醫(yī)學(xué)微生物學(xué):第三節(jié)　細(xì)菌的新陳代謝

細(xì)菌新陳代謝有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：①代謝活躍。細(xì)菌菌體微小，相對(duì)表面積很大，因此，物質(zhì)交換頻繁、迅速，呈現(xiàn)十分活躍的代謝。②代謝類型多樣化。各種細(xì)菌其營(yíng)養(yǎng)要求、能量來源、酶系統(tǒng)、代謝產(chǎn)物各不相同，形成多種多樣的代謝類型，適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境。

細(xì)菌的代謝通路包括合成與分解兩大類。細(xì)菌的合成代謝與真核細(xì)菌類似，但其分解代謝因細(xì)菌酶系統(tǒng)的不同，差異甚大。分解代謝可伴有ATP及其他形式能量的產(chǎn)生。

一、細(xì)菌的能量代謝

細(xì)菌代謝所需能量，絕大多數(shù)是通過生物氧化作用而獲得的。所謂生物氧化即在酶的作用下生物細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的系列氧化還原反應(yīng)。

致病菌獲得能量的基質(zhì)主要是糖類，通過糖的氧化或酵解釋放能量，并以高能磷酸鍵的形式（ADP、ATP)儲(chǔ)存能量。

細(xì)菌生物氧化的類型分為呼吸與發(fā)酵。在生物化過程中，細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)物（如糖)經(jīng)脫氫酶作用所脫下的氫，需經(jīng)過一系列中間遞氫體（如輔酶I、輔酶II、黃素蛋白等)的傳遞轉(zhuǎn)運(yùn)，最后將氫交給受氫體。以無機(jī)物為受氫體的生物氧化過程，稱為呼吸，其中以分子氧為受氫體的稱需氧呼吸；而以無機(jī)化合物（如硝酸鹽、硫酸鹽)為受氫體的稱厭氧呼吸。生物氧化中以各種有機(jī)物為受氫體的稱為發(fā)酵。大多數(shù)病原菌只進(jìn)行需氧呼吸或發(fā)酵。

1．需氧呼吸（Resperitory)：細(xì)菌的呼吸鏈位于細(xì)胞膜上，需氧呼吸伴有氧化磷酸化作用，產(chǎn)生大量能量并以高能磷酸鍵形式貯存于ATP中。1分子葡萄糖經(jīng)三羧酸循環(huán)完全氧化后，可產(chǎn)生38個(gè)分子ATP以供細(xì)菌合成代謝和生長(zhǎng)繁殖之用。

2．發(fā)酵（Fermentation):酶系統(tǒng)不完善的細(xì)菌，生物氧化過程不徹底，所產(chǎn)生的能量很低。通過無氧發(fā)酵，1分子葡萄糖只能產(chǎn)生2分子ATP，僅為需氧呼吸所產(chǎn)生能量的1/19。專性厭氧菌和兼性厭氧菌都能通過發(fā)酵獲取能量。

3．細(xì)菌的呼吸類型：根據(jù)細(xì)菌對(duì)氧的需要不同，主要分為四類：（1)專性需氧菌（Obligateaerobe)如結(jié)核桿菌；（2)專性厭氧菌(Obligate anaerobe)如破傷風(fēng)桿菌；（3)兼性厭氧菌(Facultative anaerobe)在有氧或無氧或無氧環(huán)境中均能生長(zhǎng)，但以有氧時(shí)生長(zhǎng)較好，大多數(shù)病原菌屬此類；（4)微需氧菌(Microaerophilic bacteria)如空腸彎曲菌，宜在低氧壓下生長(zhǎng)，氧壓增高對(duì)其有抑制作用。一般細(xì)菌在代謝中需少量的CO2，以提供細(xì)菌合成核酸中的嘌呤、嘧啶等。

專性厭氧菌不能呼吸，只能發(fā)酵。其原因是：①厭氧菌缺乏細(xì)胞色素與細(xì)胞色素氧化酶，因此不能氧化那些氧化還原電勢(shì)較高的氧化型物質(zhì)。②厭氧菌缺乏過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶（Superoxidedismutase),不能清除有氧環(huán)境下所產(chǎn)生的超氧離子（O2-)和過氧化氫（H2O2)，因而難以存活。③有氧條件下，細(xì)菌某些酶的-SH基被氧化為S-S基（如琥珀酸脫氫酶等)，從而酶失去活性，使細(xì)菌生長(zhǎng)受到抑制。總之，厭氧菌的厭氧原因可有多種因素與機(jī)理。

表3-2 細(xì)菌的生物氧化與產(chǎn)能

二、細(xì)菌的代謝產(chǎn)物

細(xì)菌分泌胞外酶將多糖、蛋白質(zhì)等大分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解為單糖、小肽或氨基酸，然后吸收進(jìn)入菌體，再經(jīng)氧化或胞內(nèi)酶分解形成菌體可利用的成分，此謂細(xì)菌的分解代謝。細(xì)菌以營(yíng)養(yǎng)原料及生物氧化產(chǎn)生的能量，合成菌體及相應(yīng)的代謝產(chǎn)的，此謂合成代謝。

細(xì)菌在分解和合成代謝中能產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，在細(xì)菌的鑒定及生化反應(yīng)中有實(shí)際意義。

（一)分解代謝產(chǎn)物的檢測(cè)

細(xì)菌的分解代謝產(chǎn)物因各種細(xì)菌具備的酶不完全相同，而有所差異。各代謝產(chǎn)物可通過生化試驗(yàn)的方法檢測(cè)，通常稱為細(xì)菌的生化的反應(yīng)。

1．糖代謝測(cè)定

（1)糖發(fā)酵試驗(yàn)：細(xì)菌對(duì)各種糖的分解能力及代謝產(chǎn)物不同，可借以鑒別細(xì)菌。一般非致病菌能發(fā)酵多種單糖，如大腸桿菌能分解葡萄糖有乳糖，產(chǎn)生甲酸等產(chǎn)物，并有甲酸解氫酶，可將其分解為CO2和H2，故生化反應(yīng)結(jié)果為產(chǎn)酸產(chǎn)氣，以“⊕”表示。傷寒桿菌分解葡萄糖產(chǎn)酸，但無解氫酶。故生化結(jié)果為產(chǎn)酸不產(chǎn)氣，以“+”表示。傷寒桿菌及一般致病菌大都不能分解乳糖，以“-”表示。

（2)VP試驗(yàn)：大腸桿菌與產(chǎn)氣桿菌均分解葡萄糖⊕，為區(qū)分兩菌可采用VP試驗(yàn)及甲基紅試驗(yàn)。產(chǎn)氣桿菌能使丙酮酸脫羧、氧化（在堿性溶液中)生成二乙酰，后者可與含胍基的化合物反應(yīng)，生成紅色化合物，稱VP陽性。大腸桿菌分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，VP陰性。

（3)甲基紅試驗(yàn)：產(chǎn)氣桿菌使丙酮酸脫羧后形成中性產(chǎn)物，培養(yǎng)液pH＞5.4，甲基紅指示劑呈桔黃色，為甲基紅試驗(yàn)陰性，大腸桿菌分解葡萄糖產(chǎn)生丙酮酸，培養(yǎng)液呈酸性pH＜5.4，指示劑甲基紅呈紅色，稱甲基紅試驗(yàn)（Methyl red test,MR)陽性。

（4)枸櫞酸鹽利用試驗(yàn)（Citrateultiliazation test):能利用枸櫞酸鹽作為唯一碳源的細(xì)菌如產(chǎn)氣桿菌，分解枸櫞酸鹽生成碳酸鹽，同時(shí)分解培養(yǎng)基的銨鹽生成氨，由此使培養(yǎng)基變?yōu)閴A性，使指示劑溴麝香草酚藍(lán)（BTB)由淡綠轉(zhuǎn)為深藍(lán)，此為枸櫞酸鹽利用試驗(yàn)陽性。、

2．蛋白質(zhì)代謝測(cè)定

（1)吲哚試驗(yàn)（Indoltest)：含有色氨酸酶的細(xì)菌www.med126.com（如大腸桿菌、變形桿菌等)可分解色氨酸生成吲哚，若加入二甲基氨基苯甲醛，與吲哚結(jié)合，形成玫瑰吲哚，呈紅色，稱吲哚試驗(yàn)陽性。

（2)硫化氫試驗(yàn)：變形桿菌、乙型副傷寒桿菌等能分解含硫氨基酸如胱氨酸、甲硫氨酸等，生成硫化氫。在有醋酸鉛或硫酸亞鐵存在時(shí)，則生成黑色硫化鉛或硫化亞鐵，可借以鑒別細(xì)菌。

3．尿素分解試驗(yàn)

變形桿菌具有尿素酶，可分解尿素產(chǎn)生氨，培養(yǎng)基呈堿性，以酚紅為指示劑檢測(cè)呈紅色，由此區(qū)別于沙門氏菌。

吲哚（I)、甲基紅（M)、VP（V)、枸櫞酸鹽利用（C)四種試驗(yàn)，常用于鑒定腸道桿菌，合稱之為IMViC試驗(yàn)。大腸桿菌呈“++--”，產(chǎn)氣桿菌為“--++”。

氣相、液相色譜法通過對(duì)細(xì)菌分解代謝產(chǎn)物中揮發(fā)性或不揮發(fā)性有機(jī)酸和醇類的檢測(cè)，可準(zhǔn)確、快速地確定細(xì)菌的種類，是目前進(jìn)行細(xì)菌生化鑒定的高新技術(shù)。

（二)合成代謝產(chǎn)物及臨床意義

細(xì)菌通過新陳代謝不斷合成菌體成分，如多糖、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸、細(xì)胞壁及各種輔酶等。此外，細(xì)菌還能合成很多在醫(yī)學(xué)上具有重要意義的代謝產(chǎn)物。

1．熱原質(zhì)（Pyrogen):熱原質(zhì)即菌體中的脂多糖，大多是革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的。注入人或動(dòng)物體內(nèi)能引起發(fā)熱反應(yīng)，故名熱原質(zhì)。

熱原質(zhì)耐高熱，高壓蒸汽滅菌（121℃，20’)不能使其破壞，加熱（180℃4h;250℃45";650℃1")才使熱原質(zhì)失去作用。熱原質(zhì)可通過一般細(xì)菌濾器，但沒有揮發(fā)性，所以，除去熱原質(zhì)最好的方法是蒸餾。藥液、水等被細(xì)菌污染后，即使高壓滅菌或經(jīng)濾過除菌仍可有熱原質(zhì)存在，輸注機(jī)體后可引起嚴(yán)重發(fā)熱反應(yīng)。生物制品或注射液制成后除去熱原質(zhì)比較困難，所以，必須使用無熱原質(zhì)水制備。

2．毒素與酶：細(xì)菌可產(chǎn)生內(nèi)、外毒素及侵襲性酶，與細(xì)菌的致病性密切相關(guān)。

內(nèi)毒素（Endotoxin)即革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的脂多糖，其毒性成分為類脂A。菌體死亡崩解后釋放出來。外毒素(Exotoxin)是由革蘭氏陽性菌及少數(shù)革蘭氏陰性菌在生長(zhǎng)代謝過程中釋放至菌體外的蛋白質(zhì)。具有抗原性強(qiáng)、毒性強(qiáng)、作用特異性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。

某些細(xì)菌可產(chǎn)生具有侵襲性的酶，能損傷機(jī)體組織，促進(jìn)細(xì)菌的侵襲、擴(kuò)散，是細(xì)菌重要的致病因素，如鏈球菌的透明質(zhì)酸酶等。

3．色素（Pigment)：有些細(xì)菌能產(chǎn)生色素，對(duì)細(xì)菌的鑒別有一定意義。

細(xì)菌色素有兩類：①水溶性色素，能彌形至培養(yǎng)基或周圍組織，如綠膿桿菌產(chǎn)生的綠膿色素使培養(yǎng)基或膿汗呈綠色。②脂溶性色素，不溶于水，僅保gydjdsj.org.cn/Article/持在菌落內(nèi)使之呈色而培養(yǎng)基顏色不變，如金黃色葡萄球菌色素。細(xì)菌色素的產(chǎn)生需一定條件（營(yíng)養(yǎng)豐富、氧氣充足、溫度適宜)，無光合作用，對(duì)細(xì)菌的功能尚不清。

4．抗生素（Antibiotic):某些微生物代謝過程中可產(chǎn)生一種能抑制或殺死某些其他微生物或癌細(xì)胞的物質(zhì)，稱抗生素。抗生素多由放線菌和真菌產(chǎn)生，細(xì)菌僅產(chǎn)生少數(shù)幾種，如多粘菌素（Polymyxin)、桿菌肽(Bicitracin)等。

5．細(xì)菌素（Bactericin):某些細(xì)菌能產(chǎn)生一種僅作用于有近緣關(guān)系的細(xì)菌的抗菌物質(zhì)，稱細(xì)菌素。細(xì)菌素為蛋白類物質(zhì)，抗菌范圍很窄，無治療意義，但可用于細(xì)菌分型和流行病學(xué)調(diào)查。

細(xì)菌素以生產(chǎn)菌而命名。大腸桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌素稱大腸菌素，綠膿桿菌產(chǎn)生的稱綠膿菌素，霍亂弧菌產(chǎn)生的稱弧菌素。