细菌细胞壁与革兰氏染色

上节课回顾

上节课我们主要讲了细菌的基本形态，细菌根据其基本形态分为三种，球菌、杆菌和螺旋菌。下面我们简单回顾一下这三类细菌。

首先是球菌，球菌根据其分裂的方向和分裂后连接的方式分为下图几类，单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。

其次是杆菌，杆菌是细菌中种类最多的类型。其菌体细胞的形状有下面几种，短杆状、棒状、梭状、分支状、螺杆状、竹节状等。

最后一类是螺旋菌，螺旋菌根据其螺旋的环数多少分成三类，不到一环的是弧菌、2-6环为螺旋菌、6环以上为螺旋体。

当然，细菌不只有这三种基本的形态，还有一些特殊的形态，种类极少，像丝状和方形细菌。

在介绍细菌的细胞壁之前，我们首先来了解一下细菌的基本结构，如图，细菌细胞的结构分为一般结构和特殊结构，一般结构是所有细菌所共有的结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核。从这张模式图上我们可以看到细菌的细胞和真核生物的细胞最大的不同就是无核膜。

而特殊结构只有部分细菌具有或者某些细菌在特殊的条件下产生，主要有四类，即荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢。下面我们通过图片了解一下这四类页数结构。

荚膜是某些细菌在生长繁殖过程中能合成,并向细胞壁外分泌一层疏松透明的粘液状质，厚者为荚膜；薄者微荚膜，般染色法不易着色，光镜下呈透明圈。

鞭毛是伸出于菌体表面细长弯曲的丝状物，鞭毛为细菌的运动器官。

菌毛较鞭毛更细、短、 直、数目多，必须用电子显微镜观察，菌毛和鞭毛的区别，举一个例子，鞭毛就像人的四肢，具有运动功能，而菌毛则像人的头发、汗毛。

芽孢则是某些细菌在生长发育后期，在细胞内形成的一个圆形或椭圆形，厚壁，含水量低，抗逆性强的休眠体构造。

我们在这里先简单介绍一些这四类特殊构造的基本形态，它们具体的结构和功能我们在后面还会专门讲到。

在细菌的结构中，最重要的就是细胞壁，这是本章的最重要的知识点，也是本课程的重点内容。我们先来了解一下细胞壁的概念。细胞壁是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。在这个概念中，大家要注意几点，一是位于细胞表面而不是细胞最外层，有点教材上的概念就是最外层，这个说法不够确切，因为刚刚我们讲到了有些细菌的最外层是荚膜。二是紧贴细胞膜说的是它的位置，虽然紧贴，但可以用质壁分离的方法把它们分离开，便于观察细胞壁。三是细胞壁的基本特点，坚韧略具弹性，这个特点可以保护细菌当低渗环境中膨胀而不破裂。

细胞壁对于细菌非常的重要，下面我们就来介绍一下细胞壁的功能。

（1）固定细胞外形和提高机械强度；细菌呈现各种外形一种很重要的原因就是有细胞壁，比如一个杆状细菌，除去细胞壁后的原生质体会变成球型。提高机械强度，我们刚才从细胞壁的概念上讲到了细胞壁的基本特点是坚韧略具弹性，包含细胞吸水膨胀不破裂，比如大肠杆菌的细胞壁能够承受2个大气压的压力，相当于汽车内胎的压力。举例：细胞壁就相当于自行车的外车胎，如果外胎破损了，内胎很容易炸。

（2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；

首先解释和生长的关系，随着细菌的生长变大，细胞壁也会随着变大，否则细菌就永远一个大小了。和分裂的关系，上节课我们讲了细菌是以二等分裂繁殖的，在这个过程中，中间部分的细胞壁后凹陷分离成两个细菌。和鞭毛运动的关系，后面我们会学到细菌的鞭毛是生长在细胞膜上的，但鞭毛的运动支点是由细胞壁提供的。可以通过实验证实，当细菌失去

细胞壁后，它的鞭毛将不能运动。举例：头发长在头皮上，头发自己是不会动的，但中间加一把梳子就能摆动头发，梳子就相当于细胞壁，头皮就相当于细胞膜。

（3）渗透屏障，阻拦抗生素等大分子物质（分子量大于800）进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；细胞壁是一层网格状结构，就像一层防护网罩在细胞表面，阻拦抗生素等大分子物质对细菌的伤害。细胞壁相当于细菌的防盗网。

（4）细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础；

细菌的抗原性与细胞壁有关，例如一些致病菌侵入人体后会使人产生抗体，促使人产生抗体的物质就是抗原，细菌的抗原就是由细胞壁提供给的。细菌侵入人体生长繁殖会产生一些对人有刺激性的毒素，这些毒素也是由细胞壁提供的。一些抗生素如青霉素杀菌原理就是通过破坏细胞壁来杀死细菌。噬菌体进入细菌内时需要一把钥匙，这把钥匙就存在于细胞壁上，噬菌体需要先识别细胞壁上的这些钥匙才能进入细菌内。

革兰氏染色：

正染色和负染色：而背景因未被染色而呈光亮，这种染色称为正染色。而负染色则相反，由于染液中某些电子密度高的物质(如重金属盐等)"包埋"低电子密度的样品，结果在图像中背景是黑暗的，而样品像"透明"地光亮。两者之间的反差正好相反，故称为负染色。 革兰氏染色在细菌分类上的地位就像把人分成男女，把动物分成雌雄一样。

在脱色过程中，可能因为脱色过度，将革兰氏阳性菌脱色，也可能脱色不够，革兰氏阴性菌未脱色，所以做革兰氏染色时注意作对照，对照有两种方法，一种是混合法，就是找一种和要鉴定的菌不同形状的已知菌作对照，混合染色。另一种是在同一个载玻片上设对照。 直到1983年，用铂代替碘液对细菌进行染色后在电镜下观察，发现染色的不同跟细胞壁的构造有关。

革兰氏染色原理：

G＋菌：细胞壁厚，肽聚糖网状分子形成一种透性障，当乙醇脱色时，肽聚糖脱水而孔障缩小，故保留结晶紫-碘复合物在细胞膜上。呈紫色。

Gˉ菌：肽聚糖层薄，交联松散，乙醇脱色不能使其结构收缩，其脂含量高,乙醇将脂溶解，缝隙加大，结晶紫-碘复合物溶出细胞壁，沙黄复染后呈红色。

革兰氏阳性菌的细胞壁结构：

成分的区别：细菌-肽聚糖，真菌-几丁质，植物细胞-纤维素和果胶质。

细胞壁的机械强度有赖于肽聚糖的存在。合成肽聚糖是原核生物特有的能力。 细胞壁的厚度一般在10～25纳米之间，约占细胞总体积的20%。

凡能破坏肽聚糖结构或抑制其合成的物质，大多能损伤细菌细胞壁而杀伤细菌，如溶菌酶、青霉素等。溶菌酶水解的是β-1,4糖苷键，青霉素攻击肽尾和肽桥连接的部分转肽酶。 肽桥就像钢筋把各条聚糖N-乙酰胞壁酸上的肽尾连接起来，形成一种牢固的网状结构。 N-乙酰胞壁酸是原核生物特有的己糖。

只有细菌的细胞壁含有肽聚糖。

磷壁酸使细胞壁形成一个负电荷环境，所以碱性燃料更有利于染色。

S .aureus 金黄葡萄球菌

在N - 乙酰胞壁酸上的四肽尾为L-Ala（丙氨酸）→ D-Glu（谷氨酸）→ L-Lys（赖氨酸）→ D-Ala（丙氨酸）

金黄色葡萄球菌的肽桥为五个甘氨酸组成的五肽，交联的肽链占肽链总数的 75～100％。立体的交联使肽聚糖形成多层次网状结构。

肽键(peptide bond)一分子氨基酸的α－羧基和一分子氨基酸的α－氨基脱水缩合形成的酰胺键，即-CO-NH-。氨基酸借肽键联结成多肽链。

一个氨基酸不能称为肽，也不能合成肽，必须是两个或两个以上氨基酸以肽键相连的化合物。两个氨基酸以肽键相连的化合物称为二肽；三个氨基酸以肽键相连的化合物称为三肽，以此类推。

α/β指C1、C5基团同侧/异侧位。

一个手性碳原子可以有两种构型，所以，含有一个手性碳原子的化合物有两种构型不同的分子，它们组成一对对映异构体，一个使偏振光右旋D，另一个使偏振光左旋L。 人体是左旋还是右旋？

生命最基本的东西氨基酸也有手性（左右）之分。检验手性的最好方法就是，让一束偏振光通过它，使偏振光发生左旋的是左旋氨基酸，反之则是右旋氨基酸。通过这种方法的检验，人们发现了一个令人震惊的事实，那就是除了少数动物或昆虫的特定器官内含有少量的右旋氨基酸之外，组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸！

右旋体有什么危害？

右旋分子是人体生命的克星，因为人是由左旋氨基酸组成的生命体，它不能很好地代谢右旋分子，所以食用含有右旋分子的药物就会成为负担，甚至造成对生命体的损害。上个世纪60年代，有一个叫典子的日本姑娘，她天生没有双臂，可是她用双脚学会了写字、做饭、穿衣，而且还学会了游泳，完全做到了生活自理。她的事迹感动了许许多多的人，人们在关心典子的同时也不禁会问；典子的父母都是健康的正常人，为什么典子会天生没有双臂呢？与不幸的典子一样来到这个世界的残疾婴儿在全世界有好几万。后来发现，之所以会发生这样的悲剧只因为她的母亲服用了一种叫“反应停”的药物。反应停里的一种分子具有治疗作用，可以减轻孕妇的早期妊娠反应，但是它的对映体（右旋体）却使用药的母亲生下了残疾的孩子。

为什么药物必须考虑手性问题？

正是有了60年代的这个教训，所以现在的药物在研制成功后，都要经过严格的生物活性和毒性试验，以避免其中所含的另一种手性分子对人体的危害。在化学合成中，这两种分子出现的比例是相等的，所以对于医药公司来说，每生产一种药物，最好要把另一半分离出来。但是，这个造福人类的技术还被某些国家所垄断，人们只好多花钱才能享受到。如已经用于临床的降血压“左旋氨氯地平”，治疗甲减的“左旋甲状腺素”，抗菌的“左旋氧佛沙星”等。

甘油磷酸是细菌细胞壁磷壁酸的主要成分之一。

细菌保存法：时间最久的是冻干保存法，将菌液和脱脂奶粉混合冻干真空，-80℃保存。 Mg2+是酶的一种辅助因子，没有它，酶的活性发挥不出来；两者必须在适当的比例下，才能发挥出良好的功效；

磷壁酸抗原性很强，是革兰氏阳性菌的重要表面抗原；在调节离子通过粘液层中起作用；也可能与某些酶的活性有关；某些细菌的磷壁酸，能粘附在人类细胞表面，其作用类似菌毛，可能与致病性有关。

自溶素是细菌自身产生的可降解细菌细胞壁的蛋白水解酶，与细菌细胞分裂、生物膜形成、表面黏附、遗传感受态和细胞壁更新有关。自溶素的活性受到严格调控。

周质酶位于细菌细胞壁和细胞膜之间的酶。

一般细菌毒素可分为两类，一类为外毒素（Exotoxin）；它是一种毒性蛋白质，是细菌在生长过程中分泌到菌体外的毒性物质。产生外毒素的细菌主要是革兰氏阳性菌。如白喉杆菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰氏阴性菌。另一类为内毒素（Endotoxin）。是革兰氏阴性菌的细胞壁的产物。细菌在生活状态时不释放出来，只有当细菌死亡自溶或粘

附在其它细胞时，才表现其毒性，内毒素的主要化学成分是脂多糖中的类脂A成分。类脂A是脂化的葡萄胺二糖，通过焦磷酸酯键组成的一种独特的糖脂化合物，具有致热作用，是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。

抗原决定簇（antigenic determinant）：决定抗原性的特殊化学基团。又称抗原表位。抗原决定簇大多存在于抗原物质的表面，有些存在于抗原物质的内部，须经酶或其他方式处理后才暴露出来。一个天然抗原物质可有多种和多个决定簇。抗原分子越大，决定簇的数目越多。