第三章 細(xì)菌的生理Bacterial physiology

第三章細(xì)菌的生理(Bacterialphysiology)細(xì)菌生理學(xué)的研究對象是細(xì)菌的組成成分、營養(yǎng)要求、能量代謝、生物合成和生長繁殖等一系列理論知識。對于細(xì)菌生理學(xué)的研究，不但可從理論上分析細(xì)菌生命活動的基本規(guī)律，而且在生產(chǎn)實踐上具有重要意義。例如細(xì)菌的致病性和免疫機(jī)制、抗藥性、人工培養(yǎng)、疫苗的制造、毒素與抗毒素的生產(chǎn)等方面，都與細(xì)菌生理學(xué)的研究具有極其密切的關(guān)系。第一節(jié)細(xì)菌的理化性狀第二節(jié)細(xì)菌的生長繁殖第三節(jié)細(xì)菌的新陳代謝第四節(jié)細(xì)菌的人工培養(yǎng)第一節(jié)細(xì)菌的理化性狀一、細(xì)菌的化學(xué)組成1、就元素來講：灰分元素：P、S、K、Ca、Mg、Fe、Na、Cl、Cu、Zn、Mn、B、Co等。有機(jī)元素：C、N、H、O，這些元素主要以化合物的形式存在，構(gòu)成了細(xì)菌細(xì)胞的水分和有機(jī)物、無機(jī)物的固體成分。2、細(xì)菌的化學(xué)組成1）小分子物質(zhì)：水（占75~85%）無機(jī)鹽（占干重的10%）2）大分子物質(zhì)：蛋白質(zhì)、糖類、脂類、核酸3）特殊化學(xué)物質(zhì)：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、細(xì)菌的物理性狀1、光學(xué)性質(zhì)：細(xì)菌為半透明體。當(dāng)光線照射至細(xì)菌，部分被吸收，部分被折射，故細(xì)菌懸液呈混濁狀態(tài)。

2、表面積：細(xì)菌體積微小，相對表面積大，有利于同外界進(jìn)行物質(zhì)交換。3、帶電現(xiàn)象：細(xì)菌固體成分的50%～80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)由兼性離子氨基酸組成。革蘭陽性菌pI為2-3，革蘭陰性菌pI為4-5，故在近中性或弱堿性環(huán)境中，細(xì)菌均帶負(fù)電荷，尤以前者所帶負(fù)電荷更多。4、半透性：細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜都有半透性，允許水及部分小分子物質(zhì)通過，有利于吸收營養(yǎng)和排出代謝產(chǎn)物。5、滲透壓：細(xì)菌體內(nèi)含有高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)和無機(jī)鹽，一般革蘭陽性菌的滲透壓高達(dá)20～25個大氣壓，革蘭陰性菌為5～6個大氣壓。細(xì)菌所處一般環(huán)境相對低滲，但有堅韌細(xì)胞壁的保護(hù)不致崩裂。第二節(jié)細(xì)菌的生長繁殖(Growthandreproductionofbacteria)一、細(xì)菌生長繁殖條件1、營養(yǎng)物質(zhì)：水、碳源、氮源、無機(jī)鹽、生長因子。生長因子——許多細(xì)菌在其生長過程中還必需一些自身不能合成化合物，稱為生長因子。有維持細(xì)菌正常發(fā)育和促進(jìn)生長的功能，極其微量就能顯示其影響足夠份量可使某些細(xì)菌生長加快數(shù)百倍。包括：維生素類（特別是B族維生素）和一些有機(jī)酸、嘌呤、嘧啶等，如硫胺素、核黃素、生物素、泛酸、葉酸等。生長因子多為輔基或輔酶的主要成分對細(xì)菌的生命活動至關(guān)重要。生長因子一般可由酵母浸膏、血液、血清或腹水等提供。各種細(xì)菌對生長因子的需要情況有所不同。某些微生物能合成和積累生長因子的特性，已被用于人類生產(chǎn)和醫(yī)藥、食品、飼料等2、酸堿度：多數(shù)病原菌最適PH為中性或弱堿性（pH7.2～7.6）。3、溫度：病原菌均為嗜溫菌，最適溫度為人體的體溫，即37℃，故實驗室一般采用37℃培養(yǎng)細(xì)菌。4、氣體：與細(xì)菌生長有關(guān)的氣體，主要是氧和CO2。

1）根據(jù)細(xì)菌代謝時對氧的需要情況，可將其分為三類：①專性需氧菌：這些細(xì)菌僅能在有氧條件下生長；如結(jié)核桿菌，霍亂弧菌②專性厭氧菌：這些細(xì)菌只能在無氧環(huán)境下生長；如破傷風(fēng)桿菌，魏氏梭菌③兼性厭氧菌：在有氧及無氧的條件下均能生存，有氧條件比無氧環(huán)境生長更好，大多數(shù)病原菌屬此。2）一般細(xì)菌代謝中都需CO2，但大多數(shù)細(xì)菌自身代謝所產(chǎn)生的CO2即可滿足需要。有些細(xì)菌，在初次分離時需要較高濃度的CO2，否則生長很差甚至不能生長。布氏桿菌在初次分離時，要有5～10%CO2才能生長。炭疽桿菌在人工培養(yǎng)時，往往環(huán)境中有較高濃度的CO2，方能形成夾膜。二、細(xì)菌的營養(yǎng)類型不同種類的細(xì)菌，對能源和碳源的要求并不一樣據(jù)此可將細(xì)菌分為不同的營養(yǎng)類型自養(yǎng)菌異養(yǎng)菌1）根據(jù)碳素營養(yǎng)區(qū)分①自養(yǎng)菌（autotrophicbacteria）：能用簡單的無機(jī)物為原料合成復(fù)雜的菌體成分。他們能利用無機(jī)碳如以二氧化碳或碳酸鹽作為碳源，以N2、NO2-、NO3-等作為氮源，如：硝化菌。②異養(yǎng)菌（heterotrophicbacteria）：

必須以多種有機(jī)物為原料合成復(fù)雜的菌體成分及獲得能量。他們不能利用無機(jī)碳需要有機(jī)碳來合成所需要的含碳有機(jī)物必須依賴其他生物供給現(xiàn)成的有機(jī)物異養(yǎng)菌有可分為：1）腐生菌（saprophytes）：從無生命的有機(jī)物質(zhì)中攝取營養(yǎng)。2）寄生菌（parasites）：寄生于活的動植物體內(nèi)，從宿主體內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)中獲得營養(yǎng)和能量，大部分致病菌屬于這一類。2）根據(jù)能源區(qū)分②化能營養(yǎng)菌：從無機(jī)和有機(jī)物中取得能量的細(xì)菌。大部分細(xì)菌屬于此類前者為無機(jī)化能營養(yǎng)菌后者為有機(jī)化能營養(yǎng)菌①光能營養(yǎng)菌：能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的細(xì)菌。這類細(xì)菌屬于土壤和水中的細(xì)菌病原菌中不存在此種類型的細(xì)菌因此，細(xì)菌的營養(yǎng)類型分為：1）化能自養(yǎng)菌2）化能異養(yǎng)菌3）光能自養(yǎng)菌4）光能異養(yǎng)菌三、細(xì)菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)制細(xì)菌代謝能力極強(qiáng)，繁殖快，消耗營養(yǎng)很多。細(xì)菌沒有專門的攝食和排泄器官，營養(yǎng)物質(zhì)是通過半透性的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)行吸收的。細(xì)菌主要有4種吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式，不同的營養(yǎng)物質(zhì)可沿不同的方式進(jìn)入：1、單純擴(kuò)散（simplediffusion）2、促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）3、主動運輸（activetransport）4、基團(tuán)轉(zhuǎn)移（grouptranslocation）

1、單純擴(kuò)散（simplediffusion）1）也稱被動擴(kuò)散，是一種簡單的細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換方式，只靠簡單的分子運動進(jìn)行擴(kuò)散。2）吸收的是溶液中的溶質(zhì)。3）特點：無特異性，不需要載體，不需要耗能速度緩慢。細(xì)胞內(nèi)外溶質(zhì)濃度一旦達(dá)到平衡，擴(kuò)散便停止4）因此，單純擴(kuò)散不是細(xì)菌獲得營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。2、促進(jìn)擴(kuò)散（facilitateddiffusion）1）某些物質(zhì)如糖和氨基酸與某些位于細(xì)菌細(xì)胞膜上特異性載體蛋白相結(jié)合，而后將其轉(zhuǎn)運至細(xì)胞內(nèi)，并不使基質(zhì)發(fā)生任何變化，也不需要能量，這種吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式稱為促進(jìn)擴(kuò)散2）特點：嚴(yán)格的特異性，需要載體，不需要能量可逆與被動擴(kuò)散相同，不會使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)逆濃度積累3．主動運輸（activetransport）

1）細(xì)菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要機(jī)制，在代謝能的推動下，通過質(zhì)膜上的特殊載體蛋白逆濃度梯度吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程稱為主動運輸。2）特點：①需要載體蛋白，有嚴(yán)格特異性，要求供應(yīng)能量。②可逆濃度梯度運輸，胞內(nèi)基質(zhì)可高于包內(nèi)100~10000倍。③飽和效應(yīng)：如果膜外基質(zhì)濃度甚高，足使載體飽和，輸送速度達(dá)到一定高度時就無法進(jìn)一步提高。4．基團(tuán)轉(zhuǎn)位（grouptranslocation）

1）上述各種物質(zhì)輸送過程中，輸送到細(xì)胞內(nèi)的基質(zhì)都未發(fā)生任何化學(xué)變化。2）基團(tuán)轉(zhuǎn)位：物質(zhì)在運輸?shù)耐瑫r受到化學(xué)修飾，需要特異性載體蛋白參與，需要能量。3）主要存在于厭氧細(xì)菌和兼性厭氧細(xì)菌中，用于糖以及脂肪酸、核苷、堿基等物質(zhì)的運輸，是由磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)介導(dǎo)的一種反應(yīng)。4）與主動運輸相似，可逆濃度運輸，要求能量，酶介導(dǎo)。5、金屬離子的吸收

影響細(xì)菌生長的金屬離子在動物體內(nèi)極少以游離狀態(tài)存在，如：血清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白及乳中的乳鐵蛋白。細(xì)菌通過分泌載鐵體攝取與蛋白結(jié)合的Fe3+，形成含鐵螯合物，通過特異的主動輸送，進(jìn)入菌體細(xì)胞。細(xì)菌攝取營養(yǎng)，基本通過上述幾種方式進(jìn)行，但不同種類的細(xì)菌對同一物質(zhì)可通過不同的方式運輸。例如，大腸桿菌主要利用促進(jìn)擴(kuò)散輸送乳糖，而金黃色葡萄球菌則主要利用基團(tuán)傳為方式輸送。四、細(xì)菌的生長繁殖方式和速度細(xì)菌細(xì)胞的生長繁殖，體現(xiàn)在個體和群體兩方面。1、細(xì)菌個體的生長繁殖1)細(xì)菌個體的繁殖方式：細(xì)菌以二分裂法進(jìn)行無性繁殖。大腸桿菌菌體的分裂過程涉及30多個基因的調(diào)控。2)細(xì)菌個體的繁殖速度：

一個菌體分裂為兩個菌體所需的時間稱為世代時間。多數(shù)20~30min分裂一代。少數(shù)細(xì)菌繁殖較慢，如分支桿菌需18-24h才分裂一次2、細(xì)菌群體的生長繁殖——生長曲線

如將細(xì)菌接種在液體培養(yǎng)基并置于適宜的溫度中，定時取樣檢查活菌數(shù)，可發(fā)現(xiàn)其生長過程具有規(guī)律性。以時間為橫坐標(biāo)，以活菌數(shù)的對數(shù)為縱坐標(biāo)，可繪制出一條曲線，稱為“細(xì)菌生長曲線”。遲緩期指數(shù)期衰亡期穩(wěn)定期曲線顯示了細(xì)菌生長繁殖的4個期1、遲緩期

是細(xì)菌初到新環(huán)境的適應(yīng)期。特點此時菌體增大、代謝活躍、合成所需酶系統(tǒng)。RNA含量明顯增多，DNA無變化，此時細(xì)菌數(shù)并不增加約l~4h。2、對數(shù)期

細(xì)菌迅速分裂繁殖，活菌數(shù)以幾何級數(shù)增長，生長曲線近斜線。特點：該期病原菌致病力最強(qiáng)形態(tài)染色及生理均較典型對抗菌藥物敏感。大腸桿菌的對數(shù)期可持續(xù)6~10h3、穩(wěn)定期此時因營養(yǎng)消耗、代謝產(chǎn)物蓄積等，細(xì)菌繁殖速度下降，死亡數(shù)逐步上升，新繁殖的活菌與死菌平衡，活菌數(shù)最多。特點：細(xì)菌形態(tài)及生理性狀常有改變，染色不特異，芽孢開始形成。產(chǎn)生毒素等代謝產(chǎn)物。大腸桿菌的對數(shù)期可持續(xù)一般8h。

4、衰亡期

細(xì)菌死亡速度加大，繁殖速度變小。如不移植到新培養(yǎng)基，最終可全部死亡。特點：此期菌體變形或自溶，染色不典型。細(xì)菌的群體生長繁殖可分為4個期遲緩期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期細(xì)菌群體典型的生長曲線生長曲線只有在體外人工培養(yǎng)條件下才能觀察到第三節(jié)細(xì)菌的新陳代謝

（Bacterialmetabolism)任何活細(xì)胞都有維持生長和繁殖的機(jī)能，這種機(jī)能是由獨立的、但又密切聯(lián)系的兩種過程所組成，即：異化作用catabolism同化作用anabolism這兩個過程合稱為代謝（metabolism)代謝過程必須有酶參加一、細(xì)菌的酶1、細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含有許多酶系統(tǒng)2、根據(jù)酶在細(xì)胞存在的部位和產(chǎn)生條件可分為胞內(nèi)酶胞外酶誘導(dǎo)酶固有酶存在于細(xì)胞內(nèi)的酶類分泌于細(xì)菌體外的酶類細(xì)菌常備的酶類適應(yīng)環(huán)境而產(chǎn)生的酶類二、細(xì)菌的呼吸與發(fā)酵細(xì)菌代謝所需要的能量，絕大多說通過生物氧化作用而獲得的。1、生物氧化——在酶的所用下生物細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的一系列氧化還原反應(yīng)。致病菌獲得能量的基質(zhì)主要是糖類通過糖的氧化或酵解釋放能量，并以高能磷酸鍵（ADP、ATP)的形式儲存能量

細(xì)菌生物氧化類型：呼吸發(fā)酵有氧呼吸無氧呼吸大多數(shù)病原菌只進(jìn)行需氧呼吸或發(fā)酵1、有氧呼吸(aerobicrespiration)

有氧呼吸——以分子氧作為最終電子受體的稱為。

即化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終將它們交給氧，并生成水。有氧呼吸的特點：有氧存在、氧化徹底、產(chǎn)能量大。能夠進(jìn)行有氧呼吸的微生物都是需氧菌和兼性厭氧菌。2、無氧呼吸