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革兰氏阳性菌

革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌是利用革兰氏染色法来鉴别的两大类细菌。大多数化脓性球菌都属于革兰氏阳性菌,它们能产生外毒素使人致病,而大多数肠道菌多属于革兰氏阴性菌,它们产生内毒素,靠内毒素使人致病。

自然界存在多种多样病菌,如何将这些病菌加以鉴别、分类,并选择有效药物进行治疗这是很重要的问题。

1884年革兰氏染色法被发明,用于细菌的形态观察和分类,根据革兰氏染色反应的基本特征,细菌可以主要分为两大类:G阳性(G)和G阴性(G)。前者经过染色后细菌细胞仍然保留初染结晶紫的蓝紫色,后者经过染色后细菌细胞则先脱去了初染结晶紫的颜色,带上了复杂蕃红或沙黄的红色。 [1]

细胞的基本结构包括细胞壁和原生质体两部分。原生质体位于细胞壁内,包括细胞膜(细胞质膜)、细胞质、核质和内含物。另外细胞还含有有些特殊结构,主要有荚膜、芽孢、鞭毛和菌毛等4种。

1.细胞壁

革兰氏染色的机理主要是抓住了革兰氏阳性细菌与阴性细菌在细胞壁的结构与组成上的不同,具体比较见下表:

进一步的,革兰氏阳性细菌的细胞壁主要由肽聚糖和包括磷酸壁的酸性多糖构成,细胞表面整体带负电的部分原因就是因为磷酸壁带负电。同时,磷酸壁赋予了革兰氏阳性细菌以特异的表面抗原。

总的说来,细胞壁结构的差异导致了染料吸收的差异,也导致了很多生理特性的不同。

2.非细胞壁结构

性质

革兰氏阳性细菌

革兰氏阴性细菌

内壁层

外壁层

结构

厚度()

20~80

2~3

8

层次

单层

多层

肽聚糖关系

多层,75%亚单位交联,网络紧密坚固

单层,30%亚单位交联,网络较疏松

与细胞膜关系

不紧密

紧密

组成

肽聚糖

占细胞干重的40%~90%

5%~10%

磷聚(酸)酯

有或无

多糖

蛋白质

有或无

脂多糖

有或无

11%~22%

在非细胞壁结构中,革兰氏阳性细菌和阴性细菌主要的区别在于是否有芽孢和鞭毛与性菌毛的不同上。

芽孢是某些细菌菌体发育过程中的一个阶段,在一定的环境条件下由于细胞质和核质的浓缩凝集形成的一种特殊结构。革兰氏阴性细菌中没有会形成芽孢的菌种,而部分革兰氏阳性细菌可以。

另外,在鞭毛和性菌毛方面两者也有不同。鞭毛和性菌毛都是附属物。某些细菌表面伸出的细长、波曲的附属物称为鞭毛。(顾夏生,胡洪营,文湘华,王慧等.水处理生物学.北京:中国建筑工业出版社.2010年.P16)革兰氏阳性细菌的鞭毛上基本着生两个环,革兰氏阴性细菌则基本着生四个环。(赵开弘.环境微生物学.武汉:华中科技大学.2009年.P30)性菌毛只见于革兰氏阴性菌,参与细胞间称作接合作用的交配过程。

以下是关于革兰氏阳性细菌和阴性细菌在生理特性方面的比较。两者的不同从本质上来说,还是主要是由细胞结构的不同所决定的。

项目

革兰氏阳性细菌

革兰氏阴性细菌

对机械力的抗性

细胞壁抗溶菌酶

弱(敏感)

强(不敏感)*

对青霉素、磺胺

敏感

不敏感*

对链霉素、氯霉素、四环素

不敏感

敏感

对碱性染料的抑菌作用

弱*

对阴离子去污剂

敏感

不敏感*

对叠氮化钠

敏感

不敏感

对干燥

抗性强

抗性弱

*细胞壁最外层的脂多糖阻碍溶菌酶、抗生素、染料、去污剂等较大分子进入

常见的革兰氏阳性菌有:葡萄球菌(Staphylococcus)、链球菌(Streptococcus)、肺炎双球菌、炭疽杆菌、白喉杆菌、破伤风杆菌等;常见的革兰氏阴性菌有痢疾杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、及霍乱弧菌等。

在治疗上,大多数革兰氏阳性菌都对青霉素敏感(结核杆菌对青霉素不敏感);而革兰氏阴性菌则对青霉素不敏感(但奈瑟氏菌中的流行性脑膜炎双球菌和淋病双球菌对青霉素敏感),而对链霉素、氯霉素等敏感。所以首先区分病原菌是革兰氏阳性菌还是阴性菌,在选择抗生素方面意义重大。 [2]

革兰氏阳性菌细胞壁较厚,约20~80nm。肽聚糖含量丰富,有15~50层,每层厚度1nm,约占细胞干重的50~80%。此外,尚有大量特殊组份磷壁酸(teichoic acid)。磷壁酸是由核糖醇(ribitol)或甘油(glycerol)残基经由磷酸二键互相连接而成的多聚物。磷壁酸分壁磷壁酸(wall teichoic acid)和膜磷壁酸(membrane teichoic acid)两种,前者和细胞壁中肽聚糖的n-乙酰胞壁酸连结,膜磷壁酸又称脂磷壁酸(lipteichoic acid)和细胞膜连结,另一端均游离于细胞壁外。磷壁酸抗原性很强,是革兰氏阳性菌的重要表面抗原;在调节离子通过粘肽层中起作用;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。此外,某些革兰氏阳性菌细胞壁表面还有一些特殊的表面蛋白,如a蛋白等,都与致病有关。

革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的细胞壁结构显著不同,导致这两类细菌在染色性、抗原性、毒性、对某些药物的敏感性等方面的很大差异。

革兰氏染色的结果取决于细菌细胞壁的结构即革兰氏染色原理为: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。革兰氏阳性菌细胞壁厚约20-80nm,有15-50层肽聚糖片层,含20-40%的磷壁酸。革兰氏阴性菌细胞壁厚约10nm,仅2-3层肽聚糖,另外还有脂多糖、细菌外膜和脂蛋白。

放线菌(Actinomycete)是另一大类革兰氏阳性菌,根据DNA中鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的含量,放线菌被称为高G+C革兰氏阳性菌,而厚壁菌被称为低G+C革兰氏阳性菌。如果细胞的第二层膜是衍生特征,这两类革兰氏阳性菌可能是细菌基部的分支,否则它们可能组成关系相对较近的单系群。它们被认为可能是古细菌和真核生物的祖先,因为它们都缺乏第二层膜,并且具有一些生化上的相似性,比如含有固醇类。此外,尽管恐球菌-栖热菌(Deinococcus-Thermus)类细菌结构上类似革兰氏阴性菌,但也可被染成革兰氏阳性

革兰氏染色原理目前有三种观点:等电点学说、化学学说和渗透学说。

革兰氏阳性菌的等电点在pH2-3,比阴性菌(pH4-5)低,加之碘为弱氧化剂,可降低革兰氏阳性菌的等电点,致使两类菌的等电点差异扩大,因此阳性菌和碱性染料的结合力比阴性菌更强。

碘液在菌体内与结晶紫结合后又和菌体内核糖核酸镁盐-蛋白质复合物结合,此结合物不易被丙酮酒精脱掉,呈革兰氏染色阳性。因革兰氏阴性菌缺乏核糖核酸镁盐,故对碘与结晶紫结合物摄取少,且不牢固,易被丙酮酒精脱色而呈革兰氏染色阴性。

乙醇使阳性菌所含粘肽多糖脱水而致细胞壁间隙缩小,通透性降低,在菌体内保留了染料-碘复合物,呈紫色。阴性菌含粘肽少,细胞壁变化不大,通透性不受影响,菌体内的染料-碘复合物较易透出,失去紫色,被复染成为红色。


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