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医学微生物学/细菌的新陈代谢
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{{Hierarchy header}} [[细菌]]新陈代谢有两个突出的特点:①[[代谢]]活跃。细菌菌体微小,相对表面积很大,因此,物质交换频繁、迅速,呈现十分活跃的代谢。②代谢类型多样化。各种细菌其营养要求、能量来源、酶系统、代谢产物各不相同,形成多种多样的代谢类型,适应复杂的外界环境。 细菌的代谢通路包括合成与分解两大类。细菌的[[合成代谢]]与[[真核]]细菌类似,但其[[分解代谢]]因细菌酶系统的不同,差异甚大。分解代谢可伴有[[ATP]]及其他形式能量的产生。 == 一、细菌的[[能量代谢]]== 细菌代谢所需能量,绝大多数是通过[[生物]][[氧化作用]]而获得的。所谓生物氧化即在酶的作用下生物细胞内所发生的系列[[氧化还原]]反应。 [[致病菌]]获得能量的[[基质]]主要是糖类,通过糖的氧化或酵解释放能量,并以[[高能磷酸键]]的形式(ADP、ATP)储存能量。 细菌生物氧化的类型分为[[呼吸]]与发酵。在生物化过程中,细菌的营养物(如糖)经[[脱氢酶]]作用所脱下的氢,需经过一系列中间递氢体(如[[辅酶I]]、辅酶II、[[黄素蛋白]]等)的传递转运,最后将氢交给受氢体。以无机物为受氢体的生物氧化过程,称为呼吸,其中以[[分子]]氧为受氢体的称[[需氧呼吸]];而以无机[[化合物]](如硝酸盐、[[硫酸盐]])为受氢体的称厌氧呼吸。生物氧化中以各种有机物为受氢体的称为发酵。大多数[[病原菌]]只进行需氧呼吸或发酵。 '''1.需氧呼吸(Resperitory)''':细菌的[[呼吸链]]位于[[细胞膜]]上,需氧呼吸伴有[[氧化磷酸化]]作用,产生大量能量并以高能磷酸键形式贮存于ATP中。1分子[[葡萄糖]]经[[三羧酸循环]]完全氧化后,可产生38个分子ATP以供细菌合成代谢和生长繁殖之用。 '''2.发酵(Fermentation)''':酶系统不完善的细菌,生物氧化过程不彻底,所产生的能量很低。通过无氧发酵,1分子葡萄糖只能产生2分子ATP,仅为需氧呼吸所产生能量的1/19。专性[[厌氧菌]]和[[兼性厌氧菌]]都能通过发酵获取能量。 '''3.细菌的呼吸类型''':根据细菌对氧的需要不同,主要分为四类:(1)专性[[需氧菌]](Obligateaerobe)如[[结核杆菌]];(2)专性厌氧菌(Obligate anaerobe)如[[破伤风杆菌]];(3)兼性厌氧菌(Facultative anaerobe)在有氧或无氧或无氧环境中均能生长,但以有氧时生长较好,大多数病原菌属此类;(4)微需氧菌(Microaerophilic bacteria)如[[空肠弯曲菌]],宜在低氧压下生长,氧压增高对其有抑制作用。一般细菌在代谢中需少量的CO2,以提供细菌合成[[核酸]]中的嘌呤、[[嘧啶]]等。 专性厌氧菌不能呼吸,只能发酵。其原因是:①厌氧菌缺乏[[细胞色素]]与[[细胞色素氧化酶]],因此不能氧化那些氧化还原[[电势]]较高的氧化型物质。②厌氧菌缺乏[[过氧化氢酶]]、[[过氧化物酶]]和[[超氧化物歧化酶]](Superoxidedismutase),不能清除有氧环境下所产生的超氧离子(O2-)和[[过氧化氢]](H2O2),因而难以存活。③有氧条件下,细菌某些酶的-SH基被氧化为S-S基(如[[琥珀酸脱氢酶]]等),从而酶失去活性,使细菌生长受到抑制。总之,厌氧菌的厌氧原因可有多种因素与机理。 表3-2 细菌的生物氧化与产能 {| class="wikitable" |- | | 生物氧化类型 | | 受氢体 | | 需氧情况 | | 产生能量(1分子葡萄糖) |- | | 需氧呼吸 | | 分子氧 | | 需氧 | | 38个ATP |- | | 厌氧呼吸 | | 无机化合物 | | 厌氧 | | |- | | 发酵 | | 有机化合物 | | 厌氧 | | 2个ATP |} == 二、细菌的代谢产物== 细菌分泌[[胞外酶]]将[[多糖]]、[[蛋白质]]等大分子营养物质分解为单糖、小肽或[[氨基酸]],然后吸收进入菌体,再经氧化或胞内酶分解形成菌体可利用的成分,此谓细菌的分解代谢。细菌以营养原料及生物氧化产生的能量,合成菌体及相应的代谢产的,此谓合成代谢。 细菌在分解和合成代谢中能产生多种代谢产物,在细菌的鉴定及[[生化反应]]中有实际意义。 '''(一)[[分解代谢产物]]的检测''' 细菌的分解代谢产物因各种细菌具备的酶不完全相同,而有所差异。各代谢产物可通过[[生化]]试验的方法检测,通常称为细菌的生化的反应。 1.[[糖代谢]]测定 (1)糖发酵试验:细菌对各种糖的[[分解能]]力及代谢产物不同,可借以鉴别细菌。一般非致病菌能发酵多种单糖,如[[大肠杆菌]]能分解葡萄糖有[[乳糖]],产生甲酸等产物,并有甲酸解[[氢酶]],可将其分解为CO2和H2,故生化反应结果为产酸产气,以“⊕”表示。[[伤寒杆菌]]分解葡萄糖产酸,但无解氢酶。故生化结果为产酸不产气,以“+”表示。伤寒杆菌及一般致病菌大都不能分解乳糖,以“-”表示。 (2)VP试验:大肠杆菌与产气[[杆菌]]均分解葡萄糖⊕,为区分两菌可采用VP试验及甲基红试验。产气杆菌能使[[丙酮]]酸脱羧、氧化(在碱性溶液中)生成二乙酰,后者可与含[[胍基]]的化合物反应,生成红色化合物,称VP阳性。大肠杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸,VP阴性。 (3)甲基红试验:产气杆菌使丙酮酸脱羧后形成中性产物,[[培养液]]pH>5.4,甲基红指示剂呈桔黄色,为甲基红试验阴性,大肠杆菌分解葡萄糖产生丙酮酸,培养液呈酸性pH<5.4,指示剂甲基红呈红色,称甲基红试验(Methyl red test,MR)阳性。 (4)[[枸橼酸盐]]利用试验(Citrateultiliazation test):能利用枸橼酸盐作为唯一碳源的细菌如产气杆菌,分解枸橼酸盐生成碳酸盐,同时分解[[培养基]]的铵盐生成氨,由此使培养基变为碱性,使指示剂溴[[麝香草酚]]蓝(BTB)由淡绿转为深蓝,此为枸橼酸盐利用试验阳性。、 2.蛋白质代谢测定 (1)[[吲哚]]试验(Indoltest):含有[[色氨酸酶]]的细菌(如大肠杆菌、[[变形杆菌]]等)可分解[[色氨酸]]生成吲哚,若加入[[二甲基氨基]][[苯甲醛]],与吲哚结合,形成玫瑰吲哚,呈红色,称吲哚试验阳性。 (2)[[硫化氢]]试验:变形杆菌、[[乙型副伤寒]]杆菌等能分解含硫氨基酸如[[胱氨酸]]、[[甲硫氨酸]]等,生成硫化氢。在有[[醋酸铅]]或[[硫酸亚铁]]存在时,则生成黑色硫化铅或硫化亚铁,可借以鉴别细菌。 3.[[尿素]]分解试验 变形杆菌具有[[尿素酶]],可分解尿素产生氨,培养基呈碱性,以[[酚红]]为指示剂检测呈红色,由此区别于[[沙门氏菌]]。 吲哚(I)、甲基红(M)、VP(V)、枸橼酸盐利用(C)四种试验,常用于鉴定[[肠道杆菌]],合称之为IMViC试验。大肠杆菌呈“++--”,产气杆菌为“--++”。 气相、液相[[色谱法]]通过对细菌分解代谢产物中[[挥发性]]或不挥发性有机酸和醇类的检测,可准确、快速地确定细菌的种类,是目前进行细菌生化鉴定的高新技术。 '''(二)合成代谢产物及临床意义''' 细菌通过新陈代谢不断合成菌体成分,如多糖、蛋白质、脂肪、核酸、[[细胞壁]]及各种[[辅酶]]等。此外,细菌还能合成很多在医学上具有重要意义的代谢产物。 1.热原质(Pyrogen):热原质即菌体中的[[脂多糖]],大多是[[革兰氏阴性菌]]产生的。注入人或动物体内能引起[[发热反应]],故名热原质。 热原质耐[[高热]],[[高压蒸汽灭菌]](121℃,20’)不能使其破坏,加热(180℃4h;250℃45';650℃1')才使热原质失去作用。热原质可通过一般细菌滤器,但没有挥发性,所以,除去热原质最好的方法是蒸馏。药液、水等被细菌污染后,即使[[高压灭菌]]或经滤过除菌仍可有热原质存在,输注机体后可引起严重发热反应。生物制品或注射液制成后除去热原质比较困难,所以,必须使用无热原质水制备。 2.[[毒素]]与酶:细菌可产生内、[[外毒素]]及侵袭性酶,与细菌的[[致病性]]密切相关。 [[内毒素]](Endotoxin)即革兰氏阴性菌细胞壁的脂多糖,其[[毒性]]成分为类脂A。菌体死亡崩解后释放出来。外毒素(Exotoxin)是由[[革兰氏阳性菌]]及少数革兰氏阴性菌在生长代谢过程中释放至菌体外的蛋白质。具有[[抗原性]]强、毒性强、作用特异性强的突出特点。 某些细菌可产生具有侵袭性的酶,能损伤机体组织,促进细菌的侵袭、扩散,是细菌重要的致病因素,如[[链球菌]]的[[透明质酸酶]]等。 3.色素(Pigment):有些细菌能产生色素,对细菌的鉴别有一定意义。 细菌色素有两类:①水溶性色素,能弥形至培养基或周围组织,如[[绿脓杆菌]]产生的绿脓色素使培养基或脓汗呈绿色。②脂溶性色素,不溶于水,仅保持在[[菌落]]内使之呈色而培养基颜色不变,如[[金黄色葡萄球菌]]色素。细菌色素的产生需一定条件(营养丰富、氧气充足、温度适宜),无光合作用,对细菌的功能尚不清。 4.[[抗生素]](Antibiotic):某些[[微生物]]代谢过程中可产生一种能抑制或杀死某些其他微生物或[[癌细胞]]的物质,称抗生素。抗生素多由[[放线菌]]和真菌产生,细菌仅产生少数几种,如[[多粘菌素]](Polymyxin)、[[杆菌肽]](Bicitracin)等。 5.[[细菌素]](Bactericin):某些细菌能产生一种仅作用于有近缘关系的细菌的[[抗菌]]物质,称细菌素。细菌素为[[蛋白类]]物质,抗菌范围很窄,无治疗意义,但可用于[[细菌分型]]和[[流行病学调查]]。 细菌素以生产菌而命名。大肠杆菌产生的细菌素称大肠菌素,绿脓杆菌产生的称绿脓菌素,[[霍乱弧菌]]产生的称[[弧菌]]素。 {{Hierarchy footer}} {{医学微生物学图书专题}}
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