细菌的新陈代谢产物[新课标]

第三节 细菌的新陈代谢产物 　　细菌的新陈代谢是指菌细胞内分解代谢与合成代谢的总和，其显著特点是代谢旺盛和代谢类型的多样化。 细菌的分解代谢和生化反应 　　各种细菌所具有的酶不完全相同，对营养物质的分解能力也不一致，因而代谢产物也有区别。 ·         细菌对糖的分解 ·         细菌对蛋白质的分解 ·         细菌的生化反应：通过生化试验的方法检测细菌对各种基质的代谢作用及其代谢产物，从而鉴别细菌的种属。（1）糖发酵试验（2）靛基质试验（3）硫化氢试验（4）尿素分解试验（5）枸橼酸盐利用试验 细菌的合成代谢产物 　　细菌利用分解代谢中的产物和能量不断合成菌体自身成分，同时还合成一些在医学上具有重要意义的代谢产物。　　热原质(pyrogen) 或称致热原：是细菌合成的一种注入人体或动物体内能引起发热反应的物质。产生热原质的细菌大多是革兰阴性菌，热原质即其细，胞壁的脂多糖。　　毒素与侵袭性酶： 细菌产生外毒素和内毒素两类毒素，在细菌致病作用中甚为重要。外毒素(exotoxin)是多数革兰阳性菌和少数革兰阴性菌在生长繁殖过程中释放到菌体外的蛋白质；内毒素(endotoxin)是革兰阴性菌细胞壁的脂多糖，当菌体死亡崩解后游离出来。外毒素毒性强于内毒素。　　色素：某些细菌能产生不同颜色的色素，有助于鉴别细菌。细菌的色素有两类，一类为水溶性，能弥散到培养基或周围组织。另一类为脂溶性，不溶于水，只存在于菌体，使菌落显色而培养基颜色不变。　　抗生素：某些微生物代谢过程中产生的一类能抑制或杀死某些其他微生物或肿瘤细胞的物质，称为抗生素。抗生素大多由放线菌和真菌产生，细菌产生的少，只有多粘菌素(polymyxin)、杆菌肽(bacitracin)等。　　细菌素：某些菌株产生的一类具有抗菌作用的蛋白质称为细菌素(bactericin)。细菌素与抗生素不同的是作用范围狭窄，仅对与产生菌有亲缘关系的细菌有杀伤作用。　　维生素：细菌能合成某些维生素除供自身需要外，还能分泌至周围环境中。 细菌代谢类型的特点                          细菌得代谢类型之多，代谢之强，分布范围之广，是其它类生物所不及的。  1         各种代谢类型俱全 1．1  异养需氧型    这类菌是细菌大家族中的主要成员，种类和数量最多，如枯草杆菌 （Bacillus subtilis），一般得病原菌等大多数细菌。从同化作用方面来看，跟据它们的栖息 场所和获取养料的方式而分为腐生和寄生两类。在腐生和寄生之间又存在着既可腐生又可 寄生的中间类型，例如食菌蛭弧菌（B. Bacteriouorus）的生活周期中有寄生和腐生两阶段。 从异化作用方面来看，这类菌为好气性细菌，必须在有氧环境中生活，产能代谢过程以分 子氧为最终电子受体，进行有氧呼吸。培养时需进行振荡，搅拌或同气，以供给充足的氧 气。 1．2  异养厌氧型    这类菌是地球上最早出现的细菌类型。也有腐生和寄生之分。它们在无氧的环境中生活，故又称为嫌气性细菌，产能代谢过程以有机物中的氧为最终电子受 体。如能分解蛋白质，产生对人畜有毒害作用的烈性毒素的肉毒芽孢梭菌（C. Batulinum） 就属这一类型。  1．3  自养需氧型     细菌除大多数异养外也有少数是自养的，在这少数自养菌中，需氧菌主要是指化能合成作用的细菌。它能够从无机物氧化中得到能量，并以CO2作唯一的碳源来制造有机养料。例如，硫细菌能将元素硫或还原态硫化物（包括H2S，硫代硫酸盐等）氧化成硫酸或硫，并利用氧化过程中释放的能量。将CO2和H2O合成有机物营养自己。 1．4   自养厌氧型     主要指光合细菌。该类细菌具有类似于植物叶绿素a的光合色素，分子中含有镁卟啉环。由于这类吸菌只有一个光反应系统，不以H2O为供氢体，而是利用硫化氢等无机的还原剂，把CO2还原为有机物。例如奥庚氏红硫细菌（Chlorlbium okemii），尼生绿硫细菌（Chlorlbium limicola），它们大多不能运动，可以利用光能同化CO2，进行光合作用。       6CO2+12H2S———C6H12O6+6H2O+12S   从反应式可以看出，细菌的光合作用是非放氧性的。也有不以二氧化碳为碳原的，如柴明等报道的球形红假单菌（R. Sphueroides）在对碳源的利用上，对甘油，山梨醇，甘露醇和酒石酸钠具有明显的利用性。这类细菌一般生活在接近水面光强度较高的厌气水层中，也有不以二氧化碳为碳源的，如柴明等报道的球形红假单细菌（R. Sphueroides）在对碳源的利用上，对甘油，山梨醇，甘露醇和酒石酸纳具有明显的利用性。这类细菌一般生活在接近水面光强度较高的厌气水层中，也能在池沼，水田，海洋和灌水的土壤中生长。光合细菌具有净化高浓度有机废水的能力。据小林达治报道，光合细菌菌体含有大量蛋白质，核酸，维生素，类胡萝卜素等，对植物的生长有促进作用。 2         中间过度类型的存在  细菌代谢类型的划分不是绝对的，在自养型和异养型之间过渡类型。   2．1   兼性自养型      是指既可进行自养生长又能进行异养生长的细菌。如嗜糖假单细   胞菌（Pseudomonas sac-charophila）等氢细菌在完全无机的环境中，利用氢的氧化以得   能量将CO2还原而营自养生活；在环境中存在有机物时便直接利用有机物而营异养生活。    2．2   光能异养型     是介于自养菌和异养菌之间的类型。这类细菌利用光作能源，有   机物作为供氢体，还原CO2合成有机物。例如红螺细菌（Rhodospirillaceae）能利用异丙   醇作为供氢体进行光合作用，并积累丙酮：   以上反应式可以看出，这种光合作用不同于绿色植物的光合作用之间的类型。  2．3    兼性厌氧型       属于这一类型的细菌具有有氧呼吸和无氧呼吸的酶系，因此既   能在无氧条件下通过发酵（包栝无氧呼吸）获得能量，也能在无氧条件下进行有氧呼吸。   如伊氏螺菌（Spirillum icersonii），脱氮小球菌（Micrococcus denitrigeans）等反硝化细菌，   它们生活在土壤或水中，环境中有氧时则进行有氧呼吸，即反硝化作用。这一类型介于   需氧菌和厌氧菌逐步演变而来。 3         特殊类型的发现  3．1    光能固氮菌       通常的细菌或者只能进行光合作用，或只为植物固氮，美国波  斯汤普森研究所的植物生理学家发现的一种叫Phoiorhizobinm thompsonum 的细菌具有   “双功能”，既能从阳光中获得能量又能将氮转化给植物利用。   3．2  极限环境菌       在一些极限环境中发现的能顽强地生长和繁殖的生物大多为细   菌。例如包罗什（Baross）等分离到能在  2.68*10^Pa和250C的高温中生长的细菌 ，   这是迄今文献中所记录的生物生长的最高温度；日本微生物家在熊本地区土壤中发现了   可在甲苯中生长和繁殖的细菌，该菌能在70%的甲苯中生活，它也不怕其它有机溶剂，   例如二甲苯，乙基苯等；美国疾病中心分离的麦奇尼科夫氏弧菌（V.metschnikoun）能   在较高的盐溶液中生活等等。                           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（Superoxide dismutase）,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 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（Citrate ultiliazation 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（Indol test）：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。