2022年醫(yī)學專題-細菌的生理與遺傳變異

第二章

細菌(xìjūn)的生理與遺傳變異

吳愛武第一頁，共八十六頁。

細菌(xìjūn)的生理第二頁，共八十六頁。細菌的化學(huàxué)組成細菌(xìjūn)的化學組成：水、無機鹽、蛋白質(zhì)、糖類、脂類、核酸肽聚糖、磷壁酸第三頁，共八十六頁。細菌的物理(wùlǐ)性狀細菌的物理性狀：

細菌為半透明體，濁度與數(shù)量(shùliàng)成正比

體積小、表面積大、代謝旺盛、繁殖快

帶電荷：在中性或弱酸性環(huán)境中帶負電荷

半透性

細菌體內(nèi)壓力大第四頁，共八十六頁。細菌的新陳代謝(xīnchéndàixiè)與能量轉(zhuǎn)換細菌的新陳代謝：分解代謝、合成代謝、中間代謝細菌的能量代謝（生物(shēngwù)氧化）：呼吸發(fā)酵有氧呼吸厭氧呼吸第五頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)的分解代謝產(chǎn)物細菌的分解代謝產(chǎn)物：糖的分解蛋白質(zhì)氨基酸的分解細菌常見(chánɡjiàn)的生化反應：第六頁，共八十六頁。細菌的合成代謝(dàixiè)產(chǎn)物熱原質(zhì)（pyrogen）：化學成分：脂多糖(duōtánɡ)特點：耐高溫未按批準工藝滅菌：降低滅菌溫度，縮短滅菌時間(shíjiān)，增加滅菌柜裝載量，影響了滅菌效果。第七頁，共八十六頁。細菌的合成(héchéng)代謝產(chǎn)物毒素(dúsù)和侵襲性酶類：外毒素（exotoxin）：

活的革蘭陽性菌合成分泌化學成分為蛋白質(zhì)，不耐熱毒性強，對組織有選擇性作用抗原性強，可脫毒為類毒素。第八頁，共八十六頁。細菌的合成(héchéng)代謝產(chǎn)物內(nèi)毒素（endotoxin）：

革蘭陰性菌死亡后釋放化學成分為脂多糖(duōtánɡ)，耐熱毒性作用大致相似（發(fā)熱、白細胞反應、內(nèi)毒素血癥、DIC）抗原性弱，不可脫毒為類毒素第九頁，共八十六頁。細菌的合成代謝(dàixiè)產(chǎn)物侵襲性酶類：透明質(zhì)酸酶血漿(xuèjiāng)凝固酶卵磷脂酶血漿凝固(nínggù)酶試驗玻片法結(jié)果血漿凝固酶試驗試管法結(jié)果第十頁，共八十六頁。細菌的合成(héchéng)代謝產(chǎn)物色素(sèsù)抗生素維生素細菌素第十一頁，共八十六頁。細菌的生長(shēngzhǎng)繁殖細菌生長繁殖(fánzhí)的條件細菌繁殖的規(guī)律第十二頁，共八十六頁。細菌生長的條件(tiáojiàn)：

1.充足的營養(yǎng)物質(zhì)基本營養(yǎng)物質(zhì)：水、無機鹽、蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)要求高的細菌營養(yǎng)要求一般的細菌第十三頁，共八十六頁。細菌生長的條件(tiáojiàn)：2.必要的氣體環(huán)境

根據(jù)細菌對氧的需要程度，細菌分為：專性需氧菌微需氧菌兼性厭氧菌專性厭氧菌第十四頁，共八十六頁。細菌生長(shēngzhǎng)的條件：3.合適的溫度病原微生物的最適生長溫度：35～37℃。根據(jù)最適生長溫度不同細菌可分成：嗜冷菌嗜溫菌嗜熱菌第十五頁，共八十六頁。細菌生長條件(tiáojiàn)：4.適宜的酸堿度

嗜酸性細菌最適生長pH可低至3.0嗜堿性細菌最適生長pH可高至10.0病原性細菌最適pH為7.0～7.6個別細菌如霍亂弧菌pH在8.4～9.2生長最佳第十六頁，共八十六頁。細菌的個體(gètǐ)生長細菌(xìjūn)以二分裂法進行無性繁殖多數(shù)(duōshù)細菌分裂一代需20～30min第十七頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)群體生長繁殖--生長曲線圖延緩期:：準備階段對數(shù)期：細菌形態(tài)、染色性生理活性典型，對外界因素敏感(mǐngǎn)穩(wěn)定期：合成代謝產(chǎn)物衰亡期：細菌形態(tài)改變呈多形態(tài)的衰退形第十八頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)的遺傳與變異第十九頁，共八十六頁。一、細菌變異的現(xiàn)象(xiànxiàng)二、細菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三、細菌變異的機制

細菌(xìjūn)的遺傳變異第二十頁，共八十六頁。細菌變異的現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)變異L型菌、鞭毛、莢膜、芽胞變異等

毒力變異毒力減弱-疫苗制備毒力增強-細菌戰(zhàn)

耐藥性變異臨床治療中嚴重問題

菌落變異從光滑型（S）

粗糙型（R）

抗原性變異與細菌鑒定(jiàndìng)有關(guān)第二十一頁，共八十六頁。基因型變異(biànyì)（genotypicvariation）表型變異（phenotypicvariation）細菌變異(biànyì)的種類第二十二頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

染色體質(zhì)粒噬菌體轉(zhuǎn)座子整合(zhěnɡhé)子和基因盒第二十三頁，共八十六頁。細菌染色體

細菌染色體為一環(huán)狀雙股DNA鏈，呈超螺旋形式纏繞成團，構(gòu)成核質(zhì)，內(nèi)含細菌主要的遺傳信息。革蘭陽性菌核質(zhì)連接在中介體上革蘭陰性菌核質(zhì)連接在細胞膜某一點上目前，已完成約80種細菌全基因序列(xùliè)測定，對深入研究細菌致病機制及進化有重要意義。第二十四頁，共八十六頁。質(zhì)粒plasmid質(zhì)粒為細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀雙股DNA。質(zhì)粒攜帶有遺傳信息，控制某些特定(tèdìng)的遺傳性狀，可獨立復制，與細菌的遺傳變異有關(guān)。第二十五頁，共八十六頁。質(zhì)粒特征：自我復制-可與染色體同步/不同步可轉(zhuǎn)移性-可以各種方式轉(zhuǎn)移到其它菌可自行丟失及消除-不影響細菌存活決定細菌某些(mǒuxiē)生物學性狀相容性與不相容性-幾種質(zhì)?？纱嬖谟谕痪w內(nèi)，稱質(zhì)粒相容性。而兩種結(jié)構(gòu)相似密切相關(guān)的質(zhì)粒不能穩(wěn)定共存于同一宿主菌稱質(zhì)粒不相容性。第二十六頁，共八十六頁。質(zhì)粒種類：致育質(zhì)粒-(fertilityplasmid)F質(zhì)粒，產(chǎn)生性菌毛--F+毒力質(zhì)粒-(virulenceplasmid)Vi質(zhì)粒，產(chǎn)生相應毒素耐藥質(zhì)粒-(resistanceplasmid)R質(zhì)粒細菌素質(zhì)(sùzhì)粒-Col質(zhì)粒，產(chǎn)生細菌素代謝質(zhì)粒-編碼產(chǎn)生相關(guān)酶，如脲酶、枸櫞酸鹽利用酶等第二十七頁，共八十六頁。噬菌體（bacteriophage,phage）噬菌體是感染細菌、真菌(zhēnjūn)、放線菌或螺旋體等微生物的病毒，在葡萄球菌和志賀菌中首先發(fā)現(xiàn)。具有病毒的特性：個體微小，可以通過細菌濾器沒有完整的細胞結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)和核酸組成專性細胞內(nèi)寄生的微生物嚴格的宿主特異性分布極廣第二十八頁，共八十六頁。形態(tài)個體小，需用(xūyònɡ)電子顯微鏡觀察蝌蚪形、微球形和絲形噬菌體的生物學性狀(xìngzhuàng)第二十九頁，共八十六頁。電鏡下見噬菌體×40000電鏡下見噬菌體與宿主(sùzhǔ)菌細胞膜表面接合×40000第三十頁，共八十六頁。大腸(dàcháng)埃希菌T2噬菌體蝌蚪(kēdǒu)形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖第三十一頁，共八十六頁。頭部：內(nèi)含DNA/RNA尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾絲、尾刺等。尾絲是吸附宿主細胞表面特殊(tèshū)受體部位。頭部尾部(wěibù)尾鞘收縮(shōusuō)尾絲與受體菌表面結(jié)合特異性特異性特異性！第三十二頁，共八十六頁。

噬菌體的種類及生活(shēnghuó)周期毒性(dúxìnɡ)噬菌體---溶菌周期溫和性噬菌體---溶原周期(zhōuqī)第三十三頁，共八十六頁。毒性(dúxìnɡ)噬菌體(virulentphage)能在宿主菌細胞內(nèi)復制增殖,產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細菌，稱為毒性噬菌體。第三十四頁，共八十六頁。毒性(dúxìnɡ)噬菌體溶菌周期（復制周期）增殖過程(guòchéng)吸附穿入生物合成組裝、成熟與釋放第三十五頁，共八十六頁。宿主菌復制(fùzhì)周期——吸附吸附(xīfù)方式：非特異性吸附---可逆特異性吸附---受體第三十六頁，共八十六頁。復制(fùzhì)周期——穿入穿入形式(xíngshì)：

吞飲---無包膜病毒融合---有包膜病毒第三十七頁，共八十六頁。復制(fùzhì)周期——脫殼脫殼：細胞(xìbāo)內(nèi)無完整病毒體第三十八頁，共八十六頁。復制周期中最重要的階段(jiēduàn)隱蔽期：用一切血清學方法和電鏡檢查均不能查見處于生物合成階段的病毒顆粒復制周期(zhōuqī)——

生物合成第三十九頁，共八十六頁。組裝(zǔzhuānɡ)成熟DNA病毒(bìngdú)在核內(nèi)

RNA病毒(bìngdú)在漿內(nèi)不同方式(fāngshì)釋放復制周期---組裝、成熟、釋放第四十頁，共八十六頁。復制(fùzhì)周期---組裝、成熟、釋放溶細胞(xìbāo)型—細胞(xìbāo)裂解毒性(dúxìnɡ)噬菌體從細胞內(nèi)釋放方式毒性噬菌體釋放溶解宿主菌！第四十一頁，共八十六頁。毒性(dúxìnɡ)噬菌體溶菌現(xiàn)象觀察液體培養(yǎng)基：使渾濁菌液變?yōu)槌吻?固體培養(yǎng)基：菌膜表面可有透亮的溶菌空斑出現(xiàn)。一個空斑系由一個噬菌體復制增殖并裂解細菌后形成的，稱為噬斑（plaque）若將噬菌體按一定倍數(shù)稀釋，通過噬斑計數(shù)(jìshù)，可測知一定體積內(nèi)的噬斑形成單位數(shù)目，即噬菌體的數(shù)量。第四十二頁，共八十六頁。噬斑第四十三頁，共八十六頁。溫和(wēnhé)噬菌體溫和(wēnhé)噬菌體(temperatephage)噬菌體基因與宿主菌染色體整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復制，并隨細菌的分裂而傳代，稱為溫和噬菌體或溶原性噬菌體(lysogenicphage)。第四十四頁，共八十六頁。病毒基因與細胞(xìbāo)基因整合溫和(wēnhé)噬菌體從細胞內(nèi)釋放方式溫和性噬菌體釋放基因與細胞(xìbāo)基因整合第四十五頁，共八十六頁。溫和(wēnhé)噬菌體前噬菌體整合(zhěnɡhé)在細菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體（prophage）溶原性細菌帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌（lysogenicbacterium）第四十六頁，共八十六頁。溫和(wēnhé)噬菌體的溶原性周期phage前噬菌體溶原菌第四十七頁，共八十六頁。溶原性噬菌體溶原狀態(tài)十分穩(wěn)定，能經(jīng)歷許多代在某些(mǒuxiē)條件如紫外線、X線、致癌劑、突變劑等作用下，可中斷溶原狀態(tài)進入溶菌性狀態(tài)。故溶原性噬菌體具有溶菌性及溶原性二個周期。第四十八頁，共八十六頁。溫和(wēnhé)噬菌體第四十九頁，共八十六頁。轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）概念：是一類在細菌染色體、質(zhì)?；蚴删w之間可自行(zìxíng)移動的特異性的獨立的DNA片段。第五十頁，共八十六頁。意義：改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列；影響(yǐngxiǎng)插入點附近基因的表達（失活）；直接插入一段新序列，造成基因的轉(zhuǎn)移和重組。均能造成細菌性狀的變異轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）第五十一頁，共八十六頁。轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）種類(zhǒnglèi)：插入序列復合轉(zhuǎn)座子第五十二頁，共八十六頁。插入序列（insertionsequence,IS）結(jié)構(gòu)較簡單，長度小于2Kb。只帶有自身插入所需要的酶基因，不帶有任何與插入無關(guān)的基因。插入后與插入點附近的序列(xùliè)共同起作用。如在有些質(zhì)粒和染色體上，有一些相同的IS，因此質(zhì)粒就可以經(jīng)同源性重組插入到染色體中，形成高頻重組株（Hfr)。第五十三頁，共八十六頁。復合轉(zhuǎn)座子（complexTn）結(jié)構(gòu)較復雜，分子量大（2kb以上），除了含有與轉(zhuǎn)位(zhuǎnwèi)有關(guān)的基因外，還至少攜帶1個決定細菌遺傳性狀有關(guān)的基因（如耐藥性基因、重金屬抗性基因、毒素基因等）。其中以帶有耐藥性基因的Tn研究的最多，當Tn插入時，一方面可引起插入基因的失活、另一方面帶入了耐藥基因使細菌獲得了耐藥性。第五十四頁，共八十六頁。復合(fùhé)轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)IS未端反向重復中心序列IS---與轉(zhuǎn)座子插入(chārù)有關(guān)中心(zhōngxīn)序列---攜帶有特殊基因（如耐藥基因等）第五十五頁，共八十六頁。---------------------------------------------------------------------------------------------------------

轉(zhuǎn)座子攜帶(xiédài)的耐藥/毒素基因---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tn1Tn2Tn3AP（氨芐青霉素）Tn4AP、SM（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5Tn6Km（卡那霉素）Ble（博來霉素）Tn1681大腸埃希菌（腸毒素基因）Tn971、551Em（紅霉素）------------------------------------------------------------------------------------------------------------

常見(chánɡjiàn)轉(zhuǎn)座子種類第五十六頁，共八十六頁。整合(zhěnɡhé)子與基因盒整合子（integron）：是細菌基因組中大小為800~3900bp的可移動的DNA片段，常以環(huán)形結(jié)構(gòu)(jiégòu)獨立存在。特點：含有位點特異性重組系統(tǒng)，能識別并捕獲外源基因，尤其是抗生素耐藥基因，并通過整合子的位點特異性基因重組機制，將多種耐藥基因組裝在一起，使細菌耐藥基因發(fā)生擴散。

第五十七頁，共八十六頁。整合(zhěnɡhé)子與基因盒的結(jié)構(gòu)int5‘-conservedsegmentgenecassette2genecassette1第五十八頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)的變異機制基因突變基因的轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)與重組第五十九頁，共八十六頁。基因突變概念突變mutation指細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)突然發(fā)生的穩(wěn)定性的改變，可遺傳子代。根據(jù)涉及基因(jīyīn)的多少分為小突變及大突變二種。野生型（wildtype)突變型(mutant)基因突變(jīyīntūbiàn)第六十頁，共八十六頁。小突變的幾種(jǐzhǒnɡ)類型：沉默突變錯義突變中性突變無義突變基因突變(jīyīntūbiàn)第六十一頁，共八十六頁?；蛲蛔兊囊?guī)律：突變率細菌自發(fā)突變率低約為106~109，在一些突變劑誘導下突變率可大大提高。突變與選擇細菌突變隨機(suíjī)產(chǎn)生，不受環(huán)境因素的影響，但在一定條件下被選擇出來。基因突變(jīyīntūbiàn)第六十二頁，共八十六頁。突變與選擇證明(zhèngmíng)實驗

影印培養(yǎng)replicaplating(Lederberg1952)證明：耐藥突變是自發(fā)(zìfā)的、隨機的，藥物只起選擇作用無抗生素平板

含抗生素平板標記點2耐藥菌株

影印用無菌絲絨布影印后絲絨布上對應菌落1

含抗生素培養(yǎng)管

（細菌生長混濁）3

含抗生素培養(yǎng)管（細菌不生長澄清3第六十三頁，共八十六頁?；貜屯蛔円吧停ㄗ匀画h(huán)境下的表型株）突變型（發(fā)生(fāshēng)了基因突變的菌株）

突變(tūbiàn)回復突變野生型突變型第六十四頁，共八十六頁。

基因的轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)與重組二個細菌間部分遺傳基因，可以發(fā)生轉(zhuǎn)移（genetransfer)和重組(recombination)，使受體菌獲得新的遺傳性狀。細菌基因轉(zhuǎn)移和重組的方式：轉(zhuǎn)化（transformation)；接合(conjugation)；轉(zhuǎn)導(zhuǎndǎo)(transduction)；溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)；原生質(zhì)體融合（protoplastfusion)第六十五頁，共八十六頁。轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)transformation概念：供體菌游離的DNA片段直接被受體菌攝取，使受體菌獲得新的性狀(xìngzhuàng)小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化經(jīng)典試驗第六十六頁，共八十六頁。有莢膜肺炎(fèiyán)鏈球菌（活菌）IIIS無莢膜肺炎(fèiyán)鏈球菌（活菌）IIR有莢膜肺炎(fèiyán)鏈球菌（死菌）IIISIIR活菌+IIIS死菌或IIR活菌+提取的IIISDNA分離出IIIS型有莢膜的活菌小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化試驗Griffith(1928)分離出IIIS第六十七頁，共八十六頁。接合(jiēhé)conjugation概念

供體菌通過(tōngguò)性菌毛將遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒）傳遞給受體菌（通過接合傳遞的質(zhì)粒有F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒）

第六十八頁，共八十六頁。細菌(xìjūn)接合示意圖掃描電鏡15000×第六十九頁，共八十六頁。接合(jiēhé)★F因子(yīnzǐ)的傳遞—

F因子經(jīng)接合傳遞后在受體菌中可有三種存在方式：第七十頁，共八十六頁。①F質(zhì)粒在受體菌中單獨(dāndú)存在，使F-菌轉(zhuǎn)變?yōu)镕+菌，長出性菌毛。第七十一頁，共八十六頁。②F質(zhì)?；蚪?jīng)接合傳遞后,與染色體重組,形成(xíngchéng)高頻重組株（highfrequencyrecombinant,Hfr）。

Hfr的細菌，其染色體上帶有F質(zhì)粒基因，因此，也可產(chǎn)生性菌毛。

第七十二頁，共八十六頁。形成高頻重組株：F質(zhì)?；?jīyīn)與細菌染色體整合，并使細菌長出性菌毛高頻(ɡāopín)重組株Hfr第七十三頁，共八十六頁。③Hfr中的F質(zhì)粒有時(yǒushí)也可從Hfr中脫離下來，終止其Hfr狀態(tài)，這些從染色體上脫離下來的F質(zhì)粒可以帶有染色體上鄰近的一些基因，這種質(zhì)粒稱為F’質(zhì)粒

第七十四頁，共八十六頁。F因子轉(zhuǎn)移與復制①形成高頻重組株②HfrHfrHfr③形成F’質(zhì)粒F’從Hfr上脫離的F’第七十五頁，共八十六頁。帶有F質(zhì)粒、Hfr、F’質(zhì)粒的細菌(xìjūn)均是F+陽性菌，有性菌毛，可與F-菌接合第七十六頁，共八十六頁?！颮質(zhì)粒的傳遞

目前，臨床上多重耐藥菌株的出現(xiàn)(chūxiàn)與R質(zhì)粒通過接合傳遞密切有關(guān)。

R質(zhì)粒組成：

耐藥傳遞因子（resistancetransferfactor,RTF)

RTF類似F因子，可編碼產(chǎn)生性菌毛并以接合方式轉(zhuǎn)移。

耐藥決定因子（r決定因子）

r決定因子兩端的IS可與RTF相連；且可有多個Tn

連接排列(páiliè)是造成多重耐藥的原因

第七十七頁，共八十六頁。RTFISR決定因子Tn9Tn4Tn5Tn9耐氯霉素Tn4耐氨芐青霉素、鏈霉素等Tn5耐卡那霉素R質(zhì)粒組成(zǔchénɡ)示意圖第七十八頁，共八十六頁。轉(zhuǎn)導(zhuǎndǎo)transduction

概念(gàiniàn)

以噬菌體為載體，將供體菌的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到受體菌中，使受體菌獲得新的遺傳性狀。噬菌體種類

毒性噬菌體\溫和噬菌體

溶原噬菌體的溶原期與裂解期交替進行，此時溫和噬菌體起轉(zhuǎn)導載體作用第七十九頁，共八十六頁。普遍性轉(zhuǎn)導(zhuǎndǎo)示意圖整合成功完全轉(zhuǎn)導整合失敗流產(chǎn)轉(zhuǎn)導噬菌體DNA細菌DNA細菌被裂解感染新的細菌供體菌DNA與受體菌DNA整合第八十頁，共八十六頁。gal