第三章 細菌的生理Bacterial physiology

第三章細菌的生理(Bacterialphysiology)細菌生理學(xué)的研究對象是細菌的組成成分、營養(yǎng)要求、能量代謝、生物合成和生長繁殖等一系列理論知識。對于細菌生理學(xué)的研究，不但可從理論上分析細菌生命活動的基本規(guī)律，而且在生產(chǎn)實踐上具有重要意義。例如細菌的致病性和免疫機制、抗藥性、人工培養(yǎng)、疫苗的制造、毒素與抗毒素的生產(chǎn)等方面，都與細菌生理學(xué)的研究具有極其密切的關(guān)系。第一節(jié)細菌的理化性狀第二節(jié)細菌的生長繁殖第三節(jié)細菌的新陳代謝第四節(jié)細菌的人工培養(yǎng)第一節(jié)細菌的理化性狀一、細菌的化學(xué)組成1、就元素來講：灰分元素：P、S、K、Ca、Mg、Fe、Na、Cl、Cu、Zn、Mn、B、Co等。有機元素：C、N、H、O，這些元素主要以化合物的形式存在，構(gòu)成了細菌細胞的水分和有機物、無機物的固體成分。2、細菌的化學(xué)組成1）小分子物質(zhì)：水（占75~85%）無機鹽（占干重的10%）2）大分子物質(zhì)：蛋白質(zhì)、糖類、脂類、核酸3）特殊化學(xué)物質(zhì)：肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸（DAP),吡啶二羧酸（DPA)等。二、細菌的物理性狀1、光學(xué)性質(zhì)：細菌為半透明體。當光線照射至細菌，部分被吸收，部分被折射，故細菌懸液呈混濁狀態(tài)。

2、表面積：細菌體積微小，相對表面積大，有利于同外界進行物質(zhì)交換。3、帶電現(xiàn)象：細菌固體成分的50%～80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)由兼性離子氨基酸組成。革蘭陽性菌pI為2-3，革蘭陰性菌pI為4-5，故在近中性或弱堿性環(huán)境中，細菌均帶負電荷，尤以前者所帶負電荷更多。4、半透性：細菌的細胞壁和細胞膜都有半透性，允許水及部分小分子物質(zhì)通過，有利于吸收營養(yǎng)和排出代謝產(chǎn)物。5、滲透壓：細菌體內(nèi)含有高濃度的營養(yǎng)物質(zhì)和無機鹽，一般革蘭陽性菌的滲透壓高達20～25個大氣壓，革蘭陰性菌為5～6個大氣壓。細菌所處一般環(huán)境相對低滲，但有堅韌細胞壁的保護不致崩裂。第二節(jié)細菌的生長繁殖(Growthandreproductionofbacteria)一、細菌生長繁殖條件1、營養(yǎng)物質(zhì)：水、碳源、氮源、無機鹽、生長因子。生長因子——許多細菌在其生長過程中還必需一些自身不能合成化合物，稱為生長因子。有維持細菌正常發(fā)育和促進生長的功能，極其微量就能顯示其影響足夠份量可使某些細菌生長加快數(shù)百倍。包括：維生素類（特別是B族維生素）和一些有機酸、嘌呤、嘧啶等，如硫胺素、核黃素、生物素、泛酸、葉酸等。生長因子多為輔基或輔酶的主要成分對細菌的生命活動至關(guān)重要。生長因子一般可由酵母浸膏、血液、血清或腹水等提供。各種細菌對生長因子的需要情況有所不同。某些微生物能合成和積累生長因子的特性，已被用于人類生產(chǎn)和醫(yī)藥、食品、飼料等2、酸堿度：多數(shù)病原菌最適PH為中性或弱堿性（pH7.2～7.6）。3、溫度：病原菌均為嗜溫菌，最適溫度為人體的體溫，即37℃，故實驗室一般采用37℃培養(yǎng)細菌。4、氣體：與細菌生長有關(guān)的氣體，主要是氧和CO2。

1）根據(jù)細菌代謝時對氧的需要情況，可將其分為三類：①專性需氧菌：這些細菌僅能在有氧條件下生長；如結(jié)核桿菌，霍亂弧菌②專性厭氧菌：這些細菌只能在無氧環(huán)境下生長；如破傷風桿菌，魏氏梭菌③兼性厭氧菌：在有氧及無氧的條件下均能生存，有氧條件比無氧環(huán)境生長更好，大多數(shù)病原菌屬此。2）一般細菌代謝中都需CO2，但大多數(shù)細菌自身代謝所產(chǎn)生的CO2即可滿足需要。有些細菌，在初次分離時需要較高濃度的CO2，否則生長很差甚至不能生長。布氏桿菌在初次分離時，要有5～10%CO2才能生長。炭疽桿菌在人工培養(yǎng)時，往往環(huán)境中有較高濃度的CO2，方能形成夾膜。二、細菌的營養(yǎng)類型不同種類的細菌，對能源和碳源的要求并不一樣據(jù)此可將細菌分為不同的營養(yǎng)類型自養(yǎng)菌異養(yǎng)菌1）根據(jù)碳素營養(yǎng)區(qū)分①自養(yǎng)菌（autotrophicbacteria）：能用簡單的無機物為原料合成復(fù)雜的菌體成分。他們能利用無機碳如以二氧化碳或碳酸鹽作為碳源，以N2、NO2-、NO3-等作為氮源，如：硝化菌。②異養(yǎng)菌（heterotrophicbacteria）：

必須以多種有機物為原料合成復(fù)雜的菌體成分及獲得能量。他們不能利用無機碳需要有機碳來合成所需要的含碳有機物必須依賴其他生物供給現(xiàn)成的有機物異養(yǎng)菌有可分為：1）腐生菌（saprophytes）：從無生命的有機物質(zhì)中攝取營養(yǎng)。2）寄生菌（parasites）：寄生于活的動植物體內(nèi)，從宿主體內(nèi)的有機物質(zhì)中獲得營養(yǎng)和能量，大部分致病菌屬于這一類。2）根據(jù)能源區(qū)分②化能營養(yǎng)菌：從無機和有機物中取得能量的細菌。大部分細菌屬于此類前者為無機化能營養(yǎng)菌后者為有機化能營養(yǎng)菌①光能營養(yǎng)菌：能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的細菌。這類細菌屬于土壤和水中的細菌病原菌中不存在此種類型的細菌因此，細菌的營養(yǎng)類型分為：1）化能自養(yǎng)菌2）化能異養(yǎng)菌3）光能自養(yǎng)菌4）光能異養(yǎng)菌三、細菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的機制細菌代謝能力極強，繁殖快，消耗營養(yǎng)很多。細菌沒有專門的攝食和排泄器官，營養(yǎng)物質(zhì)是通過半透性的細胞壁和細胞膜進行吸收的。細菌主要有4種吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式，不同的營養(yǎng)物質(zhì)可沿不同的方式進入：1、單純擴散（simplediffusion）2、促進擴散（facilitateddiffusion）3、主動運輸（activetransport）4、基團轉(zhuǎn)移（grouptranslocation）

1、單純擴散（simplediffusion）1）也稱被動擴散，是一種簡單的細胞內(nèi)外物質(zhì)交換方式，只靠簡單的分子運動進行擴散。2）吸收的是溶液中的溶質(zhì)。3）特點：無特異性，不需要載體，不需要耗能速度緩慢。細胞內(nèi)外溶質(zhì)濃度一旦達到平衡，擴散便停止4）因此，單純擴散不是細菌獲得營養(yǎng)物質(zhì)的主要方式。2、促進擴散（facilitateddiffusion）1）某些物質(zhì)如糖和氨基酸與某些位于細菌細胞膜上特異性載體蛋白相結(jié)合，而后將其轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)，并不使基質(zhì)發(fā)生任何變化，也不需要能量，這種吸收營養(yǎng)物質(zhì)的方式稱為促進擴散2）特點：嚴格的特異性，需要載體，不需要能量可逆與被動擴散相同，不會使營養(yǎng)物質(zhì)逆濃度積累3．主動運輸（activetransport）

1）細菌吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要機制，在代謝能的推動下，通過質(zhì)膜上的特殊載體蛋白逆濃度梯度吸收營養(yǎng)物質(zhì)的過程稱為主動運輸。2）特點：①需要載體蛋白，有嚴格特異性，要求供應(yīng)能量。②可逆濃度梯度運輸，胞內(nèi)基質(zhì)可高于包內(nèi)100~10000倍。③飽和效應(yīng)：如果膜外基質(zhì)濃度甚高，足使載體飽和，輸送速度達到一定高度時就無法進一步提高。4．基團轉(zhuǎn)位（grouptranslocation）

1）上述各種物質(zhì)輸送過程中，輸送到細胞內(nèi)的基質(zhì)都未發(fā)生任何化學(xué)變化。2）基團轉(zhuǎn)位：物質(zhì)在運輸?shù)耐瑫r受到化學(xué)修飾，需要特異性載體蛋白參與，需要能量。3）主要存在于厭氧細菌和兼性厭氧細菌中，用于糖以及脂肪酸、核苷、堿基等物質(zhì)的運輸，是由磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)介導(dǎo)的一種反應(yīng)。4）與主動運輸相似，可逆濃度運輸，要求能量，酶介導(dǎo)。5、金屬離子的吸收

影響細菌生長的金屬離子在動物體內(nèi)極少以游離狀態(tài)存在，如：血清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白及乳中的乳鐵蛋白。細菌通過分泌載鐵體攝取與蛋白結(jié)合的Fe3+，形成含鐵螯合物，通過特異的主動輸送，進入菌體細胞。細菌攝取營養(yǎng)，基本通過上述幾種方式進行，但不同種類的細菌對同一物質(zhì)可通過不同的方式運輸。例如，大腸桿菌主要利用促進擴散輸送乳糖，而金黃色葡萄球菌則主要利用基團傳為方式輸送。四、細菌的生長繁殖方式和速度細菌細胞的生長繁殖，體現(xiàn)在個體和群體兩方面。1、細菌個體的生長繁殖1)細菌個體的繁殖方式：細菌以二分裂法進行無性繁殖。大腸桿菌菌體的分裂過程涉及30多個基因的調(diào)控。2)細菌個體的繁殖速度：

一個菌體分裂為兩個菌體所需的時間稱為世代時間。多數(shù)20~30min分裂一代。少數(shù)細菌繁殖較慢，如分支桿菌需18-24h才分裂一次2、細菌群體的生長繁殖——生長曲線

如將細菌接種在液體培養(yǎng)基并置于適宜的溫度中，定時取樣檢查活菌數(shù)，可發(fā)現(xiàn)其生長過程具有規(guī)律性。以時間為橫坐標，以活菌數(shù)的對數(shù)為縱坐標，可繪制出一條曲線，稱為“細菌生長曲線”。遲緩期指數(shù)期衰亡期穩(wěn)定期曲線顯示了細菌生長繁殖的4個期1、遲緩期

是細菌初到新環(huán)境的適應(yīng)期。特點此時菌體增大、代謝活躍、合成所需酶系統(tǒng)。RNA含量明顯增多，DNA無變化，此時細菌數(shù)并不增加約l~4h。2、對數(shù)期

細菌迅速分裂繁殖，活菌數(shù)以幾何級數(shù)增長，生長曲線近斜線。特點：該期病原菌致病力最強形態(tài)染色及生理均較典型對抗菌藥物敏感。大腸桿菌的對數(shù)期可持續(xù)6~10h3、穩(wěn)定期此時因營養(yǎng)消耗、代謝產(chǎn)物蓄積等，細菌繁殖速度下降，死亡數(shù)逐步上升，新繁殖的活菌與死菌平衡，活菌數(shù)最多。特點：細菌形態(tài)及生理性狀常有改變，染色不特異，芽孢開始形成。產(chǎn)生毒素等代謝產(chǎn)物。大腸桿菌的對數(shù)期可持續(xù)一般8h。

4、衰亡期

細菌死亡速度加大，繁殖速度變小。如不移植到新培養(yǎng)基，最終可全部死亡。特點：此期菌體變形或自溶，染色不典型。細菌的群體生長繁殖可分為4個期遲緩期對數(shù)期穩(wěn)定期衰亡期細菌群體典型的生長曲線生長曲線只有在體外人工培養(yǎng)條件下才能觀察到第三節(jié)細菌的新陳代謝

（Bacterialmetabolism)任何活細胞都有維持生長和繁殖的機能，這種機能是由獨立的、但又密切聯(lián)系的兩種過程所組成，即：異化作用catabolism同化作用anabolism這兩個過程合稱為代謝（metabolism)代謝過程必須有酶參加一、細菌的酶1、細菌細胞內(nèi)含有許多酶系統(tǒng)2、根據(jù)酶在細胞存在的部位和產(chǎn)生條件可分為胞內(nèi)酶胞外酶誘導(dǎo)酶固有酶存在于細胞內(nèi)的酶類分泌于細菌體外的酶類細菌常備的酶類適應(yīng)環(huán)境而產(chǎn)生的酶類二、細菌的呼吸與發(fā)酵細菌代謝所需要的能量，絕大多說通過生物氧化作用而獲得的。1、生物氧化——在酶的所用下生物細胞內(nèi)所發(fā)生的一系列氧化還原反應(yīng)。致病菌獲得能量的基質(zhì)主要是糖類通過糖的氧化或酵解釋放能量，并以高能磷酸鍵（ADP、ATP)的形式儲存能量

細菌生物氧化類型：呼吸發(fā)酵有氧呼吸無氧呼吸大多數(shù)病原菌只進行需氧呼吸或發(fā)酵1、有氧呼吸(aerobicrespiration)

有氧呼吸——以分子氧作為最終電子受體的稱為。

即化合物氧化脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，最終將它們交給氧，并生成水。有氧呼吸的特點：有氧存在、氧化徹底、產(chǎn)能量大。能夠進行有氧呼吸的微生物都是需氧菌和兼性厭氧菌。2、無氧呼吸