第2章 细菌的形态与结构
本书所叙述的细菌bacterium）即真细菌。在对细菌的认知过程中，给一些“不典型”的细菌赋予了特定的名称，其中包括放线菌、支原体、衣原体、立克次体、螺旋体等。细菌形体微小，结构简单，具有细胞壁和原始核质，无核仁和核膜，除核糖体外无其他细胞器。由于目前对古细菌在医学中的意义所知甚少，本书不予描述。（
了解细菌的形态和结构对研究细菌的生理活动、致病性和免疫性，以及鉴别细菌、诊断疾病和防治细菌性感染等均有重要的理论和实际意义。
第一节 细菌的大小与形态
大多数的细菌很微小，以微米（μm）为单位。光学显微镜是观察细菌最常用的仪器，可以用显微镜的测微尺来测量细菌的大小。不同种类的细菌大小不一，同一种细菌也可因菌龄和环境因素的影响而有差异。
细菌按其外形，主要有球菌、杆菌和螺形菌三大类（图2-1）。
1．球菌（coccus） 该类细菌因其外观呈圆球形或近似球形而得名，多数球菌直径在1μm左右。由于繁殖时期细菌分裂平面不同和分裂后菌体之间相互粘附程度不一，可形成不同的排列方式，这对一些球菌的鉴别颇有意义。
(1) 双球菌（diplococcus） 在一个平面上分裂，分裂后两个菌体成对排列，如脑膜炎奈瑟菌、肺炎链球菌。
(2) 链球菌（streptococcus） 在一个平面上分裂，分裂后多个菌体粘连成链状，如乙型溶血性链球菌。
(3) 葡萄球菌（staphylococcus） 在多个不规则的平面上分裂，分裂后菌体无一定规则地粘连在一起似葡萄状，如金黄色葡萄球菌。
(4) 四联球菌（tetrads） 在两个互相垂直的平面上分裂，分裂后四个菌体粘附在一起呈正方形，如 四联加夫基菌。
(5) 八叠球菌（sarcina) 在三个互相垂直的平面上分裂，分裂后八个菌体粘附成包裹状立方体，如藤黄八叠球菌。
各类球菌在标本或培养物中除上述的典型排列方式外，还可有分散的单个菌体存在。
2．杆菌（bacillus） 一些细菌的形态呈杆状或棒状被称为杆菌，不同杆菌的大小、长短、粗细很不一致。大的如炭疽芽胞杆菌长3~10μm，中等的如大肠埃希菌长2~3μm，小的如布氏菌长仅 0.6~1.5μm。
杆菌形态多数呈直杆状，也有的菌体稍弯；多数呈分散存在，也有的呈链状排列，称为链杆菌（streptobacillus）；菌体两端大多呈钝圆形，少数两端平齐（如炭疽芽胞杆菌）或两端尖细（如梭杆菌）。有的杆菌末端膨大成棒状，称为棒状杆菌（corynebacterium）；有的菌体短小，近于椭圆形，称为球杆菌（coccobacillus）；有的常呈分枝生长趋势，称为分枝杆菌（mycobacterium）；有的末端常呈分叉状，称为双歧杆菌（bifidobacterium）。
3．螺形菌（spirillum） 螺形菌菌体呈弧形或螺旋状，菌体螺旋不足一环，体短呈弧形或逗点状称为弧菌（vibrio)，如霍乱弧菌；2～6环的小型、坚硬的螺旋状细菌称为螺菌（spirillum)，如鼠咬热螺菌；螺旋数超过6环、体长而柔软的细菌则被专称为螺旋体（spirochaeta）；也有的菌体细长弯曲呈弧形或螺旋形，称为螺杆菌（helicobacterium），如幽门螺杆菌。
细菌的形态受温度、pH 、培养基成分和培养时间等因素影响很大。一般是细菌在适宜的生长条件下培养8～18小时时形态比较典型，在不利环境或菌龄老时常出现梨形、气球状和丝状等不规则的多形性（polymorphism），称为衰退型（involution form）。因此，观察细菌的大小和形态，应选择适宜生长条件下的对数期为宜。
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葡萄球菌 |
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链球菌
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双球菌
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四联球菌
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八叠球菌
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球杆菌
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链杆菌
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螺菌
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弧菌
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图2-1 球菌、杆菌和螺形菌形态
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第二节 细菌的结构
细菌虽然种类众多，分布极广，代谢各异，但仍具有共同的细胞结构（图2-2）和功能。细胞壁、细胞膜、细胞质和核质是各种细菌所共有的基本结构；荚膜、鞭毛、菌毛仅某些细菌具有，甚至只在某些特定生长时期所具有，被称为细菌的特殊结构；芽胞虽然通常被称为特殊结构，但实际上是一些细菌生活周期中特殊的休眠形式。
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鞭毛 |
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细胞壁
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荚膜
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核糖体
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细胞膜
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核质
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细胞质
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中介体
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性菌毛
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普通菌毛
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图2-2 细菌细胞结构模式图
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一、 细菌的基本结构
(一) 细胞壁（cell wall）
绝大部分细菌在细胞膜的外层存在有细胞壁的结构。虽然细菌种类众多，细胞壁的结构也千差万别，但从总体的结构与功能角度，分为两大基本类型，经典的细菌革兰染色法很好地将之区分开来，即革兰阳性菌细胞壁和革兰阴性菌细胞壁。个别细菌缺乏细胞壁，如支原体；一些细菌在特定的条件下，也可以缺失细胞壁，形成细菌L型 (L-form of bacteria)、原生质体(protoplast)、球状体(sphaeroplast)。两类细菌细胞壁的结构和组成完全不同，但两者均含有肽聚糖。
1．肽聚糖peptidoglycan） 肽聚糖是一类复杂的多聚体，是细菌细胞壁中的主要组分，为原核细胞所特有，又称为粘肽（mucopeptide）、糖肽（glycopeptide）或胞壁质（murein）。革兰阳性菌的肽聚糖由聚糖骨架、四肽侧链和五肽交联桥三部分组成（图2-3），革兰阴性菌的肽聚糖仅由聚糖骨架和四肽侧链两部分组成（图2-4）。两种细菌细胞壁的聚糖骨架均相同，聚糖骨架由N-乙酰葡糖胺（N-acetyl glucosamine）和N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid）交替间隔排列，经β-1, 4糖苷键联结而成，该糖苷键可被溶菌酶(lysozyme)所水解，从而导致肽聚糖结构的解体，引起细菌死亡。（
四肽侧链的组成随细菌不同而异，革兰阳性菌（如葡萄球菌）细胞壁的四肽侧链的氨基酸依次为L-丙氨酸、D-谷氨酸、L-赖氨酸和D-丙氨酸；第三位的L-赖氨酸由五个甘氨酸组成的交联桥连接连接到相邻聚糖骨架四肽侧链末端的D-丙氨酸，从而构成机械强度十分坚韧的三维立体结构。革兰阴性菌（大肠埃希菌）四肽侧链中的第三位氨基酸是二氨基庚二酸（diaminopimelic acid，DAP），并由DAP与另一相邻四肽侧链末端的D-丙氨酸直接连接，由于没有五肽交联桥，因而只形成单层平面网络的二维结构。细菌的四肽侧链中第三位氨基酸变化最大，大多数革兰阴性菌为DAP，而革兰阳性菌可以是DAP、L-赖氨酸或其他L-氨基酸；此外，革兰阳性菌相邻的四肽侧链间的交联度远高于革兰阴性菌。细胞壁合成需要细胞膜上的合成酶来完成，青霉素可以结合一些合成酶使其失活，抑制肽桥的形成而产生抗菌效果。
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G |
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M
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G
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M
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G
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M
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G
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g
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g
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g
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a
b
c
d
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图2-3 金黄色葡萄球菌（革兰阳性菌）细胞壁的肽聚糖结构
G：N-乙酰葡糖胺 M：N-乙酰胞壁酸 g：甘氨酸 a、b、c、d：氨基酸
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a
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c
d
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G |
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M
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G
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M
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abcd
abcd
abcd
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a
b
c
d
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a
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abcd
abcd
abcd
abcd
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dcba
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abcd
abcd
abcd
abcd
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dcba
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图2-4 大肠埃希菌（革兰阴性菌）细胞壁的肽聚糖结构
G：N-乙酰葡糖胺 M：N-乙酰胞壁酸；a、b、c、d：氨基酸
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2．革兰阳性菌细胞壁特殊组分 革兰阳性菌的细胞壁较厚（20～80nm），具有三维立体结构的15～50层的肽聚糖分子形成其基本的结构框架，是细胞壁最主要的组分，占细胞壁的90％。细胞壁的另一主要成分为磷壁酸teichoic acid），少数是磷壁醛酸（teichuroic acid），约占细胞壁的10%（图2-5）。 （
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图2-5 革兰阳性菌细胞壁结构模式图 |
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细胞膜
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细胞壁
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蛋白质
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肽聚糖
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壁磷壁酸
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脂磷壁酸
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磷脂
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磷壁酸是由核糖醇(ribitol)或甘油残基经磷酸二酯键互相连接而成的多聚物，其结构中少数基团被氨基酸或糖所取代，多个磷壁酸分子组成长链穿插于肽聚糖层中。一些磷壁酸分子的一端通过磷脂与肽聚糖上的胞壁酸共价结合固定在细胞壁上被称为壁磷壁酸wall teichoic acid）；另一些则将其一端与细胞膜外层上的糖脂共价结合固定于细胞膜上被称为膜磷壁酸membrane teichoic acid）或脂磷壁酸lipoteichoic acid, LTA）端。磷壁醛酸与磷壁酸相似，仅其结构中以糖醛酸代替磷酸。（（（
大多数革兰阳性菌细胞壁表面有一层蛋白质，一些以非共价键形式结合在表面，如S 层蛋白（S-layer protein），一些则以共价键形式结合在表面。这些蛋白参与细菌与环境或宿主组织间的相互作用，如金黄色葡萄球菌的A蛋白，A群链球菌的M蛋白等；另一些则为一些酶。
3．革兰阴性菌细胞壁特殊组分 革兰阴性菌细胞壁除肽聚糖结构外还有特殊组分外膜。革兰阴性菌的细胞壁较薄（10～15nm），含有1~2层的肽聚糖，构成革兰阴性菌细胞壁最主要的结构是外膜（outer membrane），约占细胞壁干重的80%（图2-6）。
外膜的中心是脂质双层，其内侧含有较丰富的脂蛋白（lipoprotein），其蛋白质部分与肽聚糖侧链的二氨基庚二酸相连，其脂质成分与脂质双层非共价结合，使外膜和肽聚糖层构成一个整体。双层内镶嵌着多种蛋白质称为外膜蛋白（outer membrane protein, OMP），其中有的为孔蛋白（porin），如大肠埃希菌的OmpF、OmpC，允许水溶性分子（分子量≤600）通过；有的为诱导性或去阻遏蛋白质，参与特殊物质的扩散过程；有的为噬菌体、性菌毛或细菌素的受体。由脂质双层向细胞外伸出的是脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）。LPS由脂质A、核心多糖和特异多糖三部分组成，在革兰阴性菌致病中起重要作用，又称内毒素（endotoxin）。
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外膜 |
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图2-6 革兰阴性菌细胞壁结构模式图
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细胞膜
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周浆间隙
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脂多糖
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孔蛋白
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脂蛋白
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肽聚糖
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酶
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载体蛋白
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脂质双层
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（1）脂质A（lipid A） 为一种糖磷脂，由β-1，6糖苷键相联的D-氨基葡萄糖双糖组成的基本骨架，双糖骨架的游离羟基和氨基可携带多种长链脂肪酸和磷酸基团。不同种属细菌的脂质A骨架基本一致，其主要差别是脂肪酸的种类和磷酸基团的取代不尽相同，其中β-羟基豆蔻酸是肠道菌所共有的。脂质A是内毒素的毒性和生物学活性的主要组分，无种属特异性，故不同细菌产生的内毒素的毒性作用均相似。
（2）核心多糖（core polysaccharide） 位于脂质A的外层，由己糖（葡萄糖、半乳糖等）、庚糖、2-酮基-3-脱氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO）、磷酸乙醇胺等组成。经KDO与脂质A共价联结。核心多糖有属特异性，同一属细菌的核心多糖相同。
（3）特异多糖（specific polysaccharide） 是脂多糖的最外层，由数个至数十个低聚糖（3~5个单糖）重复单位所构成的多糖链。特异多糖即革兰阴性菌的菌体抗原（O抗原），具有种特异性，因其多糖中单糖的种类、位置、排列和空间构型各不相同所致。特异多糖的缺失，细菌从光滑（smooth, S）型变为粗糙（rough, R）型。
并非所有革兰阴性菌外膜的糖脂成分都呈LPS结构，一些革兰阴性菌（脑膜炎奈瑟菌、淋病奈瑟菌、流感嗜血杆菌）外膜糖脂的糖为短链分枝状聚糖，与哺乳动物细胞膜的鞘糖脂成分非常相似，称为脂寡糖（lipooligosaccharide, LOS）。LOS是重要的毒力因子，它的一些表位epitope）模拟了宿主细胞的结构，从而逃避宿主免疫细胞的识别。（
在革兰阴性菌的细胞膜和外膜脂质双层间有一间隙，称膜壁间隙或称为周浆间隙（periplasmic space），约占细胞体积的20%～40%。该间隙含有多种酶类（如蛋白酶、解毒酶、核酸酶等）及一些特殊蛋白质，与细菌获取营养、去除有害物质毒性的作用有关。
革兰阳性和阴性菌细胞壁结构显著不同，代表两种不同的细胞壁类型，有利于细菌对不同环境的适应和生存（表2-1），也使这两类细菌在染色性、抗原性、致病性及对药物的敏感性等方面表现出很大差异。
表2-1 革兰阳性菌与阴性菌细胞壁结构
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细胞壁
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革兰阳性菌
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革兰阴性菌
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主要结构
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肽聚糖，磷壁酸
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外膜，肽聚糖
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强度
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较坚韧
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较疏松
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厚度
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20～80nm
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10～15nm
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肽聚糖结构
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含5肽交联桥，三维立体
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直接交联，二维网状
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肽聚糖层数
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可多达50层
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1~2层
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肽聚糖含量
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占细胞壁干重50%~80%
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占细胞壁干重5%～20%
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糖类含量
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约45%
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15%～20%
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脂类含量
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1%～4%
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11%～22%
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LPS
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－
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+
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孔蛋白
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－
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+
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磷壁酸
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+
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－
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外膜
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－
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+
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周浆间隙
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－
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+
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4．细胞壁的功能 肽聚糖的结构赋予了细菌细胞壁坚韧而富弹性的特征，其主要功能维持菌体固有的形态，并保护细菌抵抗低渗环境。细菌细胞质内有高浓度的无机盐和大分子营养物质，其渗透压高达506 625～2 533 125Pa(5～25个大气压)。由于细胞壁的保护作用，使细菌能承受内部巨大的渗透压而不会破裂，并能在相对低渗的环境中生存。细胞壁上有许多小孔，参与菌体内外的物质交换。 菌体表面带有多种抗原表位，可以诱发机体的免疫应答。
革兰阳性菌的磷壁酸是重要表面抗原，与血清型分类有关。它带有较多的负电荷，能与Mg2+等双价离子结合，有助于维持菌体内离子的平衡。磷壁酸还可起到稳定和加强细胞壁的作用。乙型溶血性链球菌表面的M蛋白与LTA结合在细菌表面形成微纤维（microfibril），后者介导菌体与宿主细胞的粘附，是其致病因素之一。
革兰阴性菌的外膜是一种有效的屏障结构，使细菌不易受到机体的体液杀菌物质、肠道的胆盐及消化酶等的作用；还可阻止某些抗生素的进入，成为细菌耐药的机制之一。LPS（内毒素）是革兰阴性菌重要的致病物质，使机体发热，白细胞增多，直至休克死亡。另一方面LPS也可增强机体非特异性抵抗力，并有抗肿瘤等有益作用。
5．缺壁细菌(cell wall deficient bacteria) 在自然界长期进化中，有些细菌形成了无细胞壁的原核生物，如支原体。另外，在实验室中，可通过人工的方法制备缺壁的细菌，也可从宿主体内及实验条件下分离到缺壁的细菌，其中包括细菌L型、原生质体和原生质球。
细菌L型是因被1935年英国Lister研究院的Klieneberger首先发现而得名。当时她发现一株念珠状链杆菌（Streptobacillus moniliformis）发生自发突变，成为细胞膨大、对渗透敏感、在固体培养基上形成“荷包蛋”状的小菌落，经研究证实是一种细胞壁缺损细菌。以后的研究发现，许多革兰阳性菌和革兰阴性菌都可以产生L型突变。严格地说，细菌L型专指那些实验室或宿主体内通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺损菌株。原生质体则指人为条件下，去除原有细胞壁或抑制新生细胞壁后所得到的仅有一层细胞膜包裹的圆球状对渗透敏感的细菌，革兰阳性菌最易形成原生质体。原生质球指革兰阴性菌肽聚糖层受损后尚保留有外膜的原生质体。
细菌L型在体内或体外、人工诱导或自然情况下均可形成，诱发因素很多，如溶菌酶lysozyme）和溶葡萄球菌素lysostaphin）、青霉素、胆汁、抗体、补体等。（（
细菌L型的形态因缺失细胞壁而呈高度多形性，大小不一，有球形、杆状和丝状等（图2-7）。着色不匀，无论其原为革兰阳性或阴性菌，形成L型大多染成革兰阴性。细菌L型难以培养，其营养要求基本与原菌相似，但需在高渗低琼脂含血清的培养基中生长，即必须补充3%～5%NaCl、10%～20%蔗糖或7%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等稳定剂，以提高培养基的渗透压。同时还需加10%~20%人或马血清。制备固体培养基时，可在液体培养基中加入0.8%～1.0%的少量琼脂，使L型在生长时可以琼脂为支架。细菌L型生长繁殖较原菌缓慢，一般培养2～7d后在软琼脂平板上形成中间较厚、四周较薄的荷包蛋样细小菌落，也有的长成颗粒状或丝状菌落（图2-8）。L型在液体培养基中生长后呈较疏松的絮状颗粒，沉于管底，培养液则澄清。
图2-7 细菌L型的形态（Tortora et al, 1986）（×61 000）
（A. L型大肠埃希菌[无细胞壁] B. 正常形态的大肠埃希菌）
图2-8 细菌L型菌落
临床上，由于部分患者体内感染的细菌发生了L型突变，常使作用于细胞壁的抗菌药物（β-内酰胺类抗生素等）治疗失效，而某些L型仍保留有一定的致病力，引起慢性感染，如尿路感染、骨髓炎、心内膜炎等。临床上遇有症状明显而标本常规细菌培养阴性者，应考虑细菌L型感染的可能性，宜作L型的专门分离培养，并更换抗菌药物。
溶菌酶和青霉素是细菌L型最常用的人工诱导剂。溶菌酶和溶葡萄球菌素作用相同，能裂解肽聚糖中N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的β-1, 4糖苷键，破坏肽聚糖骨架，引起细菌裂解。青霉素能与细菌竞争合成肽聚糖过程中所需的转肽酶，抑制四肽侧链上D-丙氨酸与五肽桥之间的联结，使细菌不能合成完整的肽聚糖，在一般渗透压环境中，可导致细菌死亡。在高渗情况下，这些细胞壁缺陷的L型仍可活存。革兰阳性菌细胞壁缺陷形成的原生质体，由于菌体内渗透压很高，可达20～25个大气压，故在普通培养基中很容易胀裂死亡，必须保存在高渗环境中。革兰阴性菌细胞壁中肽聚糖含量较少，菌体内的渗透压（5～6个大气压）亦比革兰阳性菌低，细胞壁缺陷形成的原生质球在低渗环境中仍有一定的抵抗力。
支原体（mycoplasma）是长期进化过程中形成的无细胞壁的原核生物，其细胞膜中富含一般原核生物中所没有的甾醇，使细胞膜的机械强度得以提高，弥补了细胞壁缺损的部分功能。
（二） 细胞膜（cell membrane）
细胞膜或称胞质膜（cytoplasmic membrane），位于细胞壁内侧，紧包着细胞质。厚约7.5nm，柔韧致密，富有弹性，占细胞干重的10%~30%。细菌细胞膜的结构与真核细胞者基本相同，由磷脂（20％～30％）和多种蛋白质（50％～70％）组成，但不含胆固醇（支原体例外）。
细菌细胞膜是细菌赖以生存的重要结构之一，其功能也与真核细胞者类似，主要有物质转运、生物合成、分泌和呼吸、信号转导等作用。
1．中介体（mesosome） 细菌细胞膜形成的一种特有的结构，是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物，多见于革兰阳性细菌（图2-9）。中介体常位于菌体侧面（侧中介体）或靠近中部（横膈中介体），可有一个或多个。中介体一端连在细胞膜上，另一端与核质相连，细胞分裂时中介体亦一分为二，各携一套核质进入子代细胞，有类似真核细胞纺锤丝的作用。中介体的形成，有效地扩大了细胞膜面积，相应地增加了酶的含量和能量的产生，其功能类似于真核细胞的线粒体，故亦称为拟线粒体（chondroid）。近年来也有学者提出不同观点，认为所谓“中介体”是电镜制片过程中因脱水操作而产生的一种假象。
2．青霉素结合蛋白（penecillin-binding protein, PBP） β-内酰胺类抗生素越过细胞壁后，与细胞膜上的一组蛋白质共价结合， 这组蛋白称为青霉素结合蛋白。这类蛋白质参与细胞壁肽聚糖的合成，为青霉素作用的靶点蛋白。PBP与青霉素结合后即可使其酶功能受抑制，影响到细胞壁中肽聚糖的合成。PBP分为两大类，一类为低分子量PBP，主要与DD-羧肽酶活性有关，影响细胞的分裂和形态改变，对细菌生存似乎不是必需的。另一类为高分子量 PBP，具有转肽酶和转糖基酶活性，对细菌的存活是必需的。大肠埃希菌已发现有7种PBP，金黄色葡萄球菌有4种PBP。PBP突变可以导致细菌对β-内酰胺抗生素产生耐药性，该现象在革兰阳性菌比较突出。耐药菌的某些PBP发生改变，降低了对β-内酰胺抗生素的亲和力； 或获得另外一种低亲和力的PBP， 低亲和力的PBP代替正常PBP起作用，完成细胞壁的合成。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) 就属于后一种耐药机制，该菌产生一种新的低亲和力的 PBP2' 代替正常 PBP2行使功能。
3．蛋白分泌系统 目前已知的有五种类型：I型、II型、III型、IV型和V型。I型分泌系统，以大肠埃希菌的溶血素分泌系统为例，所分泌的蛋白质直接从胞浆到达细胞表面，仅由三种蛋白质参与。II型分泌系统，是sec依赖的分泌系统，所分泌的蛋白质先使用通用分泌通路到达胞周间，然后其N端的部分氨基酸序列被切割，再通过通道蛋白穿越外膜。如肠致病性大肠埃希菌束状菌毛的分泌。III型分泌系统，是一步性分泌，所分泌的蛋白质不在周浆间隙停留，也不被切割。需较多的蛋白质参与，是接触依赖性分泌，分泌的效应分子直接从胞浆输送到细胞表面。许多以鞭毛为特殊分泌途径的细菌都有此分泌系统。IV型分泌系统，也是接触依赖性分泌系统，被该系统转运的都是一些大分子物质，如含多个亚单位的毒素。V型分泌系统，也是sec依赖分泌系统，蛋白质跨内膜转运后停留于周浆间隙，再自动转运穿越外膜，如淋病奈瑟菌的IgA 蛋白酶和幽门螺杆菌的空泡细胞毒素。
4．双组分信号转导系统 基本结构为一个组氨酸蛋白激酶和一个反应调节蛋白，广泛存在于各种原核生物中。主要功能是感应外界环境各种不同信号，调控菌体内相关基因表达，以适应不断变化的环境。
（三） 细胞质 （cytoplasm）
细胞膜包裹的溶胶状物质为细胞质或称原生质protoplasm），由水、蛋白质、脂类、核酸及少量糖和无机盐组成，其中含有核糖体、质粒、胞质颗粒等重要结构。（
1．核糖体ribosome） 核糖体是细菌合成蛋白质的场所，游离存在于细胞质中，每个细菌体内可达数万个。细菌核糖体沉降系数为70S，由50S和30S两个亚基组成，以大肠埃希菌为例，其化学组成66%是RNA（包括23S、16S和5S rRNA），34%为蛋白质。核糖体常与正在转录的mRNA相连呈“串珠”状，称多聚核糖体（polysome），使转录和翻译偶联在一起。在生长活跃的细菌体内，几乎所有的核糖体都以多聚核糖体的形式存在。（
真核生物的核糖体与细菌核糖体不同，因此，细菌核糖体是一些抗生素作用的重要靶点。有些抗生素如链霉素或红霉素能分别与细菌核糖体的30S亚基或50S亚基结合，干扰其蛋白质合成，从而杀死细菌；但这些药物对人类的核糖体则无作用。
2．质粒plasmid） 质粒是染色体外的遗传物质，存在于细胞质中。为闭合环状的双链DNA，带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。质粒能独立自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞中。质粒不是细菌生长所必不可少的，失去质粒的细菌仍能正常存活。质粒编码的细菌许多性状，如菌毛、细菌素、毒素和耐药性的产生等，并且可通过接合或转导等方式在细菌间进行水平传递。（
3．胞质颗粒(cytoplasma granula) 细菌细胞质中含有多种颗粒，大多为贮藏的营养物质，包括糖原、淀粉等多糖、脂类、磷酸盐等。胞质颗粒又称为内含物（inclusion body），不是细菌的恒定结构，不同菌有不同的胞质颗粒，同一菌在不同环境或生长期亦可不同。当营养充足时，胞质颗粒较多；养料和能源短缺时，动用贮备，颗粒则减少甚至消失。胞质颗粒中有一种主要成分是RNA和多偏磷酸盐（polymetaphosphate）的颗粒，其嗜碱性强，用亚甲蓝染色时着色较深呈紫色，称为异染颗粒（metachromatic granule）或纡回体（volutin）。异染颗粒常见于白喉棒状杆菌，位于菌体两端，故又称极体（polar body），有助于该菌的鉴定。
（四） 核质（nuclear material）
核质为细菌的遗传物质又称为拟核（nucleoid），是细菌的遗传物质，决定细菌的遗传特征。它与真核细胞的细胞核不同点在于四周无核膜，无组蛋白包绕，不成形。由于其功能与真核细胞的染色体相似，故通常也称其为细菌染色体（chromosome）。一个菌体内一般含有1～2个核质。研究证明，细菌的核质由双股DNA组成，由单一的一根环状DNA分子反复旋曲盘绕而成，细菌的核质除DNA外还有少量的RNA和组蛋白样蛋白（histone-like protein）。核质控制细菌的各种遗传性状。细菌胞质中含有大量RNA，用碱性染料染色后着色很深，将核质掩盖，不易显露。若用酸或RNA酶处理，使RNA水解，再用Feulgen（富尔根）法染色，便可染出核质，在普通光镜下可以看到呈球状、棒状或哑铃状的核质形态。
二、细菌的特殊结构
（一） 荚膜（capsule）
某些细菌在其细胞壁外包绕一层粘液性物质，为疏水性多糖或蛋白质的多聚体，用理化方法去除后并不影响菌细胞的生命活动。凡粘液性物质牢固地与细胞壁结合，厚度≥0.2μm，且边界明显者称为荚膜或大荚膜macrocapsule）（图2-10），如肺炎链球菌荚膜。厚度<0.2μm者称为微荚膜（microcapsule），如溶血性链球菌的M蛋白、伤寒沙门菌的Vi抗原及大肠埃希菌的K抗原等。若粘液性物质疏松地附着于菌细胞表面，边界不明显且易被洗脱者称为粘液层（slime layer）。介于荚膜和粘液层之间的结构称为糖萼（glycocalyx），由多糖或糖蛋白组成，是从菌体伸出的疏松纤维网状结构。（
图2-10 细菌的荚膜（Wistreich, 1998）
（使用荚膜染色法，荚膜在图中显示为菌体周围的空白处）
1．荚膜的化学组成 大多数细菌的荚膜是多糖，炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌等少数菌的荚膜为多肽。荚膜多糖为高度水合分子，含水量95%以上，与菌细胞表面的磷脂或脂质A共价结合。多糖分子组成和构型的多样化使其结构极为复杂，成为血清学分型的基础。例如肺炎链球菌的荚膜多糖物质的抗原至少可分成90个血清型。荚膜与同型抗血清结合发生反应后即逐渐增大，出现荚膜肿胀反应，可藉此将细菌定型。
细菌荚膜的形成与环境和营养有关，一般在机体内和营养丰富的培养基中才能形成荚膜。产生荚膜的细菌在固体培养基上形成光滑型（S型）或粘液型（M型）菌落；失去荚膜后菌落变为粗糙型（R型）。细菌生存过程中可丢失荚膜，失去荚膜的细菌仍可存活。
荚膜对一般碱性染料亲和力低，不易着色，普通染色只能见到菌体周围有未着色的透明圈。如用墨汁作负染色，则荚膜显现更为清楚。用特殊染色法可将荚膜染成与菌体不同的颜色。
2．荚膜的功能 荚膜和微荚膜具有相同的功能。
（1）抗吞噬作用：荚膜具有抵抗宿主吞噬细胞的作用，因而荚膜是病原菌的重要毒力因子。例如肺炎链球菌，有荚膜株数个菌就可使实验小鼠致死，无荚膜株则高达上亿个菌才能使小鼠死亡。
吞噬现象有两种类型，一为表面吞噬（surface phagocytosis），另一为调理素介导的吞噬（opsonin-mediated phagocytosis）。表面吞噬是吞噬细胞直接摄取细菌等颗粒性异物，这种吞噬的强弱与被吞颗粒表面的理化性质关系极大，颗粒表面表面越疏水，越容易被吞噬，细菌荚膜多糖亲水且带负电荷，故能阻滞表面吞噬作用。由调理素介导的吞噬，其吞噬效率大大超过表面吞噬，荚膜在菌细胞表面的空间占位和屏障作用，阻止补体组分C3b的沉积，并遮蔽了细菌激活补体旁路途径的表面结构，从而抵抗宿主的调理吞噬作用。
此外，大肠埃希菌K1和B群脑膜炎奈瑟菌的荚膜多糖含有NeuNAc组分，大肠埃希菌K5抗原含有脱硫肝素(desulfoheparin)组分，而宿主的组织多糖也有与上述结构相似的组分，故这类荚膜的免疫原性弱，感染后机体产生抗体量亦少，可能是这些细菌具有致病性的重要原因。
（2）粘附作用：荚膜多糖可使细菌彼此之间粘连，也可粘附于组织细胞或无生命物体表面，形成生物膜biofilm），是引起感染的重要因素。变异链球菌（S. mutans）依靠荚膜将其固定在牙齿表面，利用口腔中的蔗糖产生大量的乳酸，积聚在附着部位，导致牙齿珐琅质的破坏，形成龋齿。荚膜菌株在住院病人的各种导管内粘附定居，是院内感染发生的重要因素。（
（3）抗有害物质的损伤作用：荚膜处于菌细胞的最外层，有保护菌体避免和减少受溶菌酶、补体、抗菌抗体、抗菌药物等有害物质引起的损伤作用。
（二） 鞭毛（flagellum）
鞭毛为细菌的运动器官。许多细菌，包括所有的弧菌和螺菌，约半数的杆菌和个别球菌，在菌体上附有细长并呈波状弯曲的丝状物称为鞭毛。鞭毛长5~20μm，直径12~30nm，少仅1~2根，多者达数百根，需用电子显微镜观察（图2-11），或经特殊染色法使鞭毛增粗后才能在普通光学显微镜下看到（图2-12）。
图2-11 菌体鞭毛电子显微镜观察（Brooks et al, 2004）
A. 单鞭毛（弧菌，×7 500） B. 丛鞭毛（蛇形螺菌，×9 000） C. 周鞭毛（变形杆菌，×9 000）
图2-12 菌体鞭毛光学显微镜观察（Brooks et al, 2004）
（假单胞菌，鞭毛染色）
图2-13 细菌的鞭毛(示意图)
A．单毛菌 B．双毛菌 C．丛毛菌 D．丛毛菌 E．周毛菌
不同鞭毛菌其鞭毛的数量和部位有很大的差别，总体可分成4类（图2-13）。① 单毛菌（monotrichate）：只有一根鞭毛，位于菌体一端，如霍乱弧菌；② 双毛菌（amphitrichate）：菌体两端各有一根鞭毛，如空肠弯曲菌；③ 丛毛菌（lophotrichate）：菌体一端或两端有一丛鞭毛，如铜绿假单胞菌；④ 周毛菌（peritrichate）：菌体周身遍布许多鞭毛，如伤寒沙门菌。
1．鞭毛的结构 鞭毛自细胞膜长出，游离于菌细胞外，由基础小体、钩状体和丝状体三个部分组成（图2-14）。
（1）基础小体（basal body）：位于鞭毛根部，嵌在细胞壁和细胞膜中。革兰阴性菌鞭毛的基础小体由一根圆柱、两对同心环和输出装置组成。其中，一对是M（membrane）环和S（supramembrane）环，附着在细胞膜上；另一对是P（peptidoglycan）环和L（lipopolysaccharide）环，附着在细胞壁的肽聚糖和外膜的脂多糖上。基础小体的基底部是鞭毛的输出装置（export apparatus），位于细胞膜内面的细胞质内。 基底部圆柱体周围的发动器（motor）为鞭毛运动提供能量， 近旁的开关（switch）决定鞭毛转动的方向。革兰阳性菌的细胞壁无外膜，其鞭毛只有M、S一对同心环。
图2-14 鞭毛的结构（Brooks et al, 2004）
（2）钩状体（hook）：指鞭毛伸出菌体的部分，呈90º钩状弯曲，鞭毛由此转变向外伸出，成为丝状体。钩状体的功能是使鞭毛在运动时起旋轴的作用。
（3）丝状体（filament）：呈纤丝状，伸出于菌体外，由鞭毛蛋白（flagellin）紧密排列并缠绕而成的中空管状结构。丝状体的作用犹如船舶或飞机的螺旋桨推进器。鞭毛蛋白是一种弹力纤维蛋白，其氨基酸组成与骨骼肌中的肌动蛋白相似，可能与鞭毛的运动性有关。
鞭毛是从尖端生长，在菌体内形成的鞭毛蛋白分子不断地添加到鞭毛的末端。若用机械方法去除鞭毛，新的鞭毛很快合成，3~6分钟内恢复动力。各菌种的鞭毛蛋白结构不同，具有高度的抗原性，称为鞭毛（H）抗原。
2．鞭毛的功能 具有鞭毛的细菌在液体环境中能自由游动，速度迅速，如单鞭毛的霍乱弧菌每秒移动可达55μm，周毛菌移动较慢，每秒25~30μm。
细菌鞭毛的运动具有化学趋向性（chemotaxis），常朝有高浓度营养物质的方向移动，而避开对其有害的环境。环境中的化学信号分子与细胞膜上的受体(methylated chemotaxis proteins, MCPs)结合触发信号传递,最后作用于鞭毛发动器，产生趋化运动。运动时，鞭毛发动器将跨膜质子梯度中贮存的化学能转变为鞭毛转动所需的能量，周浆间隙中的质子（H+）通过鞭毛发动器流入细胞质内。有少数细菌能利用钠离子梯度供给鞭毛转动的能量。在这个过程中，由跨膜质子梯度或钠离子梯度构成质子动力势（proton motive force）。鞭毛发动器能够顺时钟或逆时钟方向转动，从而决定细菌游动的方向。当发动器逆时钟方向转动时，鞭毛的丝状体结合成一束拖在菌体后，推动细菌向前进（run）；若发动器呈顺时钟方向转动，束状丝状体松开，细菌停顿或向相反方向游动（tumble）。平时，细菌以这两种方式交替游动，称为随意移动（random walk）。
鞭毛抗原有很强的抗原性，通常称为H抗原，不同细菌鞭毛的抗原性不同，可据此利用免疫学方法对某些细菌进行鉴定、分型及分类。
少数细菌的鞭毛与致病性有关，如霍乱弧菌和空肠弯曲菌能通过鞭毛运动穿透覆盖在小肠粘膜表面的粘液层，利于细菌粘附于肠粘膜上皮细胞，产生毒性物质导致疾病的发生。
（三） 菌毛（pilus）
菌毛是许多革兰阴性菌和少数革兰阳性菌菌体表面遍布的比鞭毛更为细、短、直、硬的丝状蛋白附属物。菌毛由结构蛋白亚单位菌毛蛋白（pilin）组成，呈螺旋状排列成圆柱体，新形成的菌毛蛋白分子插入菌毛的基底部。菌毛蛋白具有抗原性，其编码基因位于细菌的染色体或质粒上。菌毛在普通光学显微镜下看不到，必须用电子显微镜观察（图2-15）。根据功能不同，菌毛可分为普通菌毛和性菌毛两类。
图2-15 大肠埃希菌的普通菌毛和性菌毛（Brooks et al, 2004）
1．普通菌毛（ordinary pilus） 长0.2～2μm，直径3～8nm。遍布菌细胞表面，每菌可达数百根。这类菌毛和细菌的致病性密切相关，往往构成细菌致病的毒力因子，能与宿主细胞表面的特异性受体结合，启动细菌感染的第一步定植。大肠埃希菌的I型菌毛（type I 或common pili），粘附于肠道和下尿道粘膜上皮细胞表面；致肾盂肾炎大肠埃希菌（pyelonephritic E.coli 或uropathogenic E.coli, UPEC）的P菌毛（pyelonephritis- associated pili, P pili）常粘附于肾脏的集合管和肾盏，是上行性尿路感染的重要致病菌；肠产毒型大肠埃希菌（enterotoxigenic E.coli, ETEC）的定植因子是一种特殊类型的菌毛（CFA/I, CFA/Ⅱ），粘附于小肠粘膜细胞，编码定植因子和肠毒素的基因均位于可接合传递质粒上，是该菌重要的毒力因子；霍乱弧菌、肠致病型大肠埃希菌（EPEC）和淋病奈瑟菌的菌毛都属于Ⅳ型菌毛，在所致的肠道或泌尿生殖道感染中起到关键作用。有菌毛菌株的粘附可抵抗肠蠕动或尿液的冲洗作用而有利于定植，一旦丧失菌毛，其致病力亦随之消失。在革兰阳性球菌中，由A群链球菌主要表面蛋白M蛋白形成的菌毛与LTA一起介导该菌与宿主粘膜上皮细胞的粘附。
2．性菌毛sex pilus） 仅见于少数革兰阴性菌，数量少，一个菌只有1~4根，比普通菌毛长且粗，中空呈管状，是细菌传递遗传物质的一种结构。性菌毛由一种称为致育因子（fertility factor, F factor）的质粒编码，故性菌毛又称F菌毛。带有性菌毛的细菌称为F+菌或雄性菌，无性菌毛者称为F-菌或雌性菌。当F+菌与F-菌相遇时，F+菌的性菌毛与F-菌相应的性菌毛受体（如外膜蛋白A, OmpA）结合，F+菌体内的质粒或染色体DNA可通过中空的性菌毛进入F-菌体内，这个过程称为接合（conjugation）。细菌的毒力、耐药性等性状可通过此方式传递。此外，性菌毛也是某些噬菌体吸附于菌细胞的受体。（
（四） 芽胞 (spore）
某些细菌在一定的环境条件下，能在菌体内部形成一个圆形或卵圆形小体，称为内芽胞(endospore)，简称芽胞，以别于真菌在菌体外部形成的孢子。芽胞不是细菌的繁殖体，也并非真正意义上的细菌的特殊结构，而是适应恶劣环境、维持细菌生存而处于代谢相对静止的休眠体。产生芽胞的细菌都是革兰阳性菌，重要的有芽胞杆菌属（炭疽芽胞杆菌等）和梭菌属（破伤风梭菌等）。
1．芽胞的形成与发芽 细菌形成芽胞的能力是由菌体内的芽胞基因决定的。芽胞一般只是在宿主体外才能形成，其形成条件因菌种而异。如炭疽芽胞杆菌在有氧下形成，而破伤风梭菌则相反。营养缺乏尤其是C、N、P元素不足时，细菌生长繁殖减速、启动芽胞形成基因。但亦有例外，苏云金杆菌形成芽胞则要求适宜的生长条件。
芽胞带有完整的核质、酶系统和合成菌体组分的结构，能保存细菌的全部生命必需物质。芽胞形成后，菌体即成为空壳，有些芽胞可从菌体脱落游离。
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图2-16 细菌芽胞的形态、大小和位置 |
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芽胞位于中央，小于菌体
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芽胞位于次极端，小于菌体
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芽胞位于中央
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芽胞位于顶端，比菌体大
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芽胞位于次极端
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芽胞位于中央，比菌体大
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芽胞位于顶端
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图2－17 破伤风梭菌（光镜）（Murray et al, 1998）
芽胞折光性强，壁厚，不易着色。染色时需经媒染、加热等处理。芽胞的大小、形状、位置等随菌种而异，有重要的鉴别价值（图2-16）。例如炭疽芽胞杆菌的芽胞为卵圆形、比菌体小，位于菌体中央；破伤风梭菌芽胞正圆形，比菌体大，位于顶端，状如鼓锤（图2-17）；肉毒梭菌芽胞亦比菌体大，位于次极端。
芽胞形成在形态学上可分Ⅰ～Ⅶ 7个期，全程6～8天。始于对数生长期末，菌细胞膜进行性地内陷性生长，逐渐形成双层膜结构，包被核质成为芽胞的核心。细胞膜又能合成特殊物质，在内膜和外膜间形成细胞壁和皮质。在外膜外围再形成芽胞壳和芽胞外衣。
图2-18 成熟芽胞的结构
成熟的芽胞具有多层膜结构（图2-18）。芽胞核心(core)是芽胞的原生质体，含有细菌原有的核质和核糖体、酶类等主要生命基质。核心的外层依次为内膜、芽胞壁、皮质、外膜、芽胞壳和芽胞外衣，将其层层包裹，成为坚实的球体。内膜和外膜由原来的细胞膜形成。芽胞壁(spore wall)含肽聚糖，发芽后成为细菌的细胞壁。皮质(cortex)是芽胞包膜中最厚的一层，由一种特殊的肽聚糖组成。芽胞壳(coat)是一种类似角蛋白的疏水性蛋白质，致密无通透性，能抗化学药物进入，并增强对紫外线照射的抵抗力。有些细菌芽胞还有一层疏松的芽胞外衣(exosporium)，含有脂蛋白和糖类。
芽胞形成后，若由于机械力、热、pH改变等刺激作用下，破坏其芽胞壳，并供给水分和营养，芽胞可发芽，形成新的菌体。
一个细菌只形成一个芽胞，一个芽胞发芽也只生成一个菌体，细菌数量并未增加，因而芽胞不是细菌的繁殖方式。与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体可称为繁殖体(vegetative form)。
细菌的芽胞发芽(germination)成繁殖体的过程，可分为活化(activation)、启动(initiation) 和长出 (outgrowth) 三个连续阶段。整个过程大约需要90分钟。热刺激（如60℃ 1小时或85℃ 5分钟）和pH值降低均可活化芽胞发芽，L-丙氨酸、葡萄糖、肌苷和腺苷均为启动剂。芽胞壳经活化后，其富含二硫键的蛋白构型变化，引起渗透性改变，致使阳离子渗入，细胞膜脂质活性增强，并启动电子传递链。同时，随着水分渗入，芽胞特有成分吡啶二羧酸钙、皮质肽聚糖和芽胞壳物质等大量降解，使芽胞通透性加强，耐热、抗辐射等特性消失。胞内生物合成启动并加速，代谢活性和呼吸作用增强。继而芽胞核心体积增大、皮质膨松、芽胞壳破裂，芽管长出并逐渐长大、发育成新的繁殖体细胞。
2．芽胞的功能 细菌的芽胞对热力、干燥、辐射、化学消毒剂等理化因素均有强大的抵抗力。一般细菌繁殖体在80℃水中迅速死亡，而有的细菌芽胞可耐100℃沸水数小时。被炭疽芽胞杆菌芽胞污染的草原，传染性可保持20～30年。
细菌芽胞并不直接引起疾病，但当发芽成为繁殖体后，就能迅速大量繁殖而致病。例如土壤中常有破伤风梭菌的芽胞，一旦外伤深部创口被泥土污染，进入伤口的芽胞在适宜条件下即可发芽成繁殖体继而致病。
被芽胞污染的用具、敷料、手术器械等，用一般方法不易将其杀死，杀灭芽胞最可靠的方法是高压蒸气灭菌。当进行消毒灭菌时，应以芽胞是否被杀死作为判断灭菌效果的指标。
细菌芽胞抵抗力强的原因，可能与下列因素有关：①芽胞含水量少，约占繁殖体的40％，蛋白质受热后不易变性；②芽胞具有多层致密的厚膜，理化因素不易透入；②芽胞的核心和皮质中含有一种特有的化学组分吡啶二羧酸(dipicolinic acid, DPA)，DPA与钙结合生成的盐能提高芽胞中各种酶的热稳定性。芽胞形成过程中很快合成DPA，同时也获得耐热性；芽胞发芽时，DPA从芽胞内渗出，其耐热性亦随之丧失。
第三节 染色法
细菌体小半透明，经染色后才能观察较清楚。染色法是染色剂与细菌细胞质的结合。最常用的染色剂是盐类。 其中，碱性染色剂（basic stain）由有色的阳离子和无色的阴离子组成，酸性染色剂（acidic stain）则相反。菌细胞富含核酸，可以与带正电荷的碱性染色剂结合；酸性染色剂不能使细菌着色，而使背景着色形成反差，故称为负染（negative staining）。根据染色剂，亦可将细菌染色法分为单染色法和复染色法；常用的染色方法有革兰染色法、抗酸染色法、以及荚膜、芽胞、鞭毛、细胞壁、核质等特殊染色法。
革兰染色法（Gram stain）是最常用最重要的分类鉴别染色法。该法由丹麦细菌学家革兰（Hans Christian Gram）于1884年创建，至今仍在广泛应用。标本固定后，先用碱性染料结晶紫初染，再加碘液媒染，使之生成结晶紫-碘复合物；此时细菌均被染成深紫色。然后用95%乙醇处理，有些细菌被脱色，有些不能。最后用稀释复红或沙黄复染。此法可将细菌分为两大类：不被乙醇脱色仍保留紫色者为革兰阳性菌，被乙醇脱色后复染成红色者为革兰阴性菌。革兰染色法在鉴别细菌、选择抗菌药物、研究细菌致病性等方面都具有极其重要的意义。
革兰染色法的原理虽然有多种解释，但最主要的是与革兰阳性菌和革兰阴性菌细胞壁尤其是肽聚糖的物理性状不同有关，如果去除革兰阳性菌的细胞壁，细菌就被染成革兰阴性菌。肽聚糖本身不被染色，但却是防止结晶紫丢失的渗透屏障。在染色过程中，细菌首先被结晶紫染色，碘液媒染，使之生成结晶紫-碘复合物促进染料的保留，在用乙醇脱色时，乙醇使很厚的高度交联的革兰阳性菌的肽聚糖形成的孔皱缩，使结晶紫-碘复合物在短暂的脱色过程中得以保留，而使细菌保留紫色。相反，革兰阴性菌的肽聚糖很薄，没有高度交联，形成的孔也较大，乙醇处理还将细胞壁中的脂类抽提出，进一步增大孔隙，使结晶紫-碘复合物比较容易被脱去而被复染成红色。
