细菌的生理

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1、第二章细菌的生理细菌的生理活动包括摄取营养物质和合成各种所需物质，进行新陈代谢及生长繁殖。细菌具有独立的生命活动能力，处于适宜的环境条件下，可从外界环境 中摄取营养物质，获得能量，具有代谢旺盛、繁殖迅速的特点。I第一节细菌的理化性状I一、化学组成1. 与其他生物细胞相似，含有包括水、蛋白质、无机盐、糖类、脂类和核酸等多 种化学成分。2. 水占 75-90%，为主要成分。3. 去除水分后，主要为有机物，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫。还有少量无机离 子，包括钾、钠、铁、镁、钙、氯等，用以构成菌细胞的各种成分、维持酶的活 性和跨膜化学梯度。4. 还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

2、壁酸、磷壁酸、 D 型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等。二、物理性状1. 光学性质 细菌为无色半透明小体，细菌悬液呈混浊状态。观察 -染色法-相差 显微镜。2. 表面积 细菌体积微小，表面积相对较大，有利于细菌的内外物质交换。3. 带电现象 细菌的固有成分 50-80%是蛋白质，主要为兼性离子氨基酸组成。G+菌的等电点pH为2-3G-菌的等电点pH为4-5因此，在弱碱性或近中性环境中细菌均带负电荷，等电点越低带负电荷越多 。 意义：细菌的带电现象与细菌的染色反应、凝集反应和抑菌杀菌作用有着密切关 系。4. 半通透性 意义：细菌为了利于内外物质交换，有利于营养物质的吸收和代谢产物的排出， 其细

3、胞壁和细胞膜都为半通透性。5. 渗透压 细菌体内由于含有高浓度的营养物质和无机盐，其渗透压极高。 革兰阳性菌渗透压高达 20-25 个大气压，革兰阴性菌也有 5-6个大气压。 意义：细菌一般处于相对低渗的环境，有坚韧的细胞壁保护不致崩裂。细菌若处 于高渗环境中，菌内水分逸出，胞质脱水浓缩，细菌就不能繁殖。一、细菌的营养物质1. 水：溶解营养物质，有利于营养物质的吸收与代谢。2. 碳源：主要来源于糖类，是合成菌体的糖类、脂类、蛋白质、核酸的成分，又 是细菌的能量来源。3. 氮源：来源于氨基酸、蛋白质等，合成菌体成分。肺炎克雷伯菌可利用硝酸盐 甚至氮气。4. 无机盐：常用元素（P、S、K、Na、M

4、g、Ca、Fe、）和微量元素（钻、锌、 锰、铜、钼）。作用：构成菌细胞的各种成分；维持酶活性；参与能量的贮存和转运；调节内外 渗透压；与菌的生长繁殖与致病作用有关。5. 生长因子：自身不能合成的，如维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。 特殊：流感嗜血杆菌-X因子、V因子等。二、细菌摄取营养物质的机制 水和水溶性物质可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质 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。1. 被动扩散方向：高浓度-低浓度动力：浓度梯度能量：不需要不需任何载体：简单扩散需要特异性载体蛋白：易化扩散，如甘油的转运2. 主动转运方向：低浓

5、度-高浓度需要能量和载体（1）ABC 转运：营养物质与特异性结合蛋白形成复合物后，引起后者构型改变， 继而将营养物质转运给细胞膜上的ATP结合型载体，导致ATP水解，提供的能 量打开膜孔，使营养物质进入细胞内。（2）离子偶联转运：质子动力或钠动力作为驱使营养物质跨膜转运的能量，载 体是电化学离子梯度透性酶。常见于需氧菌。（3）基团转移：大肠埃希菌摄取葡萄糖（4）特异性转运：细菌分泌载体铁来摄取铁。三、细菌的营养类型1. 自养菌 利用无机物的氧化（化能自养菌）或通过光合作用（光能自养菌）获得营养和能 量。碳源：C03、CO32- 氮源：nh3、no2-、no3-2. 异养菌 必须利用多种有机物（

6、如蛋白质、糖类）为原料才能合成菌体成分。 包括腐生菌和寄生菌所有的病原菌都是异养菌，大部分属于寄生菌。四、影响细菌生长的因素营养物质和适宜的环境1. 营养物质：碳源、氮源、水、无机离子2. 氢离子浓度（pH）嗜中性细菌：6.0-8.0 嗜酸性细菌：低至 3.0 嗜碱性细菌：高达 10.5 多数病原菌 7.2-7.6霍乱弧菌 8.4-9.2结核杆菌 6.5-6.8维持pH：质子泵、Na+/H+和K+/H+交换系统3. 温度：病原菌37C嗜温菌：10-45 C最适20-40 C嗜热菌： 25-95C 最适 50-60C嗜冷菌： -5-30C 最适 10-20C 突然暴露于高温下，可暂时合成对热有抵

7、抗力的热休克蛋白。4. 气体（氧气、二氧化碳）专性需氧菌：结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌 微需氧菌：低氧压5-6%生长最好，大于 10%对其有抑制作用。如空肠弯曲杆菌、 幽门螺杆菌。兼性厌氧菌：兼有需氧呼吸和无氧发酵功能，有氧和无氧均可生长，但有氧时生 长较好。多数病原菌为兼性厌氧菌。专性厌氧菌：缺乏呼吸酶，只能在低氧分压或无氧环境中进行发酵。在游离氧存 在时，不但不能利用分子氧，且还将受其毒害，甚至死亡，如破伤风梭菌、脆弱 拟杆菌。特殊：人工培养需提供5-10%的CO2,如脑膜炎奈瑟菌、布鲁氏菌5. 渗透压一般培养基的盐浓度和渗透压即可，少数嗜盐菌需要高浓度30 g/L （即3%）的 NaCl

8、环境中生长良好。五、细菌的生长繁殖（一）细菌个体的生长繁殖 方式：以二分裂进行无性繁殖代时：一般为20-30min,但结核分枝杆菌（TB）代时长达18-20h（二）细菌群体的生长繁殖生长速度：以20min代时计算，一个菌细胞经7h可繁殖200万个，10h达10亿 个,随着时间延长细菌群体将会庞大到难以想象的程度,但事实并非如此。 生长曲线：培养时间-横坐标,活菌数的对数-纵坐标,分为四期。1. 迟缓期细菌进人新环境后有一个短暂适应阶段。该期细菌体积增大,代谢活跃,为细菌的分裂繁殖合成积累充足的酶、能量及中 间代谢产物；此期分裂迟缓,繁殖极少。迟缓期因菌种、接种菌量、菌龄以及营养物质等不同而长短

9、不一，一般为1-4h2. 对数期 又称指数期。细菌在该期生长迅速。活菌数以比较稳定的几何级数增长，生长曲线图上细菌数 的对数呈直线上升，达顶峰状态。其细菌的形态、染色性、生理活性均较典型，对外界环境因素的作用敏感，因此， 研究细菌的形态染色、生化反应、药物敏感试验等生物学性状，应选用该期的细 菌。一般细菌对数期在培养后的第 8-l8h。3. 稳定期 由于培养基中营养物质消耗、有害代谢产物积聚，该期细菌繁殖速度渐减，死亡 数渐增，细菌增殖数与死亡数渐趋平衡。细菌形态、染色性和生理性状常有改变。一些细菌的芽胞、外毒素和抗生素等代 谢产物大多在稳定期产生。4. 衰亡期 稳定期后细菌繁殖越来越慢，死亡

10、菌数越来越多，活菌数越来越少。活菌数与培 养时间成反比关系，该期细菌形态显著改变，出现衰退型或菌体自溶，难以辨认； 生理代谢活动趋于停滞。因此陈旧培养的细菌难以鉴定。实际生产：在细菌培养过程中，不断地更新培养液及对需氧菌进行通气加氧，使细菌长时间处于生长旺盛的对数期，这种培养称为连续培养。细菌的新陈代谢是细菌细胞内分解代谢和合成代谢的总和。一、细菌的能量代谢1. 糖酵解（EMP）大部分细菌共有的基本代谢途径，1 分子葡萄糖可生成 2 分子丙酮酸，产生 2 分 子ATP和2分子NADH+H+。2. 戊糖磷酸途径 由几糖生成戊糖的循环途径，为生物合成提供前体和还原能，获得 12 分子 NADH+H

11、+。3. 需氧呼吸1分子葡萄糖在有氧条件下彻底氧化，生成C02和H20,并产生30mol或32molATP。过程：糖酵解-脱羧-三羧酸循环4. 厌氧呼吸1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP。二、细菌的代谢产物（一）分解代谢产物和细菌的生化反应各种细菌所具有的酶不完全相同，对营养物质的分解能力也不同，因而其代谢产 物有别。鉴于此，可利用生物化学方法来鉴别不同细菌，成为细菌的生化反应试 验。（糖）1. 糖酵解试验葡萄糖：分解-产酸、产气：大肠杆菌产酸、不产气：伤寒沙门菌乳糖：分解-产酸、产气：大肠杆菌 不分解：伤寒沙门菌产酸：溴甲酚蓝指示剂由紫色（pH68 ）变为黄色（pH52）。 产气：

12、倒置的德汉氏小管中有无气泡。2. VP 试验 原理：细菌利用葡萄糖产生非酸性或中性产物的能力。 例如，产气肠杆菌（阳性，红色），大肠杆菌（阴性）3. 甲基红试验 原理：某些细菌在糖代谢过程中，将培养基中的糖类先分解为丙酮酸，再将其分 解为甲酸、乙酸、乳酸等，使培养基pH下降，可使甲基红指示剂由橘黄色（阴 性）变为红色（阳性）。例如，大肠埃希菌（阳性），产气肠杆菌（阴性）（蛋白质）4. 吲哚试验 原理：含有色氨酸酶的细菌可分解色氨酸，生产吲哚，若加入吲哚试剂，则形成 玫瑰吲哚，呈红色（阳性）。例如，大肠埃希氏菌、变形杆菌、霍乱弧菌等为阳性，而产气肠杆菌为阴性。5. 硫化氢试验 原理：某些细菌能分

13、解含硫氨基酸，生成硫化氢，与铅或铁离子生产黑色的硫化 铅或硫化亚铁。例如，沙门菌、变形杆菌等为阳性。（其他）6. 枸橼酸盐利用试验 原理：某些细菌能够利用铵盐作为唯一氮源，并利用枸橼酸盐作为唯一碳源，可 在枸橼酸盐培养基上生长，分解枸橼酸盐，生成碳酸盐，并分解铵盐生成氨，使 培养基变为碱性。例如，大肠杆菌（ -），产气杆菌（ +）7. 尿素酶试验 原理：变形杆菌有尿素酶，可分解培养基中的尿素产生氨，使培养基变成碱性，以酚红指示剂检测呈红色，为阳性。吲哚（I）、甲基红（M）、VP （V）、枸橼酸盐利用（C） 4种试验常用于鉴定 肠道杆菌，合成IMiC试验。例如：大肠杆菌（+ + -）、产气杆菌（

14、- + +）（二）合成代谢产物及其医学上的意义1. 热原质概念：可引起人或动物发热反应的物质，多数G-菌的LPS。性质：耐高温，高压蒸汽灭菌不被破坏；需要250C干烤、吸附剂或特殊石棉滤 板、蒸馏法2. 毒素和侵袭性酶毒素： 内毒素G-菌LPS，菌体死亡崩解后游离出来。 外毒素 多数G+菌和少数G-菌分泌产生释放到菌体外的蛋白质。侵袭性酶：损伤机体组织，促进细菌侵袭或扩散，如卵磷脂酶（产气荚膜梭菌）、 透明质酸酶（链球菌）等。3. 色素 水溶性：铜绿假单胞菌（绿色） 脂溶性：金黄色葡萄球菌（黄色）4. 抗生素大多由放线菌和真菌产生，细菌产生的较少，只有多黏菌素、杆菌肽。5. 细菌素具有抗菌作用

15、的蛋白质，仅对亲缘关系较近的细菌有抗菌作用。（作用范围 狭窄），如大肠菌素。可用于细菌分型和流行病学调查。6. 维生素大肠埃希菌：B族维生素和维生素K三、细菌的分泌系统（略）四、细菌的免疫系统限制修饰（RM）系统、流产（Abi）系统、毒素-抗毒素（TA）系统和CRISPR-Cas 系统。一、培养细菌的方法1. 分离培养 划线2. 纯培养 挑取单个菌落 温度35-37C，培养时间18-24h。二、培养基1. 分类基础培养基如肉汤、营养琼脂等）增菌培养基+营养（生长因子或微量元素，如血液琼脂、血清肉汤）选择培养基+抑制剂（如SS琼脂、含抗培养基）鉴别培养基+指示剂（糖发酵管、三糖铁培养基、伊红-亚甲蓝培养基）厌氧培养基如庖肉培养基、硫乙醇酸盐肉汤，最后加凡士林或液体石蜡以隔绝空气）2. 物理性状 液体 大量繁殖 固体 15g/L 琼脂粉 细菌的分离与纯化（固体斜面、平板） 半固体 3-5g/L 琼脂粉 观察细菌的动力和短期保存三、细菌在培养基中的生长情况