^{作者：陳錦英}

^{細菌（bacterium）是單細胞原核型微生物，有廣義和狹義兩種范疇。廣義上泛指各類原核細胞型微生物，包括細菌、放線菌、支原體、衣原體、立克次體、螺旋體。狹義上則專指其中數量最大、種類最多、具有典型代表性的細菌，是本章討論的對象。它們形體微小，結構簡單，具有堅韌的細胞壁和原始核質，除核糖體外無其他細胞器。了解細菌的形態和結構對基礎和臨床醫學均有重要意義。}

^{第一節 細菌的大小與形態}

^{觀察細菌最常用的儀器是光學顯微鏡，其大小一般以微米（μm）為單位。}

^{細菌為無色半透明體，一般采用革蘭染色法染色后可以清楚的觀察細菌的形態，并可將細菌分為兩大類，即革蘭陽性菌（G＋）和革蘭陰性菌（G-）。細菌按其外形，主要有球菌（coccus）、桿菌（bacillus）和螺形菌（spiral bacterium）三大類，每類菌又根據其形態特征分為若干種（圖1-1）。}

^{圖1-1 細菌的基本形態}

^{不同種類的細菌形態大小不一，同一種細菌的形態受菌齡和環境因素的影響而有差異，如生長的程度、pH、培養基成分和培養時間等因素對細菌的形態影響很大。一般是細菌在適宜的生長條件下培養8～18小時時形態比較典型，在不利環境或菌齡老時常出現不規則的多形性。因此，觀察細菌的大小和形態，應選擇適宜生長條件下的對數期為宜。}

^{第二節 細菌的結構}

^{細菌雖小，仍具有一定的細胞結構（圖1-2）和功能。細胞壁、細胞膜、細胞質和核質為各種細菌都有，是細菌的基本結構；莢膜、鞭毛、菌毛、芽胞僅某些細菌具有，為其特殊結構。}

^{圖1-2 細菌的結構模式圖}

^{一、 細菌的基本結構}

^{細胞壁 細胞壁（cell wall）位于菌細胞的最外層，包繞在細胞膜的周圍， 組成較復雜， 并隨不同細菌而異。革蘭陽性菌和革蘭陰性菌細胞壁的共有組分為肽聚糖，但各自有其特殊組分。}

^{1．肽聚糖層 肽聚糖（peptidoglycan）是細菌細胞壁中的主要組分，為原核細胞所特有，又稱粘肽（mucopeptide）或胞壁質（murein）。革蘭陽性菌的肽聚糖由聚糖骨架、四肽側鏈和五肽交聯橋三部分組成（圖1-3），革蘭陰性菌的肽聚糖僅由聚糖骨架和四肽側鏈兩部分組成（圖1-4）。}

圖1-3金黃色葡萄球菌細胞壁的肽聚糖結構

^{圖1-4 大腸埃希菌細胞壁的肽聚糖結構}

^{聚糖骨架由N-乙酰葡糖胺（N-acetyl glucosamine）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）交替間隔排列，經β-1，4糖苷鍵聯結而成。各種細菌細胞壁的聚糖骨架均相同。在N-乙酰胞壁酸的分子上連接著四肽側鏈， 四肽側鏈的組成和聯結方式隨菌不同而異。如金黃色葡萄球菌（革蘭陽性菌）細胞壁的四肽側鏈的氨基酸依次為L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-賴氨酸和D-丙氨酸；第三位的L-賴氨酸通過由五個甘氨酸組成的交聯橋連接到相鄰聚糖骨架四肽側鏈末端的D-丙氨酸上，從而構成機械強度十分堅韌的三維立體結構。在大腸埃希菌（革蘭陰性菌）的四肽側鏈中，第三位氨基酸是二氨基庚二酸（diaminopimelic acid，DAP），并由DAP與相鄰四肽側鏈末端的D-丙氨酸直接連接，沒有五肽交聯橋，因而只形成單層平面網絡的二維結構。}

^{2．革蘭陽性菌細胞壁特殊組分 革蘭陽性菌的細胞壁較厚（20nm～80nm），除含有15～50層肽聚糖結構外，尚含有大量的磷壁酸（teichoic acid）或磷壁醛酸（teichuronic acid），約占細胞壁干重的50%（圖1-5）。}

^{圖1-5 革蘭陽性菌細胞壁結構模式圖}

^{磷壁酸是由核糖醇或甘油殘基經磷酸二酯鍵互相連接而成的多聚物，其結構中少數基團被氨基酸或糖所取代，多個磷壁酸分子組成長鏈穿插于肽聚糖層中。按其結合部位不同，分為壁磷壁酸（wall teichoic acid）和膜磷壁酸（membrane teichoic acid）兩種。前者的一端通過磷脂與肽聚糖上的胞壁酸共價結合，另端伸出細胞壁游離于菌細胞外。膜磷壁酸，或稱脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA），一端與細胞膜外層上的糖脂共價結合，另端穿越肽聚糖層伸出細胞壁表面呈游離狀態。磷壁醛酸是一種與磷壁酸相似的多聚體，僅其結構中以糖醛酸（如N-乙酰甘露醛酸或D-葡萄糖醛酸）代替磷酸。磷壁醛酸僅在磷酸鹽供給受限的條件下合成，以代替磷壁酸。}

^{此外，某些革蘭陽性菌細胞壁表面尚有一些特殊的表面蛋白質，如金黃色葡萄球菌的Ａ蛋白， A群鏈球菌的M蛋白等。}

^{3．革蘭陰性菌細胞壁特殊組分 革蘭陰性菌細胞壁較?。?0nm～15nm），但結構較復雜。在1～2層肽聚糖結構外側，尚有其特殊組分外膜（outer membrane），約占細胞壁干重的80%（圖1-6）。}

^{圖1-6 革蘭陰性菌細胞壁結構模式圖}

^{外膜由脂蛋白、脂質雙層和脂多糖三部分組成。脂蛋白位于肽聚糖層和脂質雙層之間，其蛋白質部分與肽聚糖側鏈的二氨基庚二酸相連，其脂質部分與脂質雙層非共價結合，使外膜和肽聚糖層構成一個整體。脂質雙層的結構其內小葉組成與細胞膜的內小葉相似，而外小葉的磷脂被脂多糖分子所替代，呈不對稱的膜結構。脂質雙層內鑲嵌著多種蛋白質稱為外膜蛋白（outer membrane protein，OMP），其中有的為孔蛋白（porin），呈三聚體，如大腸埃希菌的OmpF、OmpC，允許低分子量（分子量≤600）親水性物質被動擴散；有的為誘導性或去阻遏蛋白質，參與特殊物質的擴散過程；有的為噬菌體、性菌毛或細菌素的受體。由脂質雙層向細胞外伸出的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）由脂質A、核心多糖和特異多糖三部分組成，即革蘭陰性菌的內毒素（endotoxin）。}

^{（1）脂質A（lipid A） 由β-1，6糖苷鍵相聯的D-氨基葡萄糖雙糖組成的基本骨架，雙糖骨架的游離羥基和氨基可攜帶多種長鏈脂肪酸和磷酸基團。不同種屬細菌的脂質A骨架基本一致，其主要差別是脂肪酸的種類和磷酸基團的取代不盡相同，其中β-羥基豆蔻酸是腸道菌所共有的。脂質A是內毒素的毒性和生物學活性的主要組分，無種屬特異性，故不同細菌產生的內毒素的毒性作用均相似。}

^{（2）核心多糖（core polysaccharide） 位于脂質A的外層，由外核心（outer core）和內核心（inner core）兩部分組成。前者包括己糖（葡萄糖、半乳糖等），后者包括庚糖、2-酮基-3-脫氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctanoic acid，KDO）、磷酸乙醇胺等。經KDO與脂質A共價聯結。核心多糖有屬特異性，同一屬細菌的核心多糖相同。}

^{（3）特異多糖（specific polysaccharide） 是脂多糖的最外層，由數個至數十個低聚糖（3～5個單糖）重復單位構成的多糖鏈。特異多糖即革蘭陰性菌的菌體抗原（O抗原），具有種特異性，因其多糖中單糖的種類、位置、排列和空間構型各不相同所致。特異多糖的缺失，細菌從光滑（smooth，S）型變為粗糙（rough，R）型。}

^{另外，少數革蘭陰性菌（腦膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血桿菌）的LPS結構不典型，其外膜糖脂含有短鏈分枝狀聚糖組分（與粗糙型腸道菌的LPS相似），稱為脂寡糖（lipooligosaccharide，LOS）。它與哺乳動物細胞膜的鞘糖脂成分非常相似，從而使這些細菌逃避宿主免疫細胞的識別。LOS作為重要的毒力因子受到關注。}

^{在革蘭陰性菌的細胞膜和外膜的脂質雙層之間有一空隙，約占細胞體積的20%～40%，稱為周漿間隙（periplasmic space）。該間隙含有多種蛋白酶、核酸酶、解毒酶（如β－內酰胺酶，氨基糖甙類抗生素鈍化酶）及特殊結合蛋白，在細菌獲得營養、解除有害物質毒性等方面有重要作用。}

^{革蘭陽性菌和陰性菌細胞壁結構顯著不同，導致這兩類細菌在染色性、抗原性、致病性及對藥物的敏感性等方面有很大差異。}

^{4．細胞壁的功能 細菌細胞壁堅韌而富彈性，其主要功能是維持菌體固有的形態，并保護細菌抵抗低滲環境。細菌細胞質內有高濃度的無機鹽和大分子營養物質，其滲透壓高達5～25個大氣壓。由于細胞壁的保護作用，使細菌能承受內部巨大的滲透壓而不會破裂，并能在相對低滲的環境下生存。細胞壁上有許多小孔，參與菌體內外的物質交換。 菌體表面帶有多種抗原表位，可以誘發機體的免疫應答。}

^{革蘭陽性菌的磷壁酸是重要表面抗原，與血清型分類有關。它帶有較多的負電荷，能與Mg2+等雙價離子結合，有助于維持菌體內離子的平衡。磷壁酸還可起到穩定和加強細胞壁的作用。乙型溶血性鏈球菌表面的M蛋白與LTA結合在細菌表面形成微纖維（microfibrils），后者介導菌體與宿主細胞的粘附，是其致病因子之一。}

^{革蘭陰性菌的外膜是一種有效的屏障結構，使細菌不易受到機體的體液殺菌物質、腸道的膽鹽及消化酶等的作用；還可阻止某些抗生素的進入，成為細菌耐藥的機制之一。LPS（內毒素）是革蘭陰性菌重要的致病物質，使機體發熱，白細胞增多，直至休克死亡。另一方面LPS也可增強機體非特異性抵抗力，并有抗腫瘤等有益作用。}

^{5．細菌細胞壁缺陷型（細菌L型） 細菌細胞壁的肽聚糖結構受到理化或生物因素的直接破壞或合成被抑制，這種細胞壁受損的細菌一般在普通環境中不能耐受菌體內的高滲透壓而脹裂死亡。但在高滲環境下，它們仍可存活。 革蘭陽性菌細胞壁缺失后， 原生質僅被一層細胞膜包住，稱為原生質體（protoplast）；革蘭陰性菌肽聚糖層受損后尚有外膜保護，稱為原生質球（spheroplast）。這種細胞壁受損的細菌能夠生長和分裂者稱為細菌細胞壁缺陷型或細菌L型（L form）， 因其1935年首先在Lister研究院發現而得名。}

^{細菌L型在體內或體外、人工誘導或自然情況下均可形成，誘發因素很多，如溶菌酶（lysozyme）、溶葡萄球菌素（lysostaphin）、青霉素、膽汁、抗體、補體等。其中溶菌酶和溶葡萄球菌素能裂解肽聚糖中N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的β-1,4糖苷鍵，破壞聚糖骨架。青霉素能與細菌競爭合成肽聚糖過程中所需的轉肽酶， 抑制四肽側鏈上D-丙氨酸與五肽橋之間的聯結，使細菌不能合成完整的肽聚糖。人與動物細胞無細胞壁，也無肽聚糖結構，故溶菌酶和青霉素對人體細胞無破壞作用。}

^{細菌L型的形態因缺失細胞壁呈高度多形性，大小不一，有球形、桿狀和絲狀等。著色不勻，無論其原為革蘭陽性或陰性菌，形成L型大多染成革蘭陰性。細菌L型難以培養，其營養要求基本與原菌相似，但需在高滲低瓊脂含血清的培養基中生長。細菌L型生長繁殖較原菌緩慢，一般培養2～7天后在軟瓊脂平板上形成中間較厚、四周較薄的荷包蛋樣細小菌落，也有的長成顆粒狀或絲狀菌落。L型在液體培養基中生長后呈較疏松的絮狀顆粒，沉于管底，培養液則澄清。去除誘發因素后，有些L型可回復為原菌，有些則不能回復，其決定因素為L型是否含有殘存的肽聚糖作為自身再合成的引物。}

^{某些L型仍有一定的致病力，通常引起慢性感染，如尿路感染、骨髓炎、心內膜炎等，并常在使用作用于細胞壁的抗菌藥物（β-內酰胺類抗生素等）治療過程中發生。臨床上遇有癥狀明顯而標本常規細菌培養陰性者，應考慮細菌L型感染的可能性，宜作L型的專門分離培養，并更換抗菌藥物。}

^{細胞膜（cell membrane） 又稱為胞漿膜（cytoplasmic membrane）或內膜（inner membrane），位于細胞壁內側，緊包著細胞質。厚約5nm～10nm，柔韌致密，富有彈性，占細胞干重的10%～30%。細菌細胞膜的結構為典型的“單位膜”，與真核細胞基本相同，由磷脂和多種蛋白質組成，但不含膽固醇。}

^{細菌細胞膜是細菌賴以生存的重要結構之一，其功能也與真核細胞類似，主要有物質轉運、生物合成、呼吸和分泌等作用。}

^{細菌的細胞膜形成疏水性屏障，允許水和某些小分子物質被動性擴散，特異性營養物質的選擇性進入和廢物的排出，及透性酶參與營養物質的主動攝取過程。細胞膜還含有多種酶類，諸如細胞色素和組成呼吸鏈的其它酶類，三羧酸循環的某些酶，及參與細胞結構（如肽聚糖、鞭毛和莢膜等）合成的一些酶，參與菌細胞的呼吸、能量代謝和生物合成等重要的生命活動。據此，認為細菌細胞膜的功能與真核細胞的線粒體膜相似。}

^{細菌分泌水解酶和致病蛋白質，在革蘭陽性菌直接分泌到外環境中；在革蘭陰性菌則較為復雜，現已有4個分泌系統參與合成蛋白質的分泌過程，由多種細胞膜蛋白、外膜蛋白和輔助蛋白（信號肽酶和伴侶蛋白等）組成，分別稱為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型分泌系統（圖1-7）。}

^{圖1-7 革蘭陰性菌Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型分泌系統模式圖}

^{Ⅰ型：大腸埃希菌?-溶血素（?-hemolysin）的分泌；Ⅱ型：克雷伯菌支鏈淀粉酶（pullulanase）的分泌；Ⅲ型：耶爾森菌外部蛋白質（Yersinia out protein，Yop）的分泌。}

^{經革蘭陰性菌Ⅱ型和Ⅳ型分泌系統分泌的蛋白質首先以其氨基端帶有信號序列（signal sequence）的前體蛋白（preprotein）形式出現，經sec途徑運輸越過細胞膜進入周漿間隙。大腸埃希菌的sec途徑由細胞膜蛋白（SecD～SecF、SecY）、細胞膜結合的ATPase（SecA）和伴侶蛋白（SecB）組成。在運輸過程中，由細胞膜結合的信號肽酶（LspA）將前體蛋白的信號序列切割后，成熟蛋白質釋放到周漿間隙。此后，Ⅱ型和Ⅳ型分泌系統運送蛋白質越過外膜的機制有所不同，前者需要多聚外膜蛋白組分（PulD）的參與，后者需要外膜分泌蛋白（autotransporter）的幫助。革蘭陰性菌的胞外降解酶的分泌主要是通過II型分泌系統，淋病奈瑟菌的IgA蛋白酶和幽門螺桿菌的空泡形成細胞毒素（vacuolating cytotoxin）的分泌由Ⅳ型系統完成。Ⅰ型和Ⅲ型分泌系統不依賴于sec途徑。大腸埃希菌α-溶血素是經過Ⅰ型系統分泌，該系統需要三種蛋白質參與，即細胞膜ATPase（HlyB）、外膜蛋白（TolC）和膜融合蛋白（HlyD）。Ⅰ型系統分泌蛋白的羧基端有60個氨基酸作為信號肽。Ⅲ型分泌系統由20余種蛋白質組成，包括細胞膜蛋白、ATPase（YscN）、伴侶蛋白（Syc）和多聚外膜蛋白（YscC）。經Ⅲ型系統分泌的蛋白質的分泌信號位于其編碼序列mRNA 5’端。編碼Ⅲ型分泌系統的DNA常常位于細菌染色體上致病島的區域內，是細菌分泌致病蛋白質的主要途徑。該系統較為復雜，可能涉及致病蛋白質進入宿主細胞內的致病過程。}

^{細胞質（cytoplasm） 細胞膜包裹的溶膠狀物質為細胞質或稱原生質（protoplasm），由水、蛋白質、脂類、核酸及少量糖和無機鹽組成，其中含有許多重要結構。}

^{1．核糖體（ribosome） 核糖體是細菌合成蛋白質的場所，游離存在于細胞質中，每個細菌體內可達數萬個。細菌核糖體沉降系數為70S，由50S和30S兩個亞基組成。以大腸埃希菌為例，其化學組成66%是RNA（包括23S、16S和5S rRNA），34%為蛋白質。核糖體常與正在轉錄的mRNA相連呈“串珠”狀，稱多聚核糖體，使轉錄和翻譯偶聯在一起。}

^{真核生物的核糖體與細菌不同，有些抗生素如鏈霉素或紅霉素能分別與細菌核糖體的30S亞基或50S亞基結合，干擾其蛋白質合成，從而殺死細菌；但這些藥物對人類的核糖體則無作用。}

^{2．質粒（plasmid） 質粒是染色體外的遺傳物質，存在于細胞質中。 為閉合環狀的雙鏈DNA，帶有遺傳信息，控制細菌某些特定的遺傳性狀。質粒能獨立自行復制，隨細菌分裂轉移到子代細胞中。質粒不是細菌生長所必不可少的，失去質粒的細菌仍能正常存活。質粒除決定該菌自身的某種性狀外，還可通過接合或轉導作用等將有關性狀傳遞給另一細菌。質粒編碼的細菌性狀有菌毛、細菌素、毒素和耐藥性的產生等。}

^{3．胞質顆粒 細菌細胞質中含有多種顆粒，大多為貯藏的營養物質，包括糖原、淀粉等多糖、脂類、磷酸鹽等。胞質顆粒又稱為內含物（inclusion），不是細菌的恒定結構，不同菌有不同的胞質顆粒，同一菌在不同環境或生長期亦可不同。當營養充足時，胞質顆粒較多；養料和能源短缺時，動用貯備，顆粒減少甚至消失。異染顆粒（metachromatic granule）是胞質顆粒的一種，含RNA和多偏磷酸鹽，嗜堿性強，亞甲藍染色呈紫色，常見于白喉棒狀桿菌，位于菌體兩端，故又稱極體（polar body），有助于鑒定。}

^{4．中介體（mesosome） 中介體是部分細胞膜內陷、折疊、卷曲形成的囊狀物，多見于革蘭陽性細菌（圖1-8）。中介體常位于菌體側面或靠近中部，可有一個或多個。中介體一端連在細胞膜上，另一端與核質相連，細胞分裂時中介體亦一分為二，各攜一套核質進入子代細胞。中介體的形成，有效地擴大了細胞膜面積，相應地增加了酶的含量和能量的產生，其功能類似于真核細胞的線粒體，故亦稱為擬線粒體（chondroid）。}

^{圖1-8 細菌中介體模式圖}