细菌菌体结构

第一节　细菌的形态与结构

细菌（bacterium）是一类具有细胞壁的单细胞原核微生物。就某种细菌而言，在一定环境条件下具有相对稳定的形态结构和生理生化特性，了解这些特性，对于细菌的鉴定、细菌的致病性和抗原性的研究以及疾病的诊断均有重要意义。

一、细菌的大小与基本形态

（一）细菌的大小

细菌个体微小，需要放大数百倍乃至数千倍才能看到。通常以微米（um）作为测量细菌大小的单位，使用的工具为显微测微尺。不同种类的细菌大小有差异，即使是同一种细菌在不同生长阶段其大小也可能有差异。不同形态细菌的大小和表示也有一定的差别，球菌以直径表示大小，一般为0.5～2.0um；杆菌以宽×长表示，一般长1～10um，宽0.2～1.0um；螺旋菌也以宽×长表示，以其两端的直线距离作为长度，一般长1～50um，宽0.2～1.0um。细菌要比病毒和其他原核细胞型微生物大得多（图2-1）。

细菌的形态受环境因素影响很大。改变环境条件如培养温度、培养时间、培养基成分、pH等，均可引起细菌形态的变化。通常在适宜生长条件下，对数繁殖期的细菌具有典型的形态，所以细菌的大小以生长在适宜温度和培养基中的青壮龄培养物（对数期）为标准。在一定条件下，绝大多数细菌的大小是相对稳定的，可以作为鉴定细菌的依据之一。在实际测量时，制片及染色方法均会影响细菌的形态和大小，因此，测定和比较细菌大小时，各种条件和技术操作等均应一致。

（二）细菌的基本形态和排列

细菌的基本形态有球状、杆状和螺旋状三种，据此可将细菌分为球菌、杆菌和螺旋菌（图2-2）三种。

图2-1　微生物的大小比较

左侧为细菌形态示意图，右侧为细菌电镜照片，从上至下依次为球菌、杆菌、螺旋菌

图2-2　细菌的3种基本形态

不同细菌分裂后其菌体排列方式不同，有的分裂后单个存在，有些分裂后彼此仍由原浆带相连，形成一定的排列方式。在正常情况下，各种细菌的外形和排列方式相对稳定并具有特征性，可作为分类和鉴定的依据之一。

1.球菌：球菌（coccus）按其分裂方向和分裂后的排列情况（图2-3）可分为：

（1）双球菌：沿一个平面分裂，分裂后仍成对结合在一起，如肺炎球菌。

（2）链球菌：在同一个平面上连续分裂多次并连在一起形成长链状排列，如乙型溶血性链球菌。

（3）葡萄球菌：沿多个方向的平面分裂，分裂后多个球菌不规则地堆在一起，呈葡萄串状，如金黄色葡萄球菌。

此外，还有单球菌、四联球菌和八叠球菌。取材不同，细菌的排列方式也会有差异。在液体中生长的葡萄球菌较少成堆，大多数为分散或呈短链状，而液体中的链球菌则连在一起形成长链，在固体培养基中，链球菌则常以短链存在。

图2-3　球菌的分裂方向及分裂后的排列情况

2.杆菌：杆菌（bacillus）一般呈正圆柱形，也有的近似卵圆形，其大小、粗细、长短都有显著差异。菌体多数平直，少数微弯曲；两端多为钝圆，少数平截，如炭疽杆菌；有些杆菌菌体短小，两端钝圆，近似球状，如多杀性巴氏杆菌；有些杆菌会形成分枝，如结核分支杆菌；有的杆菌一端较另一端膨大，使整个菌体呈棒状，如白喉棒杆菌。

杆菌的分裂平面与菌体长轴相垂直（横分裂），多数杆菌分裂后单个散在，如大肠杆菌；有些杆菌分裂后成对存在，如乳杆菌；有的呈链状，如炭疽杆菌。

3.螺旋菌：螺旋菌菌体呈弯曲或螺旋状，两端圆或尖突。根据弯曲程度和螺旋数，又可分为弧菌（vibrio）和螺菌（spirillum）。弧菌的菌体只有一个弯曲，呈弧状或逗点状，如霍乱弧菌；螺菌的菌体较长，有两个或两个以上弯曲，捻转成螺旋状，如鼠咬热螺菌。

细菌在适宜条件下培养呈较典型的形态，但当环境条件改变或在老龄培养物中，会出现形态改变，称为衰老型或退化型。这些衰老型的培养物重新处于正常的培养环境时可恢复正常形态。也有些细菌，即使在适宜的环境中生长，其形态也不一致，这种现象称为细菌的多形性，如嗜血杆菌。

二、细菌的群体形态

细菌在固体培养基中以菌落形式出现。单个细菌在固体培养基表面或内部，在适宜条件下，经过一定时间培养，分裂繁殖出大量的菌体，形成一个肉眼可见的、有一定形态的独立群体，称为菌落。若长出的菌落连成一片，称为菌苔。在细菌培养中，常将细菌在固体培养基表面做划线分离培养，以获得单个菌落。

三、细菌的结构

细菌的结构可分为基本结构和特殊结构两类。

（一）细菌的基本结构

所有细菌都具有的结构称为细菌的基本结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞浆及其内含物、拟核等（图2-4）。

1.细胞壁：细胞壁（cell wall）在细菌细胞的最外层，紧贴在细胞膜之外，是一层坚韧而具有一定弹性的膜。

不同细菌细胞壁的结构和成分有所不同，用革兰染色法可将细菌分成革兰阳性（G^＋）菌和革兰阴性（G^－）菌两大类。

细胞壁的化学组成一般由糖类、蛋白质和脂类镶嵌排列而成，其基础成分是肽聚糖。对G^＋菌来说，肽聚糖是其细胞壁的主要化学成分，占细胞壁物质的40％～95％，以15～50层聚合体的形式存在，厚20～80nm。G^＋菌细胞壁的肽聚糖是由聚糖链支架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成的复杂聚合物。聚糖链支架由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1，4糖苷键交替连接组成。四肽侧链由4种氨基酸组成并与胞壁酸相连，五肽交联桥由5个甘氨酸组成，交联于相邻两条四肽侧链之间。聚糖链支架、四肽侧链和五肽交联桥共同构成十分坚韧的三维立体结构。溶菌酶能水解聚糖链支架的β-1，4糖苷键，故能裂解肽聚糖；青霉素能抑制五肽交联桥和四肽侧链之间的联结，故能抑制G^＋菌肽聚糖的合成。G^－菌的肽聚糖层很薄，由1～2层网状分子构成，占细胞壁的10％～20％。其结构单体有与G^＋菌相同的聚糖链支架和相似的四肽侧链，但缺少五肽交联桥，由相邻聚糖链支架上的四肽侧链直接连接成二维结构，较为疏松（图2-5）。

图2-4　细菌结构模式图

（1）G^＋菌细胞壁的特有组分：G^＋菌的细胞壁化学组成中除了肽聚糖外，还有大量特殊成分，即磷壁酸。

磷壁酸是G^＋菌特有的成分。约30个或更多的磷壁酸分子组成长链，穿插于肽聚糖层中。有的长链一端与肽聚糖上的胞壁酸以共价键连接，另一端游离于细胞壁外，称为壁磷壁酸；有的长链一端与细胞膜外层的糖脂以共价键相连，另一端穿过肽聚糖层到达细胞壁表面，称为膜磷壁酸或脂磷壁酸（图2-6a）。磷壁酸是特有的表面抗原。带负电荷，能与镁离子结合，以维持细胞膜上一些酶的活性。此外，某些细菌的磷壁酸对宿主细胞具有黏附作用，可能与致病性有关；磷壁酸还可为噬菌体提供特异的吸附受体。

a.G⁺菌的肽聚糖b.G^-菌的肽聚糖

图2-5　G⁺菌和G^-菌肽聚糖的组成差异

（2）G^－菌细胞壁的特有组分：G^－菌的细胞壁较薄，为10～nm，结构和成分较复杂，由外膜和周质间隙组成。外膜由脂多糖、磷脂、蛋白质和脂蛋白等复合物构成，周质间隙主要是一层薄的肽聚糖（图2-6b）。

图2-6　G⁺菌细胞壁（a）和G^-菌细胞壁（b）

脂多糖（LPS）为G^－菌所特有，位于外膜的最表层，由类脂A、核心多糖和侧链多糖三部分组成（图2-7）。类脂A是一种结合有多种长链脂肪酸的氨基葡萄糖聚二糖链，是内毒素的主要毒性成分，发挥多种生物学效应，能致动物体发热，白细胞增多，甚至休克死亡。G^－菌类脂A的结构相似，无种属特异性。核心多糖位于类脂A的外层，由葡萄糖、半乳糖等组成，与类脂A共价联结。核心多糖具有种属特异性。侧链多糖在LPS的最外层，为菌体抗原（O抗原），由3～5个低聚糖单位重复构成，其中单糖的种类、位置、排列和构型均不同，具有种、型特异性。此外，LPS也是噬菌体在细菌表面的特异性吸附受体。

外膜蛋白（OMP）是G^－菌外膜层中镶嵌的多种蛋白质的统称。按含量及功能的重要性可将OMP分为主要蛋白和次要蛋白两类。主要外膜蛋白包括微孔蛋白及脂蛋白（图2-7）。微孔蛋白能形成跨越外膜的微小孔道，起分子筛作用，仅允许小分子的营养物质如双糖、氨基酸、无机盐等通过，而溶菌酶之类的大分子物质不能通过，因而不会作用到G^－菌的肽聚糖。脂蛋白的作用是使外膜层与肽聚糖牢固地连接，亦可作为噬菌体的受体或参与铁及其他营养物质的转运。

图2-7　G^-菌的脂多糖和外膜蛋白组成

脂质双层是G^－菌细胞壁的主要结构，除了转运营养物质外，还有屏障作用，能阻止多种物质透过，抵抗许多化学药物的作用，所以G^－菌对青霉素、头孢菌素类等抗生素比G^＋菌具有较强的抵抗力。

周质间隙是G^－菌细胞膜和外膜之间的空隙，含一层薄的肽聚糖及多种蛋白酶、核酸酶、解毒酶等，对于细菌获得营养和解除有害物质的毒性等方面具有重要作用。

（3）细胞壁功能：细胞壁坚韧而富有弹性，能维持细菌的固有形态，保护细菌耐受低渗环境。此外，细胞壁上有许多微细小孔，直径1nm大小的可溶性分子能自由通过，具有相对的通透性，与细胞膜共同完成菌体内外物质的交换。此外，细胞壁还参与细菌的正常分裂，并与细菌的致病性、抗原性、对噬菌体和药物的敏感性以及革兰染色特性等密切相关。

2.细胞膜：细胞膜（cell membrane）又称胞浆膜，是位于细胞壁与细胞浆之间的一层柔软而富有弹性的半透性薄膜。细胞膜的主要化学成分是磷脂和蛋白质，亦有少量碳水化合物和其他物质。其结构与真核细胞膜的液态镶嵌结构相似，镶嵌在磷脂双分子中的蛋白质是具有特殊功能的酶和载体蛋白，与细胞膜的半透性等有关。细胞膜受到损伤，细菌将死亡。

细胞膜上分布许多酶，可选择性进行菌体细胞内外物质交换，维持胞内正常渗透压；细胞膜还与细胞壁、荚膜的合成有关，是鞭毛的着生部位。

3.细胞浆：细胞浆（cytoplasma）通常指细胞膜内包围的除拟核以外的所有物质，是一种无色透明、均质的黏稠胶体，主要成分是水、蛋白质、脂类、多糖类、核酸和少量无机盐类等。细胞浆中含有许多酶系统，是细菌进行新陈代谢以及合成核酸和蛋白质的场所。细胞浆中还含有核糖体、间体、异染颗粒等内含物。

核糖体是主要集中在细胞浆中的一种核糖核酸蛋白质小颗粒，每个细菌体内可达数百个。核糖体呈小球形或不对称形，是细菌蛋白质合成的场所。核糖体沉降系数为s。其化学组成的70％为RNA，30％为蛋白质。细胞中约90％的RNA和40％的蛋白质存在于核糖体中。当mRNA连成多聚核蛋白体，就成为合成蛋白质的场所。细菌核糖体由50s和s两个亚基构成。链霉素能与细菌核糖体的30s亚基结合，红霉素能与50s亚基结合，从而干扰细菌蛋白质的合成而导致细菌的死亡；真核细胞的核糖体为80s，因此这些药物对人和动物体细胞无影响。

细菌等原核生物细胞内往往含有一些贮存营养物质或其他物质的颗粒样结构，如脂肪滴、糖原、淀粉粒及异染颗粒等。其中，异染颗粒是某些细菌胞浆中特有的一种酸性小颗粒，对碱性染料的亲和性特别强，特别是用碱性美蓝染色时呈紫红色，而菌体其他部分则呈蓝色。异染颗粒的主要成分是RNA和聚偏磷酸盐，功能是贮存磷酸盐和能量。某些细菌，如棒状杆菌的异染颗粒非常明显，常用于细菌的鉴定；有些细菌能在细胞浆内以糖原或淀粉粒的形式贮存葡萄糖，用碘染成红棕色的是糖原，染成蓝色的是淀粉粒。

4.拟核：细菌为原核微生物，不具有典型的核结构，其拟核（nuclear body）DNA无核膜包围，无核仁，不能与细胞浆截然分开，分布于细胞质的中心或边缘区，呈球状、哑铃状、带状或网状等形态。细菌拟核含细菌的遗传基因，控制细菌几乎所有的遗传性状，与细菌的生长、繁殖、遗传等有密切关系。

（二）细菌的特殊结构

有些细菌除具有上述基本结构外，还有某些特殊结构。细菌的特殊结构包括荚膜、鞭毛、菌毛和芽胞等。

1.荚膜：某些细菌在生活过程中，可在细胞壁外面产生一层界限清楚的黏液样物质，包围整个菌体，称为荚膜（capsule）。当多个细菌的荚膜融合形成一大团的胶状物，内含多个细菌时，则称为菌胶团。有些细菌菌体周围有一层很疏松、与周围物质界限不明显、易与菌体脱离的黏液样物质，称为黏液层。

细菌的荚膜用普通染色方法不易着色，通常可见菌体周围一层无色透明圈，即为荚膜。如用特殊的荚膜染色法染色，可清楚地看到荚膜的存在（图2-8）。

图2-8　细菌的荚膜

荚膜的主要成分是水（90％以上），多数固形成分为多糖类，如猪链球菌；少数为多肽，如炭疽杆菌；也有极少数二者兼具，如巨大芽胞杆菌。荚膜的产生具有种的特征，在动物体内或营养丰富的培养基上容易形成。它不是细菌的必需构造，除去荚膜对菌体的代谢没有影响。

荚膜能保护细菌抵抗吞噬细胞的吞噬、噬菌体的攻击，保护细胞壁免受溶菌酶、补体等杀菌物质的损伤，所以荚膜与细菌的毒力有关；荚膜能贮存水分，有抗干燥作用，荚膜具有抗原性，具有种型的特异性，可用于细菌的鉴定。

2.鞭毛：有些杆菌、弧菌和个别球菌，在菌体上长有一种细长呈螺旋弯曲的丝状物，称为鞭毛（flagellum）。鞭毛自细胞膜长出，游离于细胞外，比菌体长几倍，经特殊的鞭毛染色法，使染料沉积于鞭毛表面，增大了其直径，用光学显微镜即可观察到。

细菌的种类不同，鞭毛的数量和着生位置不同，根据鞭毛的数量和在菌体上的位置，可将有鞭毛的细菌分为单毛菌（如霍乱弧菌）、丛毛菌（如荧光假单胞菌）和周毛菌（如大肠杆菌）（图2-9）。细菌是否产生鞭毛以及鞭毛的数目和着生位置，都具有种的特征，是鉴定细菌的依据之一。

a.一端单毛菌b.两端单毛菌c.丛毛菌d.周毛菌

图2-9　细菌鞭毛的排列方式

鞭毛由鞭毛蛋白组成，具有抗原性，称为鞭毛抗原或H抗原，不同细菌的H抗原具有型特异性，常作为血清学鉴定的依据之一。

鞭毛是细菌的运动器官，鞭毛有规则地收缩，引起细菌运动。运动方式与鞭毛的排列方式有关，单毛菌和丛毛菌一般呈直线快速运动，周毛菌则无规律地缓慢运动或滚动。

鞭毛与细菌的致病性也有关系，霍乱弧菌等通过鞭毛运动可穿过小肠黏膜表面的黏液层，黏附于肠黏膜上皮细胞，进而产生毒素而致病。

3.菌毛：多数G^－菌和少数G^＋菌的菌体上生长有一种比鞭毛短而细的丝状物，称为菌毛（pilus）或纤毛（图2-10）。直径为3～10nm，长度为0.2～1.5um，只能在电镜下观察到。菌毛是一种空心的蛋白质管，具有良好的抗原性。

根据菌毛的功能不同，可将其分为普通菌毛和性菌毛两类。普通菌毛数量较多，每个细菌有50～400条，往往周身排列，可使菌体牢固地黏附于宿主的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等的黏膜上，进一步定植和致病。对于病原菌来讲，菌毛与毒力密切相关。

性菌毛比普通菌毛粗、长，数量较少，每个细菌一般不超过4条。有性菌毛的细菌可通过性菌毛接合，发生质粒传递或基因转移。另外，性菌毛也是某些噬菌体吸附于细菌表面的受体。

菌毛并非细菌生命所必需。在体外培养的细菌，如条件不适宜，未必能检测到菌毛。

a.普通菌毛b.性菌毛图2-10细菌菌毛的类型

4.芽胞：某些G^＋菌在一定条件下，胞浆和拟核脱水浓缩，在菌体内形成一个折光性强、通透性低的球形或卵形的休眠体，称为芽胞（spore）。带有芽胞的菌体称为芽胞体，未形成芽胞的菌体称为繁殖体或营养体。芽胞在菌体内成熟后，菌体崩解，形成游离芽胞。

芽胞具有较厚的芽胞壁，多层芽胞膜，结构坚实，含水量少，应用普通染色法染色时，染料不易渗入，因而不能使芽胞着色，在显微镜下观察时，呈无色的空洞状（图2-11）。需用特殊的芽胞染色法染色才能让芽胞着色。细菌能否形成芽胞，芽胞的形状、大小以及在菌体内的位置等，都因细菌而异，有助于鉴别细菌。例如，炭疽杆菌的芽胞为卵圆形，直径比菌体小，位于菌体中央，称为中央芽胞；肉毒梭菌的芽胞直径比菌体大，使整个菌体呈梭形，位置在菌体偏端，称为偏端芽胞；破伤风梭菌的芽胞比菌体大，位于菌体末端，称为末端芽胞，呈鼓槌形。

图2-11　细菌芽胞形状、大小和位置

细菌的芽胞结构多层而且致密，各种理化因子不易渗透，因其含水量少，蛋白质受热不易变性，且芽胞内特有的某些物质使芽胞能耐受高温、辐射、氧化、干燥等的破坏。一般细菌繁殖体经100℃30min煮沸可被杀灭，但形成芽胞后，可耐受100℃数小时，如破伤风梭菌的芽胞经煮沸3h仍然不死，炭疽杆菌芽胞在干燥条件下能存活数十年。杀灭芽胞可靠的方法是干热灭菌和高压蒸汽灭菌。实际工作中，消毒和灭菌的效果以能否杀灭芽胞为标准。

芽胞的形成由其遗传性决定，但也需要一定的环境条件。大多数芽胞是在营养缺乏、温度较高或代谢产物积累等不良条件下，在衰老的细胞内产生。在适宜的条件下，芽胞又能萌发形成繁殖体。通常一个繁殖体只形成一个芽胞，一个芽胞萌发也只形成一个新的繁殖体。