医学微生物学——细菌的生理

《医学微生物学》 人民卫生出版社 第9版 第二章 细菌的生理，知识点系统且全面， 超详细版，复习用、预习用，效率翻倍！有需要的赶紧收藏吧！

细菌的生理

• 一、背景知识
  • 细菌的生理活动
    • 组成
      • 摄取营养物质
      • 合成各种所需物质
      • 进行新陈代谢
        • 是整个活动的中心
        • 特点
          • 十分活跃且多样化
      • 生长繁殖
    • 显著特点
      • 繁殖迅速
• 二、细菌的理化性状
  • 细菌的化学组成
    • 水分
      • 重要组成，占总重量75%-90%
    • 有机物
      • 碳氢氧氮磷硫等
    • 少数的无机离子
      • 钾、钠、铁、镁、钙、氯等
      • 作用
        • 构成菌细胞的各种成分以及维持酶的活性和跨膜化学梯度
    • 一些原核细胞型微生物特有的化学组成
      • 肽聚糖
      • 磷壁酸
      • 胞壁酸
      • D型氨基酸
      • 二氨基庚二酸（DAP）
      • 吡啶二羧酸（DPA)
      • 其他
      • 真核生物中尚未发现
  • 细菌的物理性状
    • 光学性质
      • 细菌为半透明体
        • 细菌悬液呈混浊状态（当光线照射至细菌，部分被吸收，部分被折射）
    • 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
    • 带电现象
      • G+菌的等电点pH为2-3，G-菌的等电点pH为4-5
        • 故在近中性或弱碱性环境中，细菌均带负电荷
    • 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
      • 菌体内含有高浓度的营养物质和无机盐，G+菌渗透压约为G-菌渗透压4倍
• 三、细菌的营养与生长繁殖
  • 细菌的营养物质
    • 组成
      • 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
        • 病原菌主要从糖类获得碳
      • 氮源
        • 主要功能是作为菌体成分的原料
        • 特点
          • 需求量仅次于碳源
        • 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
      • 无机盐
        • 主要功用
          • 构成有机化合物
          • 作为酶的组成部分，维持酶的活性
          • 参与能量的储存和转运
          • 调节菌体内外的渗透压
          • 某些元素与细菌的生长繁殖和致病作用密切相关
      • 生长因子（growth factor）
        • 特点
          • 细菌自身不能合成
          • 通常为有机化合物
            • 如：维生素、某些氨基酸、嘌呤、嘧啶等
    • 作用
      • 为细菌的新陈代谢及生长繁殖提供必需的原料和能量
  • 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质需要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
      • 被动扩散
        • 驱动力
          • 浓度梯度
        • 分类
          • 简单扩散
            • 不需要任何细菌组分的帮助
          • 易化扩散
            • 特异性蛋白辅助或促进营养物质的跨膜转运
            • 举例
              • 甘油的转运
                • 进入细胞内的甘油需要被甘油激酶催化成磷酸甘油才能在菌体内积累
      • 主动转运系统（主要方式）
        • 特点
          • 低浓度向高浓度
        • 分类
          • ABC转运（ABC transport）
          • 离子偶联转运（ion-coupled transport）
          • 基团转移（group transfer）
            • p22
          • 特异性转运（special transport）
  • 细菌的营养类型
    • 根据细菌所利用的能源和碳源的不同分2类
      • 自养菌（autotroph）
        • 以简单的无机物为原料合成菌体成分
          • 碳源
            • 如CO2、CO3 2-
          • 氮源
            • 如N2、NH3、NO2-、NO3-等
        • 分类
          • 化能自养菌（chemotroph)
            • 所需能量来自无机物的氧化
          • 光能自养菌（phototroph）
            • 所需能量来自光合作用
      • 异养菌（heterotroph)
        • 必需以多种有机物为原料，才能合成菌体成分并获得能量
        • 分类
          • 腐生菌（saprophyte)
            • 以动植物尸体、腐败食物等作为营养物
          • 寄生菌（parasite）
            • 寄生于或体内，从宿主的有机物获得营养
        • 临床意义
          • 所有的病原菌都是异养菌，大部分属寄生菌
  • 影响细菌生长的因素
    • 营养物质和适宜的环境
      • 营养物质
      • 适宜的环境
        • 氢离子浓度（pH)
          • 多数病原菌的最适生长pH为7.2-7.6
            • 霍乱弧菌在pH8.4-9.2生长最好
            • 结核分枝杆菌最适pH为6.5-6.8
        • 温度
          • 病原菌均为嗜温菌，最适生长温度即为人的体温（37℃）
          • 当细菌突然暴露于高出于自身适宜生长温度时，可暂时合成热休克蛋白（heat-shock protein，HSP）
            • 对热有抵抗性，并可稳定菌体内热敏感的蛋白质
        • 气体
          • 根据细菌代谢时对分子氧的需要与否分4类
            • 专性需氧菌（obligate aerobe)
              • 仅在有氧的环境下生长
                • 具有完善的呼吸酶系统，需要分子氧作为受氢体以完成需氧呼吸
              • 举例
                • 结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌
            • 微需氧菌（microaerophilic bacterium）
              • 在低氧压（5%-6%）生长最好，氧浓度>10%对其有抑制作用
              • 举例
                • 空肠弯曲菌、幽门螺杆菌
            • 兼性厌氧菌（facultative anaerobe）
              • 兼有需氧呼吸和无氧发酵两种功能，不论在有氧或无氧环境中都能生长
                • 但以有氧时生长较好
              • 举例
                • 大多数病原菌
            • 专性厌氧菌（obligate anaerobe）
              • 只能在低氧分压或无氧环境中发酵
                • 缺乏完善的呼吸酶系统，利用氧以外的其他物质作为受氢体
                • 缺乏过氧化氢酶、过氧化物酶或氧化还原电势高的呼吸酶类
                  • 故有氧时产生的有毒氧基团无法解毒，不能生长繁殖
          • CO2对细菌的生长也很重要
        • 渗透压
  • 细菌的生长繁殖
    • 细菌个体的生长繁殖
      • 一般方式
        • 二分裂的无性繁殖
          • 革兰阳性菌G+
            • 有中介体介导
          • 革兰阴性菌G-
            • 无中介体，分裂时染色体直接连在细胞膜上
      • 相关概念
        • 代时（generation time）
          • 定义
            • 细菌分裂数量倍增所需要的时间
          • 特点
            • 多数细菌为20-30分钟
    • 细菌群体的生长繁殖
      • 分四期
        • • 迟缓期（lag phase）
          • 对数期（logarithmic phase）
            • 研究细菌的生物学性状（形态染色、生化反应、药物敏感试验等）应选用该期的细菌
            • 相关概念
              • 连续培养
                • 在培养过程中不断更新培养液和对需氧菌进行通气，使细菌长时间处于生长旺盛的对数期
          • 稳定期（stationary phase）
            • 一些细菌的芽胞、外毒素和抗生素等代谢产物大多在稳定期产生
          • 衰亡期（decline phase）
        • 上述生长曲线只有在体外人工培养的条件下才观察得到
• 四、细菌的新陈代谢
  • 显著特点
    • 代谢旺盛和代谢类型的多样化
  • 细菌的能量代谢
    • 主要涉及ATP形式的化学能
    • 相关概念
      • 呼吸
        • 以无机物为受氢体
        • 分类
          • 需氧呼吸
            • 以分子氧为受氢体
          • 厌氧呼吸
            • 以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体
      • 发酵
        • 以有机物为受氢体
  • 细菌的代谢产物
    • 分解代谢产物和细菌的生化反应
      • 糖发酵试验
      • VP（Voges-Proskauer）试验
      • 甲基红（methyl red）试验
      • 枸橼酸盐（citrate utilization）试验
      • 吲哚（indol）试验
      • 硫化氢试验
      • 尿素酶试验
    • 合成代谢产物及其医学上的意义
      • 热原质（pyrogen)
        • 又称
          • 致热源
        • 定义
          • 细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热反应的物质
        • 来源
          • 大多是G-菌，即其的脂多糖LPS
      • 毒素与侵袭性酶
        • 毒素
          • 外毒素（exotoxin)
            • 定义
              • 多数G+菌和少数G-菌在生长繁殖过程中释放到菌体外的蛋白质
            • 特点
              • 毒性强于内毒素
          • 内毒素（endotoxin）
            • 定义
              • G-菌细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来
      • 色素
        • 水溶性
          • 能弥散到培养基和周围组织
          • 举例
            • 铜绿假单胞菌产生的色素使培养基或感染的脓汁呈绿色
        • 脂溶性
          • 不溶于水，只存在于菌体
            • 使得菌落显色而培养基颜色不变
          • 举例
            • 金黄色葡萄球菌
      • 抗生素（antibiotics）
        • 定义
          • 某些微生物代谢过程中所产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质
        • 来源
          • 大多由放线菌和真菌产生
          • 细菌产生的少
            • 只有多粘菌素（polymyxin)、杆菌肽（bacitracin）等
      • 细菌素（bacteriocin)
        • 定义
          • 某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质
        • 特点（对比抗生素）
          • 作用范围狭窄
            • 仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用
        • 举例
          • 大肠埃希菌的大肠毒素（colicin），其编码基因位于Col质粒上
      • 维生素
        • 细菌能合成某些维生素除供自身需要外，还能分泌至周围环境中
        • 举例
          • 人体肠道内的大肠埃希菌合成B族维生素和维生素K可供人体吸收利用
  • 细菌的分泌系统
    • 定义
      • 细菌依赖分泌通路进行蛋白质的跨胞质膜转运的系统，是一种贯穿细菌包膜的特殊结构
        • 细菌合成的蛋白质
          • 大多数G+
            • 将其直接分泌到胞外
          • G-菌和少数G+菌及分枝杆菌
            • 由分泌系统将其分泌至胞外
    • 组成
      • 多种不同的镶嵌蛋白、细胞膜蛋白、外膜蛋白和辅助蛋白（ATPase、信号肽酶或分子伴侣等）
    • 分类
      • Ⅰ-Ⅵ型
        • G-菌的分泌系统
      • Ⅷ型
        • 分枝杆菌及少数G-菌的分泌系统
  • 细菌的免疫系统
    • 目前发现的四种不同的免疫类型
      • 限制修饰(restriction-modification，RM）系统
      • 流产感染(abortive infection，Abi)系统
      • 毒素-抗毒素(toxin-anti-toxin，TA)系统
      • CRISPR-Cas系统
• 七、细菌的分类
  • 细菌的分类原则与层次
    • 分类方法
      • 表型分类
        • 以细菌的形态和生理特征为依据，即选择一些较为稳定的生物学性状
      • 分析分类
        • 应用电泳、色谱、质谱等方法，对菌体组分、代谢产物组成与图谱等特征进行分析
      • 基因型分类
        • 分析细菌的遗传物质，揭示细菌进化的信息，是最精确的分类方法
        • 举例
          • DNA碱基组成（G+Cmol%)
          • 核酸分子杂交（DNA-DNA同源性、DNA-rRNA同源性）
          • 16S rRNA同源性分析
            • 更为重要
              • 因其在进化过程中保守、稳定，很少发生变异，是种系分类的重要依据
          • 比较细菌大分子结构的同源程度
    • 相关概念
      • 菌株（strain）
        • 定义
          • 不同来源的同一菌种的细菌
      • 标准菌株（standard strain）或模式菌株（type strain）
        • 定义
          • 具有某种细菌典型特征的菌株
  • 细菌的命名法
    • 拉丁双名法
      • 每个菌名由两个拉丁字组成，用斜体字表示
        • 前一字
          • 为属名
            • 第一个字母大写
        • 后一字
          • 为种名
            • 用形容词，小写
        • 特殊
          • 有时候为了泛指某一属细菌，不特指其中某个菌种，则可以在属名后加sp.(单数）或spp.(复数）
            • 如：Salmonella sp. 泛指沙门菌属
    • 中文命名
      • 与拉丁文相反
        • 种名在前，属名在后
• 六、抑制或杀灭微生物的理化因素
  • 消毒灭菌的常用术语
    • 灭菌（sterilization）
      • 定义
        • 指杀灭物体上所有微生物的方法
          • 杀灭全部病原微生物和非病原微生物
            • 细菌芽胞
            • 病毒
            • 真菌
            • 其他
    • 消毒（disinfection）
      • 定义
        • 指杀死物体上或环境中的病原微生物，并不一定能杀死细菌芽胞或非病原微生物的方法
      • 相关概念
        • 消毒剂（disinfectant）
          • 定义
            • 用以消毒的化学药品
          • 特点
            • 一般消毒剂在常用的浓度下，只对细菌的繁殖体有效，对细菌芽胞无效
    • 防腐（antisepsis）
      • 定义
        • 指防止或抑制微生物生长繁殖的方法
      • 特点
        • 细菌一般不死亡
    • 清洁（cleaning）
      • 定义
        • 指通过除去尘埃和一切污秽以减少微生物数量的过程
      • 特点
        • 有利于提高消毒、灭菌的效果
    • 无菌（asepsis)和无菌操作
      • 无菌
        • 定义
          • 是不存在活菌的意思，多是灭菌的结果
      • 无菌操作
        • 定义
          • 防止微生物进入人体或其他物品的操作技术
  • 物理消毒灭菌法
    • 热力灭菌法
      • 干热灭菌法
        • 杀菌作用原理
          • 脱水、干燥、大分子变性
        • 举例
          • 焚烧
          • 烧灼
          • 干烤
          • 红外线
      • 湿热灭菌法
        • 举例
          • 巴氏消毒法（pasteurization）
            • 用较低的温度杀灭液体中的病原菌或特定微生物，以保持物品中所需的不耐热成分不被破坏的消毒方法
            • 具体流程（2种方法）
              • 加热至61.1-62.8℃30分钟
              • 71.7℃经15-30秒
                • 现广泛采用此方法
            • 应用
              • 消毒牛乳、酒类
          • 煮沸法
          • 流动蒸汽消毒法
            • 又称
              • 常压蒸汽消毒法
          • 间歇蒸汽消毒法（fractional sterilization）
          • 高压蒸汽灭菌法（pressure steam sterilization）
            • 特点
              • 是灭菌效果最好的方法
        • 特点（相较于干热灭菌法在同一温度下效果更好）
          • 湿热中细菌菌体蛋白较易凝固变性
          • 湿热的穿透力比干热大
          • 湿热的蒸汽有潜热效应存在
    • 辐射杀菌法
      • 紫外线（ultraviolet ray）
      • 电离辐射
      • 微波（microwave）
    • 滤过除菌法（filtration）
      • 定义
        • 是用物理阻留的方法除去液体或空气中的细菌、真菌，以达到无菌目的
      • 缺陷
        • 不能除去病毒和支原体
      • 器具
        • 滤菌器（filter）
    • 干燥与低温抑菌法
      • 冷冻真空干燥法（lyophilization)
        • 定义
          • 低温可以使细菌的新陈代谢减慢，故常用作保存细菌菌种。当温度回升至适宜范围时，又能恢复生长繁殖。为避免解冻时对细菌的损伤，可在低温状态下真空抽去水分，此方法称为冷冻真空干燥法
        • 特点
          • 是目前保存菌种的最好方法，一般可保存微生物数年至数十年
  • 化学消毒灭菌法
    • 高效消毒剂
      • 特点
        • 可杀灭包括细菌芽胞在内的所有微生物
      • 举例
        • 含氯消毒剂
          • 举例
            • 次氯酸钠、二氯异氰酸尿酸钠、漂白粉等
            • 二氧化氯
        • 过氧化物消毒剂
          • 举例
            • 过氧化氢、过氧乙酸
        • 醛类消毒剂
          • 举例
            • 戊二醛、甲醛
        • 环氧乙烷
      • 应用
        • 不能耐受热力灭菌，但是要进入人体内部的物品，如内镜、塑料外科器材等消毒
    • 中效消毒剂
      • 特点
        • 不能杀灭细菌芽胞，但能杀灭细菌繁殖体（包括结核分枝杆菌）、真菌和大多数病毒
      • 应用
        • 纤维内镜、喉镜、阴道窥器、麻醉器材等
      • 举例
        • 含碘消毒剂
          • 举例
            • 碘酊、碘伏
        • 醇类消毒剂
          • 举例
            • 乙醇、异丙醇
    • 低效消毒剂
      • 特点
        • 可杀灭多数细菌繁殖体，但不能杀灭细菌芽胞、结核分枝杆菌以及某些抵抗力较强的真菌和病毒
      • 举例
        • 季铵盐类消毒剂
          • 举例
            • 苯扎溴铵（商业名：新洁尔灭）
        • 氯己定（商业名：洗必泰）
        • 高锰酸钾
  • 消毒灭菌的应用
  • 影响消毒灭菌效果的因素
    • 微生物的种类
    • 微生物的生理状态
      • 在营养缺陷下生长的微生物比在营养丰富情况下生长的微生物有更强的抵抗力
    • 微生物的数量
    • 消毒剂的性质、浓度与作用时间
    • 温度
    • 酸碱度
    • 有机物
• 五、细菌的人工培养
  • 培养细菌的方法
    • 省流
      • 选择合适的培养基以提供
        • 充足的营养物质
        • 合适的酸碱度
        • 合适的渗透压
        • 适宜的温度
        • 必要的气体
        • 其他
    • 常用的分2类
      • 分离培养
        • 将标本或培养物划线接种在固体培养基的表面，因划线的分散作用，使许多原混杂的细菌在固体培养基表面上散开
      • 纯培养（pure culture)
        • 挑取一个菌落，转移到另一个培养基中，可生长出大量的纯种细菌
        • 应用
          • 多用于某些菌种的扩增
    • 相关概念
      • 菌落（colony）
        • 由单个细菌分裂繁殖成的一堆肉眼可见的细菌集团
  • 培养基（culture medium）
    • 定义
      • 由人工方法配制而成的，专供微生物生长繁殖用的混合营养物制品
    • 分类（依据营养组成和用途）
      • 基础培养基
        • 举例
          • 营养肉汤（nutrient broth）
          • 营养琼脂（nutrient agar）
          • 蛋白胨水
      • 增菌培养基（enrichment medium）
        • 定义
          • 适合某种细菌而不适合其他细菌生长
        • 目的
          • 培养生长的营养要求相同的细菌群
        • 分类
          • 通用增菌培养基
            • 在基础培养基的基础上添加合适的生长因子或微量元素等
          • 专用增菌培养基
            • 添加特殊抑制剂，使目的菌生长繁殖
            • 举例
              • 碱性蛋白胨水用于霍乱弧菌的增菌培养
      • 选择培养基（selective medium）
      • 鉴别培养基（differential medium）
        • 加入特定的作用底物或指示剂，一般不加抑菌剂
      • 厌氧培养基（anaerobic medium）
    • 分类（依据培养基的物理状态）
      • 固体培养基
        • 常用于细菌的分离和纯化
      • 半固体培养基
        • 用于观察细菌的动力和短期保存细菌
      • 液体培养基
        • 可用于大量繁殖细菌，但必须加入纯种细菌
    • 注意点
      • 琼脂在培养基中起赋形作用，不具营养意义
  • 细菌在培养基中的生长情况
    • 在液体培养基中
      • 均匀混浊状态
        • 大多数细菌
      • 沉淀生长
        • 少数链状的细菌
      • 表面生长（常形成菌膜）
        • 枯草芽胞杆菌、结核分枝杆菌等专性需氧菌
    • 在固体培养基中
      • 光滑型菌落（smooth colony，S型菌落）
        • 表面光滑、湿润、边缘整齐
      • 粗糙型菌落（rough colony，R型菌落）
        • 表面粗糙、干燥、呈皱纹或颗粒状，边缘大多不整齐
        • R型细菌多由S型细菌变异失去菌体表面多糖或蛋白质形成
          • R型细菌抗原不完整，毒力和抗吞噬能力都比S型菌弱
      • 黏液型菌落（mucoid colony，M型菌落）
        • 黏稠、有光泽，似水珠样
        • 多见于有厚荚膜或丰富黏液层的细菌，如：肺炎克雷伯菌
    • 在半固体培养基中
      • 沿穿刺线呈羽毛状或云雾状混浊生长
        • 有鞭毛的细菌
      • 沿穿刺线呈明显的线状生长
        • 无鞭毛的细菌
  • 人工培养细菌的用途
• 厌氧呼吸和发酵必须在无氧条件下进行