细菌的生理

   细菌虽是原核细胞生物，但 具有独立新陈代谢完成生命活动的能力。细菌的生长繁殖与环境条件密切相关。了解细菌生长繁殖的条件、规律、代谢产物、影响因素和人工培养细菌方法，对疾病的诊断、预防、治疗及工农业生产均有重要意义。
 

   一、细菌的理化性状
 

   （一）细菌的化学组成
 

   细菌的化学组成与其他生物细胞相似，包括水、无机盐、蛋白质、糖类、脂类和核酸等，其中水分是细菌细胞最主要的成分，可达到细胞总量的90%。但也有肽聚糖、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等原核细胞所特有的成分。
 

   （二）细菌的物理性状
 

   1.表面积 细菌体形小，表面积相对大，有利于同外界进行物质交换，故代谢旺盛，繁殖迅速。
 

   2.半透性细菌细胞壁和细胞膜只允许水和小分子物质通过，对外界物质具有选择性通透作用，有利于营养物质的吸收和代谢产物的排出。
 

   3.带电现象 细菌固体成分的50%～ 80%是蛋白质，因蛋白质中兼性离子氨基酸而有带电现象。革兰阳性菌的等电点（pI）是 2～3，革兰阴性菌的pI是4～5，故在近中性或弱碱性溶液中，革兰阳性菌所带负电荷比革兰阴性菌多，这与细菌的染色性等有密切关系。
 

   4.渗透压 细菌体内因含有高浓度的无机盐和营养物质而使其体内呈现较高的渗透压，一般革兰阴性菌体内的渗透压为5～6个大气压，革兰阳性菌更高达20 ～ 25个大气压。
 

   二、细菌的生长繁殖与代谢
 

   （一）细菌生长繁殖的条件
 

   1.充足的营养物质主要包括水、碳源、氮源、无机盐等。碳源主要从糖类获得，氮源多从氨基酸或蛋白胨获得。某些细菌还需要自身不能合成的B族维生素、氨基酸、嘌呤、嘧啶、X因子、V因子等生长因子。营养物质是构成菌体成分的原料，也是细菌生命活动所需能量的来源。
 

   2.适宜的酸碱度大多数病原菌生长繁殖的最适pH 为 7.2～ 7.4，但结核杆菌的最适pH 为6.5～ 6.8，霍乱弧菌的最适pH 为8.4～ 9.2。
 

   3.合适的温度各类细菌对温度有一定的要求，但多数病原菌的最适生长温度为37℃，与人体体温相似。
 

   4.必要的气体环境病原菌生长繁殖所需要的气体主要是氧和二氧化碳。根据细菌对氧的需要不同，分为：①需氧菌：必须供给氧气才能生长的细菌；②厌氧菌：必须在无氧的环境中才能生长的细菌；③兼性厌氧菌：在有氧和无氧的环境中都能生长的细菌，大多数细菌属于此类；④微需氧菌：需在低氧压（5% 左右）环境中生长的细菌，当氧压>10% 时对其有抑制作用。细菌厌氧的原因是缺乏过氧化氢（物）酶和细胞色素或细胞色素氧化酶。个别细菌如脑膜炎奈瑟菌（脑膜炎球菌）、布鲁菌初次人工培养时需提供5% ～ 10%的二氧化碳才能较好地生长。
 

   （二）细菌生长繁殖的规律
 

   1.细菌个体的生长繁殖 一般以简单的无性二分裂繁殖，所以只要生长条件适宜，大多数细菌繁殖一代只需20 ～ 30 min，少数细菌如结核杆菌繁殖速度比较缓慢，繁殖一代需15 ～ 18h。
 

   2.细菌群体生长繁殖的规律 细菌繁殖速度极快，但 有一定的规律性。将细菌接种于适宜的液体培养基中，间隔不同时间取样测定活菌数，以培养时间为横坐标、活菌数的对数为纵坐标，可绘出一条反映细菌生长繁殖规律的曲线，称生长曲线（图 12-5）。 根据生长曲线，细菌群体生长繁殖大致分为4个时期：①迟缓期：通常为培养最初的1～ 4h。此期菌体增大、代谢活跃，但分裂迟缓，菌数增加不明显，是细菌适应新环境的阶段。②对数期：培养至8～ 18h。此期细菌大量分裂，以几何级数恒定快速增殖，菌数呈对数直线上升，细菌的大小、形态、染色性、生物活性等都较典型，对抗生素最敏感，是研究细菌生物学性状的最佳时期。③稳定期：由于培养基中营养物质的消耗、毒性代谢产物的积聚、pH 的下降等因素的影响，细菌繁殖速度减慢，而死亡数上升，活菌数保持相对稳定，细菌可发生性状改变，产生外毒素或抗生素，形成芽胞等。④衰退期：细菌繁殖速度继续减慢或停止，死亡数继续上升，死菌数超过活菌数，细菌的外形明显改变，代谢活动停滞，难以辨认，因此陈旧培养的细菌不能作为鉴定。
 

 

   （三）细菌的代谢产物
 

   不同的细菌具有不同的代谢酶系统，因 而其代谢产物也不同，主要有酸、醛 、醇 、二氧化碳、靛基质、硫化氢以及糖、蛋白质等分解代谢产物，和毒素、侵袭性酶、热 原质、色 素、抗生素、细菌素、维生素等合成代谢产物，在医学上有重要意义。
 

   1.与致病有关的代谢产物
 

   （1）毒素：病原菌在代谢过程中合成对机体有毒性作用的物质，有内毒素和外毒素两种。内毒素是革兰阴性菌细菌壁中的LPS，菌体死亡或裂解后才能释放出来；外毒素多数是革兰阳性菌、少数是革兰阴性菌在代谢过程中合成分泌到菌体外的毒性蛋白质。
 

   （2）侵袭性酶：某些病原菌产生损伤机体组织或保护细菌不被吞噬细胞吞噬的胞外酶。如金黄色葡萄球菌产生的血浆凝固酶、化脓性链球菌产生的透明质酸酶等，促进细菌的侵袭和扩散，是细菌主要致病物质之一。
 

   （3）热原质：大多数革兰阴性菌、少数革兰阳性菌合成致机体发热的多糖物质。革兰阴性菌的热原质就是细胞壁中的LPS。热原质耐热，不被高压蒸气灭菌所破坏，须经 250℃干烤或离子交换剂吸附或特殊石棉滤板过滤等方法除去。
 

   2.与治疗有关的代谢产物
 

   （1）抗生素：某些微生物在代谢过程中合成一类能抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的物质，但临床应用的多数抗生素是由放线菌和真菌产生的，只有多粘菌素、杆菌肽是由细菌产生的。
 

   （2）维生素：某些细菌能合成一些维生素，除了供自身代谢的所需外，还能分泌到菌体外供人体吸收利用。如大肠埃希菌（简称大肠杆菌）在肠道内能合成维生素B6、维 生素B12、维生素K等。
 

   3.与鉴别细菌有关的代谢产物
 

   （1）色素：某些细菌（或真菌）在一定条件下可产生色素，对细菌色素的功能尚不清楚，但可用于细菌鉴别。如铜绿假单胞菌（绿脓杆菌）产生的水溶性绿色色素使培养基或感染的脓汁呈绿色，而金黄色葡萄球菌产生的脂溶性金黄色色素只使菌落显色。
 

   （2）细菌素：某些细菌产生的仅对近缘菌株有抗菌作用的蛋白质。因其具有种和型的特异性，故多用于细菌的分型鉴定和流行病学调查。
 

   （3）糖的分解产物：主要的糖分解产物有酸、醛 、醇 、酮 和气体等。不同细菌对糖的分解能力和代谢产物不同，故借糖发酵试验可对细菌进行生物化学鉴定，如大肠杆菌分解葡萄糖和乳糖，产酸产气，以“⊕”表 示；而伤寒沙门菌（伤寒杆菌）和痢疾志贺菌分解葡萄糖产酸不产气，以“+”表 示；不分解乳糖，以“ -”表 示。甲基红（M）试 验和V-P试验也可用于检测细菌分解糖的能力。
 

   （4）蛋白质的分解产物：不同细菌分解蛋白质和氨基酸的能力不同，某些细菌可分解培养基中特殊氨基酸而产生某些特殊代谢产物，亦可借此鉴别细菌种类。如大肠杆菌含色氨酸酶，能分解色氨酸产生靛基质，加 入对二甲基氨基苯甲醛试剂后形成玫瑰红色，为靛基质试验阳性；而产气杆菌无色氨酸酶，靛基质试验阴性。乙型副伤寒杆菌、变形杆菌含胱氨酸酶，能分解含硫氨基酸产生硫化氢（H2S），加入硫酸亚铁或醋酸铅等化合物后可形成黑色的硫化亚铁或硫化铅沉淀，为硫化氢试验阳性；而痢疾杆菌无胱氨酸酶，硫化氢试验阴性。