细菌的生理学课件.ppt

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1、第2章 细菌的生理 Bacterial Physiology,基本内容,细菌的理化性状细菌的营养与生长繁殖 细菌的新陈代谢和能量转换细菌的人工培养细菌的分类,第一节 细菌的理化性状,一、细菌的化学组成成分水、无机盐、蛋白质、糖类、脂质、核酸元素碳、氢、氧、氮、磷、硫特有化学组成肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型氨基酸、二氨基庚二酸、吡啶二羧酸等,水75-90%,蛋白质、糖类、脂质核酸、无机盐,肽聚糖、胞壁酸、磷壁酸、D型AA、DAP、吡啶二羧酸,化学组成,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。表面积：细菌体积微小，相对表面积大，

2、有利于同外界进行物质交换。带电现象：蛋白质，带负电荷与染色、凝集、抑杀菌有关系 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 G+菌20-25个大气压，G-菌5-6个,菌体内为高渗透压,第二节 细菌的营养与生长繁殖,一、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和异养菌。,自养菌(autotroph)：以简单的无机物为原料，合成菌体成分。化能自养和光能自养菌异养菌(heterotroph)：以多种有机物为原料，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)。所有的病原菌

3、都是异养菌，大部分属寄生菌。,二、细菌的营养物质,细菌的营养物质有两方面作用：用于组成细菌细胞的各种成分供给细菌新陈代谢中所需能量 各类细菌所要求的营养物质主要包括水、碳源、氮源、无机盐和生长因子等。,营养物质,水,碳源（糖）,氮源（氨基酸 蛋白胨）,无机盐,生长因子,菌体成分能源,菌体成分原料,菌体及酶的组分能量储存及转运调节渗透压与繁殖及致病相关,细菌生长所需的营养物质,三、细菌摄取营养物质的机制,被动扩散 主动运转系统,单纯扩散 是一种最简单的物质交换方式。细胞膜两侧的物质靠浓度差(浓度梯度)进行分子扩散，不需要能量。此种方式无特异性或选择性，细胞内外溶质浓度平衡时，扩散便停止，不是物质

4、运输的主要方式。如02、水、乙醇等。促进扩散 某些物质如糖或氨基酸与位于细胞膜的特异性载体蛋白相结合，而后将其转运至细胞内外。具有特异性和选择性，不需要能量。,1.被动扩散,被输送的物质，靠细胞内外浓度差为动力，以透析或扩散的形式从高浓度区向低浓度区的扩散。,单纯扩散(simple diffusion),促进扩散 以细胞内外的浓度梯度为动力，在载体物质参与下，物质从浓度高的胞外向浓度低的胞内扩散。（真核微生物）,膜载体在膜外与营养物质亲合力强，与这种物质结合，进入细胞后亲合力降低释放营养物质。像渡船一样，膜外装货，膜内卸货，这种扩散方式比单纯扩散速度快。膜内外亲合力的改变与载体分子构型改变有关

5、。,单纯扩散与促进扩散的比较,2主动运输(Active transport),主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。,（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，使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。,（2）Na+-K+-ATP酶系统,Na

6、+-K+-ATPase是存在于原生质膜上的一种重要离子通道蛋白功能:利用ATP能量将Na+由细胞内“泵”出胞外,并将K+“泵”入胞内。该酶由大小两个亚基组成（MW:12万,5.5万）,作用步骤:1.ATP酶(E)在细胞内侧与Na+结合,同时消耗能量;2.磷酸化ATP酶(E+)构象变化将Na+排除胞外,并与K+结合;3.K+激发E+脱磷酸化恢复为E,同时将K+运入细胞.,基团转位又称为磷酸烯醇式丙酮酸-磷酸糖转移酶运输系统（PTS），PTS 通常由五种蛋白质组成，包括酶I、酶II（包括a、b、c三种亚基）和一种低相对分子量的热稳定蛋白质（HPr）。,（3)基团移位(Group transloca

7、tion),基团移位是另一种类型的主动运输，它与主动运输方式的不同之处在于它有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化。,基团转移主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输，脂肪酸、核苷、碱基等也可以通过这种方式运输。,运送步骤:热稳载体蛋白(HPr)的激活 细胞内高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的磷酸基团把HPr激活。酶1 PEP+HPr 丙酮酸+P-HPrHPr是一种低分子量的可溶性蛋白，结合在细胞膜上，具有高能磷酸载体的作用。,糖被磷酸化后运入膜内膜外环境中的糖先与外膜表面的酶2结合，再被转运到内膜表面。这时，糖被P-HPr上的磷酸激活，并通过酶2

8、的作用将糖-磷酸释放到细胞内。酶2 P-HPr+糖 糖-P+HPr酶2是一种结合于细胞膜上的蛋白，它对底物具有特异性选择作用，因此细胞膜上可诱导出一系列与底物分子相对应的酶2。,在酶的作用下HPr被激活,在酶的作用下P-HPr将磷酸转移给糖,基团转位的特点：被吸收物质以微生物的代谢能为动力，通过一个复杂的运输系统从胞外转运到胞内，并发生化学变化。（厌氧细菌和兼性厌氧细菌）,四、影响细菌生长的环境因素,1.营养物质：（1）水：70-90（2）无机盐：（3）碳源（4）氮源（5）生长因子:维生素、嘌呤、嘧啶、氨基酸 2.酸碱度（PH)：3.温度：,需氧菌（aerobe）:厌氧菌（anaerobe）:

9、缺乏呼吸酶 缺乏氧化还原电势较高的酶:不能氧化营养物质获得能量 缺乏过氧化物酶与过氧化氢酶:不能处理代谢中产生的O2和H2O2 O2-H2O2-H2O兼性厌氧菌（facultative anaerobe）:,5.渗透压:少数细菌如嗜盐菌需要在高浓度（3%）的NaCl环境中生长良好。,4.气体环境：氧气、二氧化碳,生物个体物质有规律地、不可逆增加，导致个体体积扩大的生物学过程。,生长,生物个体生长到一定阶段，通过特定方式产生新的生命个体，即引起生命个体数量增加的生物学过程。,繁殖,在高等生物里这两个过程可以明显分开，但在低等特别是在单细胞生物中，由于细胞小，这两个过程是紧密联系又很难划分的过程。

10、,五、细菌的生长繁殖,一个微生物细胞,合适的外界条件，吸收营养物质，进行代谢,如果同化作用的速度超过了异化作用,个体的生长原生质的总量（重量、体积、大小）就不断增加,如果各细胞组分是按恰当的比例增长时，则达到一定程度后就会发生繁殖，引起个体数目的增加。,群体内各个个体的进一步生长,群体的生长,(一）细菌的个体生长,包括细胞结构的复制和再生、细胞分裂和控制,在适宜的人工培养条件下，多数细菌繁殖速度极快，每20-30分钟分裂一次（一代）。,细菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制。在革兰氏阳性菌中，细菌染色体与中价体相连，当染色体复制时，中价体亦一分为二，各向两端移动，分别拉着复制好的一根染色体向细

11、胞的两侧移动。接着细胞中部的细胞膜由外向内陷入，逐渐伸展，形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁，最后由于肽聚糖水解酶的作用，使细胞壁肽聚糖的共价键断裂，分裂成为两个子细胞。,革兰氏阴性菌无中介体，染色体直 接连接在细胞膜上。复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离在两侧。最后细胞壁沿横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。,(二)细菌群体的生长繁殖,群体：生长曲线（growth curve）:以培养时间 为横坐标，培养物中活菌数的对数为纵 坐标，可得出一条生长曲线 迟缓期（lag phase）：对数期（logarithmic phase

12、）：稳定期（stationary phase）：衰退期（decline phase）：,小时,细菌数的对数,细菌生长曲线(growth curve),迟缓期(lag phase),迟缓期(Lag phase),将少量菌种接入新鲜培养基后，在开始一段时间内菌数不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零。也称延迟期、适应期。,迟缓期的特点,分裂迟缓、代谢活跃,1、细胞形态变大或增长（一般来说处于迟缓期的细菌细胞 体积最大）。例如：巨大芽孢杆菌，在迟缓期末，细胞的平均长度比刚 接种时长6倍。细胞内RNA，尤其是rRNA含量增高，合成代谢活跃，核糖体、酶类和ATP的合成加快，易产生诱导酶。2、对外界不良

13、条件反应敏感。,细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。,迟缓期出现的原因,微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏足够的能量和必须的生长因子，种子老化或未充分活化，接种造成损伤等，就需要一段适应期。,调整代谢,在生产实践中缩短迟缓期的常用手段：,(1)通过遗传学方法改变种的遗传特性使迟缓期缩短；,(2)利用对数生长期的细胞作为种子；,(3)尽量使接种前后所使用的培养基组成不要相差太大；,(4)适当扩大接种量,对数生长期(Log phase)：又称指数生长期(Exponential phase),特点：1、以最大的速率生长和分裂，细菌数量呈对数增 加，代时稳定。

14、2、细菌细胞均衡生长，其个体形态、化学组成和生 理特性等均较一致。3、酶系活跃，代谢旺盛。是研究微生物基本代谢的良好材料。在生产上用此时期微生物作种子，使微生物发酵的迟缓期缩短，提高经济效益。,稳定生长期(Stationary phase)：（恒定期或最高生长期）,原因：营养物质消耗；代谢产物积累；pH及氧化还原电位等的变化。特点：生长速率降低直至零(即细菌新增殖的细胞数等 于细菌死亡数)；培养液中活细菌数最高并维持稳定；细菌代谢物积累达到最高峰；芽孢杆菌这时开始形成芽孢；生产收获时期。,衰亡期(Decline或Death phase),营养物质耗尽和有毒代谢产物的大量积累，细菌死亡速率超过新

15、生速率，整个群体呈现负增长。该时期死亡的细菌以对数方式增加，但在衰亡期的后期，由于部分细菌产生抗性也会使细菌死亡的速率降低，仍有部分活菌存在。,特点：1、细菌代谢活性降低，细菌衰老并出现自溶，产生或释放出一些产物，如氨基酸、转化酶、外肽酶或抗生素等。2、细胞呈现多种形态，有时产生畸形，细胞大小悬殊。3、有些革兰氏染色反应阳性菌变成阴性反应等。,第三节 细菌的新陈代谢与能量转换,新陈代谢：发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。分解代谢：底物分解和转化为能量的过程 合成代谢：所产生的能量用于细胞组分的合成,一、细菌的能量代谢,微生物的产能代谢物

16、质在生物体内经过一系列的氧化还原反应,逐步分解并释放能量的过程（又叫生物氧化）,发酵呼吸 有氧呼吸 厌氧呼吸。,发酵：以有机物为受氢体；呼吸：以无机物为受氢体。有氧呼吸：其中以分子氧为受氢体；厌氧呼吸：以其他无机物（硝酸盐、硫酸盐等）为受氢体。,a:预备性反应,b:氧化还原反应,底物水平磷酸化,底物水平磷酸化,EMP途径意义：为细胞生命活动提供ATP 和 NADH,1、EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）,(2)HMP途径(己糖一磷酸途径、戊糖磷酸途径),从6-磷酸-葡萄糖开始，即在单磷酸己糖基础上开始降解的，故称为单磷酸己糖途径。,HMP途径与EMP途径有着密切的关系

17、，HMP途径中的3-磷酸-甘油醛可以进入EMP途径磷酸戊糖支路。,HMP途径的一个循环的最终结果是一分子葡萄糖-6-磷酸转变成一分子甘油醛-3-磷酸、3个CO2、6个NADPH。,一般认为HMP途径不是产能途径，而是为生物合成提供大量还原力（NADPH）和中间代谢产物。,HMP途径特点,6 葡萄糖-6-磷酸+12NADP+6H2O 5 葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H+12CO2+Pi,HMP途径的总反应,三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA）或柠檬酸循环。在绝大多数异养微生物的呼吸代谢中起关键作用。其中大多数酶在真核生物中存在于线粒体内膜中，在细菌中存

18、在于细胞膜中。,Krebs,有氧呼吸：三羧酸循环,主要产物：,C,3,COCoA,NADH+4H,FADH,GTP,3CO,（底物水平）,12ATP,2ATP,ATP,CH,3,2,三羧酸循环的总反应式为：乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+FADH2+GTP+CoA+2H+循环有以下特点：（1）乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在以后的两步脱羧反应中，有两个C原子以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的2个C原子形成CO2。（2）在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下，其中3对用以还原NAD+生成3个NADH+H+,1对用以

19、还原FAD,生成1个FADH2。,（3）由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP,1GTP 1ATP。（4）循环中消耗两分子水。（5）3NADH 9 ATP，1FADH2 2 ATP，再加上1个GTP。1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化，可生成12分子ATP。,4.厌氧呼吸:专性厌氧菌没有需氧电子传递链和完整的三羧酸循环，1分子葡萄糖经厌氧糖酵解只能产生2分子ATP，最终以外源的无机氧化物(CO2、SO42-、NO3-）作为受氢体的一类产能效率低的特殊呼吸。,二、细菌的代谢产物,（一）生化反应：主要用于鉴别不同的细菌 糖发酵试验：V-P试验：甲基红试验：枸橼酸盐利用试验

20、：吲哚试验：硫化氢试验：尿素酶试验：,细菌的分解代谢及其产物常见的生化反应,不同细菌分解糖类的能力和代谢产物不同。例如大肠埃希菌能发酵葡萄糖和乳糖；而伤寒沙门菌可发酵葡萄糖，但不能发酵乳糖。大肠埃希菌有甲酸脱氢酶，能将葡萄糖发酵生成的甲酸进一步分解为CO2和H2，故产酸并产气；而伤寒沙门菌缺乏该酶，发酵葡萄糖仅产酸不产气。,1.糖酵解试验：,糖酵解试验：,+,+,气泡,不发酵,产酸不产气,产酸又产气,大肠杆菌,伤寒杆菌,伤寒杆菌,大肠埃希菌和产气杆菌均能发酵葡萄糖，产酸产气，两者不能区别。但产气杆菌能使丙酮酸脱羧生成中性的乙酰甲基甲醇，在碱性溶液中被氧化生成二乙酰，二乙酰与含胍基化合物反应生成

21、红色化合物，是为VP试验阳性。大肠埃希菌不能生成乙酰甲基甲醇，故VP试验阴性.,2.VP（Voges-Proskauer）试验,VP试验：,葡萄糖,丙酮酸,乙酰甲基甲醇,二乙酰,红色（+）,OH-,+含胍基化合物,+,脱羧,大肠杆菌：,产气杆菌：,产气杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸，脱羧后生成中性的乙酰甲基甲醇，故培养液pH5.4，甲基红指示剂呈桔黄色，是为甲基红试验阴性。大肠埃希菌分解葡萄糖产生丙酮酸，培养液pH 4.5，甲基红指示剂呈红色，则为甲基红试验阳性。,3.甲基红(methyl red)试验：,甲基红(methyl red)试验：,（）,（+）,大肠杆菌：,产气杆菌：,当某些细菌（如产气

22、杆菌）利用铵盐作为唯一氮源，并利用枸橼酸盐作为唯一碳源时，可在枸橼酸盐培养基上生长，分解枸橼酸盐生成碳酸盐，并分解铵盐生成氨，使培养基变为碱性，是为该试验阳性。大肠埃希菌不能利用枸橼酸盐为唯一碳源，故在该培养基上不能生长，是为枸橼酸盐试验阴性。,4.枸橼酸盐利用(citrate utilization)试验：,枸橼酸盐利用试验：,（+）,（）,枸橼酸盐（碳源）,铵盐（氮源）,氨,培养基变为碱性,兰色（+）,碳酸盐,大肠杆菌：,产气杆菌：,有些细菌如大肠埃希菌、变形杆菌、霍乱弧菌等能分解培养基中的色氨酸生成吲哚（靛基质），经与试剂中的对二甲基氨基苯甲醛作用，生成玫瑰吲哚而呈红色，是为吲哚试验阳性

23、。,5.吲哚(indol)试验：,吲哚(indol)试验：,（）,（+）,色氨酸,吲哚（靛基质）,玫瑰吲哚（红色）,+二甲基氨基苯甲醛,大肠杆菌：,产气杆菌：,IMViC：常用于肠道杆菌的鉴定 吲哚(indol)、甲基红(methyl red)、VP及枸橼酸盐利用(citrate utilization)试验的合称.例如 大肠杆菌为“+-”产气杆菌为“-+”,有些细菌如沙门菌、变形杆菌等能分解培养基中的含硫氨基酸（如胱氨酸、甲硫氨酸）生成硫化氢，硫化氢遇铅或铁离子生成黑色的硫化物。,6.硫化氢试验：,6.硫化氢试验：,（）,（+）,含硫氨基酸,硫化氢,硫化铁或硫化铅（黑色，+）,+铁离子或铅离

24、子,沙门菌,变形杆菌有尿素酶，能分解培养基中的尿素产生氨，使培养基变碱，以酚红为指示剂检测为红色，是为尿素酶试验阳性。,7.尿素酶试验：,尿素酶试验：,（）,（+）,尿素,氨,培养基变碱性（红色，+）,变形杆菌,尿素酶,(二)合成代谢产物及其医学意义,1.热原质（pyrogen）2.毒素与侵袭性酶（toxins and invasive enzymes）3.色素（pigments）4.抗生素（antibiotics）5.细菌素（bacteriocins）6.维生素（vitamin）,1、热原质（pyrogen)，又称致热原 概念：是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热的物质。,热源质,体

25、温上升,特点：耐高温 消除方法：250高温干烤；用吸附剂和特殊石棉滤板可吸附液体中的热原质；蒸馏法除之。,2.毒素与侵袭性酶,毒素：包括内毒素和外毒素，是细菌重要的致病物质。内毒素(endotoxin)：G-菌细胞壁的脂多糖，菌体死亡崩解后游离出来；外毒素(exotoxin)：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，毒性强于内毒素。,侵袭性酶：亦为细菌重要的致病物质，能损伤机体组织，促使细菌的侵袭和扩散。,3.色素,某些细菌能产生不同颜色的色素，有助于鉴别细菌，有两类：水溶性色素和脂溶性色素,金黄色,红色,柠檬色,白色,4.抗生素：某些微生物在代谢过程中产生一些能抑制或杀死

26、某些其他微生物或肿瘤细胞的物质，称抗生素。,5.细菌素：某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质，其作用范围比抗生素狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用。,6.维生素：细菌在代谢过程中能产生一些维生素，除供自身所用外，还能分泌到周围环境。,一、培养细菌的方法,第四节 细菌的人工培养,1.提供必要的营养物质和生长环境（酸碱度、渗透压、温度和气体环境）,2.选择合适的接种和培养方法，常用两种方法，即分离培养和纯培养。,二、培养基：由人工方法配制而成的，专供微生物生长繁殖使用的混合营养物质。(一)根据培养基的营养组成和用途不同，分以下几类：,1.基础培养基(basic medium)含多数细菌

27、生长繁殖所需的基本营养成分，也是配制特殊培养基的基础。,肉汤培养基,2.增菌培养基(enrichment medium)：加入适合某些细菌生长而不利于其他细菌生长的营养物质。通用增菌培养基：专用增菌培养基（选择性增菌培养基）：,+,基础培养基+其他细菌生长所需生长因子或微量元素,3.选择培养基(selective medium)在培养基中加入某些化学物质，使之抑制某些细菌生长，而有利于另一些细菌的生长。,4.鉴别培养基(differential medium)用于培养和区分不同细菌种类的培养基，培养基中加入了一些特定的作用底物和指示剂。,5.厌氧培养基(anaerobic medium)专供厌

28、氧菌的分离、培养和鉴别。常用：庖肉培养基(cooked meat medium),基础液体培养基,石蜡,普通肉渣,+,庖肉培养基,(二)根据培养基的物理状态，培养基可分：,液体培养基,+,1.5-2.5%琼脂,固体培养基:细菌的分离培养,0.3-0.5%琼脂,半固体培养基：,用于大量繁殖细菌,+,动力检查,三、细菌在培养基中的生长情况,1.在液体培养基中的生长情况,菌膜,菌沉淀,均匀浑浊,对照,2.在固体培养基中的生长情况：,18-24小时培养,纯培养(pure culture),液体培养基,斜面培养基,菌落(colony),纯培养(pure culture),斜面培养基,液体培养基,菌落的类

29、型：,光滑型菌落,粗糙型菌落,粘液型菌落,3.半固体培养基中的生长情况：常用于观察细菌动力,有鞭毛的细菌可沿穿刺线呈羽毛状或云雾状混浊生长,无鞭毛细菌则只能沿穿刺线呈明显的线状生长,四、细菌培养在医药学中的意义,1、研究和鉴定细菌2、诊断与防治感染性疾病3、生物制品的制备4、在基因工程中的应用5、在其它方面的应用、如工农业生产中。,第五节 细菌的分类与命名,传统分类法：以细菌的一些较稳定的生物学性状为分类的依据；,种系分类法：以细菌生物学性状的相似程度为分类的依据，而划分为种和属,一、细菌的分类：,与医学有关的细菌分四类：G-有细胞壁的真细菌 G+有细胞壁的真细菌 无细胞壁的真细菌 古细菌,分

30、类层次与其他生物相同，也是界、门、纲、目、科、属、种。在细菌中常用属和种。,种(species)，是细菌分类的基本单位，生物学性状基本相同的细菌群体即构成一个菌种；同一菌种的各菌，性状仍有一定差异，差异较明显的称亚种(subspecies)或变种（variety)，差异小的则为型(type)，如血清型、噬菌体型、细菌素型等。属(genus)，性状相近关系密切的若干菌种组成一个菌属。,二、细菌的命名法：细菌的命名采用拉丁双名法，每个菌名由两个拉丁字组成，前一字为属名，名词，大写；后一字为种名，形容词，小写。中文名则相反，种名在前，属名在后。,属名,种名,Staphylococcus（S）aurous,Escherichia（E）coli,Neisseria（N）meningitidis,属名,种名,金黄色葡萄球菌,大肠埃希菌,脑膜炎奈瑟菌,Neisseria（N）gonorrhoeae,淋病奈瑟菌,小结,细菌的营养与营养类型细菌生长繁殖的条件与生长曲线细菌的分解代谢产物测定方法、原理及意义细菌的合成代谢产物种类及其在实际中的意义,