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wangmiaomiao0916的博客

大肠杆菌的生物世界

 
 
 

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氧气对厌氧菌的毒性作用机理  

2014-12-26 09:33:35|  分类: 细胞呼吸与光合作 |  标签: |举报 |字号 订阅

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氧气对厌氧菌的毒性作用机理

熊德鑫综述 刘秉阳指导 (江西南昌医科院)

类杆菌属(Bacteroides)的细菌是专性厌氧菌,它们在氧气中不能成活。换言之氧气对类杆菌等专性厌氧菌有毒性。其机理目前还不完全了解,但近年来研究已有相当的进展。归纳起来主要有三方面的内容:即(1)触酶假说;(2)超过氧化物歧化酶(SOD)假说;(3)分子氧的毒性假说。

1923年Melecd和Gordon提出了触酶假说。他们发现一些不同的梭状芽胞杆菌菌株培养中,没有看到可检查到的触酶(Catalase),而在有氧条件下,可以产生过氧化氢(H202)。为消除H202的毒性作用需要有触酶,因其可分解H2 O 2 (2H2 O 2→2 H2 O + O 2)。但是后来许多研究者发现,很多细菌,如链球菌,虽缺乏触酶,却能在氧中很好生长。相反,丙酸杆菌、类杆菌等厌氧菌中具有触酶,却不能耐氧。又Gregory等发现脆弱类杆菌、吉氏类杆菌、卵形类杆菌、埃氏类杆菌、多形类杆菌等一些菌株也能合成触酶,但不能耐氧。可见该假说具有很大的局限性,不能完善的说明氧对厌氧菌的毒性作用。

此后Mccord和Fridovich提出了超过氧化物歧化酶假说。他们认为许多种细菌在利用氧的过程中,其中间产物是还原性超过氧化物如O2,即一个氧分子接受一个电子被还原(O2+e→O 2-)成为超过氧化物。它具有强烈的活性,对菌细胞有害,如促进脂质的过氧化反应,引起细菌细胞内核酸和酶的变性,阻碍菌细胞壁的扩散作用等等。在需氧菌中,对于O2的毒性的保护作用是由超过氧化物歧化酶所催化的歧化反应来实现的:

 

Mccord等还认为此酶在需氧菌和兼性厌氧菌中均存在,而在专性厌氧菌中则缺少或只有低水平,因此不能在氧中存活。Gregory等在类杆菌属细菌的实验中证实了这个理论,他们不仅对O 2的敏感性与SOD水平之间的关系得到了证明,而且在将脆弱类杆菌菌细胞暴露在2%氧中观察到SOD的量增加了2~3倍。然而Hewitt和Morris发现一些专性厌氧菌,如嗜硫代硫酸盐绿菌虽有一定水平的SOD,却不能耐受O 2,他们的结论是一些细菌可能具有大量的SOD,但也不能在氧中生存,而另一些细菌如产气荚膜杆菌和双歧杆菌菌株虽然它们的SOD含量很低或不能被检查到,却能在氧中存活72小时以上,因此他们认为以上资料只能说明SOD水平与氧的耐受性有一定关系。总之,此假说能解释一些氧对厌氧菌的毒性作用,但仍不能解释所有厌氧菌不耐氧的情况。

1968年Loesche等提出了分子氧干扰厌氧菌生长和繁殖,在于消耗了细菌代谢中重要辅酶NADH的还原能力。Cheng和closterton等认为分子氧的作用在于阻碍了信使核糖核酸(mRNA)的合成。综上所述,分子氧毒性假说的主要内容是:分子氧的毒性在于消耗了细菌代谢中重要辅酶(NADH)的还原能力,从而干扰了细菌的代谢和能量合成系统酶的活性。同时分子氧阻碍了mRNA的合成,以致菌体不能合成蛋白质,从而导致因细菌体内一些重要结构的破坏而引起强烈的毒性作用。Loesche等人采用厌氧消化链球菌作实验,观察到在无氧时,厌氧消化链球菌代谢产物中的甲醇,是通过NADH依赖性乙醇脱氢酶产生的。然而在有氧存在情况下则不生成甲醇,提示了分子氧对消耗NADH的还原能力中起了作用。NADH的还原能力能保证从环境中消耗有限的氧,同时它还是重要的吡啶脱氢酶的辅酶。在细菌体内吡啶脱氢酶至少有150种以上,它们对细菌的代谢作用至关重要。例如,,辅酶I(NADH)作为电子传递体系的起始物质,在细菌的能量合成上起着非常重要的作用。Cheng等的实验结果表明栖瘤胃类杆菌的RNA合成,若全部暴露在氧气中则被消除,提示了DNA依赖性RNA的合成(即mRNA的合成)或能量产生系统对氧是敏感的。他们在实验中还证实氧对这类细菌的有害作用,若把触酶加入培养基中就可以允许这类细菌暴露在氧气环境中生活更长久。但一旦触酶耗尽,菌细胞mRNA的合成又全部停止。这些结果表明氧的有害作用是由于暴露在氧中的培养基内产生了H2 O 2所造成的,,这种毒性作用可能是直接干扰mRNA的合成,也可能由胞外的触酶所消除等。

Rolfe等采用从临床标本中分离的厌氧菌研究了超过氧化物歧化酶、触酶、过氧化物酶等活性与氧的耐受性的关系,认为厌氧菌对氧的耐受性有程度上的区别,它是以这些酶的活性水平作为基础的,同时还涉及到其它因素,这些因素包括(1)在菌细胞内酶的位置是在细胞表面还是在胞浆中;(2)细菌代谢过程中毒性产物的形成量和率,如O2、还原羚基、游离氧等;(3)细胞中主要结构对毒性产物的敏感程度如DNA、mRNA等等都需要综合考虑。
总之,氧的毒性作用机理究竟以何种途径重要,视厌氧菌的不同菌属和菌种而异。因此必须全面考虑从培基的制造到厌氧菌的接种、培养、保持厌氧状态诸方面,才有利于厌氧菌的生长和繁殖。
另外,需要对氧化还原电势差(Eh)和厌氧菌的关系稍作讨论。Eh是一个物质得失电子的能力。在正常人体组织中Eh差不多,约为+15Omv,而在含大量厌氧菌的肠腔中的Eh为_25omv左右。厌氧菌培养所需Eh的敏感范围以早期生长不超过_10mv为限。氧浓度的减少,由于还原的环境导致Eh水平下降,,虽然它们彼此间的关系很密切,但是氧与Eh之间的相对影响,以及每个因子对厌氧菌生长的影响,还未被确定。Hanke和Katz认为Eh水平对一个成功的培养来说是决定性因素。他们证明了在普通类杆菌和生抱梭杆菌培基中,如果培基的Eh保持在低水平,细菌能在一个持续的空气流动环境中生长。相反,OBrien和Morris都证明对丙酮丁醉梭杆菌来说氧张力是一个比Eh更有决定性的因素。Hentges和Maier研究类杆菌增殖时得出了同样的结论,即将游离氧从培基中排除后,类杆菌增殖的数量不受高水平的Eh所影响。walden使用产气荚膜杆菌、脆弱类杆菌和大消化链球菌进行研究时发现,无论Eh是在_50mv或在+500mv,在氧气存在下,这三种细菌的繁殖都显著地被抑制,而在厌氧情况下,不管培基中的Eh如何,所培育的细菌都可以增殖。这提示了对一些厌氧菌的生长繁殖来说,氧的张力是更具决定性的一个因素。因此究竟Eh和氧的张力对厌氧菌的生长哪个重要尚无定论。可能不同种类厌氧菌受Eh水平或受氧张力因素的影响情况也是不同的,视厌氧菌的菌属、菌种而异。但是,对于厌氧菌的培养成功来说,降低培基的Eh水平,保持厌氧环境,这一点是肯定的,也是必需的。

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