作者：陈锦英
核质（nuclear material） 细菌是原核细胞，不具有成形的核。细菌的遗传物质称为核质或拟核（nucleoid），集中于细胞质的某一区域，多在菌体中央，无核膜、核仁和有丝分裂器；因其功能与真核细胞的染色体相似，故习惯上亦称之为细菌的染色体（chromosome）。
细菌核质为单倍体，细胞分裂时可有完全相同的多拷贝。核质由单一密闭环状DNA分子反复回旋卷曲盘绕组成松散网状结构。在电镜支持膜上直接温和裂菌观察， 显示有类似于真核细胞染色质的串珠样结构。核质的化学组成除DNA外，还有小量的RNA（以RNA多聚酶形式）和组蛋白样的蛋白质（histone-like proteins）。细菌经RNA酶或酸将RNA水解，再用Feulgen法染色，光学显微镜下可看到着染的核质，形态多呈球形、棒状或哑铃状。大肠埃希菌的核质分子量约3×109，伸展后长度可达1.1mm，含4639kb，可以有3000～5000个基因。
细菌的染色体与真核细胞染色体相比， 有两个显著的不同： 一是前者的DNA量要小得多， 其序列的排列也就简单得多。二是除了RNA基因通常是多拷贝， 以便装备大量的核糖体满足细菌的迅速生长繁殖外， 细菌绝大多数的蛋白质基因保持单拷贝形式，很少有重复序列。
二、细菌的特殊结构
荚膜（capsule） 某些细菌在其细胞壁外包绕一层粘液性物质，为多糖或多肽的多聚体，用理化方法去除后并不影响菌细胞的生命活动。将粘液性物质牢固地与细胞壁结合，厚度≥0.2μm ，边界明显者均称为荚膜（图1-2）；厚度＜0.2μm者称为微荚膜（microcapsule），伤寒沙门菌的Vi抗原，以及大肠埃希菌的K抗原等属之。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或糖被（glycocalyx），由多糖组成，是从菌体伸出的纤维构成疏松网状结构。某些细菌在体内外附着于宿主细胞表面或无生命物体表面，通过荚膜多糖或糖萼使细菌相互粘连形成的结构群体（structured community）称为生物膜（biofilm）。
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、鼠疫耶尔森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85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，可藉此将细菌分型。
荚膜的形成需要能量，与环境条件有密切关系。一般在动物体内或含有血清或糖的培养基中容易形成荚膜，在普通培养基上或连续传代则易消失。有荚膜的细菌在固体培养基上形成粘液（M）型或光滑（S）型菌落，失去荚膜后其菌落变为粗糙（R）型。
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，另一为调理素介导的吞噬。表面吞噬是吞噬细胞直接摄取细菌等颗粒性异物，被吞菌并不被IgG抗体和活化的补体组分C3b包被。这种吞噬的强弱与被吞颗粒表面的理化性质关系极大。颗粒表面的疏水性与表面吞噬的强度密切相关，菌体表面越疏水，细菌抗吞噬作用越差。荚膜多糖亲水且带负电荷，故能阻滞表面吞噬活性。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，从而抵抗补体介导的杀伤作用。
（2）粘附作用：荚膜多糖或糖萼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，导致生物材料（如人工心脏瓣膜、伤口引流管等）相关感染性疾病或慢性感染的反复发作。生物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。此外，包被有生物膜的细菌对抗生素的敏感性大大降低。变异链球菌（Streptococcus mutans）依靠糖萼将其本身和其他细菌粘附在牙齿表面，形成菌斑。然后，菌斑内的细菌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。
（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的损伤作用。
鞭毛（flagellum） 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，少仅1～2根，多者达数百。这些丝状物称为鞭毛，是细菌的运动器官。鞭毛长5μm～20μm，直径12nm～30nm，需用电子显微镜观察，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1-9）。
图1-9 鞭毛（变形杆菌）
鞭毛染色 ×1000
根据鞭毛的数量和部位，可将鞭毛菌分成4类（图1-10）：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。
图1-10 细菌鞭毛的类型
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1-11）。
图1-11 大肠埃希菌鞭毛结构模式图
（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环和S环，附着在细胞膜上；另一对是P环和L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，位于细胞膜内面的细胞质内。 基底部圆柱体周围的发动器为鞭毛运动提供能量， 近旁的开关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。
（2）钩状体（hook）：位于鞭毛伸出菌体之处，呈约90°的钩状弯曲。鞭毛由此转弯向外伸出，成为丝状体。
（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，可能与鞭毛的运动有关。
细菌是由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（proton motive force）。鞭毛发动器能够顺时针或逆时针方向转动，从而决定细菌游动的方向。当发动器逆时针方向转动时，鞭毛的丝状体结合成一束拖在菌体后，推动细菌向前进；若发动器呈顺时针方向转动，束状丝状体松开，细菌停顿或向相反方向游动。平时，细菌以这两种方式交替游动，称为随意移动。
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，细菌的运动有化学趋向性，常向营养物质处前进，而逃离有害物质。
有些细菌的鞭毛与致病性有关。例如霍乱弧菌、空肠弯曲菌等通过活泼的鞭毛运动穿透小肠粘膜表面覆盖的粘液层，使菌体粘附于肠粘膜上皮细胞，产生毒性物质导致病变的发生。
根据有鞭毛菌的动力和鞭毛的抗原性，可用以鉴定细菌和进行细菌分类。
菌毛（pilus或fimbriae） 许多革兰阴性菌和少数革兰阳性菌菌体表面存在着一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物，与细菌的运动无关，称为菌毛。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1-12）。
图1-12 大肠埃希菌的菌毛
透射电镜 ×20000
根据功能不同，菌毛可分为普通菌毛和性菌毛两类。
1．普通菌毛（ordinary pilus） 长0.2μm～2μm，直径3nm ～8nm。遍布菌细胞表面，每菌可达数百根。这类菌毛是细菌的粘附结构，能与宿主细胞表面的特异性受体结合，是细菌感染的第一步。因此，菌毛和细菌的致病性密切相关。菌毛的受体常为糖蛋白或糖脂，与菌毛结合的特异性决定了宿主感染的易感部位。同样，如果红细胞表面具有菌毛受体的相似成分，不同的菌毛就会引起不同类型的红细胞凝集，称此为血凝（hemagglutination，HA），藉此可以鉴定菌毛。例如大肠埃希菌的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；能凝集豚鼠红细胞，可被D-甘露糖所抑制，称为甘露糖敏感性血凝（mannitol sensitive hemagglutination，MSHA）。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，能凝集P血型阳性红细胞，且不被甘露糖所抑制，称为甘露糖抗性血凝（mannitol resistant hemagglutination，MRHA），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居，一旦丧失菌毛，其致病力亦随之消失。
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。比普通菌毛长而粗，中空呈管状。性菌毛由F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）。细菌编码毒力和耐药性等性状的遗传物质也可通过此方式传递。此外，性菌毛也是某些噬菌体吸附于菌细胞的受体。
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，是细菌的休眠形式，称为内芽胞（endospore），简称芽胞。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。芽胞一般只是在动物体外才能形成，其形成条件因菌种而异。
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。
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 1-13）。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；肉毒梭菌芽胞亦比菌体大，位于次极端。
图1-13 细菌芽胞的形态
成熟的芽胞具有多层膜结构（图1-14）。芽胞核心是芽胞的原生质体，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。芽胞壁含肽聚糖，发芽后成为细菌的细胞壁。皮质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，含有脂蛋白和糖类。
图1-14 细菌芽胞的结构
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、启动和长出三个连续阶段。整个过程大约需要90分钟。热刺激（如60℃1小时或85℃5分钟）、pH值降低和含硫氢基化合物均可活化芽胞发芽。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。由于代谢活性和呼吸增强，生物合成加速，顺序为RNA、蛋白质、脂质，最后是DNA。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，仅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再致病。
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（枯草芽胞杆菌黑色变种）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。