医学微生物细菌的形态与结构

第一章细菌的形态与结构
Chapter 1 第一章细菌的形态与结构
细菌是形态微小，结构简单的原核细胞型微生物，有细胞壁和原始核质，无核仁和核膜，细胞器不完整，除核糖体外无其他细胞器。

在适宜条件下，细菌有相对稳定的形态和结构。

了解细菌的形态和结构对研究细菌的生理活动、致病性和免疫性以及鉴别细菌、诊断疾病和防治细菌性感染等有重要的理论和实际意义。

一、细菌的大小
一、细菌的大小
细菌个体很小，须用显微镜放大数百倍至上千倍才能看到，通常以微米（μm）作为测量其大小的单位。

不同种类的细菌大小不一，同一种细菌也因菌龄和环境因素的影响而有差异。

一般大多数球菌直径在1μm左右；杆菌长1～5μm，宽0．3～1μm。

二、细菌的形态
二、细菌的形态
细菌有球形、杆形和螺旋形3种基本形态，分别称为球菌、杆菌和螺形菌（图1－1）。

（一）球菌
球菌（coccus）呈球形或近似球形（豆形、肾形、茅头形等）。

由于球菌繁殖时分裂平面以及分裂后菌体之间相互关联的程度不同，可形成不同排列方式，这对一些球菌的鉴别颇有意义。

1．双球菌（diplococcus）细菌在一个平面上分裂，分裂后两个菌体成对排列，如脑膜炎奈瑟菌、肺炎球菌等。

2．链球菌（streptococcus）细菌在一个平面上分裂，分裂后多个菌体粘连成链状，如乙型溶血性链球菌。

3．葡萄球菌（staphylococcus）细菌在多个不规则平面上分裂，分裂后菌体无规则地粘连在一起似葡萄串状，如金黄色葡萄球菌。

4．四联球菌（tetrad）细菌在两个互相垂直的平面上分裂，分裂后4个菌体排列在一起呈四方形。

5．八叠球菌（sarcina）细菌在三个互相垂直的平面上分裂，分裂后8个菌体重叠排列成立方体。

图1－1 细菌的基本形态
（二）杆菌
杆菌（bacillus）的形态、大小差异较大。

多数呈直杆状，有的细长或稍有弯曲；有的近似椭圆形而且菌体短小，称为球杆菌。

多数杆菌两端钝圆，少数两端平齐（如炭疽芽胞杆菌）或两端尖细（如梭杆菌）；有的杆菌末端膨大呈棒状（如白喉棒状杆菌）；有的末端常呈分叉状（如双歧杆菌）。

大的杆菌如炭疽芽胞杆菌大小为（3～10）μm×（1～1．5）μm；中等的如大肠埃希菌（1～3）μm×（0．4～0．7）μm；小的如布鲁斯菌（0．4～0．8）μm×（0．5～1．5）μm。

多数杆菌呈分散存在，无一定排列形式，偶有成对或链状排列，个别呈特殊的排列如栅栏状或V、Y、L形状。

（三）螺形菌
螺形菌（spirillar bacterium）菌体弯曲，可分为两类。

1．弧菌（vibrio）菌体只有一个弯曲、短小，弯曲呈弧形或逗点状，如霍乱弧菌。

2．螺菌（spirillum）菌体有数个弯曲、较长，如鼠咬热螺菌。

细菌的形态受培养温度、pH、培养基成分和培养时间等环境因素的影响较大，只有在生长条件适宜时，其形态较典型。

幼龄菌和老龄菌或机体感染部位受到药物、体液中的溶菌酶、抗体、补体等因素的直接作用，常出现多形态性，不易识别，因此在临床、实验室诊断时应慎重。

第二节细菌的结构
第二节细菌的结构
细菌的结构分为基本结构与特殊结构。

基本结构是各种细菌所共有的结构，如细胞壁、细胞膜、细胞质和核质等；特殊结构是某些细菌特有的结构，如荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞等（图1－2）。

图1－2 细菌结构模式
一、基本结构
一、基本结构
（一）细胞壁
细胞壁（cell wall）是细菌最外层结构，包绕在细胞膜的周围，是一种坚韧而富有弹性的膜状结构。

细菌细胞壁化学组成较复杂，并随不同细菌而异。

细菌可用革兰染色法分为两大类，即革兰阳性菌和革兰阴性菌，两类细菌的细胞壁构成有较大差别。

1．革兰阳性菌细胞壁革兰阳性菌细胞壁主要由肽聚糖和穿插于其内的磷壁酸组成。

（1）肽聚糖（peptidoglycan）：又称为粘肽（mucopeptide），是原核细胞特有的成分，也是构成细菌细胞壁的共有成分，而在革兰阳性菌细胞壁中其为主要构成成分，其含量可占细胞壁干重的50%～80%。

革兰阳性菌肽聚糖由三种物质组成：①聚糖骨架：由N－乙酰葡糖胺和N－乙酰胞壁酸交替排列，经β－1，4糖苷键连接成若干多糖链。

②侧链：由4个或5个氨基酸组成的侧链，侧链的组成和连接方式随菌不同而异。

如金黄色葡萄球菌细胞壁的四肽侧链的氨基酸依次为L－丙氨酸、D－谷氨酸、L－赖氨酸和D－丙氨酸，其中L－丙氨酸端连接于聚糖骨架的胞壁酸上，四肽侧链之间由交联桥连接。

③交联桥：由5个甘氨酸组成，一端连接于四肽侧链的第三位氨基酸上，另一端与另一侧四肽侧链的第四位氨基酸相连，将两个相邻的四肽侧链连接在一起。

从而这三种成分构成坚韧牢固的三维立体结构（图1－3）。

（2）磷壁酸（teichoic acid）：是革兰阳性菌细胞壁的特有成分，含量最多时可达细胞壁干重的50%，按其结合部位不同，可分为①壁磷壁酸：一端连接于肽聚糖上的胞壁酸上，另一端伸出细胞壁游离于胞外；②膜磷壁酸：一端结合于细胞膜外层的糖脂上，故又称为脂磷壁酸，另一端穿越肽聚糖层伸出细胞壁表面呈游离状态（图1－4）。

磷壁酸有很强的抗原性，是革兰阳性菌重要的菌体表面抗原。

膜磷壁酸有黏附宿主细胞的功能，与致病性有关，还能释放到培养基或宿主体内，有较弱的内毒素样活性。

此外，革兰阳性菌细胞壁表面尚有一些特殊蛋白质，如金黄色葡萄球菌A蛋白、A群链球菌的M蛋白等。

2．革兰阴性菌的细胞壁革兰阴性菌细胞壁结构较复杂，除了有肽聚糖外，还有特殊组分——外膜。

图1－3 革兰阳性菌细胞壁肽聚糖结构
图1－4 革兰阳性菌细胞壁结构模式
（1）肽聚糖：革兰阴性菌细胞壁中肽聚糖的含量较少，只有1～2层，占细胞壁重量的5%～ 10%，其组成也与革兰阳性菌不同。

①聚糖骨架：与革兰阳性菌相同；②四肽侧链：如在大肠埃希菌的四肽侧链中，第三位氨基酸是二氨基庚二酸（DAP），DAP与相邻侧链末端的D－丙氨酸直接连接，两者间无五肽交联桥结构，因而只形成单层平面网络的二维结构（图1－5）。

（2）外膜：由脂蛋白、脂质双层和脂多糖三部分组成（图1－6）。

①脂蛋白，位于肽聚糖层和脂质双层之间，其蛋白部分结合于四肽侧链的DAP上，脂质部分与脂质双层相连；
②脂质双层，是外膜的基本结构，类似细胞膜，其中镶嵌着多种蛋白质，如可允许小分子物质通过的微孔蛋白等；③脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），位于最外层，并伸到细胞壁表面，是细菌的内毒素。

脂多糖由内向外依次有脂质A、核心多糖和特异性多糖3种组成成分，其中脂质A耐热，是内毒素的毒性部分和生物学活性的主要成分，与细菌的致病性有关。

图1－5 革兰阴性菌（大肠埃希菌）细胞壁肽聚糖结构
革兰阳性菌与革兰阴性菌细胞壁结构显著不同（表1－1），导致两类细菌在染色性、抗原性、致病性及对药物的敏感性等方面的差异。

表1－1 革兰阳性菌与革兰阴性菌细胞壁结构的比较
3．细胞壁的功能与意义细菌细胞壁坚韧而富有弹性，其主要功能是维持细菌基本形态，并保护细菌抵抗低渗环境。

细菌细胞质内有高浓度的无机盐和营养物质，造成菌体内渗透压高达（5．06～25．3）×105Pa（5～25个大气压），由于细胞壁的保护作用，使细菌能承受内部如此巨大的渗透压而不会破裂，并能在相对低渗环境中存活。

由于细胞壁上有许多小孔，参与菌体内外的物质交换。

细胞壁上带有多种抗原表位，决定菌体的抗原性。

图1－6 革兰阴性菌细胞壁结构
细胞壁是保持细菌完整并使其具有一定形态的重要结构。

细菌细胞壁的肽聚糖结构受到理化因素或生物因子的直接破坏后合成被抑制，使细菌细胞壁损伤而成为细胞壁缺陷的细菌，称为L型细菌。

因其最早在Lister研究所发现，故取其第一个字母“L”命名。

L型细菌因缺乏完整的细胞壁，不能维持细菌固有的形态，故呈多形态性，染色不易着色。

L型细菌在普通培养基中不易生长，在高渗低琼脂含血清的培养基中能缓慢生长，2～7d形成“油煎蛋”样细小菌落。

某些L型细菌仍有致病性，可引起尿路感染、骨髓炎、心内膜炎等。

并常在应用某些抗生素（如青霉素、头孢菌素等）的治疗中发生，且易复发，而常规细菌学检查时常为阴性。

因此临床上遇有症状明显而细菌培养为阴性时，应考虑到L型细菌感染的可能性。

（二）细胞膜
细胞膜（cell membrane）位于细胞壁内侧，紧密包绕着细胞质。

细菌细胞膜结构与真核细胞膜相似，由磷脂和多种蛋白质组成，但不含有胆固醇。

细菌细胞膜功能也与真核细胞类似，主要有物质交换、生物合成、分泌和呼吸作用。

细菌细胞膜可形成一种特有的结构——中介体，中介体是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状结构，多见于革兰阳性菌，一个菌体可有一个或数个。

中介体的形成，有效地扩大了细胞膜面积，相应增加了酶的含量和能量的产生，其功能类似于真核细胞的线粒体，故亦称为拟线粒体。

中介体还与细菌分裂、芽胞的形成等有关。

（三）细胞质
细胞质（cytoplasm）是细胞膜所包绕的溶胶状物质，由水、蛋白质、脂类、核酸及少量糖和无机盐组成，其中含有许多重要结构。

1．核糖体核糖体游离存在于胞质中，每个细菌的胞质内可达数万个，其沉降系数为70S，由50S和30S两个亚基组成。

mRNA与核糖体结合并将核糖体串成多聚核糖体时，就成为蛋白质合成场所。

有些抗生素如链霉素能与30S小亚基结合，红霉素能与50S大亚基结合，从而干扰菌体蛋白质的合成，导致细菌死亡。

而真核生物细胞（包括人类）的核糖体的沉降系数为80S，由60S和40S两个亚基组成，故上述抗生素对人细胞核糖体无影响。

2．质粒是细菌染色体以外的遗传物质，为双股闭合环状DNA，带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。

质粒不是细菌生长所必需的，失去质粒的细菌仍可正常存活。

质粒具有自我复制、传给子代、自然丢失或从一个细菌转移至另一个细菌的特点。

医学上重要的质粒有F质粒，决定细菌的致育性；R质粒，决定细菌耐药性；细菌素质粒，决定各种细菌素等。

质粒又是当今基因工程中常用的DNA载体。

3．胞质颗粒细菌细胞质中含有多种颗粒，多数为营养和能量的储存物，包括多糖、脂类、磷酸盐等。

颗粒并非是细菌生命必需的或恒定的结构，其大小和数量可随菌种、菌龄、培养环境而不同。

一般而言，营养充足时颗粒多而大，营养缺乏时颗粒少而小，甚至消失。

用特殊染色法可将颗粒染成与菌体其他部位不同的颜色，称为异染颗粒，对细菌的鉴别有一定的意义，如白喉棒状杆菌的异染颗粒。

（四）核质
细菌的核质（nuclear material）是细菌的遗传物质，由裸露的双股DNA堆积而成，因其无核膜、核仁，故又称为拟核。

核质在功能上与真核细胞的染色体相似，控制细菌的生长代谢、分裂繁殖、遗传和变异等，故习惯上亦称之为细菌的染色体。

二、特殊结构
二、特殊结构
（一）荚膜
荚膜（capsule）是某些细菌在生长过程中，合成并分泌于细胞壁外围的一层黏液性物质。

该黏液性物质牢固地结合于细胞壁上，厚度≥0．2μm，边界明显者称为荚膜；厚度＜0．2μm者则称为微荚膜，伤寒沙门菌的Vi抗原、大肠埃希菌的K抗原属之；黏液性物质疏松地附着于细菌细胞表面，边界不明显且易被洗脱者称为黏液层；介于荚膜和黏液层之间的结构称为糖萼。

荚膜的形成受遗传控制和环境因素的影响，一般在动物体内或含有血清或糖等营养丰富的培养基中易形成荚膜，在普通培养基上或连续传代则易消失。

大多数细菌的荚膜是由多糖组成，如肺炎链球菌；少数细菌的荚膜由多肽组成，如炭疽芽胞杆菌。

荚膜对一般碱性染料亲和力低，不易着色，普通染色只能见到周围未着色的透明圈（图1－7）。

荚膜是病原菌的重要毒力因子，与细菌致病性有关。

有荚膜的细菌能抵抗吞噬细胞的吞噬和消化作用，还可保护细菌避免或减少溶菌酶、补体、抗体、抗菌药物等对其的损伤作用。

荚膜还具有抗干燥作用、黏附作用等。

荚膜具有抗原性，可用以鉴别细菌或进行细菌分型，如肺炎链球菌根据荚膜抗原性不同分为90多个血清型。

（二）鞭毛
鞭毛（flagellum）是某些细菌菌体上附有的细长丝状物，见于所有弧菌和螺菌，约50%的杆菌和极少数球菌。

鞭毛由一种单一蛋白质亚单位——鞭毛素组成，始于细胞膜与细胞壁内的基础小体。

鞭毛素的氨基酸组成与骨骼肌（横纹肌）肌动蛋白相似，赋予鞭毛运动能力。

鞭毛直径很细，5～15nm，长5～20μm，需在电镜下观察，用特殊染色可使鞭毛增粗，在光镜下可见。

还可用悬滴法不经染色看到活菌的移位运动，或用培养法检查有鞭毛的细菌在平板表面及半固体培养基中生长的动力等方法判断细菌有无鞭毛。

根据鞭毛的数目和位置可将有鞭毛的细菌分为四类（图1－8）。

图1－7 细菌的荚膜
1．单毛菌只有一根鞭毛，位于菌体的一端，如霍乱弧菌。

2．双毛菌菌体两端各有一根鞭毛，如空肠弯曲菌。

3．丛毛菌一束鞭毛位于菌体的一端或两端，如铜绿假单胞菌。

4．周毛菌鞭毛遍布菌体周身，如伤寒沙门菌。

图1－8 细菌的鞭毛
鞭毛与细菌运动有关，有鞭毛的细菌能运动，无鞭毛的细菌不能运动，根据细菌动力的有无，可作为鉴别细菌的一个指标。

有些细菌的鞭毛与致病性有关，如霍乱弧菌、空肠弯曲菌等通过鞭毛运动穿透小肠黏膜表面覆盖的黏液层，使菌体黏附于肠黏膜上皮细胞，产生毒性物质导致病变的发生。

鞭毛具有抗原性，鞭毛抗原又称为H抗原，可用血清学检查，在细菌的鉴定和分类上有重要意义。

（三）菌毛
菌毛（pilus）是许多革兰阴性菌及少数革兰阳性菌表面附着的极其纤细的蛋白性丝状物。

菌毛比鞭毛更细、短而直硬，与细菌运动无关。

菌毛在普通光镜下不能看到，必须用电镜才能观察。

菌毛根据功能不同，可分为普通菌毛和性菌毛两类。

1．普通菌毛（common pilus）长0．2～2μm，直径3～8nm。

遍布菌体表面，每个细菌多者可达数百根。

普通菌毛是细菌的黏附结构，能与宿主细胞表面的特异性受体结合，是细菌感染的第一步。

若除去细菌的菌毛，则其致病力大为减弱，甚至丧失致病力，因此普通菌毛与细菌的致病力有关。

2．性菌毛（sex pilus）又称为F菌毛，仅见于少数革兰阴性菌。

数量少，每个菌只有1～4根，比普通菌毛长而粗，中空呈管状。

带有性菌毛的细菌具有致育性，称为F＋菌或雄性菌，无性菌毛的细菌为F－菌或雌性菌。

F＋菌和F－菌配对接合时，F＋菌能通过性菌毛将遗传物质（质粒或核质）传递给F－菌，从而使F－菌获得F＋菌的某些特性。

细菌的毒力和耐药性可通过此种方式转移。

图1－9 细菌芽胞的结构
（四）芽胞
芽胞（spore）是某些细菌在一定环境条件下，由于胞质脱水浓缩，在菌体内形成的圆形或椭圆形小体。

能形成芽胞的细菌均为革兰阳性菌，主要为芽胞杆菌属与梭菌属两种。

成熟的芽胞具有多层膜结构，由外向内依次有芽胞外衣、芽胞壳、外膜、皮质、芽胞壁、内膜等，其内包裹芽胞的核心（图1－9）。

图1－10 细菌芽胞形态与位置模式图
芽胞带有完整的核质、酶系统和合成菌体组成的结构，能保存细菌全部生命所必需物质。

芽胞形成后菌体即成为空壳，有些芽胞从菌体脱落游离。

当条件适合时，芽胞可发芽而形成新的菌体，菌体具有分裂繁殖能力的称为繁殖体。

在芽胞形成过程中，一个繁殖体只形成一个芽胞，而芽胞发芽只能形成一个繁殖体，因此，芽胞的形成不是细菌的繁殖方式，一般认为芽胞是细菌的休眠状态。

芽胞折光性强、壁厚，不易着色。

染色时需经媒染、加热等处理。

芽胞的大小、形状、位置等随菌种而异，在细菌鉴别上有一定意义（图1－10）。

如炭疽芽胞杆菌的芽胞比菌体窄，卵圆形，在菌体中央；破伤风梭菌的芽胞比菌体大，圆形，位于顶端，状如鼓槌；肉毒梭菌的芽胞比菌体大，椭圆形，在次极端，形似网球拍。

芽胞对热、干燥、辐射、消毒剂等具有很强的抵抗力，在自然界中芽胞体可存活几年甚至几十年。

其原因可能是：①芽胞的多层膜结构，具有保护作用；②芽胞含水量少，约占菌体的40%，蛋白质遇热不易凝固变性；③芽胞的核心和皮质中含有一种特有的化学成分吡啶二羧酸（dipicolinic，DPA），DPA与钙结合生成的盐能提高芽胞中各种酶的热稳定性。

芽胞形成过程中很快合成DPA，同时获得耐热性；芽胞发芽时DPA从芽胞内渗出，其耐热性亦随之丧失。

由于芽胞抵抗力很强，医疗器械、敷料等一旦被芽胞菌污染，用一般的理化方法不易将其杀死，故以杀死芽胞作为判断灭菌效果的指标。

第三节细菌形态与结构的检查方法
第三节细菌形态与结构的检查方法
一、显微镜放大法
一、显微镜放大法
细菌形体微小，肉眼不能直接看到，必须借助显微镜放大后才能观察其形态和结构。

（一）普通光学显微镜
普通光学显微镜（light microscope）是观察细菌最常用的，以可见光（日光或灯光）为光源，其波长为0．4～0．7μm，平均为0．5μm。

分辨率为光波波长的1／2，即0．25
μm。

人的肉眼所能看到的最小形象为0．2mm，在普通光学显微镜下用油镜放大1 000倍，可将0．25μm的微粒放大成0．25mm，人的眼睛便能看清。

一般细菌都大于0．25μm，在普通光学显微镜下均可清楚看到。

（二）电子显微镜
电子显微镜（electron microscope）是以电子流代替可见光，以电磁圈代替放大透镜。

电子波长极短，约为0．005nm，放大倍数很高，可达数十万倍，能分辨1nm大小的微粒。

不仅能看清细菌的外形，而且可一览其内部超微结构。

配合电子显微镜观察使用的标本制备方法有用磷钨酸或钼酸铵做负染色、投影法、超薄切片、冷冻蚀刻法等。

电子显微镜标本须在真空干燥的状态下检查，故不能观察活的细菌。

此外，尚有暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦显微镜等，可根据细菌形态学检查的目的不同而分别选用。

二、染色法
二、染色法
细菌形体微小，无色半透明，且折光性与周围环境相差不多，所以经染色后才能观察较清楚。

细菌的等电点较低（pH2～5），在近于中性（pH7．2～7．6）的环境中，细菌多带负电荷，易与带正电荷的碱性染料结合，故细菌染色时多选用碱性染料，如亚甲蓝、碱性复红、结晶紫等。

常用的细菌染色法有以下几种。

（一）单染色法
单用一种染料（如亚甲蓝或复红）染色，可以显现细菌的大小、形态和排列。

此方法简易方便，但各种细菌均染成同一颜色，不能起到鉴别的作用。

（二）鉴别染色法
使用两种以上染料对比染色，可将细菌染成不同颜色，除可观察细菌的大小、形态外，还能鉴别细菌的染色性，在实用上十分重要。

常用的有革兰染色法和抗酸染色法两种，其中革兰染色法应用尤为广泛。

1．革兰染色法（gram stain）是1884年由丹麦的细菌学家革兰（Hans Christian Gram）创建的，至今仍在广泛应用。

将标本固定后，先用结晶紫（或甲紫）初染，再加碘液媒染，然后用95%乙醇脱色，最后以稀释复红复染。

此法可将细菌分为两大类：不被乙醇脱色仍保留紫色者为革兰阳性菌；被乙醇脱色复染成红色者为革兰阴性菌。

革兰染色法的原理至今尚未完全阐明，可能与细菌的细胞壁结构有关，如果在结晶紫碘染后，乙醇脱色前去除革兰阳性菌的细胞壁，革兰阳性菌细胞就能够被脱色。

目前，对革兰阳性菌和革兰阴性菌的细胞壁的化学组成已十分清楚，但对革兰阳性菌细胞壁阻止染料被溶出的原因尚不清楚。

革兰染色具有重要的意义，不同的染色性说明属性不同，故首先可鉴别细菌；其次可指导临床选择药物，大多数革兰阳性菌对青霉素、红霉素、头孢菌素等敏感，而革兰阴性菌则对链霉素、卡那霉素等敏感；不同染色性与细菌的致病性有关，大多数革兰阳性菌以分泌外毒素致病为主，而革兰阴性菌主要以内毒素致病。

2．抗酸染色法（acid－fast stain）是检查抗酸性细菌的染色法，如结核杆菌、麻风杆菌等分枝杆菌用一般染色法不易着色，须用抗酸染色法。

此法用5%苯酚（石炭酸）复红液染色时加温，以促使菌体着色；然后用5%盐酸乙醇脱色，再用亚甲蓝复染。

抗酸性细菌一经着色后，能抵抗盐酸乙醇的脱色，保持红色；非抗酸性细菌则被脱色而被复染成蓝色。

细菌的抗酸性可能与菌体中的分枝菌酸有关，因其与苯酚复红能牢固结合，故不易被盐酸乙醇脱色。

此外还有针对细菌特殊结构与某些特殊细菌的特殊染色法，特殊染色较麻烦，对不易着色的特殊结构如荚膜、芽胞等，可采取负染色法，让不染色的荚膜与芽胞在有色背景上衬托可见。

目前，通过细菌结构的检测以鉴别细菌更常用遗传学方法，如16SrRNA序列分析，DNA 杂交、G＋C mol%、PCR等，用于细菌的检测和鉴定更为准确。

（孟繁平）
【思考题】
1．细菌形态对细菌的鉴别有何意义？
2．细菌有哪些基本结构，其中细菌细胞壁的结构、功能及意义是什么？
3．细菌有哪些特殊结构，各特殊结构在医学上的意义是什么？。