4.4: 革兰氏阳性细菌
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- 200233
学习目标
- 描述每类高 G+C 和低 G+C 革兰氏阳性细菌的独特特征
- 确定高 G+C 和低 G+C 细菌群之间的相似之处和差异
- 举一个例子，说明通常与每个类别相关的高 G+C 组和低 G+C 组的细菌
如果原核生物具有形成细胞壁的多层肽聚糖基质，则它们被识别为革兰氏阳性。 晶紫是革兰染色程序的主要染色剂，很容易在该基质中保留和稳定，导致革兰氏阳性原核生物在革兰染色后在明场显微镜下呈紫色。 多年来，革兰染色的保留一直是用于对原核生物进行分类的主要标准之一，尽管有些原核生物不容易用革兰染色程序中使用的主要或次要污渍进行染色。
核酸生物化学的进展揭示了可用于对革兰氏阳性原核生物进行分类的其他特征，即DNA中的鸟嘌呤与胞嘧啶比率（G+C）和16S rRNA亚基的组成。 微生物学家目前识别出两组不同的革兰氏阳性或弱染色革兰氏阳性的原核生物。 放线杆菌类包括高G+C革兰氏阳性细菌，其DNA中含有超过50％的鸟嘌呤和胞嘧啶核苷酸。 杆菌类包括低G+C革兰氏阳性细菌，其DNA中鸟嘌呤和胞嘧啶核苷酸少于50％。
放线菌：高 G+C 革兰阳性细菌
Actinobacteria 这个名字来自希腊语，意为射线和小棒，但是 Actinobacteria 非常多样化。 它们的微观外观可以从细的丝状分支棒到可可杆菌不等。 有些放线菌非常庞大且复杂，而另一些则是最小的独立活生物体之一。 大多数放线菌生活在土壤中，但有些是水生的。 绝大多数是有氧运动。 该组的一个显著特征是细胞壁中存在几种不同的肽聚糖。
放线菌属是经过广泛研究的放线杆菌代表。 放线菌属在土壤生态学中起着重要作用，有些物种是人类病原体。 许多 A ctinomyces spp. 栖息在人体口腔中，是机会性病原体，会引起传染病，例如牙周炎（牙龈发炎）和口腔脓肿。 A. israelii 物种是一种因引起心内膜炎（心脏内膜发炎）而臭名昭著的厌氧菌（图\(\PageIndex{1}\)）。
分枝杆菌属以覆盖有霉菌酸涂层的杆菌为代表。 这种蜡质涂层可保护细菌免受某些抗生素的侵害，防止它们变干，并阻断革兰染色试剂的渗透（参见染色显微标本）。 因此，使用了特殊的耐酸染色程序来可视化这些细菌。 分枝杆菌属是各种传染病的重要原因。 结核杆菌是结核病的病原体，这种疾病主要影响肺部，但也可能感染身体的其他部位。 据估计，世界上有三分之一的人口感染了结核杆菌，每年有数百万新感染病例。 结核分枝杆菌的治疗具有挑战性，需要患者长时间服用多种药物。 这种病原体的耐多药菌株的开发和传播使治疗更加复杂。
另一种致病物种麻风杆菌是汉森氏病（麻风病）的病因，汉森氏病（麻风病）是一种慢性疾病，会影响周围神经以及呼吸道皮肤和粘膜表面的完整性。 疼痛感的丧失和皮肤损伤的存在会增加继发性损伤和其他病原体感染的易感性。
Corynebacterium 属中的细菌的细胞壁中含有二氨基吡美酸，在显微镜下通常会形成栅栏或成对类似字母 V 的棒状细胞。细胞可能含有变色颗粒，即有用的无机磷酸盐的细胞内储存用于鉴定棒状杆菌。 绝大多数棒状杆菌属是非致病性的；但是，白喉梭菌是白喉的病原体，白喉是一种可能致命的疾病，尤其是在儿童中（图\(\PageIndex{1}\)）。 白喉梭菌产生的毒素会在患者的喉咙中形成假膜，导致肿胀、呼吸困难和其他症状，如果不加以治疗，这些症状可能会变得严重。
双歧杆菌属由丝状厌氧菌组成，其中许多常见于胃肠道、阴道和口腔中。 实际上，双歧杆菌属构成人类肠道微生物群的重要组成部分，经常用作益生菌和酸奶生产。
Gardnerella 属仅包含一个物种，即 G. vaginalis。 该物种被定义为 “革兰氏变量”，因为它的小球杆菌在革兰染色时不会显示出一致的结果（图\(\PageIndex{1}\)）。 根据其基因组，它被归入高G+C革兰氏阳性组。 阴道杆菌可导致女性细菌性阴道炎；症状通常较轻甚至无法察觉，但可能导致妊娠期并发症。
表\(\PageIndex{1}\)总结了放线杆菌一些重要属的特征。
| 示例属 | 微观形态学 | 独特的特征 |
|---|---|---|
| 放线菌 | 革兰阳性杆菌；在菌落中，显示真菌样线（菌丝） | 兼性厌氧菌；在土壤中，分解有机物；在人体口中，可能导致牙龈疾病 |
| Arthrobacter | 革兰阳性杆菌（处于指数生长阶段）或球菌（处于固定期） | 强化有氧细胞；通过 “捕捉” 分裂，形成类似 V 的子细胞对；降解苯酚，可用于生物修复 |
| 双歧杆菌 | 革兰氏阳性、丝状放线杆菌 | 厌氧菌常见于人类肠道微生物群 |
| 棒状杆菌 | 革兰阳性芽孢杆菌 | A erobes 或兼性厌氧菌；形成栅栏；生长缓慢；培养中需要富含培养基；白喉梭菌会导致白喉 |
| 弗兰基亚 | 革兰氏阳性、类真菌（丝状）芽孢杆菌 | 固氮细菌；与豆类共生 |
| Gardnerella | 革兰变量球菌 | 定植人体阴道，可能改变微生物生态学，从而导致阴道炎 |
| 微球菌 | 革兰阳性球菌，形成微观集群 | 在环境和人体皮肤上无处不在；氧化酶阳性（与形态相似的金黄色葡萄球菌相反）；有些是机会性病原体 |
| 分枝杆菌 | 革兰氏阳性、耐酸芽孢杆菌 | 生长缓慢，有氧运动，耐干燥和吞噬作用；覆盖着由霉醇酸制成的蜡质外套；结核杆菌会导致结核病；麻风杆菌会导致麻风 |
| 诺卡迪亚 | 弱革兰阳性芽孢杆菌；形成耐酸分支 | 可能定植人体牙龈；可能导致严重的肺炎和皮肤发炎 |
| 丙酸杆菌 | 革兰阳性芽孢杆菌 | Aerotolerant anaerobe；生长缓慢；痤疮杆菌在人体皮脂腺中繁殖，可能导致或促成痤疮 |
| 红球菌 | 革兰阳性芽孢杆菌 | 严格的 aerobe；工业中用于污染物的生物降解；R. fas cians 是一种植物病原体，而 R. equi 会导致小马驹患肺炎 |
| 链霉菌 | 革兰氏阳性、类真菌（丝状）芽孢杆菌 | 非常多样的属（>500 种）；有氧细菌、孢子形成细菌；土壤中发现的食腐剂、分解剂（使土壤具有 “泥土” 气味）；在制药行业用作抗生素生产者（超过三分之二的临床上有用的抗生素） |
练习\(\PageIndex{1}\)
放线杆菌的一个显著特征是什么？
低 G+C 革兰阳性细菌
低G+C革兰氏阳性细菌的DNA中鸟嘌呤和胞嘧啶含量低于50％，而这组细菌包括许多致病细菌属。
临床重点：第 3 部分
根据她的症状，玛莎的医生怀疑她患有肺结核。 尽管结核病在美国不太常见，但在包括尼日利亚在内的世界许多地方仍然极为常见。 玛莎在医疗实验室的工作很可能使她接触了结核分枝杆菌，这是一种导致结核的细菌。
玛莎的医生命令她待在家里，戴上呼吸面罩，并尽可能将自己限制在一个房间里。 他还说玛莎必须放学一个学期。 他开了异烟肼和利福平处方，这是一种用于治疗肺结核的药物混合物中的抗生素，玛莎每天服用三次，持续至少三个月。
练习\(\PageIndex{2}\)
为什么医生命令玛莎待在家里三个月？
梭状芽孢杆菌
梭状芽孢杆菌是低G+C革兰氏阳性细菌中的一大类多样化细菌。 该类中研究得最好的属是梭状芽孢杆菌。 这些棒状细菌通常是产生内孢子的专有厌氧菌，可以在土壤和富含有机营养素的水生沉积物等厌氧栖息地中找到。 内孢子可以存活很多年。
梭状芽孢杆菌产生的蛋白质毒素种类比任何其他细菌属都要多，有几种物种是人类病原体。 产气@@ 荚膜梭状芽孢杆菌是美国食物中毒的第三大常见原因，也是一种称为气性坏疽的更严重疾病的病原体。 气性坏疽发生在 C. perfringens en dospores 进入伤口并发芽，成为活的细菌细胞并产生可能导致组织坏死（死亡）的毒素时。 导致@@ 破伤风的破伤风杆菌会产生一种神经毒素，这种毒素能够进入神经元，传播到中枢神经系统的区域，在那里它会阻断对肌肉收缩所涉及的神经冲动的抑制，并导致危及生命的痉挛性麻痹。 肉毒杆菌会产生肉毒杆菌神经毒素，这是已知最致命的生物毒素。 肉毒杆菌毒素是导致罕见但经常致命的肉毒中毒病例的原因。 毒素阻断神经肌肉连接处乙酰胆碱的释放，导致松弛性麻痹。 肉毒杆菌毒素的浓度非常低，已被用于治疗人类的肌肉病变，并用于消除皱纹的整容手术。 艰难梭菌是医院获得性感染的常见来源（图\(\PageIndex{2}\)），可导致严重甚至致命的结肠炎（大肠发炎）病例。 感染通常发生在免疫抑制或正在接受抗生素治疗以改变胃肠道正常微生物群的患者身上。
乳酸杆菌
Lactobacillales 包含低 G+C 革兰氏阳性细菌，包括乳杆菌、Leuconostoc、Enteroccus 和 St reptoccus 属中的杆菌和球菌。 后三个属的细菌通常是球形或卵形的，通常形成链。
链球菌的名字来自希腊语中的扭链，是造成人类多种传染病的原因。 来自该属的物种，通常被称为链球菌，通常按称为兰斯菲尔德群的血清型以及它们在血琼脂上生长时裂解红细胞的能力进行分类。
化@@ 脓杆菌属于 Lancefield A 组，β-溶血性链球菌。 该物种被认为是化脓性病原体，因为观察到的脓液产生与它引起的感染有关（图\(\PageIndex{3}\)）。 化@@ 脓杆菌是细菌性咽炎（链球菌性喉炎）的最常见病因；它也是各种皮肤感染的重要原因，这些感染可能相对较轻（例如脓疱病）或危及生命（例如坏死性筋膜炎，也称为食肉病），危及生命。
非化脓性（即与脓液产生无关）链球菌是一组链球菌物种，它们不是分类单元，但由于它们居住在人口中而归为一组。 非化脓性链球菌不属于任何兰斯菲尔德群体。 大多数是共鸣，但有几个，例如变异杆菌，与龋齿的发展有关。
肺炎杆菌（通常称为肺炎球菌）是一种链球菌物种，也不属于任何兰斯菲尔德群体。 肺炎杆菌细胞在显微镜下表现为双球菌，成对的细胞，而不是大多数链球菌典型的长链。 自19世纪以来，科学家就知道肺炎杆菌会导致肺炎和其他呼吸道感染。 但是，这种细菌还可能导致各种其他疾病，包括脑膜炎、败血症、骨髓炎和心内膜炎，尤其是在新生儿、老年人和免疫缺陷患者中。
芽孢杆菌
杆菌类的名称表明它由形状为芽孢杆菌的细菌组成，但它是一个形态多样的类别，包括芽孢杆菌形和球菌形的属。 在该类的众多属中，有两个在临床上非常重要：芽孢杆菌和葡萄球菌。
芽孢杆菌属中的细菌形状为芽孢杆菌，可以产生内孢子。 它们包括有氧菌或兼性厌氧菌。 许多芽孢杆菌属用于各种行业，包括抗生素（例如 barnase）、酶（例如 α-淀粉酶、bamH1 限制性内切酶）和洗涤剂（例如枯草杆菌酶）的生产。
两种值得注意的病原体属于芽孢杆菌属。 炭疽杆菌是导致炭疽的病原体，炭疽是一种影响野生和家养动物的严重疾病，可以从受感染的动物传播给人类。 炭疽在人类表现为皮肤炭黑溃疡、严重小肠结肠炎、肺炎和肿胀引起的脑损伤。 如果不加以治疗，炭疽是致命的。 蜡样芽孢杆菌是一种密切相关的物种，是一种可能导致食物中毒的病原体。 它是一种形成链条的棒状物种。 在血琼脂上培养时，菌落呈乳白色，形状不规则（图\(\PageIndex{4}\)）。 另一个重要的物种是苏林根杆菌。 这种细菌会产生许多用作杀虫剂的物质，因为它们对昆虫有毒性。
葡萄球菌属也属于杆菌类，尽管它的形状是球菌而不是芽孢杆菌。 Staphyloccus 这个名字来自希腊语，意为 “一束葡萄”，它描述了它们在培养物中的微观外观（图\(\PageIndex{5}\)）。 葡萄球菌属兼性厌氧、嗜盐和非运动性。 该属中研究最多的两个物种是表皮葡萄球菌和金黄色葡萄球菌。
表皮杆菌的主要栖息地是人体皮肤，被认为对免疫系统健康的人没有致病性，但在免疫缺陷患者中，它可能会导致皮肤伤口和假体（例如人造关节、心脏瓣膜）的感染。 表皮梭菌也是与静脉注射导管相关的感染的重要原因。 这使其成为医院环境中的危险病原体，许多患者可能免疫功能低下。
金黄色葡萄球菌菌株会引起各种各样的人类感染，包括产生沸腾、carbuncles、蜂窝组织炎或脓疱病的皮肤感染。 某些金黄色葡萄球菌菌株会产生一种叫做肠毒素的物质，这种物质可能导致严重的肠炎，通常称为葡萄球菌食物中毒。 一些金黄色葡萄球菌菌株会产生导致中毒性休克综合征的毒素，这可能导致心血管衰竭和死亡。
许多金黄色葡萄球菌菌株对抗生素产生了耐药性。 一些抗生素耐药菌株被指定为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素金黄色葡萄球菌（VRSA）。 这些菌株是最难治疗的菌株之一，因为它们对几乎所有可用的抗生素都表现出耐药性，而不仅仅是甲氧西林和万古霉素。 由于抗生素难以治疗，感染可能是致命的。 MRSA 和 VRSA 也具有传染性，对医院、疗养院、透析机构和其他有大量老年人、卧床不起和/或免疫功能低下患者的场所构成严重威胁。
支原体
尽管支原体属没有细胞壁，因此不会被革兰染色试剂染色，但该属仍包含在低 G+C 革兰氏阳性细菌中。 支原体属包括100多个物种，它们具有多个独特的特征。 它们是非常小的细胞，有些直径约为0.2 μm，比一些大型病毒小。 它们没有细胞壁，因此是多态的，这意味着它们可能呈现各种形状，甚至可以类似于非常小的动物细胞。 由于它们缺乏特征形状，因此可能难以识别。 一种物种是肺炎杆菌，它会导致轻度肺炎，称为 “行走性肺炎” 或 “非典型肺炎”。 这种肺炎的严重程度通常不如其他细菌或病毒引起的肺炎那么严重。
| 示例属 | 微观形态学 | 独特的特征 |
|---|---|---|
| 芽孢杆菌 | 革兰阳性大型芽孢杆菌 | 有氧菌或兼性厌氧菌；形成内孢子；炭疽杆菌会导致牛和人类出现炭疽病，蜡样芽孢杆菌可能导致食物中毒 |
| 梭状芽孢杆菌 | 革兰阳性芽孢杆菌 | 严格的厌氧菌；形成内孢子；所有已知物种均具有致病性，可导致破伤风、气性坏疽、肉毒中毒和结肠炎 |
| 肠球菌 | 革兰阳性球菌；在培养物中形成微观对（类似于肺炎链球菌） | 厌氧耐气细菌在人体肠道中丰富，可能会在医院环境中引起尿路和其他感染 |
| 乳酸杆菌 | 革兰阳性芽孢杆菌 | 兼性厌氧菌；将糖发酵成乳酸；阴道微生物群的一部分；用作益生菌 |
| Leuconostoc | 革兰阳性球菌；可能在培养物中形成微观链 | 发酵罐，用于食品工业，用于生产酸菜和开菲尔 |
| 支原体 | 最小的细菌；在电子显微镜下呈多态性 | 没有细胞壁；由于其基因组而被归类为低 G+C 革兰阳性细菌；肺炎杆菌导致 “行走” 肺炎 |
| 葡萄球菌 | 革兰阳性球菌；在培养物中形成类似于一束葡萄的微观簇状物 | 耐受高盐浓度；兼性厌氧菌；产生过氧化氢酶；金黄色葡萄球菌还能产生导致局部（皮肤）和全身感染的凝血酶和毒素 |
| 链球菌 | 革兰阳性球菌；在培养物中形成链或成对 | 属多样；根据共享某些抗原分为几组；有些物种会导致溶血，并可能产生毒素，导致人类局部（喉咙）和全身性疾病 |
| 脲原体 | 类似于支原体 | 人体阴道和下尿路微生物群的一部分；可能引起炎症，有时会导致内部疤痕和不育 |
练习\(\PageIndex{3}\)
- 列举一些链球菌的分类方式。
- 列举一种致病性低 G+C 革兰氏阳性细菌及其引起的疾病。
临床重点：分辨率
玛莎的痰液样本被送到微生物实验室，以确认导致她感染的微生物的身份。 实验室还对样本进行了抗微生物药物敏感性测试（AST），以确认医生开了正确的抗微生物药物。
对痰液的直接显微镜检查显示，玛莎的痰中存在耐酸细菌（AFB）。 当置于培养物中时，最初的8天没有生长迹象，这表明微生物要么死亡，要么生长非常缓慢。 生长缓慢是结核杆菌的一个显著特征。
四周后，实验室微生物学家观察到独特的无色颗粒状菌落（图\(\PageIndex{6}\)）。 这些菌落含有空军基地，其微观特征与直接显微镜检查玛莎痰液时发现的微观特征相同。 为了确认空军基地的鉴定，使用核酸杂交或直接核酸扩增（NAA）测试对菌落样本进行了分析。 当细菌耐酸时，它被归类为分枝杆菌科家族。 对从这些细菌中提取的DNA的可变基因组区域进行DNA测序显示，其G+C含量很高。这一事实最终确定了玛莎被诊断为结核杆菌感染。 在用医生开的药物治疗九个月后，玛莎完全康复了。
生物盗版和生物勘探
1969 年，一家瑞士制药公司的一名员工在挪威度假，决定收集一些土壤样本。 他将它们带回实验室，瑞士公司随后使用这些样本中的真菌 Tolypocladi um inflatum 开发了环孢素 A，这是一种广泛用于接受组织或器官移植的患者的药物。 这家瑞士公司每年生产环孢素A的收入超过10亿美元，但挪威却一无所获，没有向政府支付任何款项，也没有为挪威人民提供福利。 尽管环孢素A可以挽救许多生命，但许多人认为获取土壤样本的手段是一种 “生物盗窃” 行为，本质上是一种盗窃形式。 在这样的案例中，目的是否证明手段是合理的？
大自然中充满了尚未被发现的细菌和其他微生物，有朝一日这些微生物可以用来开发新的救生药物或治疗方法。 1 制药和生物技术公司将从这些发现中获得巨额利润，但伦理问题仍然存在。 生物资源属于谁？ 是否应要求在研发上投资（并冒险）数百万美元的公司分享收入或特许权使用费，以获得生物资源的权利？
在生物勘探方面，补偿不是唯一的问题。 一些社区和文化在哲学上反对生物勘探，担心收集遗传或生物材料会带来不可预见的后果。 例如，夏威夷原住民非常保护他们独特的生物资源。
多年来，尚不清楚政府机构、私营公司和公民在从公共土地采集微生物样本时拥有什么权利。 然后，在1993年，《生物多样性公约》赋予每个国家对在自己土地上发现的任何遗传和生物材料的权利。 如果没有事先与土地所有者作出补偿安排，科学家就无法再采集样本。 现在，该惯例确保了公司在获取用于制造产品的样品时以合乎道德的方式行事。
摘要
- 革兰氏阳性细菌是一组非常庞大且多样化的微生物。 了解他们的分类学并了解其独特特征对于传染病的诊断和治疗非常重要。
- 根据鸟嘌呤和胞嘧啶核苷酸在基因组中的流行率，革兰阳性细菌分为高 G+C 革兰阳性和低 G+C 革兰阳性细菌
- 放线杆菌是高 G+C 革兰氏阳性细菌的分类学名称。 该类包括 Actinomyces、Arthrobacter、Corynebacterium、Frankia、Gardnerella、Micrococcus、Micrococcus、Micrococcus、Nocardia 、Nocardia 属、 Nocar d ia 属。 这些属的一些代表用于工业；其他则是人类或动物病原体。
- 作为人类病原体的高G+C革兰阳性细菌的例子包括导致结核的结核分枝杆菌；引起麻风病（汉森氏病）的麻风杆菌；以及导致白喉的白喉棒状杆菌。
- 梭状芽孢杆菌属低G+C革兰氏阳性细菌，通常是专性厌氧菌，可以形成内孢子。 该属的病原体包括产气荚膜梭菌（气性坏疽）、破伤风（破伤风）和肉毒杆菌（肉毒中毒）。
- 乳酸杆菌包括肠球菌、乳酸杆菌、Leuconostoc 和链球菌属。 链球菌是导致许多人类疾病的原因，包括咽炎（链球菌性喉炎）、猩红热、风湿热、肾小球肾炎、肺炎和其他呼吸道感染。
- 芽孢杆菌是低 G+C 革兰氏阳性细菌的分类学类别，包括棒状和球菌形物种，包括芽孢杆菌和葡萄球菌属。 炭@@ 疽杆菌会导致炭疽病，蜡样芽孢杆菌可能导致胃肠道的机会性感染，金黄色葡萄球菌菌株可引起各种感染和疾病，其中许多对抗生素具有很高的耐药性。
- 支原体属是非常小的、多态性低 G+C 革兰氏阳性细菌，缺乏细胞壁。 肺炎杆菌导致非典型肺炎。
脚注
- 1 J. Andre。 生物伦理学即实践。 北卡罗来纳州教堂山：北卡罗来纳大学出版社，2002 年。