌（alkaliphile）最适生长pH高于8.5。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，结核分枝杆菌生长的最适pH为6.5~6.8。细菌依靠细胞膜上的质子转运系统，包括ATP驱使的质子泵，Na+/H+和K+/H+交换系统，从而调节菌体内的pH，使其保持稳定。3．温度根据细菌对温度的要求将细菌分为嗜冷菌(psychrophile)、嗜温菌(mesophile)和嗜热菌(thermophile)。嗜冷菌生长范围-5~30℃，最适生长温度为15～20℃；嗜温菌生长范围10～45℃，最适30～37℃；嗜热菌生长范围25～95℃，最适50～60℃。病原菌在长期进化过程中适应人体环境，均为嗜温菌，最适生长温度为人的体温，即37℃。当细菌突然暴露于高出适宜生长温度的环境时，可暂时合成热休克蛋白(heat-shockproteins)。这种蛋白对热有抵抗性，并可稳定菌体内热敏感的蛋白质。4．渗透压大多数细菌的生长需要等渗或低渗环境。少数细菌喜好高渗环境，称嗜高渗菌（osmophilicbacterium）。如嗜盐菌(halophilicbacterium)在高浓度（3%）的NaCl环境中生长良好。5．气体根据细菌代谢时对分子氧的需要与否，可以分为四类（表3-1）。表3-1根据细菌对氧的需要的细菌分类细菌类型定义举例专性需氧(obligateaerobe)具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为受氢体以完成需氧呼吸，仅能在有氧环境下生长结核分枝杆菌假单胞菌属微需氧菌（microaerophilicbacterium）在低氧压（5%～6%）生长最好，氧浓度10%对其有抑制作用弯曲菌属、螺杆菌属兼性厌氧菌(facultativeanaerobe)兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能，不论在有氧或无氧环境中都能生长，但以有氧时生长较好大多数病原菌专性厌氧菌(obligateanaerobe)缺乏完善的呼吸酶系统，利用氧以外的其他物质作为受氢体，只能在无氧环境中进行发酵。有游离氧存在时，不但不能利用分子氧，且还将受其毒害，甚至死亡。厌氧芽孢梭菌属、类杆菌属专性厌氧菌在有氧环境中不能生长，可能由于下述原因：（1）缺乏氧化还原电势(Eh)高的呼吸酶：各种物质均有其固有的Eh。在氧化还原过程中，Eh高的物质可氧化Eh低的物质，反之不能。人组织的Eh约为150mV，普通培养基在有氧环境中Eh可达300mV左右，因此细菌必须具有Eh比它们更高的呼吸酶，如细胞色素和细胞色素氧化酶，才能氧化环境中的营养物质。专性厌氧菌缺乏这类高Eh呼吸酶，只能在120mV以下的Eh时生长，有氧时Eh高于此值，故不能生长。（2）缺乏分解有毒氧基团的酶：细菌在有氧环境中代谢时，常产生具有强烈杀菌作用的超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)。在有铁存在条件下，这两种物质还可产生对生物大分子有损害作用的羟基(.OH)。Fe3+/Fe2+O2-+H2O2—————→O2+OH-+.OH需氧菌有超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）和触酶(catalase)，前者将超氧离子还原成过氧化氢，后者将过氧化氢分解为水和分子氧。SOD2O2-+2H+—————→H2O2+O2触酶2H2O2—————→2H2O+O2有的细菌不产生触酶，而是产生过氧化物酶(peroxidase)，将H2O2还原成无毒的水分子。过氧化物酶H2O2+AH2—————→2H2O+A（某种有机物）专性厌氧菌缺乏这三种酶，故在有氧时受到有毒氧基团的影响，不能生长繁殖。五、细菌的生长繁殖（一）细菌个体的生长繁殖细菌一般以简单的二分裂方式（binaryfission）进