微生物学i10细菌代谢与致病性

1,Metabolism & pathogenicity,微生物的新陈代谢与致病性,2,微生物的新陈代谢,Synopsis,微生物的致病性,3,Metabolism of microbes,微生物的新陈代谢,4,新陈代谢（metabolism）：,细胞内发生的各种化学反应的总称。,代谢,分解代谢(catabolism),合成代谢(anabolism),复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H+,新陈代谢,5,分解代谢（catabolism），又称生物的异化作用，是将复杂的有机物分解成简单化合物的过程，同时伴随能量的释放。,合成代谢（anabolism），又称生物的同化作用，是指细菌利用能量将简单的小分子物质合成复杂大分子和细胞结构物质的过程。,原料和能量,物质基础,代谢概论,7,微生物产能代谢,一切生命活动都是耗能反应，因此，能量代谢是一切生物代谢 的核心问题。,能量代谢的中心任务，是生物体如何把外界环境中的多种形式的 最初能源转换成对一切生命活动都能使用的通用能源-ATP。 这就是产能代谢。,最初 能源,有机物,还原态无机物,日光,化能异养微生物,化能自养微生物,光能营养微生物,通用能源 （ATP）,新陈代谢,Metabolism,8,不同类型的细菌营养方式具有不同的产能方式。,营养类型,光能营养型细菌：光合磷酸化。,化能营养型细菌：呼吸、发酵、无机物氧化。,细菌的产能方式,9,呼吸是指用于产生能量的生物氧化还原过程。,需氧呼吸,氧化主要是以脱氢和失去电子的方式实现的。根据在呼吸过程中最终的氢受体和电子受体的不同，可将细菌的呼吸分为两类：,无氧呼吸,以氧化型化合物作为最终电子受体,以分子氧作为最终的氢和电子受体,1Mol 葡萄糖经过需氧呼吸，可以释放3632kJ自由能，净合成38个ATP。,可分为硝酸盐呼吸、硫酸盐呼吸、碳酸盐呼吸、延胡索酸呼吸等。,细菌的产能方式-呼吸,10,发酵是在厌氧条件下，以有机物为基质并以其中间降解产物为氢和电子受体的氧化过程。,在发酵过程中，有机物只是部分地被氧化，与呼吸相比，释放的能量很少。 能利用发酵方式产能的细菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。,发酵种类很多，可发酵的底物有糖类、有机酸和氨基酸等。葡萄糖发酵成丙酮酸的过程称为糖酵解，主要分为四种途径：EMP，HMP，ED，磷酸解酮酶途径。,Energy production mode,细菌的产能方式-发酵,11,分解代谢,糖的分解,蛋白质的分解,脱氨作用,转氨作用,脱羧作用,葡萄糖-丙酮酸代谢途径,丙酮酸代谢途径,糖酵解途径(EMP),己糖单磷酸途径(HMP),ED途径,最重要的合成代谢是细胞物质的合成， 包括核酸、蛋白质、多糖和脂类的合成。,合成代谢,代谢过程,Metabolism procedures,12,微生物的初级代谢与次级代谢及其产物,一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢 的代谢类型，普遍存在于一切生物中。,初级代谢：,微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和 合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量 的过程，称为初级代谢。,某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累 所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类 型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得 的一种适应生存的方式。,次级代谢：,通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子 结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为,抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。,13,分解性代谢产物及其应用 1.糖发酵试验 2.吲哚试验（I） IMViC 3.甲基红试验 （M） 应用于大肠埃希菌和 4. VP试验 （V） 产气杆菌的检测 5.枸橼酸盐利用试验（C）,Catabolism products and application,分解代谢产物及其应用,14,单糖发酵实验,Saccharide fermentation experiments,不同微生物发酵单糖产物的不同，也是细菌分类鉴定的重要依据。,大肠杆菌：,大肠杆菌分解葡萄糖可产生甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸和丙酮酸等多种酸。,产酸产气,产气杆菌：,分解葡萄糖产生丙酮酸，丙酮酸裂解生成乙酰CoA与甲酸，甲酸在酸性条件下可进一步裂解生成H2和CO2。,产酸产气,15,吲哚实验,Indole experiments,大肠杆菌：,产气杆菌：,大肠杆菌含有色氨酸酶，能分解色氨酸产生吲哚，当加入对二甲基氨基苯甲醛时可生成红色玫瑰吲哚，称为吲哚试验阳性。,产气杆菌不含有色氨酸酶，为阴性。,16,甲基红和V-P实验,Methyl red and VP experiments,大肠杆菌：,产气杆菌：,甲基红试验阴性 V.P.试验阳性，因丙酮酸进一步形成乙酰甲基甲醇,甲基红试验阳性，因其分解葡萄糖产酸量高 V.P.试验阴性,17,橘掾酸盐利用实验,Citrate experiments,拘掾酸盐是一种碳源，产气杆菌能在以拘掾酸盐为唯一碳源的培养基上生长，且分解拘掾酸盐产生CO2，再生成碳酸盐，使培养基由中性变为碱性，指示剂BTB由绿色变为蓝色。,产气杆菌：,大肠杆菌：,拘掾酸盐是一种碳源，大肠杆菌不能在以拘掾酸盐为唯一碳源的培养基上生长，培养基颜色不变，仍为中性时的绿色。,18,合成代谢产物,热原质，泛指那些能引起机体发热的物质，内源性/外源性。,毒素与侵袭性酶，多数细菌都能产生毒素，外毒素/内毒素。,细菌素，具有杀细菌作用的蛋白质类物质。,色素，在一定条件下能合成某些色素，使菌落具有颜色。,抗生素，在代谢过程中能合成一定种类的抗生素。,维生素，利用环境的碳氮源合成自身生长所需的维生素。,Anabolism products and application,合成代谢产物及其应用,19,是某些细菌合成的一种类似抗生素的杀菌物质。 本质：蛋白质 作用：近缘关系的细菌有杀伤作用 对细菌进行分型，流行病学调查 产生：质粒 命名：往往按产生菌来命名。 比如大肠杆菌产生的大肠菌素，铜绿假单胞菌产生的绿脓菌素等。,Bacteriocin,细菌素,20,色素分为水溶性和脂溶性两种，脂溶性色素只存在于菌体，水溶性色素可以向菌落周围的培养基中扩散，使培养基带有一定的颜色。 细菌产生的色素是固定的，主要用于分类和鉴定。,Pigment,色素,21,R质粒 放线菌 多粘菌素 短杆菌肽 人工改良的合成途径。,Antibiotics,抗生素,22,棒状杆菌,欧文氏菌,维生素C发酵的两步法。,Vitamin,维生素,D-葡萄糖,D-山梨醇,维生素C,L-山梨醇,双丙酮-L-山梨糖,双丙酮-L-古龙酸,2,5-二酮-D-葡萄糖酸,23,生物碱(alkaloids)是一类重要的天然有机化合物，通常为具有显著生理活性的碱性有机物，也有人称其为“有机碱”、“植物碱”。 生物碱是研究最早的一类天然有机化合物，迄今已经从自然界中分离得到约万余种，其中有60余种作为药物使用至今，是天然药物化学的重要研究领域。,Alkloids,生物碱,24,低分子胺类，如：甲胺，乙胺等 非环的多胺、酰胺等 氨基酸、氨基糖、肽类（除肽类生物碱）、蛋白质、核苷酸 维生素 啉类,Alkloids,生物碱,生物碱(alkaloids)是含负氧化态氮原子 ，存在于生物有机体中的环状化合物。,排除了：,25,双子叶植物中（较多），主要集中分布于防己科、罂粟科、茄科、毛莨科、豆科、夹竹桃科、马钱科。如：在夹竹桃科中已发现了1000多种生物碱。 单子叶植物中（较少），主要存在于禾本科、莎草科、香蒲科、棕榈科、百部科、百合科、石蒜科、薯蓣科及兰科。 其它：地衣类和苔藓类植物中尚未发现生物碱。至于菌类，已发现有少数植物有生物碱存在。 海洋微生物中的生物碱,Alkloids in plants,生物碱在植物中的分布,26,生物碱在植物中的含量高低不一，如：金鸡纳树皮中含生物碱达1.5% 以上，而长春花中长春新碱的含量仅为百万分之一，美登木中美登素的含量更低，仅千万分之二。一般地，含量在千分之一以上就算比较高了。,Alkloids,生物碱,27,Camptothecin,喜树碱,喜树碱是珙桐科喜树（Camptotheca acuminata）分离到的 抗癌活性成分，同时还可分离到10-羟基，11-羟基，11甲氧基 喜树碱等成分，其中10-羟基喜树碱的抗癌活性最高。,喜树碱,10-羟基喜树碱,微生物转化,28,Pathogenicity of microbes,微生物的致病性,29,正常菌群，在人体的体表以及与外界相通的腔道中分布着一定种类和数量的微生物。,正常菌群中各类细菌的比例严重失调并伴随着临床表现的症状称为“菌群失调症”。,微生态平衡，在正常情况下，正常菌群和人体以及菌群中不同种类的微生物之间是相互制约、相互依存的，这种通过微生物之间的相互作用建立的平衡称为“微生态平衡”。,正常菌群与人体之间的平衡关系一旦被打破，正常菌群就会对人体产生致病性，成为条件致病菌。,名词解释,Glossary,30,病原微生物(Pathogenic microorganism)，或病原体(pathogen)：,-寄生于生物(包括人)机体并引起疾病的微生物。,感染(infection)，又称传染：机体与病原体在一定条件下相互作用 而引起的病理过程。,感染不是疾病的同义词！,传染病：由有生命力的病原体引起的疾病，与由其它致病 因素引起的疾病在本质上是有区别的。,名词解释,Glossary,31,致病性：病原菌能引发机体产生疾病的能力。 主要由三部分构成：,毒力 侵入数量 侵入途径,Pathogenicity of bacteria,细菌的致病性,按细菌能否使机体致病将其分为致病菌和非致病菌两类。,32,毒力：致病菌的致病性强弱，即致病性的强度。,毒力常用半数致死量（median lethal dose, LD50）或半数感染量（median infective dose, ID50）来表示。即在规定时间内，通过指定的感染途径，使一定体重和年龄的某种动物半数死亡或感染的最小细菌数或毒素量。,细菌的毒力主要包括侵袭力和毒素两方面。,Virulence of bacteria,细菌的毒力,33,侵袭力：病原菌突破宿主防御功能，并在宿主体内 定植、繁殖、扩散的能力。,荚膜,黏附素,侵袭性物质,Invasiveness,侵袭力,侵袭力主要包括：,34,例如：肺炎球菌的荚膜、炭疽芽孢杆菌的荚膜等,致病性葡萄球菌产生的血浆凝固酶有抗吞噬作用,分泌一些活性物质如溶血素，抑制白细胞的趋化作用,具抵抗在吞噬细胞内被杀死的能力，能在吞噬细胞内寄生,荚膜,Capsule,细菌表面的荚膜及荚膜类物质能保护细菌，使得 细菌在体内能抵抗吞噬细胞的吞噬和体液杀菌物质 （补体和抗体）的杀菌作用，从而能够大量繁殖， 最终导致机体病变。,35,附着于宿主细胞表面之后在原处生长繁殖并引起疾病：霍乱弧菌（Vibrio）,侵入细胞内生长繁殖并产生毒素，使细胞死亡，造成溃疡： 痢疾志贺氏菌（Shigella ddysenteriae）,通过粘膜上皮细胞或细胞间质侵入深层组织或血液中进一步扩散： 溶血链球菌（Streptococcus haemolyticus）,黏附素,Adhesin,病原菌附着于宿主呼吸道、消化道和泌尿生殖道黏膜 的能力称作黏附。 具有黏附作用的结构和物质称为黏附素。,细菌的黏附素主要分为两类：G- 菌毛；G+非菌毛黏附物质,36,使组织疏松、通透性增加，有利于病原菌及其毒素迅速扩散。,常见的侵袭性酶主要有：,链激酶（streptokinase）,硫酸软骨素酶（chondroitinase）等,侵袭性物质,Invasive materials,病原菌在代谢过程中合成的具有侵袭性的胞外酶 类，这些物质一般不损伤机体组织细胞，但能协 助病原菌在机体内定植、繁殖和扩散。,透明质酸酶（hyaluronidase）,胶原酶（collagenase）,37,细菌毒素按其来源、性质和作用的不同:,外毒素,内毒素,病原细菌、主要是一些革兰氏阳性菌，在生长过程中合 成并分泌到胞外的毒素，化学本质是蛋白质。 如破伤风痉挛毒素、白喉毒素等； 也有存在于胞内当细菌溶解后才释放的如痢疾志贺菌的肠毒素。,（1）外毒素（exotoxin）：,Toxin,毒素,38,毒性强，1mg肉毒梭菌的外毒素纯品可以杀死2亿只小鼠 化学组成为蛋白质； 抗原性强，可以刺激机体产生抗毒素； 根据对宿主细胞的亲和性及作用方式，可将外毒素分为：,外毒素,Exotoxin,神经毒素，如破伤风毒素和肉毒毒素； 细胞毒素，如白喉毒素； 肠毒素，如霍乱弧菌、产毒性大肠杆菌产生的毒素。,39,外毒素化学本质是蛋白质，分子结构模式一般为A+B，即由两个亚单位构成。A为毒性单位，决定毒性效应；B为受体结合单位，无毒但与宿主细胞的特殊受体结合，介导A亚单位进入细胞。 由于B亚单位无毒且免疫原性较强，可将其提纯作为疫苗。,外毒素不稳定，对热和化学试剂敏感， 可用0.30.4%甲醛处理脱毒后成为类毒素。 类毒素与外毒素具有相同的抗原性但无毒性。,类毒素,Toxoid,外毒素一般具有很强的免疫原性，可用0.30.4%甲醛作用于外毒素，使其活性降低但保留其免疫原性，成为类毒素。,40,用0.3-0.4%甲醛处理外毒素，使其毒性完全丧失，但仍保持 抗原性，这种经处理的外毒素为类毒素，常用来预防注射。 可用类毒素注射动物（如马、兔子等），以制备外毒素的 抗体，称为抗毒素，作治疗用。,例如，破伤风梭菌的破伤风痉挛毒素(tetanospamin)和 破伤风溶血毒素(tetanolysin)。,类毒素与抗毒素,Toxoid and antitoxin,41,0.3-0.4%甲醛 （毒性完全丧失保持抗原性） 外毒素 类毒素,抗毒素,预防注射,作治疗用,马、兔等,多次注射,采血,分离血清、提取免疫球蛋白,外毒素、类毒素与抗毒素,Exotoxin toxoid and antitoxin,42,内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁中的脂多糖(LPS)成分，只有在 细菌死亡、自溶或经人工裂解后才能释放出来。 特点： 化学成分是脂多糖，抗原性弱，作用于白细胞、血小板、补体系统、凝血系统等多种细胞和体液系统，引起发热、白细胞增多、血压下降及微循环障碍，有多方面复杂作用，但相对毒性较弱。各种革兰氏阴性菌的内毒素作用相似，且没有器官特异性。,内毒素,Endotoxin,43,*1mg肉毒毒素纯品可杀死2亿只小鼠或一百万只豚鼠，中毒的死亡率几近 100%，但及时注射抗毒素及对症治疗可使之降低。 1mg破伤风毒素可杀死100万只小鼠， 1mg白喉毒素可杀死1000只豚鼠。,外毒素与内毒素,Exotoxin and endotoxin,44,侵入数量：一方面致病能力与侵入数量呈正比，即感染的病原菌数量越多，发病几率越高；另一方面，病原菌毒力越强，则引起机体感染、发病所需的菌量越小。 霍乱弧菌（几个），痢疾杆菌（几亿个）。,Invasive amounts and modes,侵入数量与侵入途径,侵入途径：宿主的不同部位、不同组织器官对病原菌的敏感性不同。 伤寒沙门菌、志贺菌必须经消化道侵入才能引起肠道疾病； 破伤风梭菌只有经缺血状态的深部伤口感染才能引起破伤风； 肺炎链球菌必须借助呼吸道才能引起感染； 结核分枝杆菌既可由呼吸道感染，又可经消化道或皮肤创口侵入机体,45,(1) 致病性真菌感染：,一些外源性真菌感染可引起皮肤、皮下和全身性疾病。如皮肤癣 菌有嗜角蛋白特性，在皮肤局部大量增殖后，通过机械刺激和代 谢产物的作用引起局部的炎症和病变，即手足癣、甲癣、头癣等。,(2) 条件致病性真菌感染：,一些内源性真菌在机体免疫力降低，如长期应用抗生素、放射治 疗等情况下发生。 如白念珠菌是存在于人体表及腔道中的正常菌群，当人体免疫力 低下时可侵入人体许多部位，包括发生于皮肤粘膜的鹅口疮、口 角糜烂、发生于内部器官的肺炎、食道炎、膀胱炎、发生于中枢 神经系统的脑膜炎等。,Pathogenicity of fungi,真菌的致病性,46,(3) 真菌变态反应性疾病：,有些真菌本身并不致病，但对某些具过敏倾向的个体可引起变态 反应性疾病，如曲霉、青霉、镰刀菌等可引起荨麻疹、哮喘、变 应性鼻炎。,(4) 真菌性中毒：,有些真菌在粮食上生长，人及动物食后可因真菌本身或真菌产 生的毒素而中毒。,黄曲霉毒素、杂色霉素,肝损害,桔青霉素,肾小球损害,节菱孢菌引起的霉甘蔗中毒,抽搐，昏迷直至死亡,真菌中毒与一般细菌病毒感染不同，有地区性与季节性，但没有 传染性，不引起流行。,Pathogenicity of fungi,真菌的致病性,47,病原体,不同的个体,相同个体的不同生理状态,不同的结果,病原体侵入其宿主后，二者之间的力量对比决定着传染的结局：,隐性传染,潜伏感染,显性传染,Types of infections,感染的类型,带菌状态,48,隐性感染：,又称为亚临床感染，是指病原菌侵入机体后不出现或出现不明显临床症状的感染类型。 如果宿主的免疫力很强，而病原体的毒力相对较弱，数量又较少，传染后只引起宿主的轻微伤害，且很快就将病原体彻底消灭，因而基本上不表现临床症状。,潜伏感染：,Types of infections,感染的类型,当机体与致病菌在相互作用过程中暂时处于平衡状态时，表现为潜伏感染。 一旦机体免疫力下降时，潜伏的病原菌大量繁殖，导致发病。结核杆菌侵入机体后可表现为潜伏感染。,49,显性传染：,按发病时间的长短：,急性感染：病程仅数日至数周，如流行性脑膜炎和霍乱等； 多为细胞外寄生物引起！,慢性感染：病程往往长达数月至数年，如结核病、麻风病等。 多由细胞内寄生物引起！,Types of infections,感染的类型,感染后导致病理改变和临床症状的感染称为显性感染。 如果宿主的免疫力较低，或入侵病原菌的毒力较强、数量较多，病原菌很快在体内繁殖并产生大量有毒产物，使宿主的细胞和组织蒙受严重损害，生理功能异常，于是就出现了一系列临床症状。,按病变部位划分：,局部感染和全身感染,50,当机体受隐性或显性感染后，病原菌并未很快消失，而是在体内继续存留一段时间，与机体免疫力处于对峙状态，称为带菌状态。 这种长期处于带菌状态的宿主，称为带菌者，成为该传染病的传染源，十分危险。 伤寒、白喉等,带菌状态：,“伤寒玛丽”（真名：Mary Mallon）：,一个健康带菌者，被证实在美国有7个地区多达1500个伤寒患者 都是她传染的。,Types of infections,感染的类型,51,本次内容回顾,SUMMARY,52,新陈代谢（metabolism）：,细胞内发生的各种化学反应的总称。,代谢,分解代谢(catabolism),合成代谢(anabolism),复杂分子 （有机物）,分解代谢,合成代谢,简单小分子,ATP,H+,新陈代谢,53,分解代谢（catabolism），又称生物的异化作用，是将复杂的有机物分解成简单化合物的过程，同时伴随能量的释放。,合成代谢（anabolism），又称生物的同化作用，是指细菌利用能量将简单的小分子物质合成复杂大分子和细胞结构物质的过程。,原料和能量,物质基础,代谢概论,54,微生物的初级代谢与次级代谢及其产物,一类与生物生存有关的、涉及到产能代谢和耗能代谢 的代谢类型，普遍存在于一切生物中。,初级代谢：,微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和 合成代谢，生成维持生命活动所必需的物质和能量 的过程，称为初级代谢。,某些生物为了避免在初级代谢过程某种中间产物积累 所造成的不利作用而产生的一类有利于生存的代谢类 型。可以认为是某些生物在一定条件下通过突变获得 的一种适应生存的方式。,次级代谢：,通过次级代谢合成的产物通常称为次级代谢产物，大多是分子 结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为,抗生素、激素、生物碱、毒素及维生素等类型。,55,细菌的重要代谢产物,代谢产物,合成代谢产物,单糖发酵反应：产酸、产气, pH6.3-7.2,吲哚反应（I）：色氨酸酶,甲基红反应（M）：pH5.4,VP反应（V）：乙酰甲基甲醇，碱性、氧化成二乙酰，胍基，红色化合物,柠檬酸反应（C）：产生CO2，生成碳酸盐，弱碱性。,热原质，泛指那些能引起机体发热的物质，内源性/外源性。,毒素与侵袭性酶，多数细菌都能产生毒素，外毒素/内毒素。,细菌素，具有杀细菌作用的蛋白质类物质。,色素，在一定条件下