醫(yī)學微生物學/細菌的營養(yǎng)

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醫(yī)學微生物學

細菌的繁殖與代謝
- 細菌的營養(yǎng)
- 細菌的生長繁殖
- 細菌的新陳代謝

細菌從周圍環(huán)境中吸收作為代謝活動所必需的有機或無機化合物稱為營養(yǎng)物質(zhì)。一種物質(zhì)可否作為細菌的營養(yǎng)物質(zhì)，決定于兩個因素：①該物質(zhì)能否經(jīng)一定的方式進入細胞；②細菌是否具有相應(yīng)的酶，使進入細胞的物質(zhì)用于細菌的新陳代謝。

細菌的營養(yǎng)物質(zhì)有兩方面作用：①用于組成細菌細胞的各種成分；②供給細菌新陳代謝中所需能量。

一、細菌的營養(yǎng)物質(zhì)

各類細菌對營養(yǎng)物質(zhì)的要求差別很大。包括水、碳源、氮源、無機鹽和生長因子等。其主要營養(yǎng)元素及其生理功能見表1。

表3-1 細菌的主要營養(yǎng)元素及功能

營養(yǎng)元素	生理功能
氫	組成細胞水分及有機物
氧	參與細胞水分及有機物合成；細胞呼吸中的電子受體
碳	細胞有機物的組成，提供能量來源
氮	蛋白質(zhì)、核酸和輔酶的組成
硫	蛋白質(zhì)組分、某些輔酶的組分（如輔酶A）
磷	合成菌體結(jié)構(gòu)成分（如核酸、磷脂、核蛋白、輔酶）
	貯存成轉(zhuǎn)運能量（ATP 高能磷酸鍵）
鉀	細胞內(nèi)重要的無機陽離子，某些酶的輔因子
鎂	多種酶反應(yīng)的輔因子，穩(wěn)定核蛋白體及細胞膜的作用
錳	微量營養(yǎng)物質(zhì)，參與某些酶的輔基
鈣	芽胞成分之一，某些酶的輔因子
鐵	細胞色素和過氧化氫，維生素B12及其輔酶組分

1．水：細菌濕重的80～90%為水。細菌代謝過程中所有的化學反應(yīng)、營養(yǎng)的吸收和滲透、分泌、排泄均需有水才能進行。

2．碳源：各種無機或有機的含碳化合物（CO2、碳酸鹽、糖、脂肪等）都能被細菌吸收利用，作為合成菌體所必需的原料，同時也作為細菌代謝的主要能量來源。致病性細菌主要從糖類中獲得碳，己糖是組成細菌內(nèi)多糖的基本成分，戊糖參與細菌核酸組成。

3．氮源：從分子態(tài)氮到夏雜的含氮化合物都可被不同的細菌利用。但多數(shù)病原菌是利用有機氮化物如氨基酸、蛋白胨作為氮源。少數(shù)細菌（如固氮菌）能以空氣中的游離氮或無機氮如硝酸鹽、銨鹽等為氮源，主要用于合成菌體細胞質(zhì)及其他結(jié)構(gòu)成分。

4．無機鹽：鉀、鈉、鈣、鎂、硫、磷、鐵、錳、鋅、鈷、銅、鉬等是細菌生長代謝中所需的無機鹽成份。除磷、鉀、鈉、鎂、硫、鐵需要量較多外，其他只需微量。各類無機鹽的作用為：①構(gòu)成菌體成份；②調(diào)節(jié)菌體內(nèi)外滲透壓；③促進酶的活性或作為某些輔酶組分；④某些元素素與細菌的生長繁殖及致病作用密切相關(guān)。如白喉桿菌產(chǎn)毒株其毒素產(chǎn)量明顯受培養(yǎng)基中鐵含量的影響。培養(yǎng)基中鐵濃度降至7mg/L時，可顯著增加毒素的產(chǎn)量，故在培養(yǎng)產(chǎn)毒株白喉桿菌PW2制備類毒素的生產(chǎn)中，多采用含鐵很少的培養(yǎng)基，其毒素產(chǎn)量可達細菌產(chǎn)生蛋白量的5%以上，約占細菌外分泌總蛋白的75%以上，使培養(yǎng)基含毒素量達500ug/L研究認為低鐵可影響細胞壁的通透性，利于毒素釋放。亦有人認為宿主含鐵蛋白可抑制白喉毒素基因，故低鐵時可導致白喉毒素產(chǎn)量增高。

5．生長因子：很多細菌在其生長過程中還必需一些自身不能合成的化合物質(zhì)，稱為生長因子（Growth factor）。生長因子必須從外界得以補充，其中包括維生素、某些氨基酸、脂類、嘌呤、嘧啶等。

各種細菌對生長因子的要求不同，如大腸桿菌很少需要生長因子，而有些細菌如肺炎球菌則需要胱氨酸、谷氨酸、色氨酸、天冬酰胺、核黃素、腺嘌呤、尿嘧啶、泛酸、膽堿等多種生長因子。致病菌合成能力差，生長繁殖過程必需供復雜的營養(yǎng)物質(zhì)以使其獲得相應(yīng)的生長因子。有些生長因子僅為少數(shù)細菌所需，如流行性感冒桿菌需V、X兩種因子，而金黃色葡萄球菌生長過程可合成較多的V因子。

二、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與運轉(zhuǎn)

細菌的細胞膜具有選擇性透過物質(zhì)的作用，這對保證細菌有一個穩(wěn)定的內(nèi)在環(huán)境及在生長過程中不斷獲得各類營養(yǎng)物質(zhì)十分重要。

水及小分子溶質(zhì)可經(jīng)過半透膜性質(zhì)的細胞壁及細胞膜進入菌體。大分子的營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)、多糖和脂類必須在細菌分泌的胞外酶（Exoenzyme）作用下，分解為小分子可溶性物質(zhì)后才被吸收。

營養(yǎng)物質(zhì)進入菌體的方式有：易化擴散、主動運轉(zhuǎn)及基團移位。

1．易化擴散（Facilitated diffusion）:又稱簡單擴散。物質(zhì)進入菌體僅以該物質(zhì)在菌體內(nèi)外之濃度差而透入，為一種不需能量的被動吸收。

2．主動運轉(zhuǎn)（Active transport）:又稱主動吸收。其特點為：①物質(zhì)可逆濃度梯度由低濃度向高濃度轉(zhuǎn)運；②需要能量（可由細胞膜上的呼吸鏈供給）。大多數(shù)營養(yǎng)物質(zhì)靠主動吸收。當環(huán)境中細菌所需營養(yǎng)物質(zhì)的濃度僅為菌體的千分，甚至更低時，靠主動吸收的方式，細菌仍能獲得其物質(zhì)。主動吸收主要由菌體細胞膜內(nèi)的鑲嵌蛋白一透性酶（Permease）完成的。透性酶在胞膜內(nèi)運轉(zhuǎn)，與特定營養(yǎng)物質(zhì)可逆性結(jié)合，起到膜內(nèi)外物質(zhì)轉(zhuǎn)運載體的作用。透性酶在胞膜外與營養(yǎng)物質(zhì)高親和力牢固結(jié)合，在能量供給的條件下，逆濃度差將物質(zhì)轉(zhuǎn)運到菌體內(nèi)，經(jīng)變構(gòu)及其他尚不明確的機制，使營養(yǎng)物質(zhì)從透性酶上解離下來，釋入胞質(zhì)。透性酶又可轉(zhuǎn)至菌體胞膜外面重復運轉(zhuǎn)物質(zhì)。

3．基團移位（Group translocation）:細菌對糖的吸收和積累，需要磷酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)運過程中必須磷磷酸烯醇丙酮酸鹽結(jié)合，在胞內(nèi)酶作用下被磷酸化進入胞內(nèi)。經(jīng)過基團移位而磷酸化的糖類，不能再透出菌體。所以，菌體內(nèi)積聚的糖的濃度遠遠高于胞外。