医学微生物学/细菌的新陈代谢

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细菌新陈代谢有两个突出的特点:①代谢活跃。细菌菌体微小,相对表面积很大,因此,物质交换频繁、迅速,呈现十分活跃的代谢。②代谢类型多样化。各种细菌其营养要求、能量来源、酶系统、代谢产物各不相同,形成多种多样的代谢类型,适应复杂的外界环境。

细菌的代谢通路包括合成与分解两大类。细菌的合成代谢真核细菌类似,但其分解代谢因细菌酶系统的不同,差异甚大。分解代谢可伴有ATP及其他形式能量的产生。

一、细菌的能量代谢

细菌代谢所需能量,绝大多数是通过生物氧化作用而获得的。所谓生物氧化即在酶的作用下生物细胞内所发生的系列氧化还原反应。

致病菌获得能量的基质主要是糖类,通过糖的氧化或酵解释放能量,并以高能磷酸键的形式(ADP、ATP)储存能量。

细菌生物氧化的类型分为呼吸与发酵。在生物化过程中,细菌的营养物(如糖)经脱氢酶作用所脱下的氢,需经过一系列中间递氢体(如辅酶I、辅酶II、黄素蛋白等)的传递转运,最后将氢交给受氢体。以无机物为受氢体的生物氧化过程,称为呼吸,其中以分子氧为受氢体的称需氧呼吸;而以无机化合物(如硝酸盐、硫酸盐)为受氢体的称厌氧呼吸。生物氧化中以各种有机物为受氢体的称为发酵。大多数病原菌只进行需氧呼吸或发酵。

1.需氧呼吸(Resperitory):细菌的呼吸链位于细胞膜上,需氧呼吸伴有氧化磷酸化作用,产生大量能量并以高能磷酸键形式贮存于ATP中。1分子葡萄糖三羧酸循环完全氧化后,可产生38个分子ATP以供细菌合成代谢和生长繁殖之用。

2.发酵(Fermentation):酶系统不完善的细菌,生物氧化过程不彻底,所产生的能量很低。通过无氧发酵,1分子葡萄糖只能产生2分子ATP,仅为需氧呼吸所产生能量的1/19。专性厌氧菌兼性厌氧菌都能通过发酵获取能量。

3.细菌的呼吸类型:根据细菌对氧的需要不同,主要分为四类:(1)专性需氧菌(Obligateaerobe)如结核杆菌;(2)专性厌氧菌(Obligate anaerobe)如破伤风杆菌;(3)兼性厌氧菌(Facultative anaerobe)在有氧或无氧或无氧环境中均能生长,但以有氧时生长较好,大多数病原菌属此类;(4)微需氧菌(Microaerophilic bacteria)如空肠弯曲菌,宜在低氧压下生长,氧压增高对其有抑制作用。一般细菌在代谢中需少量的CO2,以提供细菌合成核酸中的嘌呤、嘧啶等。

专性厌氧菌不能呼吸,只能发酵。其原因是:①厌氧菌缺乏细胞色素细胞色素氧化酶,因此不能氧化那些氧化还原电势较高的氧化型物质。②厌氧菌缺乏过氧化氢酶过氧化物酶超氧化物歧化酶(Superoxidedismutase),不能清除有氧环境下所产生的超氧离子(O2-)和过氧化氢(H2O2),因而难以存活。③有氧条件下,细菌某些酶的-SH基被氧化为S-S基(如琥珀酸脱氢酶等),从而酶失去活性,使细菌生长受到抑制。总之,厌氧菌的厌氧原因可有多种因素与机理。

表3-2 细菌的生物氧化与产能

生物氧化类型 受氢体 需氧情况 产生能量(1分子葡萄糖)
需氧呼吸 分子氧 需氧 38个ATP
厌氧呼吸 无机化合物 厌氧
发酵 有机化合物 厌氧 2个ATP

二、细菌的代谢产物

细菌分泌胞外酶多糖蛋白质等大分子营养物质分解为单糖、小肽或氨基酸,然后吸收进入菌体,再经氧化或胞内酶分解形成菌体可利用的成分,此谓细菌的分解代谢。细菌以营养原料及生物氧化产生的能量,合成菌体及相应的代谢产的,此谓合成代谢。

细菌在分解和合成代谢中能产生多种代谢产物,在细菌的鉴定及生化反应中有实际意义。

(一)分解代谢产物的检测

细菌的分解代谢产物因各种细菌具备的酶不完全相同,而有所差异。各代谢产物可通过生化试验的方法检测,通常称为细菌的生化的反应。

1.糖代谢测定

(1)糖发酵试验:细菌对各种糖的分解能力及代谢产物不同,可借以鉴别细菌。一般非致病菌能发酵多种单糖,如大肠杆菌能分解葡萄糖有乳糖,产生甲酸等产物,并有甲酸解氢酶,可将其分解为CO2和H2,故生化反应结果为产酸产气,以“⊕”表示。伤寒杆菌分解葡萄糖产酸,但无解氢酶。故生化结果为产酸不产气,以“+”表示。伤寒杆菌及一般致病菌大都不能分解乳糖,以“-”表示。

(2)VP试验:大肠杆菌与产气杆菌均分解葡萄糖⊕,为区分两菌可采用VP试验及甲基红试验。产气杆菌能使丙酮酸脱羧、氧化(在碱性溶液中)生成二乙酰,后者可与含胍基的化合物反应,生成红色化合物,称VP阳性。大肠杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸,VP阴性。

(3)甲基红试验:产气杆菌使丙酮酸脱羧后形成中性产物,培养液pH>5.4,甲基红指示剂呈桔黄色,为甲基红试验阴性,大肠杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸,培养液呈酸性pH<5.4,指示剂甲基红呈红色,称甲基红试验(Methyl red test,MR)阳性。

(4)枸橼酸盐利用试验(Citrateultiliazation test):能利用枸橼酸盐作为唯一碳源的细菌如产气杆菌,分解枸橼酸盐生成碳酸盐,同时分解培养基的铵盐生成氨,由此使培养基变为碱性,使指示剂溴麝香草酚蓝(BTB)由淡绿转为深蓝,此为枸橼酸盐利用试验阳性。、

2.蛋白质代谢测定

(1)吲哚试验(Indoltest):含有色氨酸酶的细菌(如大肠杆菌、变形杆菌等)可分解色氨酸生成吲哚,若加入二甲基氨基苯甲醛,与吲哚结合,形成玫瑰吲哚,呈红色,称吲哚试验阳性。

(2)硫化氢试验:变形杆菌、乙型副伤寒杆菌等能分解含硫氨基酸如胱氨酸甲硫氨酸等,生成硫化氢。在有醋酸铅硫酸亚铁存在时,则生成黑色硫化铅或硫化亚铁,可借以鉴别细菌。

3.尿素分解试验

变形杆菌具有尿素酶,可分解尿素产生氨,培养基呈碱性,以酚红为指示剂检测呈红色,由此区别于沙门氏菌

吲哚(I)、甲基红(M)、VP(V)、枸橼酸盐利用(C)四种试验,常用于鉴定肠道杆菌,合称之为IMViC试验。大肠杆菌呈“++--”,产气杆菌为“--++”。

气相、液相色谱法通过对细菌分解代谢产物中挥发性或不挥发性有机酸和醇类的检测,可准确、快速地确定细菌的种类,是目前进行细菌生化鉴定的高新技术。

(二)合成代谢产物及临床意义

细菌通过新陈代谢不断合成菌体成分,如多糖、蛋白质、脂肪、核酸、细胞壁及各种辅酶等。此外,细菌还能合成很多在医学上具有重要意义的代谢产物。

1.热原质(Pyrogen):热原质即菌体中的脂多糖,大多是革兰氏阴性菌产生的。注入人或动物体内能引起发热反应,故名热原质。

热原质耐高热高压蒸汽灭菌(121℃,20’)不能使其破坏,加热(180℃4h;250℃45';650℃1')才使热原质失去作用。热原质可通过一般细菌滤器,但没有挥发性,所以,除去热原质最好的方法是蒸馏。药液、水等被细菌污染后,即使高压灭菌或经滤过除菌仍可有热原质存在,输注机体后可引起严重发热反应。生物制品或注射液制成后除去热原质比较困难,所以,必须使用无热原质水制备。

2.毒素与酶:细菌可产生内、外毒素及侵袭性酶,与细菌的致病性密切相关。

内毒素(Endotoxin)即革兰氏阴性菌细胞壁的脂多糖,其毒性成分为类脂A。菌体死亡崩解后释放出来。外毒素(Exotoxin)是由革兰氏阳性菌及少数革兰氏阴性菌在生长代谢过程中释放至菌体外的蛋白质。具有抗原性强、毒性强、作用特异性强的突出特点。

某些细菌可产生具有侵袭性的酶,能损伤机体组织,促进细菌的侵袭、扩散,是细菌重要的致病因素,如链球菌透明质酸酶等。

3.色素(Pigment):有些细菌能产生色素,对细菌的鉴别有一定意义。

细菌色素有两类:①水溶性色素,能弥形至培养基或周围组织,如绿脓杆菌产生的绿脓色素使培养基或脓汗呈绿色。②脂溶性色素,不溶于水,仅保持在菌落内使之呈色而培养基颜色不变,如金黄色葡萄球菌色素。细菌色素的产生需一定条件(营养丰富、氧气充足、温度适宜),无光合作用,对细菌的功能尚不清。

4.抗生素(Antibiotic):某些微生物代谢过程中可产生一种能抑制或杀死某些其他微生物或癌细胞的物质,称抗生素。抗生素多由放线菌和真菌产生,细菌仅产生少数几种,如多粘菌素(Polymyxin)、杆菌肽(Bicitracin)等。

5.细菌素(Bactericin):某些细菌能产生一种仅作用于有近缘关系的细菌的抗菌物质,称细菌素。细菌素为蛋白类物质,抗菌范围很窄,无治疗意义,但可用于细菌分型流行病学调查

细菌素以生产菌而命名。大肠杆菌产生的细菌素称大肠菌素,绿脓杆菌产生的称绿脓菌素,霍乱弧菌产生的称弧菌素。

32 细菌的生长繁殖 | 细菌的分布与外界环境对细菌的影响 32
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