第二节细菌的生理

细菌的生理浙江大学医学院病原微生物学系林旭瑷一、细菌的理化性状一、化学组成构成：水（75-90%）、无机盐、蛋白质、糖、脂类、核酸元素：C、O、N、S、H、P、K、Na、Fe、Mg、Ca、Cl特有成分：肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、砒啶二羧酸、二氨基庚二酸二、物理性状光学性质：半透明颗粒（透射、折射）表面积：较一般生物体大一万倍带电现象：G+菌，PI2-3G-菌，PI4-5半透性：细胞壁、细胞膜渗透压：G+菌，20-25个大气压、G-菌，5-6个大气压二、细菌的生长与营养细菌的营养类型细菌的营养物质细菌的营养摄取方式细菌的生长繁殖条件细菌生长繁殖的方式和速度营养类型自养型(autotroph)异养型(heterotroph）腐生型(saprophyte)寄生型(parasite)细菌的营养类型利用能源和碳源的不同•自养菌（autotroph）：以简单的无机物为原料化能自养菌(chemotroph):所需能量来自无机物的氧化。光能自养菌(phototroph):通过光合作用获能。•异养菌（heterotroph）：必须以有机物为原料合成菌体分并获得能量腐生菌(saprophyte):以动植物尸体、腐败食物等为营养物质。寄生菌(parasite):寄生于活体内，从宿主的有机物获得能量。细菌的营养类型营养物质水碳源氮源无机盐生长因子组成细胞的组成成分提供细胞代谢的介质直接参与代谢过程降低细胞内温度维持生物大分子的天然构象合成含氮物质提供能量合成含碳物质及细胞结构提供能量维持细菌的代谢、繁殖酶或辅酶的组成成分酶的调节剂维持渗透压提供能源维持生物大分子与细胞结构的稳定性细菌生长的营养物质细菌的营养摄取方式被动扩散：简单扩散易化扩散主动转运：蛋白转运基团转移需要载体蛋白，需要能量。(1)转运过程中物质发生了化学变化；(2)主要存在于厌氧菌和兼性厌氧菌中。易化扩散蛋白转运ATPADP+Pi呼吸链基团转移HPrPEP丙酮酸ATPADP+PiHPrHPrHPrE-IIE-IIE-II磷酸糖转移酶系统——PTS细菌生长繁殖的条件•营养物质：碳源、氮源、无机盐、必要的生长因子。•酸碱度：大多数是中性，个别强碱性或弱酸性。•温度：寄生菌以人体温度适宜，个别嗜冷或嗜热。•气体：氧气和二氧化碳。•渗透压氧•专性需氧菌(obligateaerobe)结核分枝杆菌•微需氧菌（microaerophilicbacterium）氧浓度5-6%，空肠弯曲菌、幽门螺杆菌•兼性厌氧菌(facultativeanaerobe)大多数病原菌•专性厌氧菌(obligateanaerobe)破伤风梭菌、肉毒梭菌2O2-+2H+SODH2O2+O22H2O2触酶2H2O+O2H2O2+AH2过氧化物酶2H2O+A专性厌氧菌在有氧环境中不能生长的机制•缺乏氧化还原电势（Eh）高的呼吸酶人组织的Eh约为150mV，普通培养基在有氧环境中Eh可达300mV，细菌必须有高Eh的呼吸酶类（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。•缺乏分解有毒氧基团的酶细菌在有氧环境中代谢会产生具有强力杀菌作用的氧基团，如O2-和H2O2，厌氧菌缺乏分解这些有毒氧基团的酶类（如超氧化物歧化酶、触酶、过氧化物酶）一、细菌个体的生长繁殖无性二分裂方式繁殖代时（generationtime）:一个菌体分裂为两个菌体所需的时间。一般20-30min。二、细菌群体的生长繁殖生长曲线（growthcurve）：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，可得出一条生长曲线。细菌的生长繁殖方式和速度液体培养细菌的生长曲线细菌来到新环境的一个适应过程，为生长繁殖作准备。特点：(1)代谢活跃，合成并积累所需酶系统;(2)RNA含量明显增多，但DNA的量无变化;(3)细菌数并不增加1.迟缓期（lagphase）细菌此时生长迅速，以恒定速度进行分裂繁殖，活菌数以几何级数增长，达到顶峰，生长曲线接近一条斜的直线。一般而言，该期的病原菌致病力最强，其形态、染色特性及生理活性均较典型，对抗菌药物等的作用较为敏感。2.对数期（logarithmicphase）新繁殖的活菌数与死菌数大致平衡，营养的消耗、代谢产物的蓄积等。形成芽孢、外毒素、抗生素3.稳定期（stationaryphase）4.衰亡期（declinephase）死菌数超过活菌数,如不移植到新的培养基，最终可全部死亡，此期细菌的菌体变形或自溶，染色不典型，难以进行鉴定。细菌死亡速度大于繁殖速度三细菌的新陈代谢合成代谢：同化过程。分解代谢：异化过程，伴能量的释放。细菌的酶：不同种类的细菌合成酶类不同，因此生物学性状不同，这对菌种的鉴定、疾病诊断和研究发病机制等方面有重要意义；某些细菌的酶类是重要的致病物质。DNA酶、溶纤维蛋白酶。细菌能量代谢的形式和主要途径发酵（以有机物为受氢体）有氧呼吸（以分子氧为受氢体）厌氧呼吸（以非氧无机物为受氢体）糖酵解途径需氧呼吸途径厌氧呼吸途径细菌的分解代谢产物及其意义糖酵解试验吲哚(indol)试验甲基红(methylred)试验VP(voges-proskauer)试验枸橼酸盐利用(citrateutilization)试验尿素酶试验硫化氢试验+—气泡不发酵产酸产酸产气糖发酵试验+吲哚试验（—）（+）色氨酸吲哚（靛基质）玫瑰吲哚（红色）+二甲基氨基苯甲醛甲基红试验葡萄糖丙酮酸乙酰甲基甲醇pH值5.4pH4.5（—）（+）（指示剂红色）（指示剂黄色）VP试验葡萄糖丙酮酸乙酰甲基甲醇二乙酰红色OH-+含胍基化合物（—）（+）枸橼酸盐利用试验（+）（—）枸橼酸盐（碳源）碳酸盐铵盐（氮源）氨培养基变为碱性蓝色尿素酶试验（—）（+）尿素氨培养基变碱性红色硫化氢试验（—）（+）含硫氨基酸硫化氢黑色硫化物+铁离子或铅离子肠道杆菌IMViC试验特性吲哚甲基红V-P枸橼酸盐埃希菌属++——沙门菌属—+—+志贺菌属+/—+——克雷伯菌属—+/—+/—+/—变形杆菌属+/—+—/+—/+细菌的合成代谢产物及其意义热原质（pyrogen）——LPS毒素和侵袭性酶色素抗生素细菌素维生素概念：细菌合成的脂多糖，可引起人或动物体发热。特点：耐高温消除方法：高温干烤法吸附法蒸馏法热原质毒素与侵袭性酶内毒素(endotoxin)：G-菌细胞壁的脂多糖外毒素(exotoxin)：细菌在释放的毒性蛋白质侵袭性酶：细菌引起宿主机体组织损伤的酶类色素水溶性色素、脂溶性色素金黄色柠檬色白色绿色由微生物代谢过程中产生的一些能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质。抗生素某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质，其作用范围比抗生素狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用。细菌素细菌在代谢过程中产生的维生素，除供自身所用外，还能分泌到周围环境。维生素四细菌的形态检查•非染色标本检查法如悬滴法可检查细菌有无动力•染色标本检查法最常用的是Gramstain。革兰染色法步骤：涂片→固定→结晶紫初染→碘液媒染→95%酒精脱色→复红复染结果：Ｇ＋菌：紫色Ｇ－菌：红色革兰染色法意义：鉴别细菌选择药物研究细菌致病性五细菌的人工培养培养基（culturemedium）是人工配制的基质，含有细菌生长繁殖必需的营养物质。培养基制成后，通常都要经灭菌处理。按营养组分分:按物理性状分:1.基础培养基:基本营养成分2.营养培养基:在基础培养基中添加一些其它营养物质，如葡萄糖、血液、血清、生长因子等3.鉴别培养基:在培养基中加入特定底物，观察细菌在其生长后分解底物如何，从而鉴别细菌。4.选择培养基:在培养基中加入某种化学物质，使之抑制一类细菌生长，而有利于另一类细菌生长，从而将后者选择出来。5.厌氧培养基:专供厌氧菌的分离、培养和鉴别用.将普通培养基放在无氧环境中培养，或者使培养基本身成为无氧的环境。(一)按营养组成的差异1.固体培养基:1.5-2%琼脂，用于细菌分离纯化。2.半固体培养基:0.5%琼脂，作穿刺试验。3.液体培养基:扩增纯培养的菌体。(二)按状态的差异细菌在培养基中的生长现象–液体:浑浊状链状膜状–固体:形成菌落（colony）、菌苔（lawn）–半固体:呈云雾状、线状velumdepositturbidity细菌在固体培养基中的生长情况光滑型菌落粗糙型菌落粘液型菌落培养基的用途•液体培养基：增菌•固体培养基：纯化，增菌•半固体培养基：动力检测，保种细菌的人工培养•在医学中的应用：诊断；细菌鉴定；生物制品。•在工农业生产中的应用：•在基因工程中的应用•古细菌、真细菌、真核生物•细菌的分类层次界、门、纲、目、科、属、种•种(species)是细菌分类的基本单位。生物学性状基本相同的细菌群体构成一个菌种；•性状相近关系密切的若干菌种组成一个菌属（genus）六细菌的分类•同一菌种的各个细菌，虽性状基本相同，但在某些方面仍有一定差异，差异较明显的称亚种(subspecies,subsp.)，差异小的则为型(type)。血清型(serovar)噬菌体型(phage-type)细菌素型(bacteriocin-type)生物型(biotype)菌株(strain)•对不同来源的同一菌种的细菌称为该菌的不同菌株(strain)。•标准菌株(standardstrain)或模式菌株(typestrain）：具有某种细菌典型特征的菌株细菌的命名•拉丁双名法Escherichiacoli（E.coli）属名种名•中文：大肠埃希菌种名属名消毒(disinfection)：杀死病原微生物，但不包括芽胞。灭菌(sterilization)：杀灭所有微生物，包括繁殖体和芽胞。无菌(asepsis)：物品中没有活的微生物存在。防腐(antisepsis)：防止或抑制体外微生物生长繁殖。抑菌(bacteriostasis)：抑制体内或体外微生物的生长繁殖。无菌(asepsis)：不存在活菌的意思，多为灭菌的结果。卫生处理(sanitation)：将被污染的无机物体表面的微生物减少至安全水平。五消毒与灭菌热力灭菌法辐射杀菌法物理学方法滤过除菌法超声波杀菌法干燥和低温抑菌法等化学方法化学消毒剂消毒、灭菌的方法2湿热灭菌法A巴氏消毒法：61.1-62.8℃，30min71.7℃，15-30secB煮沸消毒法：100℃，5-10minC流通蒸气消毒法：100℃，15-30minD间歇蒸汽灭菌法：100℃，15-30min，37℃过夜（3次）E高压蒸气灭菌法:15磅（121.3℃），15-30min1干热灭菌法A焚烧：B烧灼：C干烤：160-180℃，2hD红外线灭菌：（一）热力灭菌法湿热与干热灭菌效果的比较热型温度（℃）时间布层内的温度（℃）灭菌效果（h）20层40层100层湿热90-105.33101101101.5完全干热130-1404867270.5不完全湿热比干热灭菌好的原因：1细菌蛋白质在有水的情况下易于凝固变性2湿热穿透力强3湿热蒸气有潜热存在，水蒸气凝固成水释放潜热，迅速提高被灭菌物体的温度（二）光线与射线的消毒作用2电离辐射包括X射线和γ射线机制：干扰DNA的合成；破坏细胞膜；产生过氧化氢等特点：穿透力强，不升高温度1紫外线265-266nm杀菌作用最强原理：使两个相邻的胸腺嘧啶共价结合形成二聚体，干扰DNA复制和转录。用途与缺陷：空气、不耐热物品表面；损伤皮肤和眼睛（三）滤过除菌法用滤菌器除去液体及空气中的细菌用于不耐热的血清、毒素、抗生素（四）超声波的消毒作用可裂解细菌，尤其对G+更敏感主要用于粉碎细胞，提取细胞组分或制备抗原等二化学消毒灭菌法：机制：①使菌体蛋白质变性或凝固②破坏或改变蛋白质与核酸功能基团③改变细胞壁的通透性1.按其化学性质分：酚类、醇类、重金属盐类、氧化剂、表面活性剂、烷化剂、染料、酸碱类。2.按其杀菌能力分：a)高效消毒剂：能杀灭所有微生物b)中效消毒剂：不能杀灭细菌的芽孢c)低效消毒剂：能杀灭多数细菌繁殖体，不能杀灭芽孢、结核分枝杆菌和抵抗力较强的真菌