细菌细胞壁合成

第一节　细菌的形态与结构

导　学

本节主要介绍细菌的大小、形态、结构及其检查法。学习本节内容时要重点掌握革兰阳性菌与革兰阴性菌的细胞壁结构与组成的异同、细菌的特殊结构及其功能、革兰染色法及其医学意义。

一、细菌的大小与形态

（一）细菌的大小

细菌个体微小，通常以微米（μm）作为测量单位。不同种类的细菌大小不一，同一种类的细菌也可因菌龄和环境因素的影响而有差异。

（二）细菌的形态

细菌按其形态，分为球菌、杆菌和螺形菌三大类（图2－1）。

图2－1　细菌的基本形态示意图

1.球菌

多数球菌（coccus）直径在1μm左右，外观呈圆球形或近似球形。根据繁殖时细菌分裂平面不同和分裂后菌体排列方式不同，可分为以下几种。①双球菌：在一个平面上分裂，分裂后两个菌体成双排列，如脑膜炎奈瑟菌、肺炎链球菌。②链球菌：在一个平面上分裂，分裂后多个菌体粘连成链状，如乙型溶血性链球菌。③葡萄球菌：在多个平面上不规则的分裂，分裂后菌体粘连在一起呈葡萄状，如金黄色葡萄球菌。

2.杆菌

菌体呈杆状，多数分散存在。不同杆菌（bacillus）的长短、粗细很不一致。根据杆菌形态上的差异可分为以下几种。①链杆菌：呈链状排列，如炭疽芽胞杆菌。②棒状杆菌：菌体末端膨大成棒状，如白喉棒状杆菌。③球杆菌：菌体短小，近于椭圆形，如布鲁菌。④分枝杆菌：菌体呈分支生长趋势，如结核分枝杆菌。⑤双歧杆菌：菌体末端常呈分叉状，如双歧杆菌。

3.螺形菌

螺形菌（spiral bacterium）菌体弯曲，呈螺旋形。可分为以下几种。①弧菌：菌体长2～3μm，只有一个弯曲，呈弧形，如霍乱弧菌。②螺菌：菌体长3～6μm，有数个弯曲，如鼠咬热螺菌。③螺杆菌：菌体细长弯曲呈弧形或螺旋形，如幽门螺杆菌。

二、细菌的结构

细菌的结构包括基本结构与特殊结构。基本结构是所有细菌都具有的结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和核质。特殊结构是某些细菌所具有的结构，包括荚膜、鞭毛、菌毛和芽孢等（图2－2）。

图2－2　细菌结构模式图

（一）细菌的基本结构

1.细胞壁

细胞壁（cell wall）位于细菌细胞的最外层，紧贴在细胞膜外，是一层无色透明、坚韧而富有弹性的膜状结构，其组成复杂。用革兰染色法可将细菌分为革兰阳性菌和革兰阴性菌两大类，其细胞壁组成有较大差异。

1）革兰阳性菌细胞壁

革兰阳性菌细胞壁由肽聚糖和穿插于其内的磷壁酸组成。

（1）肽聚糖：肽聚糖又名黏肽，为原核细胞所特有，也是革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁共有成分。革兰阳性菌的肽聚糖由三部分组成，即聚糖骨架、四肽侧链和五肽交联桥。聚糖骨架由N－乙酰葡萄糖胺和N－乙酰胞壁酸交替间隔排列，经β－1，4糖苷键连接而成；四肽侧链由4个氨基酸组成，连接于聚糖骨架的每个N－乙酰胞壁酸分子上；五肽交联桥由5个氨基酸组成，将两个相邻的四肽侧链连接起来，从而构成坚韧牢固的三维立体结构。溶菌酶能切断肽聚糖中N－乙酰葡萄糖胺和N－乙酰胞壁酸间的β－1，4糖苷键连接，破坏聚糖骨架，引起细菌裂解。青霉素可抑制四肽侧链和五肽交联桥的连接，使细菌不能合成完整的肽聚糖（图2－3）。

图2－3　革兰阳性菌细胞壁肽聚糖结构示意图

（2）磷壁酸：革兰阳性菌细胞壁的特有成分，穿插于肽聚糖层中，按其结合部位分为壁磷壁酸和膜磷壁酸，膜磷壁酸又称脂磷壁酸（LTA）。磷壁酸免疫原性很强，是革兰阳性菌重要的表面抗原。某些细菌的磷壁酸具有黏附宿主细胞的功能，与细菌的致病性有关（图2－4）。

图2－4　革兰阳性菌细胞壁结构模式图

2）革兰阴性菌细胞壁

革兰阴性菌细胞壁结构较复杂，由肽聚糖和外膜组成，外膜是革兰阴性菌的特有成分。

（1）肽聚糖：革兰阴性菌肽聚糖仅由聚糖骨架和四肽侧链两部分组成，因而只形成较疏松的单层平面网状结构（图2－5）。

图2－5　革兰阴性菌细胞壁肽聚糖结构示意图

（2）外膜：位于细胞壁肽聚糖层的外侧，由内向外依次为脂蛋白、脂质双层和脂多糖三部分。脂蛋白中脂质部分与外膜的脂质双层连接，脂蛋白中蛋白部分连接在肽聚糖的四肽侧链上。脂质双层的结构类似于细胞膜，中间镶嵌有一些特殊蛋白质，这些特殊蛋白质有重要功能。由脂质双层向细胞外伸出的是脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）。脂多糖是革兰阴性菌的内毒素，由三部分组成：一是脂质A，它是内毒素的毒性作用和生物学活性的主要组分，无种属特异性，因此，由不同细菌产生的内毒素引起的毒性作用均相似；二是核心多糖，位于脂质A的外侧，具有属的特异性，同一属的细菌，其核心多糖相同；三是特异多糖，是脂多糖的最外层，它是由若干个低聚糖重复单位构成的多糖链，是革兰阴性菌的菌体抗原（O抗原），具有种特异性（图2－6）。

图2－6　革兰阴性菌细胞壁结构模式图

3）细胞壁的功能

细胞壁的功能如下。①维持细菌固有形态，保护细菌，抵抗低渗环境。②与细胞膜共同参与菌体内、外物质交换。③细胞壁上带有多种抗原决定基，决定菌体的免疫原性。④与细菌致病性有关。

革兰阳性菌和革兰阴性菌的细胞壁结构有显著不同（表2－1），导致这两类细菌在染色性、免疫原性、毒力和对药物的敏感性等方面均有很大差异。

表2－1　革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁结构的主要区别

2.细胞膜

细胞膜（cell membrane）是指位于细胞壁内侧，紧紧包裹在细胞质外面的一层柔软有弹性、具有半渗透性的生物膜。细胞膜由脂质双层构成，其内镶嵌有多种蛋白质，这些蛋白质多为具有特殊作用的酶和载体蛋白。

细胞膜的主要功能如下。①选择性渗透和物质转运作用：与细胞壁共同完成菌体内、外的物质交换。②生物合成作用：细胞膜上有多种物质合成酶，参与细菌的生物合成，如肽聚糖、磷壁酸、磷脂、脂多糖等。③呼吸和分泌作用：细胞膜上有多种呼吸酶，参与细菌的呼吸与能量代谢。④形成中介体参与细菌分裂：细胞膜向胞浆内陷折叠成囊状物，称为中介体（mesosome），其功能类似于真核细胞的线粒体，多见于革兰阳性菌。

3.细胞质

细胞质（cytoplasm）是无色透明胶状物，基本成分有水、蛋白质、脂类、核酸及少量糖和无机盐。细胞质中RNA含量较高，易被碱性染料着色。细胞质内含有多种酶，故为新陈代谢的主要场所。细胞质中尚有核糖体、质粒、胞质颗粒等超微结构。

（1）核糖体：又称核蛋白体，是游离于细胞质中的微小颗粒，数量可达数万个，是细菌合成蛋白质的场所。细菌核糖体沉降系数为70s，由50s和30s两个亚基组成（真核细胞的核糖体为80s，由60s和40s两个亚基组成）。链霉素能与细菌核糖体上的30s亚基结合，红霉素能与50s亚基结合，干扰蛋白质的合成，导致细菌死亡，但对人体细胞则无影响。

（2）质粒：染色体外的遗传物质，为闭合环状的双链DNA分子。质粒的基本特征如下。①质粒具有自我复制的能力，并随细菌的分裂可传入子代细菌。②质粒控制细菌某些特殊性状。③质粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质，可以自行丢失或消除。④质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移。医学上重要的质粒有F质粒（致育性质粒）、R质粒（耐药性质粒）、Vi质粒（毒力质粒）等，分别决定细菌的菌毛、耐药性、毒力。

（3）胞质颗粒：胞质颗粒多是细菌储存的营养物质，包括多糖、脂类和磷酸盐等。胞质颗粒并非细菌恒定结构，常随菌种、菌龄及环境而变化。由RNA和多聚偏磷酸盐为主要成分的胞质颗粒，嗜碱性强，用特殊染色法可染成与菌体颜色不同的颗粒，称为异染颗粒。常见于白喉棒状杆菌，可作为细菌鉴别依据。

4.核质

核质（nuclear material）是细菌的遗传物质，由一条环状的双链DNA分子反复回旋、盘绕组成松散的网状结构。核质具有与细胞核相同的功能，控制细菌的生命活动，是细菌遗传变异的物质基础。

（二）细菌的特殊结构

1.荚膜

荚膜（capsule）是指某些细菌细胞壁外包绕的一层黏液性物质，厚度≥0.2μm，边界明显，普通光学显微镜（简称光镜）下可见。厚度＜0.2μm且光镜下不能直接看到者称为微荚膜。荚膜的化学成分为多糖或多肽。荚膜对碱性染料亲和力低，用普通染色法不易着色，光镜下仅能看到在菌体周围有一层未着色的透明圈，若用特殊染色法或用墨汁作负染色，可清楚看到与周围界限分明的荚膜（图2－7）。荚膜的形成受遗传控制并与细菌所在的环境条件有关，一般在动物体内或营养丰富（含有血清或糖）的培养基中容易形成，在普通培养基中则易消失。荚膜的功能如下。①抗吞噬作用：荚膜具有抵抗宿主吞噬细胞的吞噬和杀伤作用，是病原菌的重要毒力因子。②黏附作用：荚膜多糖可使细菌彼此之间粘连，也可黏附于组织、细胞或无生命物体表面，形成生物膜，是引起感染的重要因素。③抗有害物质的损伤作用。④鉴别细菌及用于细菌分型。

图2－7　细菌的荚膜（光镜下）

2.鞭毛

鞭毛（flagellum）是指某些细菌菌体表面附着的细长呈波状弯曲的丝状物。鞭毛很细，须用电子显微镜（简称电镜）观察。若用特殊染色法使鞭毛增粗并着色，则在光镜下能观察到（图2－8）。根据鞭毛的数目和位置，将鞭毛菌分为单毛菌、双毛菌、丛毛菌和周毛菌四类（图2－9）。鞭毛的化学成分主要是蛋白质。鞭毛的功能如下。①鞭毛蛋白有很强的免疫原性，称为H抗原，可用来鉴别细菌和进行细菌分型。②鞭毛是细菌的运动器官，可鉴别细菌。③有些细菌（如霍乱弧菌、空肠弯曲菌等）的鞭毛与细菌的致病性有关。

图2－8　细菌的鞭毛（光镜下）

图2－9　细菌鞭毛类型示意图

3.菌毛

菌毛（pilus）是指某些细菌菌体表面的一种比鞭毛更细、更短而直的丝状物。菌毛必须用电镜才能看到（图2－10），其化学成分主要是蛋白质。根据功能不同，菌毛分为两种。①普通菌毛（ordinary pilus）：数目可达数百根，具有黏附性，细菌借此可黏附于呼吸道、消化道或泌尿道黏膜细胞表面，进而侵入黏膜引起感染，与细菌致病性有关。②性菌毛（sex pilus）：性菌毛比普通菌毛长而粗，只有1～4根，中空呈管状，仅见于少数革兰阴性菌。有性菌毛的细菌称为F＋菌或雄性菌，无性菌毛的细菌称为F―菌或雌性菌。雄性菌能通过性菌毛将质粒传递给雌性菌，从而使后者获得雄性菌的某些遗传特性。细菌的耐药性、毒力等性状均可通过此种方式传递。

图2－10　大肠埃希菌菌毛（电镜下）

4.芽胞

芽胞（spore）是指某些细菌在一定条件下，细胞质脱水浓缩，在菌体内形成的圆形或椭圆形的小体（图2－11）。芽胞折光性强，壁厚，通透性低，普通染色法不易着色，须用特殊染色法才能着色。芽胞的形成受遗传因素的控制和环境因素的影响，一般在动物体外且营养缺乏条件下形成，且形成芽胞的细菌均为革兰阳性菌。芽胞特性如下。①保留原细菌活性，是细菌生活周期中的一种生命形式；②芽胞是细菌抗逆性最强的休眠体；③在适宜条件下可转变为繁殖体；④芽胞一旦污染坏境，其传染性可以保持多年。芽胞功能：①鉴别细菌：芽胞的大小、形态和位置随细菌种类而异，有助于细菌的鉴别。②增强细菌的抵抗力：芽胞对热、干燥、化学消毒剂及辐射等均有强大的抵抗力。③可成为某些疾病潜在的病源：细菌芽胞并不直接引起疾病，而是当其发芽成为繁殖体后，大量繁殖才导致疾病。例如，土壤中常有破伤风梭菌和产气荚膜梭菌的芽胞，一旦因外伤，芽胞随泥土进入伤口内，在适宜条件下可发芽成为繁殖体，继而产生毒素引起疾病。因此，要严防芽胞污染伤口和医疗器具。④作为判断灭菌效果的指标：对医疗器械、敷料等进行灭菌时，应以杀灭芽胞作为灭菌的标准。

图2－11　细菌芽胞形态模式图

知识链接

细菌芽胞抵抗力强的原因

细菌芽胞抵抗力强的原因，可能与下列因素有关。①芽胞含水量少，其含水量约为繁殖体的40%，蛋白质受热后不易变性。②芽胞具有多层致密的厚膜，理化因素不易透入。③芽胞的核心和皮质中含有一种特有的化学组分吡啶二羧酸（DPA），DPA与钙结合生成的盐能提高芽胞中各种酶的耐热性。芽胞在形成过程中很快合成DPA，同时也获得耐热性。目前，杀灭芽胞最有效的方法是高压蒸汽灭菌法。

三、细菌形态与结构的检查法

细菌的一般形态和结构可用普通光镜观察。根据检查目的和方法不同，可分为不染色标本检查法和染色标本检查法两大类。内部超微结构需用电镜观察。

（一）不染色标本检查法

不染色标本检查法是用显微镜对活细菌进行直接观察，主要是观察细菌的动力和运动方式，可分别选用普通光镜、暗视野显微镜、相差显微镜、荧光显微镜和共聚焦显微镜等作为观察工具。

（二）染色标本检查法

细菌体小，呈半透明，经染色后才能较清楚地观察。常用的染色剂多为碱性染料，如美兰、碱性复红、结晶紫等。细菌在中性或弱碱性环境中带负电荷，易与带正电荷的碱性染料结合，从而使菌体显示不同的颜色。酸性染色剂不能使细菌着色，而使背景着色形成反差，故称为负染。常用的细菌染色法有如下两种。

1.单染法

单染法只用一种染料染色，如美兰，可观察细菌的大小、形态和排列方式，但不能鉴别细菌。

2.复染法

复染法用两种以上的染料染色，可将细菌染成不同颜色，除可观察细菌的形态外，还能鉴别细菌，故也称鉴别染色法。常用的有革兰染色法（Gram staining）和抗酸染色法（acidfast staining）。

（1）革兰染色法：细菌学中最常用和最经典的染色法，由丹麦细菌学家革兰于1884年发明，至今仍在广泛应用。细菌标本固定后，先用碱性染料结晶紫初染，再加碘液媒染，然后用95%的乙醇脱色，最后用稀释复红复染。经染色后保留紫色者为革兰阳性菌，被乙醇脱色后复染成红色者为革兰阴性菌。革兰染色法的医学意义如下。①鉴别细菌：通过染色可将细菌分成两大类。②选择抗生素：大多革兰阳性菌对青霉素、红霉素和头孢菌素等敏感，而革兰阴性菌对链霉素和卡那霉素等敏感。③与细菌致病性有关：大多革兰阳性菌以外毒素为主要致病物质，而革兰阴性菌以内毒素为主要致病物质。

（2）抗酸染色法：抗酸染色法可鉴别抗酸性菌和非抗酸性菌。方法是将固定的细菌标本先经石炭酸复红加温染色，再用盐酸乙醇脱色，最后用美兰复染。结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌等抗酸性菌被染成红色，经脱色被复染成蓝色者为非抗酸性菌。

（3）特殊染色法：细菌的结构如荚膜、芽胞、鞭毛、细胞壁、异染颗粒等的染色，用普通染色法不易着色，必须用特殊染色法才能着色。

小　结

细菌以微米（μm）作为测量单位。细菌按其形态分为球菌、杆菌和螺形菌。细菌的基本结构有细胞壁、细胞膜、细胞质和核质。细菌细胞壁的基本成分是肽聚糖，革兰阳性菌特有成分是磷壁酸，革兰阴性菌特有成分是外膜。细菌的特殊结构有荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞，各特殊结构有不同的功能。细菌形态与结构的检查法，以革兰染色法最常用。

复习检测题

1.革兰阳性菌细胞壁特有的成分是（　　）。

A.肽聚糖

B.磷壁酸

C.脂蛋白

D.脂多糖

E.外膜

2.细菌细胞壁的主要成分是（　　）。

A.外膜

B.脂多糖

C.脂蛋白

D.磷壁酸

E.肽聚糖

3.青霉素、头孢菌素导致细菌死亡的机制是（　　）。

A.干扰细胞壁合成

B.损伤细胞膜

C.抑制菌体蛋白合成

D.破坏核酸代谢

E.干扰细菌细胞器合成

4.细菌的特殊结构不包括（　　）。

A.菌毛

B.鞭毛

C.芽胞

D.质粒

E.荚膜

5.在医疗实践中以杀灭哪种细菌结构作为灭菌的标准？（　　）

A.荚膜

B.芽胞

C.鞭毛

D.菌毛

E.细菌体

6.与细菌致病性无关的是（　　）。

A.芽胞

B.荚膜

C.鞭毛

D.质粒

E.普通菌毛

7.经革兰染色后，革兰阳性菌呈（　　）。

A.红色

B.蓝色

C.无色

D.紫色

E.黄色

8.与细菌抗吞噬作用有关的结构是（　　）。

A.鞭毛

B.荚膜

C.芽胞

D.菌毛

E.细胞壁

王志敏