第一篇 細菌學第1章 細菌的形態與結構 細菌（bacterium）是屬原核生物界（prokaryotae）的一種單細胞微生物，有廣義和狹義兩種范疇。廣義上泛指各類原核細胞型微生物，包括細菌、放線菌、支原體、衣原體、立克次體、螺旋體。狹義上則專指其中數量最大、種類最多、具有典型代表性的細菌，是本章討論的對象。它們形體微小，結構簡單，具有細胞壁和原始核質，無核仁和核膜，除核糖體外無其他細胞器。 了解細菌的形態和結構對研究細菌的生理活動、致病性和免疫性，以及鑒別細菌、診斷疾病和防治細菌性感染等均有重要的理論和實際意義。a第一節 細菌的大小與形態 觀察 細菌最常用的儀器是光學顯微鏡 ，其大小可以用測微尺在顯微鏡下進行測量，一般以微米（m）為單位。不同種類的細菌大小不一，同一種細菌也因菌齡和環境因素的影響而有差異。 細菌按其外形，主要有球菌、桿菌和螺形菌三大類（圖1-1）。 圖1-1 球菌 多數球菌（coccus）直徑在1m左右，外觀呈圓球形或近似球形。由于繁殖時細菌分裂平面不同和分裂后菌體之間相互粘附程度不一，可形成不同的排列方式，這對一些球菌的鑒別頗有意義。 1雙球菌（diplococcus） 在一個平面上分裂，分裂后兩個菌體成對排列，如腦膜炎奈瑟菌、肺炎鏈球菌。 2鏈球菌（streptococcus） 在一個平面上分裂，分裂后多個菌體粘連成鏈狀，如乙型溶血性鏈球菌。 3葡萄球菌（staphylococcus） 在多個不規則的平面上分裂，分裂后菌體無一定規則地粘連在一起似葡萄狀，如金黃色葡萄球菌。 4四聯球菌（tetrads） 在兩個互相垂直的平面上分裂 ， 分裂后四個菌體粘附在一起呈正方形，如 四聯加夫基菌。 5八疊球菌（sarcina) 在三個互相垂直的平面上分裂， 分裂后八個菌體粘附成包裹狀立方體， 如藤黃八疊球菌 各類球菌在標本或培養物中除上述的典型排列方式外，還可有分散的單個菌體存在。桿菌 不同桿 菌（bacillus）的大小、長短、粗細很不一致。 大的桿菌如炭疽芽胞桿菌長310m，中等的如大腸埃希菌長23m，小的如布魯菌長僅 0.61.5m。桿菌形態多數呈直桿狀，也有的菌體稍彎；多數呈分散存在，也有的呈鏈狀排列，稱為鏈桿菌（streptobacillus）；菌體兩端大多呈鈍圓形，少數兩端平齊（如炭疽芽胞桿菌）或兩端尖細（如梭桿菌）。有的桿菌末端膨大成棒狀，稱為棒狀桿菌（corynebacterium）；有的菌體短小，近于橢圓形，稱為球桿菌（coccobacillus）；有的常呈分支生長趨勢，稱為分枝桿菌（mycobacterium）；有的末端常呈分叉狀，稱為雙歧桿菌（bifidobacterium）。 螺形菌 螺形菌（spiral bacterium）菌體彎曲，有的菌體長23m，只有一個彎曲，呈弧形或逗點狀稱為弧菌（vibrio), 如霍亂弧菌；有的菌體長36m，有數個彎曲稱為螺菌（spirillum), 如鼠咬熱螺菌；也有的菌體細長彎曲呈弧形或螺旋形，稱為螺桿菌（helicobacterium），如幽門螺桿菌。 細菌的形態受溫度、pH 、培養基成分和培養時間等因素影響很大。一般是細菌在適宜的生長條件下培養818d時形態比較典型， 在不利環境或菌齡老時常出現梨形、氣球狀和絲狀等不規則的多形性（polymorphism），稱為衰退型（involution form）。因此，觀察細菌的大小和形態，應選擇適宜生長條件下的對數期為宜。第二節 細菌的結構 細菌雖小，仍具有一定的細胞結構（圖1-2）和功能。細胞壁、細胞膜、細胞質和核質等各種細菌都有，是細菌的基本結構；莢膜、鞭毛、菌毛、芽胞僅某些細菌具有，為其特殊結構。圖1-2一、 細菌的基本結構 細胞壁 細胞壁（cell wall）位于菌細胞的最外層，包繞在細胞膜的周圍。是一種膜狀結構， 組成較復雜， 并隨不同細菌而異。 用革蘭染色法可將細菌分為兩大類，即革蘭陽性菌和革蘭陰性菌。兩類細菌細胞壁的共有組分為肽聚糖，但各自有其特殊組分。1肽聚糖（peptidoglycan） 肽聚糖是一類復雜的多聚體，是細菌細胞壁中的主要組分，為原核細胞所特有，又稱為粘肽（mucopeptide）、糖肽（glycopeptide）或胞壁質（murein）。革蘭陽性菌的肽聚糖由聚糖骨架、四肽側鏈和五肽交聯橋三部分組成（圖1-3），革蘭陰性菌的肽聚糖僅由聚糖骨架和四肽側鏈兩部分組成（圖1-4）。圖1-3圖1-4 聚糖骨架由N-乙酰葡糖胺（N-acetyl glucosamine）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）交替間隔排列，經-1，4糖苷鍵聯結而成。各種細菌細胞壁的聚糖骨架均相同。 四肽側鏈的組成和聯結方式隨菌不同而異。如葡萄球菌（革蘭陽性菌）細胞壁的四肽側鏈的氨基酸依次為L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-賴氨酸和D-丙氨酸；第三位的L-賴氨酸通過由五個甘氨酸組成的交聯橋連接到相鄰聚糖骨架四肽側鏈末端的D-丙氨酸上，從而構成機械強度十分堅韌的三維立體結構。在大腸埃希菌（革蘭陰性菌）的四肽側鏈中，第三位氨基酸是二氨基庚二酸（diaminopimelic acid，DAP），并由DAP與相鄰四肽側鏈末端的D-丙氨酸直接連接，沒有五肽交聯橋，因而只形成單層平面網絡的二維結構。其他細菌的四肽側鏈中第三位氨基酸變化最大，大多數革蘭陰性菌為DAP，而革蘭陽性菌可以是DAP、L-賴氨酸或其他L-氨基酸。 2革蘭陽性菌細胞壁特殊組分 革蘭陽性菌的細胞壁較厚（2080nm），除含有1550層肽聚糖結構外，大多數尚含有大量的磷壁酸（teichoic acid），少數是磷壁醛酸（teichuroic acid），約占細胞壁干重的50%（圖1-5）。圖1-5 磷壁酸是由核糖醇(ribitol)或甘油殘基經磷酸二酯鍵互相連接而成的多聚物，其結構中少數基團被氨基酸或糖所取代，多個磷壁酸分子組成長鏈穿插于肽聚糖層中。按其結合部位不同，分為壁磷壁酸（wall teichoic acid）和膜磷壁酸（membrane teichoic acid）兩種。前者的一端通過磷脂與肽聚糖上的胞壁酸共價結合，另端伸出細胞壁游離于外。膜磷壁酸，或稱脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA）,一端與細胞膜外層上的糖脂共價結合，另端穿越肽聚糖層伸出細胞壁表面呈游離狀態。磷壁醛酸與磷壁酸相似，僅其結構中以糖醛酸代替磷酸。此外，某些革蘭陽性菌細胞壁表面尚有一些特殊的表面蛋白質，如金黃色葡萄球菌的蛋白， A群鏈球菌的M蛋白等。3革蘭陰性菌細胞壁特殊組分革蘭陰性菌細胞壁較薄（1015nm），但結構較復雜。除含有12層的肽聚糖結構外，尚有其特殊組分外膜（outer membrane），約占細胞壁干重的80%（圖1-6）。圖1-6外膜由脂蛋白、脂質雙層和脂多糖三部分組成。脂蛋白位于肽聚糖層和脂質雙層之間，其蛋白質部分與肽聚糖側鏈的二氨基庚二酸相連，其脂質成分與脂質雙層非共價結合，使外膜和肽聚糖層構成一個整體。脂質雙層的結構類似細胞膜，雙層內鑲嵌著多種蛋白質稱為外膜蛋白（outer membrane protein，OMP），其中有的為孔蛋白（porin），如大腸桿埃希的OmpF、OmpC，允許水溶性分子（分子量600）通過；有的為誘導性或去阻遏蛋白質，參與特殊物質的擴散過程；有的為噬菌體、性菌毛或細菌素的受體。由脂質雙層向細胞外伸出的是脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）。LPS由脂質A、核心多糖和特異多糖三部分組成，即革蘭陰性菌的內毒素（endotoxin）。（1）脂質A（lipid A） 為一種糖磷脂，由1，6-糖苷鍵相聯的D-氨基葡萄糖雙糖組成的基本骨架，雙糖骨架的游離羥基和氨基可攜帶多種長鏈脂肪酸和磷酸基團。不同種屬細菌的脂質A骨架基本一致，其主要差別是脂肪酸的種類和磷酸基團的取代不盡相同，其中-羥基豆蔻酸是腸道菌所共有的。脂質A是內毒素的毒性和生物學活性的主要組分，無種屬特異性，故不同細菌產生的內毒素的毒性作用均相似。（2）核心多糖（core polysaccharide） 位于脂質A的外層，由己糖（葡萄糖、半乳糖等）、庚糖、2-酮基-3-脫氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid，KDO）、磷酸乙醇胺等組成。經KDO與脂質A共價聯結。核心多糖有屬特異性，同一屬細菌的核心多糖相同。（3）特異多糖（specific polysaccharide） 是脂多糖的最外層，由數個至數十個低聚糖（35個單糖）重復單位所構成的多糖鏈。特異多糖即革蘭陰性菌的菌體抗原（O抗原），具有種特異性，因其多糖中單糖的種類、位置、排列和空間構型各不相同所致。特異多糖的缺失，細菌從光滑（smooth，S）型變為粗糙（rough，R）型。另外，少數革蘭陰性菌（腦膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血桿菌）的LPS結構不典型，其外膜糖脂含有短鏈分枝狀聚糖組分（與粗糙型腸道菌的LPS相似），稱為脂寡糖（lipooligosaccharide，LOS）。它與哺乳動物細胞膜的鞘糖脂成分非常相似，從而使這些細菌逃避宿主免疫細胞的識別。LOS作為重要的毒力因子受到關注。在革蘭陰性菌的細胞膜和外膜的脂質雙層之間有一空隙，約占細胞體積的20%40%，稱為周漿間隙（periplasmic space）。該間隙含有多種蛋白酶、核酸酶、解毒酶及特殊結合蛋白，在細菌獲得營養、解除有害物質毒性等方面有重要作用。-內酰胺抗生素是指其結構中含有-內酰胺環的一類抗生素,包括青霉素類和頭孢菌素類，由于其抑制細胞壁肽聚糖的合成而達到殺菌作用。細菌產生的-內酰胺酶（-lactamase, BLA)可以特異性地打開藥物分子結構中的-內酰胺環，使其完全失去活性。一般是革蘭陽性菌的BLA為胞外酶，革蘭陰性菌的BLA位于周漿間隙內，BLA的產生可以由細菌染色體編碼，也可以由質粒編碼。20世紀90年代以來，應用Bush-Jocoby-Medeiros（簡稱Bush法）分類法，即根據該酶來源，分子 生物學特征，底物譜和抑制物敏感性等，將細菌的BLA 分為四大類。近年來，在克雷伯菌、大腸埃希菌、腸桿菌等革蘭陰性菌中又出現了新的BLA突變體，擴大了原來的底物譜，可以水解青霉素類，一、二、三代頭孢菌素和單環類抗生素（氨曲南），稱其為超廣譜-內酰胺酶（extended spectrum -lactamase, ESBL) 。-內酰胺酶介導的耐藥性是細菌耐藥機制研究的重要內容，也是抗生素不斷改造的理論基礎。革蘭陽性和陰性菌細胞壁結構顯著不同（表1-1），導致這兩類細菌在染色性、抗原性、致病性及對藥物的敏感性等方面的很大差異。表1-1 革蘭陽性菌與陰性菌細胞壁結構比較 細胞壁 革蘭陽性菌 革蘭陰性菌 強度 較堅韌 較疏松厚度 2080nm 1015nm肽聚糖層數 可多達50層 12層 肽聚糖含量 占細胞壁干重50%80% 占細胞壁干重5%20% 糖類含量 約45% 15%20%脂類含量 1%4% 11%22% 磷壁酸 + 外膜 + 4細胞壁的功能 細菌 細胞壁堅韌而富彈性，其主要功能維持菌體固有的形態，并保護細菌抵抗低滲環境。細菌細胞質內有高濃度的無機鹽和大分子營養物質，其滲透壓高達525個大氣壓。由于細胞壁的保護作用，使細菌能承受內部巨大的滲透壓而不會破裂，并能在相對低滲的環境下生存。細胞壁上有許多小孔，參與菌體內外的物質交換。 菌體表面帶有多種抗原表位，可以誘發機體的免疫應答。革蘭陽性菌的磷壁酸是重要表面抗原，與血清型分類有關。它帶有較多的負電荷，能與Mg2+等雙價離子結合，有助于維持菌體內離子的平衡。磷壁酸還可起到穩定和加強細胞壁的作用。乙型溶血性鏈球菌表面的M蛋白與LTA結合在細菌表面形成微纖維（microfibrils），后者介導菌體與宿主細胞的粘附，是其致病因素之一。革蘭陰性菌的外膜是一種有效的屏障結構，使細菌不易受到機體的體液殺菌物質、腸道的膽鹽及消化酶等的作用；還可阻止某些抗生素的進入，成為細菌耐藥的機制之一。LPS（內毒素）是革蘭陰性菌重要的致病物質，使機體發熱，白細胞增多，直至休克死亡。另一 方面LPS也可增強機體非特異性抵抗力，并有抗腫瘤等有益作用。外膜是革蘭陰性菌的重要結構，其屏障功能改變介導的耐藥性包括外膜通透性降低和主動外排（泵出）兩種機制。革蘭陰性菌的外膜是抗生素與細菌接觸的第一道防線，外膜屏障作用是由孔蛋白所決定。大腸桿菌有兩種主要的孔蛋白，OmpF 和OmpC，正常情況下的孔徑分別為1.16nm和1.08nm，為親水性抗菌藥物的通道。抗菌藥物分子越大，所帶負電荷越多，疏水性越強則不易通過細菌外膜。細菌發生突變可以造成孔蛋白的丟失或降低其表達，均會影響藥物從細胞外向細胞內的運輸，使抗生素不能達到作用靶位而發揮抗菌效能。銅綠假單胞菌外膜對抗生素的通透性比其他革蘭陰性菌差，是該菌對多種抗生素天然耐藥的原因之一。 革蘭陽性和陰性菌對四環素耐藥主要由于細胞膜存在能量依賴性泵出系統，使菌體內藥物量減少，此種泵出系統由Tet膜蛋白介導。這種抗生素的泵出系統也見于氯霉素、紅霉素和喹諾酮類藥物耐藥菌。 5細菌細胞壁缺陷型（細菌L型） 細菌細胞壁的肽聚糖結構受到理化或生物因素的直接破壞或合成被抑制，這種細胞壁受損的細菌一般在普通環境中不能耐受菌體內的高滲透壓而將會脹裂死亡。但在高滲環境下，它們仍可存活。 革蘭陽性菌細胞壁缺失后， 原生質僅被一層細胞膜包住，稱為原生質體（protoplast）；革蘭陰性菌肽聚糖層受損后尚有外膜保護，稱為原生質球（spheroplast）。這種細胞壁受損的細菌能夠生長和分裂者稱為細菌細胞壁缺陷型或L型（bacterial L form）， 因1935年klieneberger首先在Lister研究院發現而得名。 細菌L型在體內或體外、人工誘導或自然情況下均可形成，誘發因素很多，如溶菌酶（lysozyme）和溶葡萄球菌素（lysostaphin）、青霉素、膽汁、抗體、補體等。 細菌L型的形態因缺失細胞壁而呈高度多形性，大小不一，有球形、桿狀和絲狀等（圖1-7）。著色不勻，無論其原為革蘭陽性或陰性菌，形成L型大多染成革蘭陰性。細菌L型難以培養，其營養要求基本與原菌相似，但需在高滲低瓊脂含血清的培養基中生長，即必須補充3%5%NaCl、10%20%蔗糖或7%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等穩定劑，以提高培養基的滲透壓。同時還需加10%20%人或馬血清。制備固體培養基時，可在液體培養基中加入0.8%1.0%的少量瓊脂，使L型在生長時可以瓊脂為支架。細菌L型生長繁殖較原菌緩慢，一般培養27d后在軟瓊脂平板上形成中間較厚、四周較薄的荷包蛋樣細小菌落，也有的長成顆粒狀或絲狀菌落（圖1-8）。L型在液體培養基中生長后呈較疏松的絮狀顆粒，沉于管底，培養液則澄清。去除誘發因素后，有些L型可回復為原菌，有些則不能回復，其決定因素為L型是否含有殘存的肽聚糖作為自身再合成的引物。圖1-7圖1-8 某些L型仍有一定的致病力，通常引起慢性感染，如尿路感染、骨髓炎、心內膜炎等，并常在使用作用于細胞壁的抗菌藥物（-內酰胺類抗生素等）治療過程中發生。臨床上遇有癥狀明顯而標本常規細菌培養陰性者，應考慮細菌L型感染的可能性，宜作L型的專門分離培養， 并更換抗菌藥物。 溶菌酶和青霉素是細菌L型最常用的人工誘導劑。 溶菌酶和溶葡萄球菌素作用相同，能裂解肽聚糖中N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的-1，4糖苷鍵，破壞聚糖骨架，引起細菌裂解。青霉素能與細菌競爭合成肽聚糖過程中所需的轉肽酶， 抑制四肽側鏈上D-丙氨酸與五肽橋之間的聯結， 使細菌不能合成完整的肽聚糖， 在一般滲透壓環境中，可導致細菌死亡。在高滲情況下，這些細胞壁缺陷的L型仍可活存。革蘭陽性菌細胞壁缺陷形成的原生質體，由于菌體內滲透壓很高，可達20 25個大氣壓，故在普通培養基中很容易脹裂死亡，必須保存在高滲環境中。革蘭陰性菌細胞壁中肽聚糖含量較少，菌體內的滲透壓（5 6個大氣壓）亦比革蘭陽性菌低，細胞壁缺陷形成的原生質球在低滲環境中仍有一定的抵抗力。 細胞膜 細胞膜（cell membrane）或稱胞質膜（cytoplasmic membrane），位于細胞壁內側，緊包著細胞質。厚約7.5nm，柔韌致密，富有彈性，占細胞干重的10%30%。細菌細胞膜的結構與真核細胞者基本相同，由磷脂和多種蛋白質組成，但不含膽固醇。 細菌細胞膜是細菌賴以生存的重要結構之一，其功能也與真核細胞者類似，主要有物質轉運、生物合成、分泌和呼吸等作用。 細菌細胞膜可形成一種特有的結構，稱為中介體（mesosome）。是部分細胞膜內陷、折疊、卷曲形成的囊狀物，多見于革蘭陽性細菌（圖1-9）。中介體常位于菌體側面（側中介體）或靠近中部（橫膈中介體），可有一個或多個。中介體一端連在細胞膜上，另一端與核質相連，細胞分裂時中介體亦一分為二，各攜一套核質進入子代細胞，有類似真核細胞紡錘絲的作用。中介體的形成，有效地擴大了細胞膜面積，相應地增加了酶的含量和能量的產生，其功能類似于真核細胞的線粒體，故亦稱為擬線粒體（chondroid）。圖1-9 -內酰胺抗生素越過細胞壁后，與細胞膜上的一組蛋白質共價結合， 稱其為青霉素結合蛋白（penecillin-binding proteins，PBP）。 這類蛋白質參與細胞壁肽聚糖的合成， 為青霉素作用的主要生化靶。PBP與青霉素結合后即可 使其酶功能受抑制，影響到細胞壁中肽聚糖的合成。 將菌細胞膜提取物與14C-青霉素一起孵育， 然后經過SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳和放射自顯影可以檢測PBP, 并進行定量。 對于某一種細菌， PBP的排列以其分子量從大到小為順序。 分類學上相關的細菌具有相似的PBP譜。PBP分為兩大類， 一類為低分子量PBP ， 主要與DD-羧肽酶活性有關， 影響細胞的分裂和形態改變， 對細菌生存似乎不是必需的。 另一類為高分子量 PBP， 具有轉肽酶和轉糖基酶活性， 對細菌的存活是必需的。 大腸埃希菌有7種PBP， 金黃色葡萄球菌有4種PBP 。 PBP 改變可以導致細菌對-內酰胺抗生素的耐藥性， 在革蘭陽性菌比較突出。 耐藥菌的某些 PBP發生改變， 降低了對-內酰胺抗生素的親和力； 或獲得另外一種低親和力的PBP, 低親和力的PBP代替正常 PBP起作用， 完成細胞壁的合成。 耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) 就屬于后一種耐藥機制， 該菌產生一種新的低親和力的 PBP2 代替正常 PBP2行使功能。 細胞質 細胞膜包裹的溶膠狀物質為細胞質（cytoplasm）或稱原生質（protoplasm），由水、蛋白質、脂類、核酸及少量糖和無機鹽組成，其中含有許多重要結構。 1核糖體（ribosome） 核糖體是細菌合成蛋白質的場所，游離存在于細胞質中，每個細菌體內可達數萬個。細菌核糖體沉降系數為70S，由50S和30S兩個亞基組成，以大腸埃希菌為例，其化學組成66%是RNA（包括23S、16S和5S rRNA），34%為蛋白質。核糖體常與正在轉錄的mRNA相連呈“串珠”狀，稱多聚核糖體（polysome），使轉錄和轉譯偶聯在一起。在生長活躍的細菌體內，幾乎所有的核糖體都以多聚核糖體的形式存在。 真核生物的核糖體與細菌者不同，有些抗生素如鏈霉素或紅霉素能分別與細菌核糖體的30S亞基或50S亞基結合，干擾其蛋白質合成，從而殺死細菌；但這些藥物對人類的核糖體則無作用。 2質粒（plasmid） 質粒是染色體外的遺傳物質，存在于細胞質中。 為閉合環狀的雙鏈DNA，帶有遺傳信息，控制細菌某些特定的遺傳性狀。質粒能獨立自行復制，隨細菌分裂轉移到子代細胞中。質粒不是細菌生長所必不可少的，失去質粒的細菌仍能正常存活。質粒除決定該菌自身的某種性狀外，還可通過接合或轉導作用等將有關性狀傳遞給另一細菌。質粒編碼的細菌性狀有菌毛、細菌素、毒素和耐藥性的產生等。 3胞質顆粒 細菌細胞質中含有多種顆粒，大多為貯藏的營養物質，包括糖原、淀粉等多糖、脂類、磷酸鹽等。胞質顆粒又稱為內含物 （inclusion），不是細菌的恒定結構，不同菌有不同的胞質顆粒，同一菌在不同環境或生長期亦可不同。當營養充足時，胞質顆粒較多；養料和能源短缺時，動用貯備，顆粒減少甚至消失。胞質顆粒中有一種主要成分是RNA和多 偏磷酸鹽（polymetaphosphate）的顆粒，其嗜堿性強，用亞甲藍染色時著色較深呈紫色，稱為異染顆粒（metachromatic granule）或紆回體（volutin）。 異染顆粒常見于白喉棒狀桿菌，位于菌體兩端， 故又稱極體（polar body）， 有助于鑒定。 核質 細菌是原核細胞，不具成形的核。細菌的遺傳物質稱為核質（nuclear material）或擬核（nucleoid），集中于細胞質的某一區域，多在菌體中央，無核膜、核仁和有絲分裂器；因其功能與真核細胞的染色體相似，故習慣上亦稱之為細菌的染色體（chromosome）。 細菌核質為單倍體，細胞分裂時可有完全相同的多拷貝。核質由單一密閉環狀DNA分子反復回旋卷曲盤繞組成松散網狀結構。 電鏡支持膜上直接溫和裂菌觀察， 顯示有類似于真核細胞染色質的串珠樣結構。核質的化學組成除DNA外，還有小量的RNA（以RNA多聚酶形式）和組蛋白樣的蛋白質（histone-like proteins）。細菌經RNA酶或酸將RNA水解，再用Feulgen法染色，光學顯微鏡下可看到著染的核質，形態多呈球形、棒狀或啞鈴狀。大腸埃希菌的核質分子量約3 10 9 ，伸展后長度可達1.1mm，含4.710 6 堿基，可以有30005000個基因。 細菌的染色體（核質）為一個共價閉合環狀雙鏈DNA 分子， 由兩股方向相反的DNA 多聚鏈呈右手雙螺旋結構。 細菌染色體DNA的超螺旋依賴于一類拓撲異構酶（topoisomerase),其中所有細菌共有的一種酶為旋轉酶 (gyrase)。氟哌酸、 環丙沙星等喹諾酮類藥物就是通過與旋轉酶結合而抑制細菌繁殖的。 細菌的染色體與真核細胞 者相比， 有兩個顯著的不同： 一是前者的DNA量要小得多， 其序列的組織性也就簡單得多。 二是除了RNA基因通常是多拷貝， 以便裝備大量的核糖體滿足細菌的 迅速生長繁殖外， 細菌絕大多數的蛋白質基因保持單拷貝形式， 很少有重復序列。二、細菌的特殊結構莢膜 某些細菌在其細胞壁外包繞一層粘液性物質，為疏水性多糖或蛋白質的多聚體，用理化方法去除后并不影響菌細胞的生命活動。凡粘液性物質牢固地與細胞壁結合，厚度0.2m ，邊界明顯者稱為莢膜（capsule）或大莢膜（macrocapsule）（圖1-10）。厚度0.2m者稱為微莢膜（microcapsule），傷寒沙門菌的Vi抗原，以及大腸埃希菌的K抗原等屬之。若粘液性物質疏松地附著于菌細胞表面，邊界不明顯且易被洗脫者稱為粘液層（slime layer）。介于莢膜和粘液層之間的結構稱為糖萼（glycocalyx），由多糖或糖蛋白組成，是從菌體伸出的疏松纖維網狀結構。圖1-10 1莢膜的化學組成 大多數細菌的莢膜是多糖，炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶氏菌等少數菌的莢膜為多肽。莢膜多糖為高度水合分子，含水量95%以上，與菌細胞表面的磷脂或脂質A共價結合。多糖分子組成和構型的多樣化使其結構極為復雜，成為血清學分型的基礎。例如肺炎鏈球菌的莢膜多糖物質的抗原至少可分成85個血清型。莢膜與同型抗血清結合發生反應后即逐漸增大，出現莢膜腫脹反應，可藉此將細菌定型。莢膜的形成需要能量，與環境條件有密切關系。一般在動物體內或含有血清或糖的培養基中容易形成莢膜，在普通培養基上或連續傳代則易消失。有莢膜的細菌在固體培養基上形成粘液（M）型或光滑（S）型菌落，失去莢膜后其菌落變為粗糙（R）型。 莢膜對一般堿性染料親和力低，不易著色，普通染色只能見到菌體周圍有未著色的透明圈。如用墨汁作負染色，則莢膜顯現更為清楚。用特殊染色法可將莢膜染成與菌體不同的顏色。分子遺傳學研究證明編碼莢膜多糖的基因簇（capsule gene cluster）位于細菌染色體上，報道較多的是大腸埃希菌和肺炎鏈球菌。大腸埃希菌有80多種K抗原，依據其生物學和化學特性不同分為三個群（group），I群K抗原又分為Ia群（不含氨基糖）和Ib群（含氨基糖）。Ia群K抗原位于染色體his基因近端靠近rfb基因簇處；編碼群或群K抗原的基因簇位于染色體serA位點附近，其中心部位為血清型特異性編碼區域。不同菌屬間莢膜基因簇的組成有顯著的相似性，與大腸埃希菌比較，已克隆的I群樣（group I like）莢膜基因簇有肺炎克雷伯菌、解淀粉歐文菌，群樣（group II like）莢膜基因簇有流感嗜血桿菌b型、B群腦膜炎奈瑟菌、傷寒沙門菌的Vi抗原。 2 莢膜的功能 莢膜和微莢膜具有相同的功能。 (1) 抗吞噬作用：莢膜具有抵抗宿主吞噬細胞的作用，因而莢膜是病原菌的重要毒力因子。例如肺炎鏈球菌，有莢膜株數個菌就可使實驗小鼠致死，無莢膜株則高達上億個菌才能使小鼠死亡。吞噬現象有兩種類型，一為表面吞噬（surface phagocytosis），另一為調理素介導的吞噬（opsonin-mediated phagocytosis）。表面吞噬是吞噬細胞直接攝取細菌等顆粒性異物，被吞菌并不被IgG抗體和活化的補體組分C3b包被。這種吞噬的強弱與被吞顆粒表面的理化性質關系極大。顆粒表面的疏水性與表面吞噬的強度密切相關，菌體表面越疏水，細菌抗吞噬作用越差。莢膜多糖親水且帶負電荷，故能阻滯表面吞噬活性。由調理素介導的吞噬，其吞噬效率大大超過表面吞噬。莢膜在菌細胞表面的空間占位和屏障作用，阻止補體組分C3b的沉積，并遮蔽了細菌激活補體旁路途徑的表面結構，從而抵抗補體介導的殺傷作用。此外，大腸桿菌K1和B群腦膜炎奈瑟菌的莢膜多糖含有NeuNAc組分，大腸埃希菌K5抗原含有脫硫肝素(desulfoheparin)組分，而宿主的組織多糖也有與上述結構相似的組分，故這類莢膜的免疫原性低弱，感染后機體產生抗體量亦少，可能是這些細菌具有致病性的重要原因。(2）粘附作用：莢膜多糖可使細菌彼此之間粘連，也可粘附于組織細胞或無生命物體表面，形成生物膜（biofilm），是引起感染的重要因素。變異鏈球菌（S. mutans）依靠莢膜將其固定在牙齒表面，利用口腔中的蔗糖產生大量的乳酸，積聚在附著部位，導致牙齒琺瑯質的破壞，形成齲齒。莢膜菌株在住院病人的各種導管內粘附定居，是院內感染發生的重要因素。 (3) 抗有害物質的損傷作用：莢膜處于菌細胞的最外層，有保護菌體避免和減少受溶菌酶、補體、抗菌抗體、抗菌藥物等有害物質的損傷作用。 鞭毛 許多細菌，包括所有的弧菌和螺菌，約半數的桿菌和個別球菌，在菌體上附有細長并呈波狀彎曲的絲狀物，少僅12根，多者達數百。這些絲狀物稱為鞭毛（flagellum），是細菌的運動器官。鞭毛長520m，直徑1230nm，需用電子顯微鏡觀察（圖1-11），或經特殊染色法使鞭毛增粗后才能在普通光學顯微鏡下看到（圖1-12）。圖1-11圖1-12 根據鞭毛的數量和部位，可將鞭毛菌分成4類（圖1-13）。 單毛菌（monotrichate）：只有一根鞭毛，位于菌體一端，如霍亂弧菌； 雙毛菌（amphitrichate）：菌體兩端各有一根鞭毛，如空腸彎曲菌； 叢毛菌（lophotrichate）：菌體一端或兩端有一叢鞭毛，如銅綠假單胞菌； 周毛菌（peritrichate）：菌體周身遍布許多鞭毛，如傷寒沙門菌。圖1-13 1鞭毛的結構 鞭毛自細胞膜長出，游離于菌細胞外，由基礎小體、鉤狀體和絲狀體三個部分組成（圖1-14）。圖1-14 （1）基礎小體（basal body）：位于鞭毛根部，嵌在細胞壁和細胞膜中。革蘭陰性菌鞭毛的基礎小體由一根圓柱、兩對同心環和輸出裝置組成。其中，一對是M（membrane）環和S（supramembrane）環，附著在細胞膜上；另一對是P（peptidoglycan）環和L（lipopolysaccharide）環，附著在細胞壁的肽聚糖和外膜的脂多糖上。基礎小體的基底部是鞭毛的輸出裝置（export apparatus），位于細胞膜內面的細胞質內。 基底部圓柱體周圍的發動器（motor）為鞭毛運動提供能量， 近旁的開關（switch）決定鞭毛轉動的方向。革蘭陽性菌的細胞壁無外膜，其鞭毛只有M、S一對同心環。 （2）鉤狀體（hook）：位于鞭毛伸出菌體之處，呈約90的鉤狀彎曲。鞭毛由此轉彎向外伸出，成為絲狀體。 （3）絲狀體（filament）：呈纖絲狀，伸出于菌體外，由鞭毛蛋白（flagellin）緊密排列并纏繞而成的中空管狀結構。絲狀體的作用猶如船舶或飛機的螺旋槳推進器。鞭毛蛋白是一種彈力纖維蛋白，其氨基酸組成與骨骼肌中的肌動蛋白相似，可能與鞭毛的運動有關。 鞭毛是從尖端生長，在菌體內形成的鞭毛蛋白分子不斷地添加到鞭毛的末端。若用機械方法去除鞭毛，新的鞭毛很快合成，36分鐘內恢復動力。各菌種的鞭毛蛋白結構不同，具有高度的抗原性，稱為鞭毛（H）抗原。2鞭毛的功能 具有鞭毛的細菌在液體環境中能自由游動，速度迅速，如單鞭毛的霍亂弧菌每秒移動可達55m，周毛菌移動較慢，每秒2530m。細菌的運動有化學趨向性，常向營養物質處前進，而逃離有害物質。有些細菌的鞭毛與致病性有關。例如霍亂弧菌、空腸彎曲菌等通過活潑的鞭毛運動穿透小腸粘膜表面覆蓋的粘液層，使菌體粘附于腸粘膜上皮細胞，產生毒性物質導致病變的發生。根據鞭毛菌的動力和鞭毛的抗原性，可用以鑒定細菌和進行細菌分類。細菌是由鞭毛發動器將跨膜質子梯度中貯存的化學能轉變為鞭毛轉動所需的能量，周漿間隙中的質子（H+）通過鞭毛發動器流入細胞質內。有少數細菌能利用鈉離子梯度供給鞭毛轉動的能量。在這個過程中，由跨膜質子梯度或鈉離子梯度構成質子動力（proton motive force）。鞭毛發動器能夠順時鐘或逆時鐘方向轉動，從而決定細菌游動的方向。當發動器逆時鐘方向轉動時，鞭毛的絲狀體結合成一束拖在菌體后，推動細菌向前進（run）；若發動器呈順時鐘方向轉動，束狀絲狀體松開，細菌停頓或向相反方向游動（tumble）。平時，細菌以這兩種方式交替游動，稱為隨意移動（random walk）。細菌的運動具有方向性，受環境因素的影響極大。菌細胞膜上有眾多的特異信號受體（signal receptor），能接受不同的理化和生物學刺激而作出相應反應。例如大腸埃希菌細胞膜上的特異性糖結合受體，既能察覺化學趨化信號，也參與該物質的運輸。如果遇到吸引性刺激時，細菌就會暫時性抑制發動器的順時鐘方向轉動，使菌體向吸引物移動；反之， 遇到有害物質時， 也會增強發動器的順時鐘方向轉動，于是細菌背離有害物運動以保存自己。菌毛 許多革蘭陰性菌和少數革蘭陽性菌菌體表面存在著一種比鞭毛更細、更短而直硬的絲狀物，與細菌的運動無關，稱為菌毛（pilus或fimbriae）。菌毛由結構蛋白亞單位菌毛蛋白（pilin）組成，呈螺旋狀排列成圓柱體，新形成的菌毛蛋白分子插入菌毛的基底部。菌毛蛋白具有抗原性，其編碼基因位于細菌的染色體或質粒上。菌毛在普通光學顯微鏡下看不到，必須用電子顯微鏡觀察（圖1-15）。圖1-15根據功能不同，菌毛可分為普通菌毛和性菌毛兩類。 1普通菌毛（ordinary pilus） 長0.22m，直徑38nm。遍布菌細胞表面，每菌可達數百根。這類菌毛是細菌的粘附結構，能與宿主細胞表面的特異性受體結合，是細菌感染的第一步。因此，菌毛和細菌的致病性密切相關。菌毛的受體常為糖蛋白或糖脂，與菌毛結合的特異性決定了宿主感染的易感部位。同樣，如果紅細胞表面具有菌毛受體的相似成分，不同的菌毛就會引起不同類型的紅細胞凝集，稱此為血凝（hemagglutination, HA），藉此可以鑒定菌毛。例如大腸埃希菌的I型菌毛（type I 或common pili），粘附于腸道和下尿道粘膜上皮細胞表面；能凝集豚鼠紅細胞，可被D-甘露糖所抑制，稱為甘露糖敏感性血凝（MSHA）。致腎盂腎炎大腸埃希菌（pyelonephritic E.coli 或uropathogenic E.coli, UPEC）的P菌毛（pyelonephritis-associated pili, P pili）常粘附于腎臟的集合管和腎盞；能凝集P血型陽性紅細胞，且不被甘露糖所抑制，稱為甘露糖抗性血凝（MRHA），是上行性尿路感染的重要致病菌。腸產毒型大腸埃希菌（enterotoxigenic E.coli, ETEC）的定植因子是一種特殊類型的菌毛（CFA/I, CFA/），粘附于小腸粘膜細胞，編碼定植因子和腸毒素的基因均位于可接合傳遞質粒上，是該菌重要的毒力因子。霍亂弧菌、腸致病型大腸埃希菌（EPEC）和淋病奈瑟菌的菌毛都屬于型菌毛，在所致的腸道或泌尿生殖道感染中起到關鍵作用。有菌毛菌株的粘附可抵抗腸蠕動或尿液的沖洗作用而有利于定居，一旦喪失菌毛，其致病力亦隨之消失。 在革蘭陽性球菌中，A群鏈球菌的菌毛與M蛋白和 LTA結合在一起，介導該菌與宿主粘膜上皮細胞的粘附。 2性菌毛（sex pilus） 僅見于少數革蘭陰性菌。數量少，一個菌只有14根。比普通菌毛長而粗，中空呈管狀。性菌毛由一種稱為致育因子（fertility factor, F factor）的質粒編碼，故性菌毛又稱F菌毛。帶有性菌毛的細菌稱為F+菌或雄性菌，無性菌毛者稱為F-菌或雌性菌。當F+菌與F-菌相遇時，F+菌的性菌毛與F-菌相應的性菌毛受體（如外膜蛋白A, OmpA）結合，F+菌體內的質粒或染色體DNA可通過中空的性菌毛進入F-菌體內，這個過程稱為接合（conjugation）。細菌的毒力、耐藥性等性狀可通過此方式傳遞。此外，性菌毛也是某些噬菌體吸附于菌細胞的受體。芽胞 某些細菌在一定的環境條件下，能在菌體內部形成一個圓形或卵圓形小體，是細菌的休眠形式，稱為內芽胞(endospore)，簡稱芽胞(spore），以別于真菌在菌體外部形成的孢子。產生芽胞的細菌都是革蘭陽性菌，重要的有芽胞桿菌屬(炭疽芽胞桿菌等)和梭菌屬(破傷風梭菌等)。1芽胞的形成與發芽 細菌形成芽胞的能力是由菌體內的芽胞基因決定的。芽胞一般只是在動物體外才能形成，其形成條件因菌種而異。如炭疽桿菌在有氧下形成，而破傷風梭菌則相反。營養缺乏尤其是C、 N、 P元素不足時，細菌生長繁殖減速、啟動芽胞形成基因。但亦有例外，蘇云金桿菌形成芽胞則要求適宜的生長條件。芽胞帶有完整的核質、酶系統和合成菌體組分的結構，能保存細菌的全部生命必需物質。芽胞形成后，菌體即成為空殼，有些芽胞可從菌體脫落游離。芽胞折光性強，壁厚，不易著色。染色時需經媒染、加熱等處理。芽胞的大小、形狀、位置等隨菌種而異，有重要的鑒別價值(圖 l-16)。例如炭疽芽胞桿菌的芽胞為卵圓形、比菌體小，位于菌體中央；破傷風梭菌芽胞正圓形，比菌體大，位于頂端，狀如鼓錘(圖l-17)；肉毒梭菌芽胞亦比菌體大，位于次極端。圖 l-16圖l-17 芽胞形成在形態學上可分 7個期，全程68d。始于對數生長期末，菌細胞膜進行性地內陷性生長，逐漸形成雙層膜結構，包被核質成為芽胞的核心。細胞膜又能合成特殊物質，在內膜和外膜間形成細胞壁和皮質。在外膜外圍再形成芽胞殼和芽胞外衣。成熟的芽胞具有多層膜結構(圖l-18)。芽胞核心(core)是芽胞的原生質體，含有細菌原有的核質和核糖體、酶類等主要生命基質。核心的外層依次為內膜、芽胞壁、皮質、外膜、芽胞殼和芽胞外衣，將其層層包裹，成為堅實的球體。內膜和外膜由原來的細胞膜形成。芽胞壁(spore wall)含肽聚糖，發芽后成為細菌的細胞壁。皮質(cortex)是芽胞包膜中最厚的一層，由一種特殊的肽聚糖組成。芽胞殼(coat)是一種類似角蛋白的疏水性蛋白質，致密無通透性，能抗化學藥物進入，并增強對紫外線照射的抵抗力。有些細菌芽胞還有一層疏松的芽胞外衣(exosporium)，含有脂蛋白和糖類。圖l-18芽胞形成后，若由于機械力、熱、pH改變等刺激作用下，破壞其芽胞殼，并供給水分和營養，芽胞可發芽，形成新的菌體。一個細菌只形成一個芽胞，一個芽胞發芽也只生成一個菌體，細菌數量并未增加，因而芽胞不是細菌的繁殖方式。與芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌體可稱為繁殖體(vegetative form)。細菌的芽胞發芽(germination)成繁殖體的過程，可分為活化(activation)、啟動(initiation)和長出(outgrowth)三個連續階段。整個過程大約需要90min。熱刺激(如60 1d或85 5min)和pH值降低均可活化芽胞發芽，L-丙氨酸、葡萄糖、肌苷和腺苷均為啟動劑。芽胞殼經活化后，其富含二硫鍵的蛋白構型變化，引起滲透性改變，致使陽離子滲入，細胞膜脂質活性增強，并啟動電子傳遞鏈。同時，隨著水分滲入，芽胞特有成分吡啶二羧酸鈣、皮質肽聚糖和芽胞殼物質等大量降解，使芽胞通透性加強，耐熱、抗輻射等特性消失。由于代謝活性和呼吸增強，生物合成加速，順序為RNA、蛋白質、脂質，最后是DNA。繼而芽胞核心體積增大、皮質膨松、芽胞殼破裂，芽管長出并逐漸長大、發育成新的繁殖體細胞。2芽胞的功能 細菌的芽胞對熱力、干燥、輻射、化學消毒劑等理化因素均有強大的抵抗力。一般細菌繁殖體在80水中迅速死亡，而有的細菌芽胞可耐100沸水數小時。被炭疽芽胞桿菌芽胞污染的草原，傳染性可保持2030年。細菌芽胞并不直接引起疾病，僅當發芽成為繁殖體后，就能迅速大量繁