任务一　细菌的形态和结构

任务一　细菌的形态和结构

细菌是原核生物界中的一大类单细胞微生物，它们的个体微小，形态与结构简单。广义的细菌除细菌外，还包括立克次氏体、支原体、衣原体、螺旋体及放线菌等。细菌在一定的环境条件下具有相对恒定的形态结构和生理生化特性，了解这些特性，对于细菌的分类鉴定、疾病的诊断、细菌的致病性与抗原性的研究，均有重要意义。

一、细菌的大小和形态

（一）细菌的大小

细菌个体微小，常用度量单位是微米（μm）。不同种类的细菌大小相差很大，即使是同一种细菌在不同的生长繁育阶段，其大小也可能差别很大。一般球菌的直径为0. 5～2.0 μm，较大杆菌直径为（3. 0～8. 0）μm × （1. 0～1. 25）μm，中等杆菌直径为（2. 0～3.0）μm×（1.0～1.25）μm，小杆菌直径为（0.7～1.5）μm ×（0.2～0.4）μm，螺旋菌直径为（2.0～20.0）μm×（0.4～1.2）μm。

细菌的大小，是以生长在适宜的温度和培养基中的青壮龄培养物（指对数期）为标准。在一定条件下，各种细菌的大小是相对稳定的，而且具有明显特征，可以作为鉴定细菌的依据之一。同种细菌在不同的生长环境（如动物体内、外）、不同的培养条件下，其大小会有所变化，测量时的制片方法、染色方法及使用的显微镜不同也会对测量结果产生一定影响，因此，测定细菌大小时，各种条件和技术操作等均应一致。

（二）细菌的基本形态

细菌的基本形态有球状、杆状和螺旋状3 种（图1.1），分别称为球菌、杆菌和螺旋菌，其中以杆状最为常见，球状次之，螺旋状较为少见。仅有少数细菌或一些细菌在培养不正常时为其他形状，如丝状、三角形、方形、星形等。

1.球菌

球菌呈球形或近球形。根据其繁殖时细胞分裂面的方向不同，以及分裂后菌体之的排列情况，又可分为以下几种（图1.2）。

（1）双球菌。沿一个平面分裂，分裂后两两相连，其接触面有时呈扁平或凹入状，菌体有时呈肾形或扁豆状，如脑膜炎双球菌；有时呈矛头状，如肺炎双球菌。

（2）链球菌。沿一个平面分裂，分裂后3 个以上的菌体连接成短链或长链，如猪链球菌。

（3）葡萄球菌。沿多个不同方向的平面分裂，分裂后不规则地堆在一起，似一串葡萄，如金黄色葡萄球菌。

（4）四联球菌。细胞按两个互相垂直的平面分裂，子细胞呈田字形排列，如四联微球菌。

（5）八叠球菌。细胞按3 个互相垂直的平面分裂，子细胞呈立方体排列，如尿素八叠球菌。

2.杆菌

杆菌一般呈正圆柱状，也有近似卵圆形的。不同杆菌其大小、长短、粗细差别较大，有短杆或球杆状（长宽非常接近），如甲烷短杆菌属；有长杆或棒杆状（长宽相差较大），如枯草芽孢杆菌。不同杆菌的端部形态各异，有的两端钝圆，如蜡状芽孢杆菌；有的两端平截，如炭疽芽孢杆菌；有的两端稍尖，如梭菌属；有的一端分支，呈“丫”或叉状，如双歧杆菌属；有的一端有一柄，如柄细菌属；也有的杆菌稍弯曲而呈月亮状或弧状，如脱硫弧菌属。杆菌的细胞排列方式有“八”字状、栅状、链状等多种（图1.3）。

3.螺旋菌

螺旋菌细胞呈弯曲状，常以单细胞分散存在。根据其弯曲的情况不同，可分为以下两种（图1.4）。

（1）弧菌。菌体呈弧形或逗号状，螺旋不足1 周的称为弧菌，如霍乱弧菌。

（2）螺菌。菌体坚硬、回转如螺旋状，螺旋满2～6 周的称为螺菌，如迂回螺菌。

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，可作为细菌分类和鉴定的依据之一。通常在适宜环境下细菌呈较典型的形态，但当环境条件改变或在老龄培养物中，会出现各种与正常形态不一样的个体，称为退化型或衰老型。这些衰老型的培养物，重新处于正常的培养环境中可恢复正常形态。但也有些细菌，即使在最适宜的环境条件下，其形态也很不一致，这种现象称为细菌的多形性。

二、细菌的结构

典型的细菌的结构可分为基本结构和特殊结构（图1.5）。

1.细菌的基本结构

细菌的基本结构是指为所有的细菌细胞所共有的，而可能为生命所绝对必需的细胞构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质及其内含物和核区。

2.细菌的特殊结构

细菌的特殊结构是指某些细菌所特有的，可能具有某些特殊功能的细胞结构，如芽孢、荚膜、鞭毛、菌毛和性菌毛等。

（一）细菌的基本结构

1.细胞壁

细胞壁位于细菌的最外面，是一层厚实、坚韧而具有一定弹性的膜。其厚度因菌种而异，一般在10～80 nm。将细菌经高渗溶液处理后染色，或用特殊方法染色，在光学显微镜下观察，可看到细胞壁。或将细菌制成超薄切片，用电镜观察细胞壁的结构。

细胞壁的功能主要有：固定细菌外形和提高机械强度，使其免受渗透压等外力的损伤；为细菌的生长、分裂和鞭毛运动所必需；阻拦大分子有害物质（某些抗生素和水解酶）进入细菌体内；赋予细菌特定的抗原性、致病性（如内毒素），以及对抗生素和噬菌体的敏感性。

用革兰氏染色法染色，可以把细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类，它们的细胞壁结构和成分的区别，如图1.6 所示。

（1）革兰氏阳性菌。革兰氏阳性菌的细胞壁较厚，为15～80 nm，其化学成分主要是肽聚糖，占细胞壁物质的40%～95%，形成15～30 层的聚合体。此外，还有磷壁酸、多糖和蛋白质等。

①肽聚糖。又称黏肽或糖肽，是细菌细胞壁特有的物质。革兰氏阳性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3 部分组成的三维立体结构的复杂聚合物。

②磷壁酸。是革兰氏阳性菌特有的成分，呈长链穿插于肽聚糖层中，是特异的表面抗原。它带有负电荷，能与镁离子结合，以维持细胞膜上一些酶的活性。此外，它对宿主细胞具有黏附作用，是A 群链球菌毒力因子或为噬菌体提供特异的吸附受体。

（2）革兰氏阴性菌。革兰氏阴性菌的细胞壁较薄，为10～15 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构成，周质间隙是一层薄的肽聚糖，占细胞壁的10%～20%。

①脂多糖（LPS）。为革兰氏阴性菌所特有，位于外壁层的最表面，由类脂A、核心多糖和侧链多糖3 部分组成。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。各种革兰氏阴性菌类脂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，具有属特异性。侧链多糖在LPS 的最外层，即为菌体（O）抗原，是由3～5 个低聚糖单位重复构成的多糖链，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。

②外膜蛋白（OMP）。是革兰氏阴性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 分为主要和次要两类。主要外膜蛋白包括微孔蛋白及脂蛋白，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、二肽、三肽、无机盐等）通过，大分子物质不能通过，因此溶菌酶之类的物质不易作用到革兰氏阴性菌的肽聚糖。

（3）缺壁细菌。细胞壁是细菌的基本构造，在特殊情况下也可发现有几种细胞壁缺损的或无细胞壁的细菌存在。

①原生质体。指在人工条件下用溶菌酶或青霉素完成除去革兰氏阳性菌的细胞壁，形成仅由细胞膜包裹着细胞质的菌体。

②原生质球。指在人工条件下用溶菌酶处理革兰氏阴性菌，仅能除去细胞壁内层的肽聚糖，形成仍有外膜包裹的菌体。

原生质体和球状体的共同特点：无完整的细胞壁，细胞呈球状，对渗透压较敏感，即使有鞭毛也无法运动，对相应噬菌体不敏感，细胞不能分裂，等等。在合适的再生培养基中，原生质体可以恢复，长出细胞壁。原生质体或球状体比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质和渗入诱变剂，故是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。

③L 型细菌。一种由自发突变而形成细胞壁缺损的细菌（念珠状链杆菌）。它的细胞膨大，对渗透压十分敏感，在固体培养基表面形成“油煎蛋”似的小菌落（图1.7）。由于李斯特（Lister）研究所的第一字母是“L”，故称L 型细菌。许多G +菌和G -菌都可形成L 型。目前L 型细菌的概念有时用得较杂，甚至还把原生质体或球状体也包括在内。严格地说，L 型细菌专指在实验室中通过自发突变形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷菌株。L 型细菌虽然丧失合成细胞壁的能力，但是由于质膜完整，在一定渗透压下不影响其生存和繁殖，只是不能保持原有细胞形态，菌体形成高度多形态的变异菌。

2.细胞膜

细胞膜又称细胞质膜或胞浆膜，是一层紧贴在细胞壁内侧，包围着细胞质的柔软、脆弱、富有弹性的半透性薄膜，厚7～8 nm，约占细胞干重的10%。通过质壁分离、鉴别性染色、原生质体破裂等方法可在光学显微镜下观察到，或采用电子显微镜观察细菌超薄切片等方法，均可证明细胞膜的存在。

细胞膜的主要化学成分有磷脂（占20%～30%）和蛋白质（占50%～70%），还有少量糖类（如己糖）。其中蛋白质种类多达200 种。

通过电子显微镜观察时，细胞膜呈现3 层结构（图1.8），即在上下两层暗的电子致密层中间夹着一较亮的电子透明层。其结构类似于真核细胞膜的液态镶嵌结构，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作用有关。

细胞膜的功能：能选择性地控制细胞内外的物质（营养物质和代谢产物）的运送与交换；维持细胞内正常渗透压的屏障作用；合成细胞壁各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS 等）和糖被等大分子的重要场所；进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地；许多酶（β-半乳糖苷酶、细胞壁和荚膜的合成酶及ATP 酶等）和电子传递链的所在部位；鞭毛的着生点，并提供其运动所需的能量。

3.细胞质及其内含物

细胞质是指被细胞膜包围的除核区以外的所有物质，是一种无色透明、均质的黏稠胶体。主要成分为水（含水量约为80%）、蛋白质、脂质、多糖类、核糖核酸和少量无机盐类等。

（1）核糖体。是以游离状态或多聚核糖体状态存在于细胞质中的一种颗粒状物质，由RNA（50%～70%）和蛋白质（30%～50%）组成。核糖体是合成蛋白质的场所，细菌的核糖体与人和动物的核糖体不同，所以某些药物（如红霉素和链霉素）能干扰细菌核糖体合成蛋白质，而对人和动物的核糖体不起作用。

（2）质粒。是在核质DNA 以外，游离的小型双股DNA 分子。多为共价闭合环状，也发现有线状，含细菌生命非必需的基因，控制细菌某些特定的性状，如产生菌毛、毒素、耐药性和细菌素等遗传性状。质粒能独立复制，可随分裂传给子代菌体，也可由性菌毛在细菌间传递。质粒具有与外来DNA 重组的功能，所以在基因工程中被广泛用作载体。

（3）内含物。细菌等原核生物细胞内含有的一些储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细胞质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红紫色，而菌体其他部分则呈蓝色。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。

4.核质

细菌的核质位于细胞质内，没有核膜，没有核仁，没有固定形态，结构也很简单。构成核质的主要物质是一个大型的反复折叠高度缠绕的环状双链DNA 分子，另外还含有少量的RNA 和蛋白质。其功能是存储、传递和调控遗传信息。

（二）细菌的特殊结构

有些细菌除具有上述基本结构外，在一定条件下还有荚膜、鞭毛、菌毛和芽孢等特殊结构。

1.荚膜

某些细菌在生活过程中，可在细胞壁外面产生一层黏液性物质，包围整个菌体，称为荚膜。普通染色法染色时，可见菌体周围一层无色透明圈，用特殊的荚膜染色法染色可清楚地看到荚膜的存在。

荚膜的主要成分是水（约占90%以上）和多糖类，少数则是多肽，也有极少数二者兼有。它不是细菌的必需构造，除去荚膜对菌体无影响。

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；荚膜能储留水分，有抗干燥的作用；荚膜具有抗原性与种和型的特异性，可用于细菌的鉴定。

2.鞭毛

鞭毛是着生于某些细菌体表的细长、波浪形弯曲的丝状蛋白质附属物，其数目为1～10根，是细菌的运动器官。鞭毛长15～20 μm，但直径很细，仅为10～20 nm，通常只能用电镜进行观察；但是经过特殊的鞭毛染色法，可以用普通光学显微镜观察。

大多数球菌（除尿素八叠球菌外）不生鞭毛，杆菌中有的生鞭毛有的不生鞭毛，螺旋菌一般都生鞭毛。根据细菌鞭毛的着生位置和数目，可将具鞭毛的细菌分为单生鞭毛菌、丛生鞭毛菌和周生鞭毛菌（图1.9）。鞭毛的着生位置和数目是细菌种的特征，具有分类鉴定的意义。

鞭毛具有推动细菌运动的功能。鞭毛通过旋转而使菌体运动，犹如轮船的螺旋桨。鞭毛的运动速度很快，一般每秒可移动20～80 μm。

3.菌毛

菌毛又称纤毛、伞毛或须毛（图1.10），是一种着生于某些细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多（每菌有250～300 条）的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面的功能。菌毛存在于某些G -细菌（如大肠杆菌、伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌和霍乱弧菌等）与G +细菌（链球菌属和棒杆菌属）中。

菌毛具有以下功能：促进细菌的黏附，尤其是某些G -细菌致病菌，依靠菌毛而定植致病，菌毛也可以黏附于其他有机物质表面传播传染病；促使某些细菌缠集在一起而在液体表面形成菌膜以获取充分的氧气；是许多G -细菌的抗原——菌毛抗原。

4.芽孢

某些革兰氏阳性菌在一定条件下，胞浆和核质脱水浓缩，在菌体内形成一个折光性强、通透性低的圆形或椭圆形的休眠体，称为芽孢。带有芽孢的菌体称为芽孢体，未形成芽孢的菌体称为繁殖体。芽孢在菌体内成熟后，菌体崩解，形成游离芽孢。如炭疽杆菌、破伤风梭菌等均能形成芽孢。芽孢不能分裂繁殖，它是细菌抵抗外界不良环境、保存生命的一种休眠状态，但在适宜条件下能萌发形成一个新的繁殖体。

芽孢具有较厚的芽孢壁，多层芽孢膜，结构坚实，含水量少，应用普通染色法染色时，染料不易渗入，因而不能使芽孢着色，在显微镜下观察时，呈无色的空洞状。需用特殊的芽孢染色法染色才能让芽孢着色。细菌能否形成芽孢，芽孢的形状、大小以及在菌体的位置等，都随细菌的不同而不同，这在细菌鉴定上有重要意义（图1.11）。例如：炭疽杆菌的芽孢为卵圆形，直径比菌体小，位于菌体中央，称为中央芽孢；肉毒梭菌的芽孢也是卵圆形，但直径比菌体大，使整个菌体呈梭形，位置在菌体偏端，称为偏端芽孢；破伤风梭菌的芽孢为圆形，比菌体大，位于菌体末端，称为末端芽孢，呈鼓槌状。

细菌的芽孢具有多层结构（图1.12）。由外到内依次为：芽孢外壁，主要成分是脂蛋白，透性差，有的芽孢无此层。芽孢衣，主要含疏水性角蛋白，芽孢衣非常致密，通透性差，能抗酶、抗化学物质和多价阳离子的透入。皮层，很厚，约占芽孢总体积的一半，主要含芽孢肽聚糖及2，6-吡啶二羧酸钙盐（DPA-Ca），赋予芽孢异常的抗热性，皮层的渗透压很高。核心，由芽孢壁、芽孢膜、芽孢质和核区4 部分构成，含水量极低。

细菌芽孢的这些多层而且致密的结构，不易渗透各种理化因子，因其含水量少，蛋白质受热不易变性，且芽孢内特有的某些物质使芽孢能耐受高温、辐射、氧化、干燥等的破坏。一般细菌繁殖体经100 ℃30 min 煮沸可被杀灭，但形成芽孢后，可耐受100 ℃数小时，如破伤风梭菌的芽孢煮沸1～3 h 仍然不死，炭疽杆菌芽孢在干燥条件下能存活数十年。