细菌的形态与结构医学_1

医学微生物学,Medical Microbiology,细菌的形态与结构 细菌的理化性状与代谢 消毒与灭菌 噬菌体 细菌的遗传与变异 细菌的感染与免疫 细菌感染的检查与防治,细菌学总论,细菌的形态与结构,细菌的大小与形态 细菌的结构 细菌形态与结构的检查法,主 要 内 容,细菌(bacterium)：是属原核生物界(prokaryotae)的一类具有独特细胞壁，并以二分裂方式进行无性繁殖的单细胞原核型微生物。 细菌有广义和狭义之分 广义细菌：各类原核细胞型微生物，包括细菌、放线菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体。 狭义细菌：专指数量最大、种类最多、具有典型代表性的原核细菌。,一、细菌的大小与基本形态,大小：以微米(m)为单位测量显微镜、测微尺 球菌大小一般用直径表示，多数为1.0 m左右，杆菌一般以长和宽（截面纵径-横径）表示，常见的杆菌大小约为(1-5) m (0.5-1.0) m 染色：细菌是无色透明的，必须染色后才能看到其轮廓及其结构 不同种类的细菌大小不一，同一种细菌也因菌龄和环境因素的影响也有差异 着染青年培养物，即对数生长期或稳定期的菌体,球菌 杆菌 螺形菌 特殊形态 不规则形态,按细菌外形划分,单球菌(single coccus):尿素微球菌 双球菌(diplococcus)：脑膜炎奈瑟菌 链球菌(streptococcus)：乙型溶血链球菌 葡萄球菌(staphylococcus) 四联球菌(tetrad) ：四联加夫基菌 八叠球菌(sarcina)：藤黄八叠球菌,1、球菌(coccus),双球菌(diplococcus),脑膜炎奈瑟菌,链球菌(streptococcus),葡萄球菌(streptococcus),四联球菌(tetrad),四联加夫基菌,八叠球菌(sarcina),藤黄八叠球菌,不同杆菌的大小、长短、粗细很不一致,2、杆菌(bacillus),3、螺形菌(spiral bacterium),细菌的形态受温度、pH值、培养基成分及培养时间等因素的影响。 细菌在不适宜的环境中生长或培养时间过长时，其基本形态往往发生变化，常出现梨形、气球形和分枝形等不规则形态，称之为多形性。 观察细菌的大小和形态，应选择适宜生长条件下的对数生长期（青年）培养物为宜。,二、细菌的细胞结构,基本结构所有细菌都具有的结构 细胞壁、细胞膜、细胞质、核质 特殊2结构仅在某种或某几种细菌具有的结构 荚膜、鞭毛、菌毛、芽胞,细胞壁 细胞膜 细胞质 核质,（一）细菌的基本结构,细菌细胞的最外层，包绕在细胞膜的周围，组成较复杂，并随不同细菌而异。,1、细胞壁（cell wall）,主要功能 维持外形，or 赋予形态、大小 抗渗透压，防细胞内外渗透压变化引起细胞破裂，保护 物质交换：具有一定通透性和机械阻挡作用；细胞生长、分裂和鞭毛运动所需； 耐药性 带电性 其他：抗原性（分型）、毒性（LPS）、黏附性（致病性）、等,以革兰氏染色的着染结果将细菌 划分为两类： G和G 革兰氏染色法： 涂片 干燥 固定草酸结晶紫卢哥碘液 95%乙醇复红/沙黄干燥镜检,化学组成,两类细菌细胞壁的组成不尽相同，其共同组分为肽聚糖，但它在两类细菌体中的含量或比例却极其不同： G有15-50层， G有1-2层。 肽聚糖（peptidoglycan）又称粘肽或胞壁质，是一多聚糖，为细菌细胞壁中的主要成分，为原核细胞所特有。,化学组成,聚糖骨架 N-乙酰葡糖胺 ( Nacetylglucosamine, G) N-乙酰胞壁酸 ( N-acetylmuramic acid, M) 四肽侧链 L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸，D-丙氨酸 五肽交联桥：甘氨酸 但连接N-N聚糖骨架的四肽侧链组成与五肽桥在两类细菌是不同的,肽聚糖主要化学组成,肽聚糖（peptidoglycan） 磷壁酸 蛋白质,（1）革兰阳性菌细胞壁组分,G+ ：eg. 金黄色葡萄球菌的胞壁肽聚糖 四肽侧链(上-下)：L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸 五肽桥: 3-L-赖氨酸5甘氨酸 4-D-丙氨酸 三维立体结构、延伸层数多,A、G+菌肽聚糖主要化学组成,其他细菌的四肽侧链中第三位氨基酸变化 最大，大多G菌为DAP，而G菌则可 以是DAP、L-赖氨酸或其他L-型氨基酸。,注 意,磷壁酸 大多数的磷壁酸（teichoic acid） 少数的磷壁醛酸（teichuroic acid） 某些细菌胞壁表面由特殊的表面蛋白 A族链球菌M蛋白 金黄色葡萄球菌 表面蛋白A （SPA）,B、G+菌细胞壁的特殊成份,贮存磷元素 磷酸基团可结合Mg2+，提高细胞膜表面酶活性； 构成细胞壁的表面抗原成分，与血清学分型有关 噬菌体吸附的特异性受体； 调节细胞内自溶素活力，防止细胞自溶而亡； 增加细菌的黏附性，与致病力有关。,磷壁酸的生理功能,（2）革兰阴性菌细胞壁组分,细胞壁薄，但结构复杂 肽聚糖：由聚糖骨架和四肽侧链组成，仅有1-2层 外膜：是革兰氏阴性菌特有的组分，由脂蛋白、脂质双层、脂多糖三部分组成。,G：eg. 大肠杆菌的胞壁肽聚糖 四肽侧链(上-下)：L-丙氨酸、D-谷氨酸、二氨基庚二酸（DAP）和D-丙氨酸 N-N糖骨架间的连接是由一条四肽侧链上的DAP与相邻四肽侧链末端的4-D-丙氨酸直接连接，多数侧链呈游离状态 没有五肽桥，也就没有青霉素的作用位点 二维层面结构，延伸层数少 人和动物细胞没有细胞壁，也没有肽聚糖结构，故溶菌酶和青霉素对人体细胞没有毒性。,A、G菌肽聚糖主要化学组成,外膜 由脂蛋白、脂质双层、脂多糖三部分组成 脂蛋白：位于肽聚糖与脂质双层之间，连结外膜与细胞壁，附有外膜蛋白 脂质双层 ：类似细胞膜，参与物质交换，具有通透性屏障作用，嵌有外膜蛋白，如孔蛋白 脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），是细菌内毒素的主要成分,B、 G菌细胞壁的特殊成份,脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），由外-内 特异性多糖（ 寡糖重复单位，OAg）：位于脂多糖最外层，有种的特异性，是菌体抗原（O抗原），缺失细菌由光滑（S）型变为粗糙（R）V型 核心多糖：位于脂类A外层，有属特异性 类脂A：由聚二糖和脂肪酸交联，是内毒素的毒性和生物活性中心，无种属特异性,不典型的LPS结构，与粗糙型肠道菌的LPS相近； 外膜糖脂含有短链分枝状聚糖组分； 与哺乳动物细胞膜的鞘糖脂相似，致使细菌能实现免疫细胞的识别； 重要的毒力因子；,C、脂寡糖（LOS）,带有负电荷，可以吸附Mg2+、Ca2+等阳离子，提高细胞膜表面酶的活性； 类脂A具有致热性，为内毒素的主要组分； 特异性多糖帮助进行血清学鉴定； 某些噬菌体的吸附受体,D、LPS的主要功能,革兰阴性菌外膜的脂质双层与细胞膜之间的狭窄空间，又称为壁膜间隙； 分布有多种酶及特殊结合蛋白，对细菌获取营养、解除有害物质的毒性等方面有重要作用。,E、周浆间隙,有效的屏障结构 不易受到杀菌物质、胆盐、消化酶的作用 阻挡抗菌药物进入和外膜主动外排抗菌药物，与耐药性有关 LPS是G菌重要的致病物质,F、外膜的作用,（3） G+、G菌细胞壁结构比较,细菌细胞壁缺陷型或L型（L formed bacteria）：细胞壁的肽聚糖结构受外界各种因素直接破坏或合成被抑制，在高渗环境下仍克存活的细菌称为细菌的L型。 形成条件：溶菌酶、青霉素、胆汁、溶葡萄球菌素、抗体、补体等； 革兰阳性菌细胞壁缺失后，原生质仅被一层细胞膜包住，即原生质体(protoplast)； 革兰阴性菌肽聚糖层受损后尚有外膜保护，即原生质球(spheroplast)； 某些L型仍有一定的致病力，通常引起慢性感染。,（4）细菌细胞壁缺陷型（细菌L型）,A、细菌L型的形态和染色性,细菌L型呈高度多形性，大小不一；着色不匀，无论其原为革兰阳性或阴性菌，形成L型大多染成革兰阴性。,细菌L型生长缓慢，营养要求高，对渗透压敏感，普通营养基上不能生长，培养时必须用高渗、低琼脂、含血清的培养基。 细菌L型在高渗、含血清培养基上生长后形成三种类型的菌落。,B、细菌L型的培养特性和菌落形态,外源性诱因 溶菌酶、溶葡萄球菌素、胆汁、抗体、补体 抑制或干扰细胞壁合成类药物：-内酰胺类抗生素、杆菌肽、环丝氨酸、甘氨酸； 合成细胞壁的营养物质匮乏：DAP、赖氨酸； 物理因素或化学试剂：亚硝酸胍、紫外线、氯化锂 表型变异，遗传物质未受影响； 可逆： 消除诱发因素 残存肽聚糖（再合成完整肽聚糖的引物）的有无,C、L型的可逆性,细胞壁内侧一层柔软、有弹性、具有半渗透性的生物膜；细菌细胞膜的结构与真核细胞者基本相同，由磷脂和多种蛋白质组成； 绝大多数不含胆固醇，少数（分枝杆菌）含有丰富脂质； 细菌细胞膜可形成一种特有的结构，称为中介体。,2、细胞膜 (cell membrane),赋形 屏障作用 物质转运 产能基地 生物合成,（1）细胞膜的功能,细菌细胞膜的功能与真核细胞者类似，主要有作用 维持细胞内正常渗透压的屏障作用 物质转运：选择性控制细胞内、外营养物质及代谢产物的渗透和运输作用 分泌和呼吸：参与呼吸、能量代谢、合成分泌系统（I-VII） 生物合成：合成细胞壁及壁外各种附属结构的场所 参与细菌分裂：中介体 鞭毛着生点，为鞭毛运动提供能量,（2）中介体(mesosome),中介体：是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物； 多见于革兰氏阳性菌，1至数个不等，可居中、侧； 居中的多是一端连在细胞膜上，另一端连在核质上（似真核细胞的纺锤体）； 增大了细胞膜的表面积，从而增加了酶的含量与能量的产生，此功能类似于真核细胞的线粒体，故亦称为拟线粒体(chondroid)。,白喉杆菌的细胞膜与中介体,细胞膜包裹的无色透明胶状物质，由水、蛋白质、脂类、核酸及少量糖和无机盐组成； 细胞质内含有多种酶类，是新陈代谢的主要场所； 主要的内容物有核糖体、质粒和胞质颗粒。,3、细胞质 (cytoplasm),核糖体(ribosome)：细菌合成蛋白质的场所，游离存在于蛋白质中 沉降系数为70S，由50S和30S亚基组成 细菌核糖体与真菌不同，真菌沉降系数为80S，由60S和40S亚基组成 链霉素和红霉素分别与30S和50S亚基结合，干扰蛋白质合成。,（1）核糖体,质粒（plasmid）：染色体外的遗传物质，存在于细胞质中。为单一闭合环状的双链DNA，能自我复制，具有寄生性；带有遗传信息，赋予or控制细菌某些特定的遗传性状，如：菌毛、细菌素、毒素、耐药性、降解某一营养底物等。,（2）质粒（plasmid）,胞质颗粒：细菌细胞质中含有多种颗粒，大多为贮藏的营养物质。 其中有一种主要成分是RNA和多偏磷酸盐的颗粒，其嗜碱性强，用亚甲蓝染色时着色较深呈紫色，称为异染颗粒(metachromatic granule)。 常见于白喉棒状杆菌，位于菌体两端，故又称极体(polar body)，有助于鉴定。,（3）胞质颗粒,4、核质 (nuclear material),细菌是原核细胞，不具有成形的核。细菌的遗传物质称为核质或拟核，无核膜、核仁和有丝分裂器。功能与真核细胞的染色体相似。 大多类属具有的核质是由单一闭合环状双链DNA分子反复回旋卷曲盘绕组成松散网状结构，个别种类有两个或更多，有的还是双股线性DNA分子。 水解RNA后，核质可着色；呈球形、棒状或哑铃形。 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。,The bacterial chromosome and supercoiling:,（二）细菌的特殊结构,定义：仅在某种或某几种细菌中存在的结构，并非所有 细菌都具有的结构。 特殊的两层含义 仅在某些种类的细菌存在 仅在相应种类细菌生长周期的某一阶段 荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢,特殊结构,某些细菌在生活过程中，向其细胞壁外分泌并包绕的一层疏松、透明的黏液性物质，为疏水性多糖或蛋白质的多聚体，用理化方法去除后并不影响细胞的生命活动。 编码荚膜的基因簇位于细菌染色体上,1、荚膜 (capsule),荚膜的分类,化学组成：大多为疏水性多糖（大多数细菌）、少数为多肽、透明质酸、或糖与蛋白的复合物 多糖分子组成、构型的多样化使其结构复杂化，成为 菌体抗原而进行血清学分型的基础 eg: 肺炎链球菌：荚膜-Ag85个血清型 荚膜肿胀试验：荚膜-Ag+同型Ab 鉴定,（1）荚膜的理化特征,荚膜的形成需能量，且与环境密切相 关；一般在动物宿主体内或含血清或糖的培基中易形成荚膜，在普通培基上或连续传代时易消失。 在固体培基上培养时，有荚膜的细菌可形成粘液（M）型或光滑（S）型菌落，当荚膜失去后，则形成粗糙（R）型菌落 作为区分、鉴定荚膜细菌的一个重要特征,荚膜着染困难：荚膜对碱性染料的亲和力低，不易着色 普通染色后只能见到菌体周围有未着色的透明圈； 墨汁负染后的荚膜比较易观察； 特殊染色法可将荚膜染成区于菌体的颜色，更易观察,机理：染料与荚膜的亲和力弱，不易着色，不溶于水，易用水冲掉；用衬托染色法(负染色法)染色使菌体和背景着色，荚膜不着色，在菌体周围形成一透明圈。 过程：死于感染肺炎链球菌小白鼠的心血或腹腔液涂片干燥、固定加结晶紫染液20硫酸铜溶液洗片干燥、镜检 结果： 菌体与背景深紫色，荚膜无色或淡紫色,负染色,负染色,（2）荚膜的功能,防御保护作用 粘附作用 抗吞噬 贮存：营养、代谢产物 三性,荚膜处于菌体的最外层，荚膜多糖为高度水合分子，含水量95%； 最先遭遇和抵挡来自外界的各种不良因子：干燥、紫外线、热力、溶酶体、补体、中和抗体、抗生素或化学消毒剂,防 御 保 护 作 用,有荚膜的细菌，荚膜多糖可使细菌彼此之间粘连，也可籍此粘附于组织细胞或其它物体表面而定居； 荚膜多糖使同种细菌的不同个体间相互粘连起来形成群体，也可粘附于组织细胞或无生命的物体表面，构成膜结构即生物被膜，从而使增强了该种细菌适应环境的稳定性，是感染的重要因素。 细菌之间、组织细胞、无生命物体表面 龋齿的形成 甲型溶血性链球菌（变异链球菌） 黏附牙齿-蔗糖-乳酸-珐琅质-龋齿 粘附具有专一性：伤寒沙门菌专一性地侵犯肠道淋巴组织。,粘 附 作 用,抵抗宿主巨噬细胞的吞噬，成为荚膜病原菌重要的毒力因子 阻滞巨噬细胞的表面吞噬活性 荚膜多糖具亲水性且带有负电荷，与吞噬细胞表面电荷相同,抗 吞 噬,抵御补体介导的杀伤作用 荚膜在细菌表面的空间占位和屏蔽效应，阻止补体C3b 的进位沉积，且阻断了细菌激活补体旁路途径的表面结构 弱免疫原性 有的荚膜成份与宿主的组织多糖结构相似而表现，被宿主视为异己的几率较小，从而对其作出的免疫杀伤反应也小、强度也弱。,制药工业中 从肠系膜明串珠菌荚膜中提取葡聚糖制备“代血浆”的主要成分右旋糖酐（注射液） 美国哈佛大学医学院微生物与分子遗传学系主任约翰莫卡拉诺斯发明 医疗中 细菌鉴定、分型 制备疫苗,荚膜在医药学中的应用,主要以荚膜多糖抗原为靶点，荚膜多糖是主要抗原物质 。 病原体包括脑膜炎奈瑟菌、肺炎链球菌、流感嗜血杆菌以及炭疽芽孢杆菌等。 国产23价肺炎双球菌多糖疫苗 蛋白质：荚膜疫苗,定义：许多细菌体表附有的细长、呈波状弯曲、末 端游离的丝状物，从12根到数百根不等。 特征 分类 结构 功能,2、鞭毛 (flagellume),分布于所有的弧菌和螺菌，约半数的杆菌和个别球菌； 从细胞质的基础颗粒长出，伸到细胞外； 是细菌的运动器官： 形态较小，易脱落：长度：5-20m超过菌体长度的数倍，直径细，约12-30nm；需用EM方可看到，或经特殊染色使鞭毛得以衬托、增粗后才能在OM下看到； 有抗原性：H抗原。,（1）鞭毛的特征,是借媒染剂和染色剂的沉淀作用，使染料堆 积在鞭毛上，以加粗鞭毛的直径，使鞭毛着色，普通光学显微镜下看到。,鞭毛染色,从细胞膜生发出，游离于胞外；由外向内 丝状体：伸出胞壁外游离，有抗原性（H-Ag） 钩状体: 连接丝状体与基础小体的钩状弯曲 基础小体: 鞭毛的跟部，嵌于细胞膜和细胞壁中 革兰阴性菌基体结构由四个盘状物构成，分别是L环、P环、S环、M环 革兰阳性菌基体结构由于无外膜，基体由S环、M环构成,（2）鞭毛的结构,鞭毛蛋白是一种弹性纤维蛋白（鞭毛丝蛋白），其氨基酸的组成与动机体骨骼肌的肌动蛋白相似； 与运动有关，或形象地成为“运动器官”；,鞭毛的化学组成,据鞭毛的数量和部位将其携带细菌进行分类、命名 单毛：只有一根，位于菌体一端， 霍乱弧菌 双毛：有两根，菌体两端各一，空肠弯曲菌 丛毛：丛生，位于菌体一端或两端，铜绿假单胞菌 or 绿脓杆菌 周毛：遍布菌体周身， 伤寒沙门氏菌,（3）鞭毛的分类,运动器官，观察运动性 暗视野显微镜观察 半固体培养基穿刺试验 细菌鉴别、分类的依据 与致病性有关 加强趋化性（趋向营养、趋避有害因素） 霍乱弧菌、空肠弯曲菌借鞭毛穿过小 肠黏膜表面的粘液层而附着、增殖、产毒致病 抗原性 H抗原，可用于血清学检测以协助诊断,（4）鞭毛的功能,运动的方式与鞭毛的排列方式相关 单：直线 丛：直线 周：无规律地缓慢运动或滚动 双：无规律,运 动 类 型,The movement of a procaryotic flagellum results from rotation of its basal body and is similar to the movement of the shaft of an electric motor. Bacterial cells can alter the speed and direction of rotation of flagella and thus are capable of various patterns of motility.,3、菌毛 (pilus or fimbriae),存在于菌体表面的一种比鞭毛更多、更细、更短而直硬（坚韧）的丝状物，与细菌的运动无关； 特征 分类 功能,定 义,存在于许多G和少数G+ 菌菌体表面 与细菌的运动无关 主要的结构蛋白菌毛蛋白具有抗原性 编码菌毛蛋白的基因位于细菌的染色体或质粒上 在OM下看不到，必须用EM方可看到,（1）菌毛的特征,根据形态和功能，将菌毛分为两类 普通菌毛（ ordinary pilus ） 性菌毛（ sex pilus ）,（2）菌毛的功能,普通菌毛遍布菌体表面，量多，可多达数百根 粘附功效：与宿主细胞表面的特异受体结合，参与感染 致病因子：菌毛的受体多为糖蛋白或糖脂，受体的分布决定相应细菌的易感部位； 鉴定、分类的依据 eg.红细胞表面具有菌毛受体的相似成分，不同的菌毛引起不同类型的红细胞凝集，即血凝试验；,普 通 菌 毛,仅见于少数G菌，量少（1-4根），为比普通菌毛长而粗的中空管状； 由致育因子（F质粒）编码； 有性菌毛为 F+（雄性）菌，无性菌毛为F雌性菌； F+菌的性菌毛与F菌上的相应受体结合，完成F质粒或染色体DNA（毒力、耐药性基因）的接合传递； 某些噬菌体的吸附受体。,性 菌 毛,定义：某些细菌在一定的环境条件下，进入其生长发育后期而在菌体内部形成的一个折光性很强、壁厚、不易着色的圆形或卵圆形对不良环境有极强抵抗力的小体，是细菌的休眠形式，称为内芽胞，简称芽胞。 芽胞杆菌属和梭菌属是两类主要形成芽胞的细菌。 在常见医学病原菌中，能产生芽胞的都是G+菌 形态 结构 形成 功能,4、芽胞（spore）,芽胞的大小、形状、位置、形成条件等随菌种而异，且有重要的鉴定、诊断价值。,（1）芽胞的形态,破伤风芽胞梭菌,核心 内膜 芽孢壁 皮质 外膜 芽孢壳：是一种类似角蛋白的疏水性蛋白质，致密、无通透性，能抗化学药物进入，并增强对紫外线照射的抵抗力。 芽孢外壁/衣,（2）芽胞的结构,（3）芽胞的特征,芽胞的形成受控于芽胞基因，也受外界环境的影响 折光性强，壁厚，不易着色 仅是一休眠形式 带有全部生命必需的完整核质、酶系统和合成菌体组分的结构 一个细菌只形成一个芽胞，一个芽胞也只形成一个细菌（1:1:1） 与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体细胞可称为繁殖体(vegetative form),特殊染色，光镜观察 取待检菌芽胞体培养物涂片、干燥、加热固定； 初染：用石炭酸复红（孔雀石绿）在弱火加热至微微产生蒸汽约5分钟，放冷后水洗； 脱色：用3盐酸乙醇，水洗； 复染：加碱性美兰（复红）液半分钟，水洗； 干后镜检； 染色结果：芽孢呈红色（绿色），菌体为蓝色（红色）,芽孢的形态观察,受控于菌体内的芽胞基因，也受环境条件的影响 一般只在动物体外形成，营养缺乏时或有害代谢产物堆积，启动芽胞形成基因； 正常情况，芽