大腸桿菌的基本知識概述

大腸桿菌是重要的模式生物，在高中生物學中有.多處知識涉及到，如原核生物的基本結構與分裂、T2’噬菌體侵染細菌實驗、基因工程常見運載體、大腸桿菌的鑒定、微生物的酶合成調節等。這些知識涉及點多，分布零散，缺乏系統性，下面就大腸桿菌的基本知識作簡要概述。

1 認識大腸桿菌的基本歷程

大腸桿菌是大腸埃希氏菌的俗稱，屬腸桿菌科埃希氏菌屬，1885年埃舍利希氏首次發現。在相當長的時間內，人們一直把它當作正常腸道菌群的組成部分，認為是非致病菌。直到20世紀中葉，才認識到一些特殊血清型的大腸桿菌對人和動物有病原性，尤其對嬰兒和幼禽，常引起嚴重腹瀉和敗血癥。根據不同的生物學特性，將致病性大腸桿菌分為5類:致病性大腸桿菌(EPEC)、腸產毒性大腸桿菌(ETEC)、腸出血性大腸桿菌(EHEC)、腸侵襲性大腸桿菌(EIEC)、腸黏附性大腸桿菌(EAEC)。

2 大腸桿菌的基本結構

2.1 細胞壁

大腸桿菌的細胞壁厚約11μm，分外膜和肽聚糖層。外膜是大腸桿菌細胞壁的主要成分，占細胞壁干重80%，位于肽聚糖層的外側，主要由磷脂、蛋白質和脂多糖組成。脂多糖是革蘭氏陰性細菌的內毒素，也是革蘭氏陰性細菌細胞壁的特有成分，主要與抗原性、致病性及對噬菌體的敏感性有關。肽聚糖層由1—2層網狀的肽聚糖組成，占細胞壁干重的10%，是細菌特有的成分，由聚糖鏈、短肽和肽橋三部分組成。由，脂蛋白將外膜和肽聚糖層連接起來，從而使大腸桿菌的細胞壁形成一個整體結構。

2.2 細胞膜

大腸桿菌的細胞膜與其他生物細胞膜的結構相似，但上面的蛋白質含量高、種類多，具有選擇透性，可控制營養物質進出細胞。大腸桿菌的細胞膜含有豐富的酶系，是大腸桿菌的能量轉化的場所，參與細胞壁的合成。

2.3 細胞質

大腸桿菌的細胞質含有糖原顆粒、核糖體和質粒等結構。

2.3.1 核糖體

大腸桿菌的核糖體包含兩個亞基，即50S亞基(23S rRNA、5S rRNA、34種蛋白質)和.30S亞基[16SrRNA、21種蛋白質(S₁～S₂₁)]。rpsL基因就是表達核糖體30S亞基中的S₁₂蛋白質，S₁₂蛋白作用于翻譯的開始階段。鏈霉素等抗生素的作用位點就是核糖體30S亞基上的S₁₂蛋白質，正常情況卞鏈霉素與S₁₂:蛋白結合使蛋白質的生物合成不能進行，野生型大腸桿菌不再生長。但rpsL基因的突變使鏈霉素失去結合位點，從而使該基因型的菌株具有了對鏈霉素的抗性(Str⁺)。

2.3.2 質粒

質粒具有自我復制的特性，不同質粒的基因能與擬核基因發生基因重組，可通過細菌的接合而轉移，也可隨細胞的分裂而傳遞或丟失。由于質粒具有這些特性，所以在分子生物學和遺傳工程中質粒經常作為外源基因的載體。大腸桿菌中已發現的質粒有F因子、R因子和Col因子等。

2.3.2.1 F因子

F因子又稱致育因子，是最早發現的質粒，含3個主要基因群，分別具有插入、復制和轉移的功能。含有F因子的大腸桿菌為雄性，用F⁺表示;不含F因子的大腸桿菌稱為雌性，用F^-表示。通過F⁺和F^-細菌的接合F因子可經性菌毛傳遞給P菌株，使F^-菌株轉變為F⁺菌株。F因子可單獨存在，也可以通過同源重組整合到細菌的擬核上。

2.3.2.2 R因子

R因子由相連的兩個DNA區段組成:一個為抗性轉移因子，它含有調節DNA復制和拷貝數的基因、轉移基因及四環素抗性基因;另一個為抗性決定因子，其上含有青霉素、氨芐青霉素、氯霉素、鏈霉素和磺胺等抗性基因。

2.3.2.3 Col因子

Col因子即產大腸桿菌素因子。它編碼合成大腸桿菌素，大腸桿菌素的化學成分為脂多糖蛋白質復合物，它能通過抑制復制、轉錄、轉譯或能量代謝而專一性地殺死不含Col因子的其他腸道細菌。

2.4 擬核

擬核由RNA、蛋白質和超螺旋環狀DNA組成，主要基因位于這條環狀DNA上。

2.5 特殊結構

2.5.1 莢膜

莢膜由大腸桿菌向細胞壁外分泌的一層膠狀物，主要由多糖組成，具有抗原性，構成了大腸桿菌的表面抗原，即K抗原。

2.5.2 鞭毛與菌毛

鞭毛由鞭毛蛋白組成，構成了細菌的鞭毛抗原，與運動有關。若將大腸桿菌穿刺接種于半固體培養基，它將沿穿刺線向周嗣擴散生長。在細胞表面還含有一種比鞭毛更細更短更硬的絲狀體叫菌毛，可分為普通菌毛和性菌毛。普通菌毛吸附于動植物、真菌以及各種細胞的表面，有的是噬菌體吸附的位點;性菌毛是在F因子的控制下形成的，它是細菌接合的“工具”，通過性菌毛的接合，可在細菌之間傳遞質粒或擬核基因等。

3 大腸桿菌的抗原和抵抗力

3.1 大腸桿菌的抗原

大腸桿菌的抗原可分為菌體抗原(0)、鞭毛抗原(H)和表面抗原(K)，后者有抗機體吞噬和抗補體的能力。根據菌體抗原的不同，可將大腸桿菌分為150多種類型，其中有16個血清型為致病性大腸桿菌。

3.2 大腸桿菌的抵抗力

大腸桿菌對熱的抵抗力較其他腸道桿菌強。55℃加熱60min或60℃加熱15min仍有部分細菌存活;在自然界的水中可存活數周至數月，在溫度較低的糞便中存活更久;膽鹽、煌綠等對大腸桿菌有抑制作用;對磺胺類、鏈霉素、氯霉素等敏感，但易耐藥，是由帶有R因子的質粒轉移而獲得的。

4 代謝與繁殖

4.1 產能代謝

大腸桿菌為兼性厭氧菌，其營養類型為化能異養。呼吸類型為:在有氧條件下進行有氧呼吸產能;在無氧條件下進行無氧呼吸和發酵產能，將葡萄糖轉變成琥珀酸、乳酸、甲酸、乙醇、乙酸、H₂和CO₂等多種產物，因此大腸桿菌既產酸又產氣。

4.2 生化反應

由于大腸桿菌產生較多有機酸，加入甲基紅呈紅色。故大腸桿菌甲基紅反應陽性;大腸桿菌發酵葡萄糖不產生2，3-丁二醇，故大腸桿菌V.P.反應為陰性。常用的伊紅一美藍乳糖培養基，用于鑒別飲用水和乳制品中是否存在大腸桿菌等細菌。如果有大腸桿菌，因其強烈分解乳糖而產生大量的混合酸，菌體帶H⁺，故菌落被染成深紫色，菌落表面帶有金屬光澤。

4.3 大腸桿菌的繁殖

早期分子生物學的研究主要以大腸桿菌為實驗材料，揭示了許多生命的現象和規律。1953年，沃森和克里克提出DNA的雙螺旋結構模型并設想DNA以半保留方式進行復制;1958年梅塞爾森和斯塔爾以大腸桿菌為材料，證明了DNA半保留復制的有效性;1969年凱恩斯用放射自顯影技術證明了大腸桿菌環狀DNA的半保留復制。至20世紀70年代，大腸桿菌的復制過程已相當清楚，為分子生物學的發展及認識細胞分裂奠定了理論基礎。

5 大腸桿菌的培養與菌落形態

大腸桿菌合成代謝能力強，在含無機鹽、胺鹽、葡萄糖的普通培養基上生長良好。最適生長溫度為37℃，生長溫度范圍為15-46℃。在有氧條件下生長良好，最適生長pH為6.8～8.0，范圍7.0～7.5，若pH值低于6.0或高于8.0則生長緩慢。在普通營養瓊脂上生長，表現為3種菌落形態:①光滑型:菌落邊緣整齊，表面有光澤、濕潤、光滑、呈灰色，在生理鹽水中容易分散;②粗糙型:菌落扁平、干澀、邊緣不整齊，易在生理鹽水中自凝;③黏液型:常為含有莢膜的菌株。

6 大腸桿菌與人類和動物的關系

大腸桿菌隨嬰兒哺乳進入腸道，與人終身相伴，是人腸道中的正常棲居菌，為消費者，其代謝活動能抑制腸道內分解蛋白質的微生物生長，減少蛋白質分解產物對人體的危害，還能合成維生素B和K及有殺菌作用的大腸桿菌素，與人是互利共生的關系。但若進入膽囊、膀胱等處會引起炎癥;在衛生不良的情況下，常隨糞便散布在周圍環境中(生活在體外則屬于分解者)，若在水和食品中檢出此菌，可認為是被糞便污染的指標，從而可能存在腸道病原菌。因此，大腸菌群數(或大腸菌值)常作為飲水和食物的衛生學檢測標準(飲用水中大腸桿菌數不應超過3個/L)。

當前大腸桿菌給禽牧養殖業帶來的損失嚴重，由大腸桿菌導致的常見疾病有雞胚和雛雞早期死亡，禽類和豬急性敗血癥、氣囊病、肉芽腫、心包炎、墜卵性腹膜炎及輸卵管炎，這些疾病正困擾著廣大養殖戶和獸醫工作者。

7 大腸桿菌在生物技術中的應用

大腸桿菌繁殖速度快、代謝旺盛、遺傳背景清楚、培養條件簡單，是應用于生物技術最廣泛、最成功的表達體系，常做高效表達的首選載體。例如，科學家們把人的胰島素基因送到大腸桿菌的細胞，使胰島素基因和大腸桿菌的遺傳物質相結合獲得高效表達的工程菌。該工程菌不但能夠一代代的傳下去，而且后代的大腸桿菌也能生產胰島素了。