2019年第二章细菌的生理.doc

第二章细菌的生理

细菌的生理活动包括摄取和合成营养物质，进行新陈代谢及生长繁殖。整个生理活动的中心是新陈代谢，细菌的代谢活动十分活跃而且多样化，乃至繁殖迅速是其显著的特点。研究细菌的生理活动不仅是基础生物学科的范畴，而且与医学、环境卫生、工农业生产等都密切相关。诸如对于人体的正常菌群，特别是益生菌（probiotic），如何促进其生长繁殖和产生有益的代谢产物。对于致病菌，了解其代谢与致病的关系，设计和寻找有关诊断和防治的方法。利用细菌的代谢来净化环境，开发极端环境的微生物资源等都具有重要的理论和实际意义。

第一节细菌的理化性状

一、细菌的化学组成

细菌和其他生物细胞相似，含有多种化学成分，包括水、无机盐、蛋白质、糖类、脂质和核酸等。水分是菌细胞重要的组成部分，占细胞总重量的75%~90%。菌细胞去除水分后，主要为有机物，包括碳、氢、氮、氧、磷和硫等。还有少数的无机离子，如钾、钠、铁、镁、钙、氯等；用以构成菌细胞的各种成分及维持酶的活性和跨膜化学梯度。细菌尚含有一些原核细胞型微生物所特有的化学组成，如肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等。这些物质在真核细胞中还未发现。

二、细菌的物理性状

光学性质细菌为半透明体。当光线照射至细菌，部分被吸收，部分被折射，故细菌悬液呈混浊状态。菌数越多浊度越大，使用比浊法或分光光度计可以粗略地估计细菌的数量。由于细菌具有这种光学性质，可用相差显微镜观察其形态和结构。

表面积细菌体积微小，相对表面积大，有利于同外界进行物质交换。如葡萄球菌直径约1μm，则1cm3体积的表面积可达60000cm2；直径为1cm的生物体，每cm3体积的表面积仅6cm2，两者相差1万倍。因此细菌的代谢旺盛，繁殖迅速。

带电现象细菌固体成分的50%~80%是蛋白质，蛋白质由兼性离子氨基酸组成。革兰阳性菌pI 为2~3，革兰阴性菌pI为4~5，故在近中性或弱碱性环境中，细菌均带负电荷，尤以前者所带电荷更多。细菌的带电现象与细菌的染色反应、凝集反应、抑菌和杀菌作用等都有密切关系。

半透性细菌的细胞壁和细胞膜都有半透性，允许水及部分小分子物质通过，有利于吸收营养和排出代谢产物。

渗透压细菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐，一般革兰阳性菌的渗透压高达20~25个大气压，革兰阴性菌为5~6个大气压。细菌所处一般环境相对低渗，但有坚韧细胞壁的保护不致崩裂。若处于比菌内渗透压更高的环境中，菌体内水分逸出，胞质浓缩，细菌就不能生长繁殖。

第二节细菌的营养与生长繁殖

一、细菌的营养类型

各类细菌的酶系统不同，代谢活性各异，因而对营养物质的需要也不同。根据细菌所利用的能源和碳源的不同，将细菌分为两大营养类型。

自养菌（autotroph）该类菌以简单的无机物为原料，如利用CO2、CO32―作为碳源，利用N2、NH3、NO2―、NO3―等作为氮源，合成菌体成分。这类细菌所需能量来自无机物的氧化称为化

能自养菌（chemotroph），或通过光合作用获得能量称为光能自养菌（phototroph）。

异养菌（heterotroph）该类菌必须以多种有机物为原料，如蛋白质、糖类等，才能合成菌体成分并获得能量。异养菌包括腐生菌（saprophyte）和寄生菌（parasite）。腐生菌以动植物尸体、腐败食物等作为营养物；寄生菌寄生于活体内，从宿主的有机物获得营养。所有的病原菌都是异养菌，大部分属寄生菌。

二、细菌的营养物质

对细菌进行人工培养时，必须供给其生长所必须的各种成分，一般包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。

水细菌所需营养物质必须先溶于水，营养的吸收与代谢均需有水才能进行。

碳源各种碳的无机或有机物都能被细菌吸收和利用，合成菌体组分和作为获得能量的主要来源。病原菌主要从糖类获得碳。

氮源细菌对氮源的需要量仅次于碳源，其主要功能是作为菌体成分的原料。很多细菌可以利用有机氮化物，病原性微生物主要从氨基酸、蛋白胨等有机氮化物中获得氮。少数病原菌如克雷伯菌亦可利用硝酸盐甚至氮气，但利用率较低。

无机盐细菌需要各种无机盐以提供细菌生长的各种元素，其需要浓度在10-3～10-4mol/L的元素为常用元素，其需要浓度在10-6～10-8 mol/L元素为微量元素。前者如磷、硫、钾、钠、镁、钙、铁等；后者如钴、锌、锰、铜、钼等。各类无机盐的功用如下：①构成有机化合物，成为菌体的成分；②作为酶的组成部分，维持酶的活性；③参与能量的储存和转运；

④调节菌体内外的渗透压；⑤某些元素与细菌的生长繁殖和致病作用密切相关。例如白喉棒状杆菌在含铁0.14mg/L的培养基中毒素量最高，铁的浓度达到0.6mg/L时则完全不产毒。在人体内，大部分铁均结合在铁蛋白、乳铁蛋白或转铁蛋白中，细菌必须与人体细胞竞争得到铁才能生长繁殖。具有载铁体（siderophore)的细菌就有此竞争力，它可与铁螯合和溶解铁，并带入菌体内以供代谢之需。如结核分枝杆菌的有毒株和无毒株的一个重要区别就是前者有一种称为分枝菌素(mycobactin)的载铁体，而后者则无。一些微量元素并非所有细菌都需要，不同菌只需其中的一种或数种。

生长因子许多细菌的生长还需一些自身不能合成的生长因子(growth factor)，通常为有机化合物，包括维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等。少数细菌还需特殊的生长因子，如流感嗜血杆菌需要Х、Ⅴ两种因子，Ⅹ因子是高铁血红素，Ⅴ因子是辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ，两者为细菌呼吸所必需。

三、细菌摄取营养物质的机制

水和水溶性物质可以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。

营养物质进入菌体内的方式有被动扩散和主动转运系统。

被动扩散被动扩散指营养物质从浓度高向浓度低的一侧扩散，其驱动力是浓度梯度，不需要提供能量。将不需要任何细菌组分的帮助，营养物就可以进入细胞质内的过程称为简单扩散。如果需要菌细胞的特异性蛋白来帮助或促进营养物的跨膜转运称为易化扩散。如甘油的转运就属于后者，进入细胞内的甘油要被甘油激酶催化形成磷酸甘油才能在菌体内积累。

主动转运系统主动转运系统是细菌吸收营养物质的主要方式，其特点是营养物质从浓度低向浓度高的一侧转运，并需要提供能量。细菌有如下三种主动转运系统：

1．依赖于周浆间隙结合蛋白的转运系统（periplasmic-binding protein-dependent transport system）:营养物与周浆间隙内的受体蛋白结合后，引起后者构型的改变，继而将营养物转送给细胞膜上的ATP结合型载体(ATP-binding cassette-type carrier)，导致ATP 水解提供能量和营养物通过细胞膜进入胞质内。革兰阳性菌以膜结合脂蛋白作为该系统的受体蛋白。