细菌的形态与结构

 

细菌(bacterium)是单细胞原核型微生物,有广义和狭义两种范畴。广义上泛指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。狭义上则专指其中数量最大、种类最多、具有典型代表性的细菌,是本章讨论的对象。它们形体微小,结构简单,具有坚韧的细胞壁和原始核质,除核糖体外无其他细胞器。了解细菌的形态和结构对基础和临床医学均有重要意义。

第一节 细菌的大小与形态

观察细菌最常用的仪器是光学显微镜,其大小一般以微米(μm)为单位。

细菌为无色半透明体,一般采用革兰染色法染色后可以清楚的观察细菌的形态,并可将细菌分为两大类,即革兰阳性菌(G+)和革兰阴性菌(G-)。细菌按其外形,主要有球菌(coccus)、杆菌(bacillus)和螺形菌(spiral bacterium)三大类,每类菌又根据其形态特征分为若干种(图1-1)。

图1-1 细菌的基本形态

不同种类的细菌形态大小不一,同一种细菌的形态受菌龄和环境因素的影响而有差异,如生长的程度、pH、培养基成分和培养时间等因素对细菌的形态影响很大。一般是细菌在适宜的生长条件下培养8~18小时时形态比较典型,在不利环境或菌龄老时常出现不规则的多形性。因此,观察细菌的大小和形态,应选择适宜生长条件下的对数期为宜。

第二节 细菌的结构

细菌虽小,仍具有一定的细胞结构(图1-2)和功能。细胞壁、细胞膜、细胞质和核质为各种细菌都有,是细菌的基本结构;荚膜、鞭毛、菌毛、芽胞仅某些细菌具有,为其特殊结构。

图1-2 细菌的结构模式图

一、 细菌的基本结构

细胞壁 细胞壁(cell wall)位于菌细胞的最外层,包绕在细胞膜的周围, 组成较复杂, 并随不同细菌而异。革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁的共有组分为肽聚糖,但各自有其特殊组分。

1.肽聚糖层 肽聚糖(peptidoglycan)是细菌细胞壁中的主要组分,为原核细胞所特有,又称粘肽(mucopeptide)或胞壁质(murein)。革兰阳性菌的肽聚糖由聚糖骨架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成(图1-3),革兰阴性菌的肽聚糖仅由聚糖骨架和四肽侧链两部分组成(图1-4)。


图1-3 金黄色葡萄球菌细胞壁的肽聚糖结构

图1-4 大肠埃希菌细胞壁的肽聚糖结构

聚糖骨架由N-乙酰葡糖胺(N-acetyl glucosamine)和N-乙酰胞壁酸(N-acetylmuramic acid)交替间隔排列,经β-1,4糖苷键联结而成。各种细菌细胞壁的聚糖骨架均相同。在N-乙酰胞壁酸的分子上连接着四肽侧链, 四肽侧链的组成和联结方式随菌不同而异。如金黄色葡萄球菌(革兰阳性菌)细胞壁的四肽侧链的氨基酸依次为L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸;第三位的L-赖氨酸通过由五个甘氨酸组成的交联桥连接到相邻聚糖骨架四肽侧链末端的D-丙氨酸上,从而构成机械强度十分坚韧的三维立体结构。在大肠埃希菌(革兰阴性菌)的四肽侧链中,第三位氨基酸是二氨基庚二酸(diaminopimelic acid,DAP),并由DAP与相邻四肽侧链末端的D-丙氨酸直接连接,没有五肽交联桥,因而只形成单层平面网络的二维结构。

2.革兰阳性菌细胞壁特殊组分 革兰阳性菌的细胞壁较厚(20nm~80nm),除含有15~50层肽聚糖结构外,尚含有大量的磷壁酸(teichoic acid)或磷壁醛酸(teichuronic acid),约占细胞壁干重的50%(图1-5)。


图1-5 革兰阳性菌细胞壁结构模式图

磷壁酸是由核糖醇或甘油残基经磷酸二酯键互相连接而成的多聚物,其结构中少数基团被氨基酸或糖所取代,多个磷壁酸分子组成长链穿插于肽聚糖层中。按其结合部位不同,分为壁磷壁酸(wall teichoic acid)和膜磷壁酸(membrane teichoic acid)两种。前者的一端通过磷脂与肽聚糖上的胞壁酸共价结合,另端伸出细胞壁游离于菌细胞外。膜磷壁酸,或称脂磷壁酸(lipoteichoic acid,LTA),一端与细胞膜外层上的糖脂共价结合,另端穿越肽聚糖层伸出细胞壁表面呈游离状态。磷壁醛酸是一种与磷壁酸相似的多聚体,仅其结构中以糖醛酸(如N-乙酰甘露醛酸或D-葡萄糖醛酸)代替磷酸。磷壁醛酸仅在磷酸盐供给受限的条件下合成,以代替磷壁酸。

此外,某些革兰阳性菌细胞壁表面尚有一些特殊的表面蛋白质,如金黄色葡萄球菌的A蛋白, A群链球菌的M蛋白等。

3.革兰阴性菌细胞壁特殊组分 革兰阴性菌细胞壁较薄(10nm~15nm),但结构较复杂。在1~2层肽聚糖结构外侧,尚有其特殊组分外膜(outer membrane),约占细胞壁干重的80%(图1-6)。


图1-6 革兰阴性菌细胞壁结构模式图

外膜由脂蛋白、脂质双层和脂多糖三部分组成。脂蛋白位于肽聚糖层和脂质双层之间,其蛋白质部分与肽聚糖侧链的二氨基庚二酸相连,其脂质部分与脂质双层非共价结合,使外膜和肽聚糖层构成一个整体。脂质双层的结构其内小叶组成与细胞膜的内小叶相似,而外小叶的磷脂被脂多糖分子所替代,呈不对称的膜结构。脂质双层内镶嵌着多种蛋白质称为外膜蛋白(outer membrane protein,OMP),其中有的为孔蛋白(porin),呈三聚体,如大肠埃希菌的OmpF、OmpC,允许低分子量(分子量≤600)亲水性物质被动扩散;有的为诱导性或去阻遏蛋白质,参与特殊物质的扩散过程;有的为噬菌体、性菌毛或细菌素的受体。由脂质双层向细胞外伸出的脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)由脂质A、核心多糖和特异多糖三部分组成,即革兰阴性菌的内毒素(endotoxin)。

(1)脂质A(lipid A) 由β-1,6糖苷键相联的D-氨基葡萄糖双糖组成的基本骨架,双糖骨架的游离羟基和氨基可携带多种长链脂肪酸和磷酸基团。不同种属细菌的脂质A骨架基本一致,其主要差别是脂肪酸的种类和磷酸基团的取代不尽相同,其中β-羟基豆蔻酸是肠道菌所共有的。脂质A是内毒素的毒性和生物学活性的主要组分,无种属特异性,故不同细菌产生的内毒素的毒性作用均相似。

(2)核心多糖(core polysaccharide) 位于脂质A的外层,由外核心(outer core)和内核心(inner core)两部分组成。前者包括己糖(葡萄糖、半乳糖等),后者包括庚糖、2-酮基-3-脱氧辛酸(2-keto-3-deoxyoctanoic acid,KDO)、磷酸乙醇胺等。经KDO与脂质A共价联结。核心多糖有属特异性,同一属细菌的核心多糖相同。

(3)特异多糖(specific polysaccharide) 是脂多糖的最外层,由数个至数十个低聚糖(3~5个单糖)重复单位构成的多糖链。特异多糖即革兰阴性菌的菌体抗原(O抗原),具有种特异性,因其多糖中单糖的种类、位置、排列和空间构型各不相同所致。特异多糖的缺失,细菌从光滑(smooth,S)型变为粗糙(rough,R)型。

另外,少数革兰阴性菌(脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血杆菌)的LPS结构不典型,其外膜糖脂含有短链分枝状聚糖组分(与粗糙型肠道菌的LPS相似),称为脂寡糖(lipooligosaccharide,LOS)。它与哺乳动物细胞膜的鞘糖脂成分非常相似,从而使这些细菌逃避宿主免疫细胞的识别。LOS作为重要的毒力因子受到关注。

在革兰阴性菌的细胞膜和外膜的脂质双层之间有一空隙,约占细胞体积的20%~40%,称为周浆间隙(periplasmic space)。该间隙含有多种蛋白酶、核酸酶、解毒酶(如β-内酰胺酶,氨基糖甙类抗生素钝化酶)及特殊结合蛋白,在细菌获得营养、解除有害物质毒性等方面有重要作用。

革兰阳性菌和阴性菌细胞壁结构显著不同,导致这两类细菌在染色性、抗原性、致病性及对药物的敏感性等方面有很大差异。

4.细胞壁的功能 细菌细胞壁坚韧而富弹性,其主要功能是维持菌体固有的形态,并保护细菌抵抗低渗环境。细菌细胞质内有高浓度的无机盐和大分子营养物质,其渗透压高达5~25个大气压。由于细胞壁的保护作用,使细菌能承受内部巨大的渗透压而不会破裂,并能在相对低渗的环境下生存。细胞壁上有许多小孔,参与菌体内外的物质交换。 菌体表面带有多种抗原表位,可以诱发机体的免疫应答。

革兰阳性菌的磷壁酸是重要表面抗原,与血清型分类有关。它带有较多的负电荷,能与Mg2+等双价离子结合,有助于维持菌体内离子的平衡。磷壁酸还可起到稳定和加强细胞壁的作用。乙型溶血性链球菌表面的M蛋白与LTA结合在细菌表面形成微纤维(microfibrils),后者介导菌体与宿主细胞的粘附,是其致病因子之一。

革兰阴性菌的外膜是一种有效的屏障结构,使细菌不易受到机体的体液杀菌物质、肠道的胆盐及消化酶等的作用;还可阻止某些抗生素的进入,成为细菌耐药的机制之一。LPS(内毒素)是革兰阴性菌重要的致病物质,使机体发热,白细胞增多,直至休克死亡。另一方面LPS也可增强机体非特异性抵抗力,并有抗肿瘤等有益作用。

5.细菌细胞壁缺陷型(细菌L型) 细菌细胞壁的肽聚糖结构受到理化或生物因素的直接破坏或合成被抑制,这种细胞壁受损的细菌一般在普通环境中不能耐受菌体内的高渗透压而胀裂死亡。但在高渗环境下,它们仍可存活。 革兰阳性菌细胞壁缺失后, 原生质仅被一层细胞膜包住,称为原生质体(protoplast);革兰阴性菌肽聚糖层受损后尚有外膜保护,称为原生质球(spheroplast)。这种细胞壁受损的细菌能够生长和分裂者称为细菌细胞壁缺陷型或细菌L型(L form), 因其1935年首先在Lister研究院发现而得名。
细菌L型在体内或体外、人工诱导或自然情况下均可形成,诱发因素很多,如溶菌酶(lysozyme)、溶葡萄球菌素(lysostaphin)、青霉素、胆汁、抗体、补体等。其中溶菌酶和溶葡萄球菌素能裂解肽聚糖中N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的β-1,4糖苷键,破坏聚糖骨架。青霉素能与细菌竞争合成肽聚糖过程中所需的转肽酶, 抑制四肽侧链上D-丙氨酸与五肽桥之间的联结,使细菌不能合成完整的肽聚糖。人与动物细胞无细胞壁,也无肽聚糖结构,故溶菌酶和青霉素对人体细胞无破坏作用。

细菌L型的形态因缺失细胞壁呈高度多形性,大小不一,有球形、杆状和丝状等。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型难以培养,其营养要求基本与原菌相似,但需在高渗低琼脂含血清的培养基中生长。细菌L型生长繁殖较原菌缓慢,一般培养2~7天后在软琼脂平板上形成中间较厚、四周较薄的荷包蛋样细小菌落,也有的长成颗粒状或丝状菌落。L型在液体培养基中生长后呈较疏松的絮状颗粒,沉于管底,培养液则澄清。去除诱发因素后,有些L型可回复为原菌,有些则不能回复,其决定因素为L型是否含有残存的肽聚糖作为自身再合成的引物。

某些L型仍有一定的致病力,通常引起慢性感染,如尿路感染、骨髓炎、心内膜炎等,并常在使用作用于细胞壁的抗菌药物(β-内酰胺类抗生素等)治疗过程中发生。临床上遇有症状明显而标本常规细菌培养阴性者,应考虑细菌L型感染的可能性,宜作L型的专门分离培养,并更换抗菌药物。

细胞膜(cell membrane) 又称为胞浆膜(cytoplasmic membrane)或内膜(inner membrane),位于细胞壁内侧,紧包着细胞质。厚约5nm~10nm,柔韧致密,富有弹性,占细胞干重的10%~30%。细菌细胞膜的结构为典型的“单位膜”,与真核细胞基本相同,由磷脂和多种蛋白质组成,但不含胆固醇。

细菌细胞膜是细菌赖以生存的重要结构之一,其功能也与真核细胞类似,主要有物质转运、生物合成、呼吸和分泌等作用。
细菌的细胞膜形成疏水性屏障,允许水和某些小分子物质被动性扩散,特异性营养物质的选择性进入和废物的排出,及透性酶参与营养物质的主动摄取过程。细胞膜还含有多种酶类,诸如细胞色素和组成呼吸链的其它酶类,三羧酸循环的某些酶,及参与细胞结构(如肽聚糖、鞭毛和荚膜等)合成的一些酶,参与菌细胞的呼吸、能量代谢和生物合成等重要的生命活动。据此,认为细菌细胞膜的功能与真核细胞的线粒体膜相似。

细菌分泌水解酶和致病蛋白质,在革兰阳性菌直接分泌到外环境中;在革兰阴性菌则较为复杂,现已有4个分泌系统参与合成蛋白质的分泌过程,由多种细胞膜蛋白、外膜蛋白和辅助蛋白(信号肽酶和伴侣蛋白等)组成,分别称为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型分泌系统(图1-7)。


图1-7 革兰阴性菌Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型分泌系统模式图

Ⅰ型:大肠埃希菌?-溶血素(?-hemolysin)的分泌;Ⅱ型:克雷伯菌支链淀粉酶(pullulanase)的分泌;Ⅲ型:耶尔森菌外部蛋白质(Yersinia out protein,Yop)的分泌。

经革兰阴性菌Ⅱ型和Ⅳ型分泌系统分泌的蛋白质首先以其氨基端带有信号序列(signal sequence)的前体蛋白(preprotein)形式出现,经sec途径运输越过细胞膜进入周浆间隙。大肠埃希菌的sec途径由细胞膜蛋白(SecD~SecF、SecY)、细胞膜结合的ATPase(SecA)和伴侣蛋白(SecB)组成。在运输过程中,由细胞膜结合的信号肽酶(LspA)将前体蛋白的信号序列切割后,成熟蛋白质释放到周浆间隙。此后,Ⅱ型和Ⅳ型分泌系统运送蛋白质越过外膜的机制有所不同,前者需要多聚外膜蛋白组分(PulD)的参与,后者需要外膜分泌蛋白(autotransporter)的帮助。革兰阴性菌的胞外降解酶的分泌主要是通过II型分泌系统,淋病奈