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*微生物学*旨在涵盖非专业的单学期微生物学课程的范围和顺序要求。这本书介绍了微生物学的核心概念，重点是联合健康职业的应用。*微生物学*的教学特点使材料有趣，学生可以使用，同时保持了主题固有的职业应用重点和科学严谨性。
关于*微生物学*
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序言
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导言
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在有记载的历史中，世界各地的人们都喜欢发酵的食物和饮料，如啤酒、葡萄酒、面包、酸奶、奶酪和泡菜。几个考古遗址的发现表明，即使是史前人类也利用发酵来保存和增强食物的味道。考古学家研究了中国新石器时代村庄的陶罐，发现早在公元前7000年，人们就开始用大米、蜂蜜和水果制作发酵饮料。[脚注]

麦戈文等人。“史前和原始中国的发酵饮料”*美利坚合众国国家科学院院刊*1号。51（2004）： 17593-17598。doi：10.1073/pnas.0407921102。
发酵食品和饮料
史前人类对疾病原因的理解非常有限，不同的文化形成了不同的信仰和解释。虽然许多人认为疾病是对激怒众神的惩罚，或者仅仅是命运的结果，但考古证据表明史前人类试图治疗疾病和感染。这方面的一个例子是冰人奥茨，这是一个5300年前的木乃伊，1991年在奥地利-意大利边境的奥茨阿尔卑斯山的冰层中被发现冷冻。因为奥茨被冰保存得如此之好，研究人员发现他感染了寄生虫毛鞭毛虫的卵，这可能导致他腹痛和贫血。研究人员还发现了伯氏疏螺旋体的证据，这是一种导致莱姆病的细菌。[脚注]一些研究人员认为，奥茨可能一直在试图用*拟裂孢霉*真菌的木本果实治疗他的感染，这种真菌被发现与他的物品有关。[脚注]这种真菌既有通便作用，也有抗生素作用。奥茨还被纹身覆盖，纹身是通过在他的皮肤上切开切口，用草药填充，然后燃烧草药制成的。[脚注]有人猜测这可能是治疗他健康疾病的又一次尝试。

A. Keller等人。“通过全基因组测序推断蒂罗尔冰人起源和表型的新见解。”*《自然通讯》*，3（2012）：698。doi：10.1038/ncoms1701。L.Capasso。“5300年前，冰人使用天然泻药和抗生素。”*《柳叶刀》*，352（1998）9143:1864。doi：10.1016/s0140-6736（05）79939-6。L.Capasso，L.“5300年前，冰人使用天然泻药和抗生素。”*《柳叶刀》*，352 no.9143（1998）：1864。doi：10.1016/s0140-6736（05）79939-6。
冰人与早期治疗的证据
几个古老的文明似乎已经有了一些理解，即疾病可以通过他们看不见的东西传播。这在历史上遏制疾病传播的尝试中尤其明显。例如，圣经提到隔离麻风病和其他疾病患者的做法，这表明人们理解疾病可以传染。具有讽刺意味的是，虽然麻风病是可传染的，但它也是一种进展缓慢的疾病。这意味着人们很可能在已经将疾病传播给他人之后被隔离。
疾病、传染和遏制的早期概念
虽然古人可能怀疑存在看不见的“微小生物”，但直到显微镜的发明，它们的存在才被明确证实。虽然还不清楚显微镜到底是谁发明的，但一位名叫安东尼·范·列文虎克（Anthony van Leeuwenhoek，1632-1723）的荷兰布商是第一个开发出足以观察微生物的镜头的人。1675年，列文虎克使用一台简单但功能强大的显微镜，能够观察到单细胞生物，他称之为“微生物”或“小动物”，在一滴雨水中游泳。从他画的这些小生物中，我们现在知道他在观察细菌和原生生物。（我们将在《我们如何看待看不见的世界》中进一步探讨列文虎克对显微镜的贡献。）
微生物学的诞生
我们祖先所知道的
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分类学是对活生物体的分类、描述、识别和命名。分类是根据生物体的共同特征将其组织成不同的组的做法。最著名的早期分类学家是瑞典植物学家、动物学家和医生，名叫卡罗勒斯·林奈（1701-1778）。1735年，林奈出版了*Systema Naturae*，这是一本11页的小册子，他在其中提出了林奈分类学，这是一个使用标准格式对生物体进行分类和命名的系统，这样科学家就可以使用一致的术语来讨论生物体。他继续修改和补充这本书，这本书已经发展成多卷（[链接]）。
分类学的科学
系统方法
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细菌几乎存在于地球上的每一个栖息地，包括人类内部和表面。大多数细菌是无害或有益的，但有些是病原体，会导致人类和其他动物患病。细菌是原核生物，因为它们的遗传物质（脱氧核糖核酸）不在真正的细胞核内。大多数细菌的细胞壁含有肽聚糖。
原核微生物
真核生物包含所有真核生物，包括单细胞或多细胞真核生物，如原生生物、真菌、植物和动物。真核生物的主要特征是它们的细胞含有细胞核。
真核微生物
被称为蠕虫**s**的多细胞寄生蠕虫在技术上并不是微生物，因为大多数蠕虫足够大，可以在没有显微镜的情况下看到。然而，这些蠕虫属于微生物学领域，因为蠕虫引起的疾病涉及显微镜下的卵和幼虫。蠕虫的一个例子是几内亚蠕虫，或*麦地那龙线虫*，当蠕虫离开皮肤时，它会导致头晕、呕吐、腹泻和腿部和脚部疼痛的溃疡（[链接]）。感染通常发生在一个人喝了含有被几内亚蠕虫幼虫感染的水蚤的水之后。20世纪80年代中期，估计有350万例几内亚蠕虫病，但这种疾病已基本根除。2014年，只有126例报告，这要归功于世卫组织（WHO）和其他致力于改善饮用水卫生的团体的协调努力。[脚注][脚注]

C. Greenaway“麦地那龙线虫病（几内亚蠕虫病）。”*加拿大医学协会杂志*170第4期（2004年）：495-500.World卫生组织。“麦地那龙线虫病（几内亚蠕虫病）。”*世卫组织*。2015年。http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs359/en/。2015年10月2日访问。
蠕虫属
病毒**es**是无细胞微生物，这意味着它们不是由细胞组成的。本质上，病毒由蛋白质和遗传物质组成——要么是脱氧核糖核酸，要么是核糖核酸，但绝不是两者兼而有之。然而，通过将自己融入宿主细胞，病毒能够利用宿主的细胞机制繁殖和感染其他宿主。
病毒
微生物学是一个宽泛的术语，包括对所有不同类型微生物的研究。但在实践中，微生物学家倾向于专注于几个子领域之一。例如，细菌学是对细菌的研究；真菌学是对真菌的研究；原生动物学是对原生动物的研究；寄生虫学是对蠕虫和其他寄生虫的研究；病毒学是对病毒的研究（[链接]）。免疫学是对免疫系统的研究，通常包括在微生物学的研究中，因为宿主-病原体的相互作用是我们理解传染病过程的核心。微生物学家也可以专注于微生物学的某些领域，如临床微生物学、环境微生物学、应用微生物学或食品微生物学。
微生物学作为研究领域
微生物的种类
看不见的世界
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导言
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光波通过反射、吸收或透射与材料相互作用。当波从材料上反弹时，就会发生反射。例如，一块红色的布可能会将红光反射到我们的眼睛，同时吸收其他颜色的光。当材料捕获光波的能量时，就会发生吸收。在夜光塑料的情况下，来自光的能量可以被吸收，然后作为另一种形式的磷光重新发射。当波穿过材料时，就会发生透射，就像光穿过玻璃一样（透射的过程称为透射率）。当一种材料允许很大比例的光被透射时，它可能会这样做，因为它更薄，或者更透明（具有更多的透明度和更少的不透明度）。[链接]说明了透明度和不透明度之间的区别。
光的相互作用
在显微镜的背景下，折射也许是光波表现出的最重要的行为。折射发生在光波进入新介质时改变方向时（[链接]）。不同的透明材料以不同的速度传输光；因此，光从一种材料传递到另一种材料时可以改变速度。这种速度的变化通常也会导致方向的变化（折射），变化程度取决于入射光的角度。
镜头和折射
可见光只是电磁辐射的一种形式，电磁辐射是一种我们周围无处不在的能量。其他形式的电磁辐射包括微波、x光和无线电波等。不同类型的电磁辐射属于电磁光谱，电磁光谱是根据波长和频率来定义的。可见光的光谱占据红外光和紫外光之间相对较小的频率范围（[链接]）。
电磁频谱和颜色
显微镜放大图像，并利用光的特性来创建小物体的有用图像。放大率被定义为透镜在与真实物体相比时放大物体图像的能力。例如，10的放大率意味着图像看起来是用肉眼观察的物体大小的10倍。
放大率、分辨率和对比度
光的特性
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安东尼·范·列文虎克，有时被誉为“微生物学之父”，通常被认为是第一个创造出足以观察微生物的显微镜的人（[链接]）。范·列文虎克出生于荷兰共和国代尔夫特市，他的职业生涯始于销售织物。然而，他后来对镜片制造产生了兴趣（也许是为了观察线），他的创新技术生产了显微镜，使他能够观察到以前没有人观察过的微生物。1674年，他在给伦敦皇家学会的一系列信件中描述了他对单细胞生物的观察，这种生物的存在以前是未知的。他的报告最初遭到了怀疑，但他的说法很快得到了证实，他成为了科学界的名人。
早期显微镜
窥视看不见的世界
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许多类型的显微镜都属于光学显微镜的范畴，光学显微镜使用光来可视化图像。光学显微镜的例子包括明场显微镜、暗场显微镜、相位对比显微镜、差分干涉对比显微镜、荧光显微镜、共聚焦扫描激光显微镜和双光子显微镜。这些不同类型的光学显微镜可以在诊断和研究中相互补充。
光学显微镜
光学显微镜创建的图像的最大理论分辨率最终受到可见光波长的限制。大多数光学显微镜只能放大1000，少数可以放大到1500，但这并没有开始接近电子显微镜**（EM）**的放大能力，后者使用短波长电子束而不是光来提高放大率和分辨率。
电子显微术
扫描探针显微镜不使用光或电子，而是通过样品表面并与之直接相互作用的非常锋利的探针。这产生的信息可以组装成放大率高达100,000,000的图像。如此大的放大率可以用来观察表面上的单个原子。迄今为止，这些技术主要用于研究而不是诊断。
扫描探针显微镜
显微镜仪器
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在临床环境中，光学显微镜是最常用的显微镜。有两种基本类型的制剂用于用光学显微镜观察标本：湿底座和固定标本。
用于光学显微镜的样品制备
革兰氏染色程序是一种涉及多个步骤的差异染色程序。它由丹麦微生物学家Hans Christian Gram于1884年开发，作为区分具有不同类型细胞壁的细菌的有效方法，即使在今天，它仍然是最常用的染色技术之一。革兰氏染色程序的步骤如下所列，并在[链接]中说明。
革兰氏染色
抗酸染色是另一种常用的差异染色技术，它可以成为一种重要的诊断工具。抗酸染色能够区分两种类型的革兰氏阳性细胞：细胞壁中有蜡质霉菌酸的细胞和没有蜡质霉菌酸的细胞。两种不同的抗酸染色方法是Ziehl-Neelsen技术和Kinyoun技术。两者都使用碳品红作为主要染色。即使在使用脱色剂（一种酸醇溶液）后，蜡质抗酸细胞仍保留碳品红。然后使用二次反染，亚甲蓝，使非抗酸细胞呈现蓝色。
抗酸染料
某些细菌和酵母菌具有称为胶囊的保护性外部结构。由于胶囊的存在与微生物的毒力（其致病能力）直接相关，因此确定样品中的细胞是否具有胶囊的能力是一个重要的诊断工具。胶囊不吸收大多数碱性染料；因此，负染色技术（细胞周围染色）通常用于胶囊染色。染料染色背景，但不会穿透胶囊，胶囊在细胞边界周围看起来像光环。在负染色之前，标本不需要热固定。
胶囊染色
内生孢子是在某些细菌细胞内产生的结构，使它们能够在恶劣的条件下生存。仅用革兰氏染色不能显示内生孢子，当观察革兰氏染色的细胞时，内生孢子看起来很清楚。内生孢子染色使用两种染色将内生孢子与细胞的其余部分区分开来。谢弗-富尔顿方法（最常用的内生孢子染色技术）使用热量将初级染色（孔雀石绿）推入内生孢子。用水清洗细胞脱色，但内生孢子保留绿色染色。然后用藏红蛋白将细胞复染成粉红色。由此产生的图像揭示了内生孢子的形状和位置，如果它们存在的话。绿色的内生孢子将出现在粉红色的营养细胞中，或者与粉红色的细胞完全分开。如果没有内生孢子存在，那么只有粉红色的营养细胞会可见（[链接]）。
内孢子染色
鞭毛（单数：鞭毛）是一些细菌、古细菌和真核生物用来运动的尾巴状细胞结构。因为它们太薄了，如果没有专门的鞭毛染色技术，通常无法在光学显微镜下看到鞭毛。鞭毛染色通过首先使用媒介剂（通常是鞣酸，但有时是钾明矾）来增厚鞭毛，媒介剂覆盖鞭毛；然后用副氨基苯胺（最常见）或碱性品红（[链接]）染色标本。
鞭毛染色
使用透射电镜分析的样品必须有非常薄的切片。但是细胞太软，即使用金刚石刀也无法切割得很薄。为了切割细胞而不损坏，细胞必须嵌入塑料树脂中，然后通过一系列乙醇溶液（50%、60%、70%等）中的浸泡脱水。乙醇取代细胞中的水，树脂溶解在乙醇中并进入细胞，在那里固化。接下来，使用称为超微切片机（[link]）的专用设备切割薄片。最后，样品被固定在细铜线或碳纤维网格上并染色——不是用彩色染料，而是用醋酸铀酰或四氧化二铀等含有电子致密重金属原子的物质。
为电子显微镜准备标本
用于荧光和共聚焦显微镜的样品的制备方法与用于光学显微镜的样品类似，只是染料是荧光染料。在涂抹到载玻片上之前，染色剂通常会在液体中稀释。一些染料附着在抗体上，以在特定类型的细胞上染色特定的蛋白质（免疫荧光）；其他染料可能会在称为荧光原位杂交（FISH）的过程中附着在DNA分子上，导致细胞根据它们是否具有特定的DNA序列进行染色。
其他显微镜的制备和染色
染色显微标本
我们如何看待看不见的世界
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导言
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希腊哲学家亚里士多德（公元前384-322年）是最早提出自然生成理论的学者之一，即生命可以从非生物物质中产生的概念。亚里士多德提出，如果非生物物质含有气*（“精神”或“呼吸”），生命就会从非生物物质中产生。作为证据，他指出了以前没有动物的环境中出现动物的几个例子，例如鱼似乎突然出现在新水坑里。[脚注]

亚里士多德论自然生成http://www.sju.edu/int/academics/cas/resources/gppc/pdf/Karen%20R.%20Zwier.pdf
自然生成理论
关于自然生成的争论一直持续到19世纪，科学家是双方的支持者。为了解决争论，巴黎科学院设立了一个解决问题奖。法国著名化学家路易斯·巴斯德接受了挑战。他一直在研究微生物发酵和葡萄酒腐败的原因。1858年，巴斯德通过枪棉过滤器过滤空气，对棉花进行显微镜检查后，发现里面充满了微生物，这表明肉汤暴露在空气中并没有给肉汤带来“生命力”，而是空气中的微生物。
否定自然生成
自发生成
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英国科学家罗伯特·胡克在1665年首次使用“细胞”一词来描述他在自己设计的显微镜下观察到的软木中的小腔室。对胡克来说，软木的薄片类似于“蜂巢”或“空气的小盒子或膀胱”。他指出，每个“洞穴、气泡或细胞”都与其他不同（[链接]）。当时，胡克没有意识到软木细胞早已死亡，因此缺乏活细胞中的内部结构。
细胞理论的起源
随着科学家在理解细胞在植物和动物组织中的作用方面取得进展，其他人正在研究细胞本身的结构。1831年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（1773-1858）第一个描述了他在植物细胞中观察到的细胞核。然后，在19世纪80年代初，德国植物学家安德烈亚斯·希姆珀（1856-1901）第一个描述了植物细胞的叶绿体，确定了它们在光合作用期间在淀粉形成中的作用，并指出它们独立于细胞核分裂。
内共生理论
在17世纪发现微生物之前，关于疾病起源的其他理论已经流传开来。例如，古希腊人提出了毒气理论，该理论认为疾病起源于分解物质发出的粒子，如污水或粪坑中的粒子。这些粒子在腐烂物质附近感染人类。包括中世纪蹂躏欧洲人口的黑死病在内的疾病被认为是以这种方式起源的。11世纪，波斯医生伊本·西纳（有时也被称为阿维森纳）提出，结核病可能是通过人们靠近时的呼吸传播的。阿拉伯医生伊本·祖尔（Ibn Zuhr）在大约1155年写道，常见的皮肤病痂疮是由钻入皮肤的微小螨虫引起的。尽管痂螨大约半毫米长（因此在技术上不是微观的），它们的皮肤隧道通常是可见的，但伊本·祖尔的发现提供了更多证据，证明看不见的物质或生物会导致疾病。
疾病的细菌理论
现代细胞理论的基础
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特定原核生物的单个细胞通常在形状或**细胞**形态上相似。尽管已经鉴定出数千个原核生物，但在显微镜下通常只能看到少数细胞形态。[链接]命名并说明了原核细胞中常见的细胞形态。除了细胞形状之外，同一物种的原核细胞还可以根据细胞分裂平面以某些独特的排列组合在一起。一些常见的排列显示在[链接]中。
常见的细胞形态和排列
所有的细胞生命都有一个组织成一条或多条染色体的DNA基因组。原核染色体通常是圆形的，单倍体（未配对），并且不被复杂的核膜结合。原核DNA和DNA相关蛋白集中在细胞的类核区域（[link]）。一般来说，原核DNA与协助染色体组织和包装的类核相关蛋白（NAP）相互作用。在细菌中，NAP的功能类似于组蛋白，组蛋白是真核细胞中发现的DNA组织蛋白。在古细菌中，类核由NAP或类组蛋白DNA组织蛋白组织。
核素
原核细胞也可能含有染色体外DNA，或不是染色体一部分的DNA。这种染色体外DNA存在于质粒**s**中，质粒是小的、圆形的、双链的DNA分子。有质粒的细胞通常在一个细胞内有数百个质粒。质粒更常见于细菌；然而，质粒已经在古细菌和真核生物中发现。质粒通常携带交换意见的基因，如抗生素耐药性；因此，它们对生物体的生存很重要。我们将在《微生物遗传学机制》中更详细地讨论质粒。
质粒
所有细胞生命都合成蛋白质，所有三个生命域的生物都拥有核糖体，负责蛋白质合成的结构。然而，这三个域中的核糖体在结构上是不同的。核糖体本身是由蛋白质和核糖体RNA（rRNA）构成的。原核核糖体存在于细胞质中。它们被称为70S核糖体**s**，因为它们的大小为70S（[链接]），而真核细胞质核糖体的大小为80S。（S代表Svedberg单位，超速离心机中沉降的量度，它基于被分析结构的大小、形状和表面质量）。尽管它们大小相同，但细菌和古细菌核糖体具有不同的蛋白质和rRNA分子，古细菌版本与其真核对应物比细菌中的版本更相似。
核糖体
作为生活在不稳定环境中的单细胞生物，一些原核细胞有能力在称为内含物的细胞质结构中储存多余的营养物质。以聚合形式储存营养物质是有利的，因为它减少了细胞积累溶质时发生的渗透压的积累。各种类型的内含物储存糖原和淀粉，其中含有细胞可以获取能量的碳。Volutin颗粒，由于其染色特性也称为异染色颗粒，是储存聚合无机磷酸盐的内含物，可用于新陈代谢并协助生物膜的形成。已知含有Volutin颗粒的微生物包括古细菌*甲烷弧菌*、细菌*白喉棒状杆菌*和单细胞真核藻类*衣藻*。硫颗粒，另一种类型的内含物，存在于硫菌属*硫杆菌*中；这些颗粒储存元素硫，细菌用于新陈代谢。
收录
细菌细胞通常被观察为营养细胞，但一些属的细菌具有形成内生孢子的能力，即在环境条件不利时，本质上保护处于休眠状态的细菌基因组的结构。内生孢子（不要与真菌形成的生殖孢子混淆）允许一些细菌细胞在没有食物或水以及暴露于化学物质、极端温度甚至辐射的情况下长期生存。[链接]比较了营养细胞和内生孢子的特征。
内孢子
包围细胞质和细胞内部结构的结构统称为细胞包膜。在原核细胞中，细胞包膜的结构因细胞和生物体的类型而异。大多数（但不是所有）原核细胞都有细胞壁，但这种细胞壁的构成各不相同。所有细胞（原核和真核）都有一层表现出选择性渗透性的质膜（也称为细胞质膜或细胞膜），允许一些分子进入或离开细胞，同时限制其他分子的通过。
等离子膜
细胞壁的主要功能是保护细胞免受外界环境恶劣条件的影响。当存在时，古细菌、细菌和真核生物的细胞壁之间有显著的相似之处和不同之处。
细胞壁
虽然大多数原核细胞都有细胞壁，但有些可能在细胞壁外部有额外的细胞包膜结构，如糖酵母和S层。糖酵母是一种糖衣，其中有两种重要类型：胶囊和粘液层。胶囊是位于细胞壁外部的有组织的层，通常由多糖或蛋白质组成（[链接]）。粘液层是一种组织不太紧密的层，仅松散地附着在细胞壁上，可以更容易洗掉。粘液层可能由多糖、糖蛋白或糖脂组成。
糖酵母和S层
许多细菌细胞的细胞包膜内嵌有向外延伸的蛋白质附属物，允许与环境相互作用。这些附属物可以附着在其他表面，转移脱氧核糖核酸，或提供运动。丝状附属物包括菌毛、毛发和鞭毛。
丝状附属物
原核细胞的独特特性
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真核细胞显示出各种各样不同的细胞形态。可能的形状包括球形、卵形、立方体、圆柱形、扁平、透镜状、梭形、盘状、新月形、环状星状和多边形（[链接]）。一些真核细胞形状不规则，一些能够改变形状。特定类型的真核细胞的形状可能会受到诸如其主要功能、其细胞骨架的组织、其细胞质的粘度、其细胞膜或细胞壁的刚性（如果有的话）以及周围环境和/或相邻细胞对其施加的物理压力等因素的影响。
细胞形态
与原核细胞不同，原核细胞中的脱氧核糖核酸松散地包含在类核糖核酸区域，真核细胞拥有细胞核，细胞核被容纳脱氧核糖核酸基因组的复杂核膜包围（[链接]）。通过包含细胞的脱氧核糖核酸，细胞核最终控制细胞的所有活动，并在生殖和遗传中发挥重要作用。真核细胞通常将其脱氧核糖核酸组织成多个线性染色体。细胞核内的脱氧核糖核酸高度组织和浓缩以适应细胞核，这是通过将脱氧核糖核酸包裹在称为组蛋白的蛋白质周围来实现的。
细胞核
在线粒体或叶绿体等真核细胞器中发现的核糖体具有70S核糖体——与原核核糖体大小相同。然而，真核细胞中的非细胞器相关核糖体是80S核糖体，由40S小亚基和60S大亚基组成。就大小和组成而言，这使得它们有别于原核细胞的核糖体。
核糖体
真核细胞特有的内膜系统是一系列膜小管、囊和扁平盘，它们合成许多细胞成分并在细胞内移动材料（[link]）。由于它们的细胞尺寸更大，真核细胞需要这个系统来运输不能仅通过扩散分散的材料。内膜系统包括几个细胞器和它们之间的连接，包括内质网、高尔基体、溶酶体和囊泡。
内膜系统
克里斯蒂安·德·杜夫还被认为发现了过氧化物酶体，即不属于内膜系统的膜结合细胞器（[链接]）。过氧化物酶体在细胞质中独立形成，由游离核糖体合成过氧化物蛋白，并将这些过氧化物蛋白结合到现有的过氧化物酶体中。生长的过氧化物酶体然后通过类似二元裂变的过程分裂。
过氧化物酶体
真核细胞有一个由微丝、中间丝和微管组成的内部细胞骨架。这种纤维和管的基质提供了结构支撑以及一个网络，材料可以在细胞内运输，细胞器可以在其上锚定（[链接]）。例如，胞吐过程包括囊泡通过细胞骨架网络移动到质膜，在那里它可以释放其内容物。
细胞骨架
真核细胞中有氧细胞呼吸发生的大型复杂细胞器被称为线粒体（[link]）。“线粒体”一词最早由德国微生物学家卡尔·本达于1898年创造，后来由奥托·沃伯格于1913年与呼吸过程联系起来。20世纪60年代的科学家发现线粒体有自己的基因组和70S核糖体。1976年对线粒体基因组进行测序时，发现线粒体基因组是细菌的。这些发现最终支持了林恩·马古利斯提出的内共生理论，该理论指出线粒体最初是通过内共生事件产生的，在该事件中，能够有氧细胞呼吸的细菌被吞噬进入宿主细胞，并作为一个可行的细胞内成分保留下来。
线粒体
植物细胞和藻类细胞含有叶绿体，光合作用发生的细胞器（[链接]）。所有叶绿体都至少有三个膜系统：外膜、内膜和类囊体膜系统。在外膜和内膜内部是叶绿体基质，一种构成叶绿体体积大部分的凝胶状液体，类囊体系统漂浮在其中。类囊体系统是折叠膜囊的高度动态集合。它是绿色光合色素叶绿素的发现和光合作用的光反应发生的地方。在大多数植物叶绿体中，类囊体排列成称为grana（单数：granum）的堆叠，而在一些藻类叶绿体中，类囊体自由漂浮。
叶绿体
真核细胞的质膜在结构上与原核质膜相似，因为它主要由磷脂组成，形成带有嵌入的外周和整体蛋白质的双分子层（[link]）。这些膜组件根据流体镶嵌模型在膜平面内移动。然而，与原核膜不同，真核膜含有甾醇，包括胆固醇，可以改变膜流动性。此外，许多真核细胞含有一些特殊的脂质，包括鞘脂，它们被认为在维持膜稳定性以及参与信号转导途径和细胞间通信方面发挥作用。
等离子膜
除了质膜，一些真核细胞还有细胞壁。真菌、藻类、植物甚至一些原生生物的细胞都有细胞壁。根据真核细胞的类型，细胞壁可以由多种材料制成，包括纤维素（真菌和植物）；生物二氧化硅、碳酸钙、琼脂和角菜叉胶（原生生物和藻类）；或几丁质（真菌）。一般来说，所有细胞壁都为细胞提供结构稳定性，并保护其免受环境压力，如干燥、渗透压变化和创伤伤害。[脚注]

杜兹克。“原教旨主义者”。OpenStax CNX。2013年11月27日。http://cnx.org/contents/f7048bb6-e462-459b-805c-ef291cf7049c@1
细胞壁
动物和一些原生动物的细胞没有细胞壁来帮助维持形状和提供结构稳定性。相反，这些类型的真核细胞为此目的产生细胞外基质。它们分泌大量粘稠的碳水化合物和蛋白质到相邻细胞之间的空间（[链接]）。一些蛋白质成分组装成基膜，剩余的细胞外基质成分附着在基膜上。蛋白聚糖通常形成细胞外基质的庞大质量，而纤维蛋白，如胶原蛋白，提供强度。蛋白聚糖和胶原蛋白都附着在纤维连接蛋白上，而纤维连接蛋白又附着在整合蛋白上。这些整合蛋白与缺乏细胞壁的真核细胞的膜浆膜中的跨膜蛋白相互作用。
细胞外基质
一些真核细胞利用鞭毛进行运动；然而，真核鞭毛在结构上与原核细胞中发现的鞭毛不同。原核鞭毛是坚硬的旋转结构，而真核鞭毛更像是一根灵活的鞭子，由九对平行的微管组成，围绕着一对中央微管。这种排列被称为9+2阵列（[link]）。平行的微管利用动力蛋白运动蛋白相互相对移动，导致鞭毛弯曲。
鞭毛和纤毛
真核细胞的独特特性
细胞
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导言
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原核生物无处不在。它们在我们的星球上随处可见，甚至在温泉里，在南极冰盾里，在水下两英里的极端压力下。一种细菌，*反硝化副球菌*，甚至在科学家将其从原生环境（土壤）中取出并离心至2.4克，相当于木星表面的引力时被证明可以存活。
原核生物的栖息地和功能
正如我们所知，原核微生物可以与植物和动物结合。通常，这种联系会导致生物之间的独特关系。例如，生活在植物根或叶上的细菌从植物中获得营养，作为回报，产生保护植物免受病原体侵害的物质。另一方面，一些细菌是植物病原体，它们使用类似于动物和人类细菌病原体的感染机制。
共生关系
将原核生物分配给某个物种具有挑战性。它们不进行有性繁殖，因此无法根据有无杂交对其进行分类。此外，它们没有许多形态特征。传统上，原核生物的分类是基于它们的形状、染色模式以及生化或生理差异。最近，随着技术的进步，基因中的核苷酸序列已经成为微生物分类的重要标准。
分类学和系统学
原核生物栖息地、关系和微生物组
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第一类变形菌是阿尔法变形菌，其中许多是专性或兼性细胞内细菌。一些物种被描述为寡营养生物，能够生活在低营养环境中的生物，如深海沉积物、冰川或深地下土壤。
甲型变形菌
β变形菌是一个多样化的细菌群体。该群体中的不同细菌物种利用广泛的代谢策略，可以在各种环境中生存。一些属包括人类病原体物种，能够导致严重的，有时危及生命的疾病。例如，奈瑟菌属包括细菌*淋病，*性传播感染淋病的病原体，和*脑膜炎，细菌性脑膜炎的病原体。
β变形菌属
革兰氏阴性菌中种类最多的是伽马变形菌，它包括许多人类病原体。例如，一个庞大而多样的家族*假单胞菌科*包括*假单胞菌*属。在这个属中有一种*铜绿假单胞菌*，一种导致身体各个区域各种感染的病原体。*铜绿假单胞菌*是一种严格的需氧、非发酵、高度能动性的细菌。它经常感染伤口和烧伤，可能是慢性尿路感染的原因，也可能是囊性纤维化患者或机械呼吸机患者呼吸道感染的重要原因。*铜绿假单胞菌*的感染通常很难治疗，因为这种细菌对许多抗生素具有耐药性，并且具有形成生物膜的非凡能力。*假单胞菌*的其他代表包括荧光（发光）细菌*荧光杆菌*和土壤细菌*恶臭杆菌*，恶臭杆菌*因其降解外源生物（非自然产生或在活生物体中发现的物质）的能力而闻名。
γ变形菌
德尔塔变形菌是一小类革兰氏阴性变形菌，包括硫酸盐还原菌（SRB），之所以如此命名是因为它们使用硫酸盐作为电子传递链中的最终电子受体。很少有SRB是致病性的。然而，SRB*脱硫弧菌orale*与牙周病（牙龈疾病）有关。
三角变形菌
变形杆菌中最小的一类是Epsilon变形杆菌，这是一种革兰氏阴性微嗜氧细菌（意味着它们只需要环境中的少量氧气）。Epsilon变形杆菌的两个临床相关属是*弯曲杆菌*和*螺旋杆菌*，这两个属都包括人类病原体。*弯曲杆菌*会导致食物中毒，表现为严重的肠炎（小肠炎症）。这种情况由*C. jeJuni*引起，在发达国家相当常见，通常是因为食用了受污染的家禽产品。鸡的胃肠道和粪便中经常含有*C.jeJuni*，它们的肉在加工过程中可能会受到污染。
变形杆菌
变形菌属
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*沙眼衣原体*是一种人类病原体，会导致沙眼，这是一种眼部疾病，通常会导致失明。*沙眼衣原体*还会导致性传播疾病性淋巴肉芽肿（LGV）。这种疾病通常症状轻微，表现为局部淋巴结肿大，也可能没有症状，但传染性极强，在大学校园很常见。
衣原体
螺旋体的特点是它们的长（可达250μm），螺旋形的身体。大多数螺旋体也很薄，这使得在传统的明场显微镜下检查革兰氏染色的制剂变得困难。通常使用暗场荧光显微镜代替。螺旋体也很难甚至不可能培养。它们高度能动性，利用它们的轴向丝来推动自己。轴向丝类似于鞭毛，但它包裹在细胞周围，并在外膜和质膜之间的周质空间内的螺旋体的细胞体内运行（[link]）。
螺旋菌纲
革兰氏阴性非变形菌属*Cytophaga*、*Fusob杆菌属*和*类杆菌属*一起被归类为一个门，称为CFB组。虽然它们在系统发育上不同，但CFB组的细菌在其DNA核苷酸序列上有一些相似之处。它们是适应厌氧环境的棒状细菌，如反刍动物的牙龈、肠道和瘤胃组织。CFB细菌是狂热的发酵剂，能够加工瘤胃中的纤维素，从而使反刍动物能够从放牧中获得碳和能量。
*Cytophaga*、*梭杆菌*和*类杆菌*
浮游菌分布在水生环境中，栖息在淡水、咸水和微咸水中。浮游菌的不寻常之处在于它们通过出芽繁殖，这意味着在二进制裂变过程中，一个母细胞不是分裂成两个相等的子细胞，而是母细胞形成一个从母细胞分离出来的芽，作为一个独立的细胞生活。这些所谓的群细胞是能动的，不附着在表面上。然而，它们很快就会分化成无梗（不动）细胞，附着在一个叫做固定器的附属物上，使它们能够附着在水中的表面上（[链接]）。只有无梗细胞才能繁殖。
浮游菌纲
光合细菌是一类庞大而多样的细菌，它们不代表一个分类单元，而是一群利用阳光作为主要能量来源的细菌。这一类细菌包括变形菌和非变形菌。它们利用太阳能通过光合作用合成三磷酸腺苷。当它们产生氧气时，它们进行含氧光合作用。当它们不产生氧气时，它们进行缺氧光合作用。除了一些蓝藻，大多数光合细菌进行缺氧光合作用。
光合细菌
非变形菌革兰氏阴性菌和光合细菌
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放线菌这个名字来自希腊语中的*射线*和*小棒*，但放线菌非常多样化。它们的微观外观可以从细丝状分枝棒到球菌。一些放线菌非常大且复杂，而另一些则是最小的独立生物之一。大多数放线菌生活在土壤中，但也有一些是水生的。绝大多数是好氧的。这一类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：高G+C革兰氏阳性菌
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%，这组细菌包括许多致病性细菌属。
低G+C革兰氏阳性菌
革兰阳性菌
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深分支细菌
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克伦考古菌是一类极其多样化的古菌，包含形态和生长要求差异很大的属和物种。所有克伦考古菌都是水生生物，它们被认为是海洋中最丰富的微生物。大多数（但不是全部）克伦考古菌是嗜热生物；其中一些（特别是*Pyrolobus*属）能够在高达113摄氏度的温度下生长。[脚注]

E. Blochl等人。"*Pyrolobus fumani*，gen.and sp.nov.，代表了一个新的古细菌群体，将生命的温度上限延长到113℃。"*嗜极菌*1（1997）：14-21。
克伦卡罗塔
欧洲产甲烷菌门包括几个不同的类别。甲烷菌、甲烷球菌和甲烷菌代表古细菌，通常可以被描述为产甲烷菌。产甲烷菌的独特之处在于它们可以在氢的存在下减少二氧化碳，产生甲烷。它们可以生活在最极端的环境中，并且可以在从冰点以下到沸腾的不同温度下繁殖。在格陵兰岛的温泉和冰下深处都发现了产甲烷菌。产甲烷菌还在反刍动物和人类中产生气体。一些科学家甚至假设产甲烷菌可能居住在火星上，因为产甲烷菌产生的气体混合物类似于火星大气的组成。[脚注]

R. R.布里特“陨石坑生物：火星微生物可能潜伏的地方”http://www.space.com/1880-crater-critters-mars-microbes-lurk.html。2015年4月7日访问。
广亚龙亚目
古细菌
原核多样性
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导言
m58802
*protist*这个词是一个历史术语，现在被非正式地用来指微观真核生物的多样化群体。它不被认为是一个正式的分类学术语，因为它所描述的生物没有共同的进化起源。从历史上看，原生生物被非正式地分为“类动物”原生动物、“类植物”藻类和“类真菌”原生生物，如水霉。这三组原生生物在基本特征方面有很大差异。例如，藻类是光合生物，可以是单细胞或多细胞的。另一方面，原生动物是非光合的、能动的生物，总是单细胞的。其他非正式术语也可以用来描述各种原生生物群体。例如，在水中漂移或漂浮的微生物，被水流移动，被称为浮游生物。浮游生物的种类包括能动和非光合作用的浮游动物和光合作用的浮游植物。
原生生物的特征
原生生物是一个多系群体，这意味着它们缺乏共同的进化起源。由于目前的分类学基于进化史（由生物化学、形态学和遗传学决定），原生生物分散在真核生物领域内的许多不同分类学组中。真核生物目前分为六个超级组，这些超级组进一步分为亚组，如（[链接]）所示。在本节中，我们将主要关注超级组Amoebozoa、Excavata和Chromalveolata；这些超级组包括许多具有临床意义的原生动物。Opisthokonta和Rhizaria超级组也包括一些原生动物，但很少有临床意义。除了原生动物，Opisthokonta还包括动物和真菌，其中一些我们将在寄生蠕虫和真菌中讨论。原生生物的一些例子将在Algae中讨论。[链接]和[链接]总结每个超级组和亚组的特征，并列出每个的代表。
原生生物分类学
单细胞真核寄生虫
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Phylum Nematoda（蛔虫）是一个多样化的群体，包含超过15,000种，其中几种是重要的人类寄生虫（[link]）。这些未分段的蠕虫即使在寄生时也有完整的消化系统。有些是常见的肠道寄生虫，它们的卵有时可以在粪便中或感染个体的肛门周围识别出来。*蛔虫**lumbricoides*是在人类中发现的最大的线虫肠道寄生虫；雌性可能达到1米以上的长度。*A.**lumbricoides*也非常普遍，即使在发达国家也是如此，尽管它现在在美国是一个相对不常见的问题。它可能会导致从相对轻微（如咳嗽和轻微的腹痛）到严重（如肠道堵塞和生长受损）的症状。
线虫（蛔虫）
Phylum Platyhelminths（鸭虫）是扁虫。这个群体包括吸虫、绦虫和涡虫，涡虫包括涡虫。吸虫和绦虫是医学上重要的寄生虫（[链接]）。
扁虫（扁虫）
寄生蠕虫
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真菌有明确的特征，使它们与其他生物区分开来。大多数多细胞真菌体，通常称为霉菌，由称为菌丝的细丝组成。菌丝可以形成称为菌丝体的缠结网络，并形成多肉真菌的菌体（体）。细胞之间有壁的菌丝称为隔膜菌丝；细胞之间没有壁和细胞膜的菌丝称为非隔膜或共细胞菌丝）。（[链接]）。
真菌的特性
真菌种类繁多，由七个主要类群组成。并非所有七个类群都含有病原体。其中一些类群通常与植物相关，包括植物病原体。例如，Urediniomycae和Ustilagomycae分别包括植物锈菌和黑粉菌。它们分别在植物上形成淡红色或深色的团块，如锈菌（红色）或黑粉菌（深色）。一些物种由于能够降低作物产量而产生重大的经济影响。肾小球菌包括菌根真菌，这是与植物根系的重要共生体，可以通过像延伸的根系一样促进植物生长。肾小球菌是专性共生体，这意味着它们只有在与植物根系相关时才能生存；真菌从植物中接收碳水化合物，植物受益于从土壤中吸收营养物质和矿物质的能力增强。壶菌（chytrid）是小型真菌，但在生态上极其重要。壶菌通常是水生的，有鞭毛的、能动的配子；特定类型与世界各地两栖动物的减少有关。由于它们的医学重要性，我们将重点关注接合菌门、子囊菌门、担子菌门和小孢子虫。[链接]总结了这些医学上重要的真菌群体的特征。
真菌多样性
菌类
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虽然藻类和原生动物以前在分类学上是分开的，但现在它们被混合成超级组。藻类被归类为Chromalveolata和始源体。虽然Euglenozoa（在超级组Excavata中）包括光合生物，但它们不被认为是藻类，因为它们进食并且能动。
藻类多样性
藻类
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地衣是两种生物的组合，一种绿藻或蓝藻和真菌，以共生关系生活。藻类通常只生长在水生或极其潮湿的环境中，而地衣几乎可以在任何表面（尤其是岩石）或附生植物（这意味着它们生长在其他植物上）上找到。
特性
地衣被归类为真菌，真菌的伙伴属于子囊菌门和担子菌门。地衣也可以根据它们的形态分为类型。地衣有三种主要类型，尽管也存在其他类型。地衣紧密附着在基质上，使它们看起来像硬皮，被称为壳状地衣。那些具有叶状裂片的是叶状地衣；它们可能只附着在生长形式的一个点上，它们在髓质下方还有第二个皮层。最后，果状地衣具有圆形结构和整体分枝外观。[链接]显示了每种地衣形式的示例。
地衣多样性
地衣
微生物学的真核生物
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导言
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病毒可以感染每一种宿主细胞，包括植物、动物、真菌、原生生物、细菌和古细菌。大多数病毒只能感染一种或几种生物的细胞。这被称为宿主范围。然而，拥有广泛的宿主范围并不常见，病毒通常只会感染特定的宿主，并且只感染这些宿主内的特定细胞类型。感染细菌的病毒被称为噬菌体**s**，或简称噬菌体。*phage*这个词来源于希腊语吞噬。其他病毒只是通过它们的宿主群体来识别，例如动物或植物病毒。一旦细胞被感染，病毒的影响可能因病毒类型而异。病毒可能会导致细胞异常生长或细胞死亡，改变细胞基因组，或在细胞中几乎没有明显的影响。
宿主和病毒传播
一般来说，病毒粒子（病毒颗粒）很小，无法用普通的光学显微镜观察到。它们比原核和真核细胞小得多；这是一种适应性，允许病毒感染这些更大的细胞（见[链接]）。病毒粒子的大小范围从小病毒的20纳米到典型的大病毒的900纳米（见[链接]）。然而，最近的发现已经确定了新的巨型病毒物种，如*Pandoravirus salinus*和*Pithovisibericum*，其大小接近细菌细胞。[脚注]

潘多拉病毒：阿米巴病毒，其基因组高达2.5 Mb，达到寄生真核生物的基因组。《科学》341，第6143期（2013）：281-286。*
病毒结构
尽管病毒没有被划分为生命的三个领域，但它们的数量大到需要分类。自1971年以来，国际微生物学会联合会病毒学部门将开发、完善和维护通用病毒分类法的任务交给了国际病毒分类法委员会（ICTV）。由于病毒可以如此迅速地变异，使用二项式命名系统很难将它们分类为一个属和一个物种。因此，ICTV的病毒命名系统根据病毒遗传学、化学、形态学和增殖机制将病毒分为科和属。迄今为止，ICTV已将已知病毒分为七个目、96个科和350个属。病毒家族名称以-*病毒科*（例如，*细小病毒科*）结尾，属名称以*−病毒*（例如，*细小病毒*）结尾。病毒目、科、属的名称均用斜体字表示。当提到一个病毒物种时，我们经常使用一个属和物种的绰号，如*Pandoravirus dulcis*或*Pandoravirus salinus。*
病毒分类与分类
病毒
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噬菌体的生命周期是理解病毒如何影响它们感染的细胞的一个很好的模型，因为真核病毒也观察到了类似的过程，这可能导致细胞立即死亡或建立潜在或慢性感染。强噬菌体通常通过细胞裂解导致细胞死亡。另一方面，温和噬菌体可以成为宿主染色体的一部分，并与细胞基因组一起复制，直到它们被诱导产生新组装的病毒或后代病毒**es**。
病毒与原核生物宿主的生命周期
当噬菌体在连续感染期间将细菌DNA从一种细菌转移到另一种细菌时，就会发生转导。转导有两种类型：广义转导和专门转导。在病毒复制的裂解周期中，病毒劫持宿主细胞，降解宿主染色体，并制造更多的病毒基因组。当它将DNA组装并包装到噬菌体头部时，包装偶尔会出错。它不是包装病毒DNA，而是随机获取一段宿主DNA并将其插入衣壳。一旦释放，这种病毒粒子就会将前宿主的DNA注入新感染的宿主体内。遗传信息的无性转移可以允许DNA重组发生，从而为新宿主提供新的基因（例如，抗生素耐药性基因或糖代谢基因）。广义转导发生在裂解周期中噬菌体转移细菌染色体DNA的随机片段时。特化转导发生在溶原周期的末尾，即前噬菌体被切除，噬菌体进入裂解周期。由于噬菌体被整合到宿主基因组中，前噬菌体可以作为宿主的一部分进行复制。然而，一些条件（例如，紫外线暴露或化学暴露）刺激前噬菌体进行诱导，导致噬菌体从基因组中切除，进入裂解周期，并产生新的噬菌体离开宿主细胞。在从宿主染色体上切除的过程中，噬菌体可能偶尔会去除病毒整合位点附近的一些细菌DNA。来自整合位点一端或两端的噬菌体和宿主DNA被包装在衣壳内，并被转移到新的、受感染的宿主体内。由于噬菌体转移的DNA不是随机包装的，而是整合位点附近的特定DNA片段，这种基因转移机制被称为特化转导（见[链接]）。DNA然后可以与宿主染色体重组，赋予后者新的特征。转导似乎在细菌的进化过程中发挥了重要作用，赋予它们遗传信息无性交换的机制。
转导
裂解性动物病毒遵循与噬菌体相似的感染阶段：附着、渗透、生物合成、成熟和释放（见[链接]）。然而，细菌和动物病毒的渗透、核酸生物合成和释放机制不同。在与宿主受体结合后，动物病毒通过内吞作用（被宿主细胞吞没）或膜融合（病毒包膜与宿主细胞膜）进入。许多病毒是宿主特异性的，这意味着它们只感染某种类型的宿主；大多数病毒只感染组织内的某些类型的细胞。这种特异性被称为组织向性。脊髓灰质炎病毒或流感病毒证明了这一点，脊髓灰质炎病毒对大脑和脊髓组织表现出向性，流感病毒对呼吸道有原发向性。
病毒与动物宿主的生命周期
当病毒没有完全从宿主系统中清除，而是停留在被感染者的某些组织或器官中时，就会发生持续感染。病毒可能保持沉默或进行生产性感染，而不会严重伤害或杀死宿主。持续感染的机制可能涉及调节病毒或宿主基因表达或改变宿主免疫反应。持续感染的两个主要类别是潜伏性感染和慢性感染。引起潜伏性感染的病毒例子包括单纯疱疹病毒（口腔和生殖器疱疹）、水痘-带状疱疹病毒（水痘和带状疱疹）和爱泼斯坦-巴尔病毒（单核细胞增多症）。丙型肝炎病毒和艾滋病毒是引起长期慢性感染的两个例子。
持续性感染
与噬菌体相比，植物病毒更类似于动物病毒。植物病毒可能是包膜的或非包膜的。像许多动物病毒一样，植物病毒可以有DNA或RNA基因组，可以是单链或双链的。然而，大多数植物病毒没有DNA基因组；大多数有+ssRNA基因组，其作用类似于信使RNA（mRNA）。只有少数植物病毒有其他类型的基因组。
病毒与植物宿主的生命周期
与细菌种群的生长曲线不同，病毒种群在其生命周期中的生长曲线不遵循S型曲线。在初始阶段，接种病毒会导致感染。在蚀相阶段，病毒在培养基中没有检测到病毒粒子的情况下结合并穿透细胞。与细菌生长曲线相比，接下来出现在病毒生长曲线中的主要差异发生在病毒粒子同时从裂解的宿主细胞中释放出来的时候。这种情况被称为爆发，每个释放的细菌的病毒粒子数量被描述为爆发大小。在噬菌体的一步繁殖曲线中，宿主细胞裂解，向培养基释放许多病毒粒子，这导致病毒滴度（每单位体积的病毒粒子数量）急剧上升。如果没有活的宿主细胞存在，病毒颗粒在培养物下降期间开始降解（见[链接]）。
病毒生长曲线
病毒生命周期
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与细菌不同，许多细菌可以在人工营养培养基上生长，病毒需要活的宿主细胞进行复制。感染的宿主细胞（真核或原核）可以培养和生长，然后生长培养基可以作为病毒的来源收获。液体培养基中的病毒粒子可以通过离心或过滤从宿主细胞中分离出来。过滤器可以物理去除溶液中存在的任何大于病毒粒子的东西；然后病毒可以收集在滤液中（见[链接]）。
病毒隔离
病毒可以在体内（在整个活的生物体、植物或动物内）或体外（在活的生物体外在人工环境中的细胞中生长。扁平的水平细胞培养瓶（见[链接]**（a）**）是用于体外工作的常见容器。噬菌体可以在培养皿或扁平（水平）烧瓶中生长在0.7%软琼脂中的致密细菌层（也称为细菌草坪）存在下生长（见[链接]**（b）**）。随着噬菌体杀死细菌，在浑浊的细菌草坪之间观察到许多斑块。
病毒的培养
无论培养方法如何，一旦病毒被引入整个宿主生物、胚胎或组织培养细胞，就可以从受感染的宿主、胚胎或细胞系制备样品，以便在明场、电子或荧光显微镜下进行进一步分析。细胞病变效应（CPEs）是由于病毒感染而引起的明显可观察到的细胞异常。CPEs可以包括失去对容器表面的粘附，细胞形状从扁平到圆形的变化，细胞核的收缩，细胞质中的空泡，细胞质膜的融合和多核合胞的形成，细胞核或细胞质中的包涵体，以及完全的细胞裂解（见[链接]）。
检测病毒
病毒的分离、培养和鉴定
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1971年，在农业研究服务处工作的病理学家西奥多·迪纳发现了一种无细胞粒子，他将其命名为病毒状体，意思是“病毒样”。病毒状体仅由一小段能够自我复制的圆形RNA组成。发现的第一个病毒状体被发现会导致马铃薯块茎梭形病害，这会导致马铃薯植株发芽缓慢和各种畸形（见[链接]）。像病毒一样，马铃薯梭形块茎病毒状体（PSTV）控制宿主机器来复制其RNA基因组。与病毒不同，病毒状体没有蛋白质涂层来保护其遗传信息。
伟人
第二种可以感染商业上重要的农作物的病原RNA是类病毒**s**，这是一种亚病毒粒子，最好被描述为非自我复制的ssRNA。类病毒的RNA复制类似于类病毒，但与类病毒不同的是，类病毒要求细胞也感染了特定的“辅助”病毒。目前只有五种描述的类病毒及其相关的辅助病毒。辅助病毒都来自Sobemo病毒家族。辅助病毒的一个例子是地下三叶草斑驳病毒，它在病毒衣壳内包装了一个相关的类病毒。一旦辅助病毒进入宿主细胞，类病毒就会被释放出来，并在植物细胞质中游离，在那里它们具有核酶活性。辅助病毒经历典型的病毒复制，独立于类病毒的活性。类病毒基因组很小，只有220到388个核苷酸长。类病毒基因组不编码任何蛋白质，而是仅用于复制类病毒RNA。
类病毒
曾经，科学家们认为任何传染性粒子都必须含有DNA或RNA。然后，在1982年，研究瘙痒症（羊身上的一种致命的退行性疾病）的医学博士斯坦利·普鲁辛纳发现这种疾病是由蛋白质性传染性粒子或朊病毒**s**引起的。因为蛋白质是无细胞的，不含DNA或RNA，普鲁辛纳的发现最初遭到了抵制和怀疑；然而，他的研究最终得到了验证，他在1997年获得了诺贝尔生理学或医学奖。
朊病毒
类病毒、类病毒和朊病毒
脱细胞病原体
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导言
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细胞中最丰富的元素是氢（H），其次是碳（C）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和硫（S）。我们称这些元素为宏量营养素**s**，它们约占细胞干重的99%。一些元素，如钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、锌（Zn）、铁（Fe）、钙（Ca）、钼（Mo）、铜（Cu）、钴（Co）、锰（Mn）或钒（V），是一些细胞所需的极少量，被称为微量营养素**s**或微量元素**s**。所有这些元素对许多生化反应的功能都是必不可少的，因此，对生命也是必不可少的。
活细胞中的元素
生物体中的有机分子通常比无机分子更大、更复杂。它们的碳骨架通过共价键保持在一起。它们形成生物体的细胞，并进行促进生命的化学反应。所有这些分子，称为生物分子**s**，因为它们是生命物质的一部分，含有碳，这是生命的组成部分。碳是一种非常独特的元素，因为它的外轨道有四个价电子，可以同时与多达四个其他原子形成四个单共价键（见附录A）。这些原子通常是氧、氢、氮、硫、磷和碳本身；最简单的有机化合物是甲烷，其中碳只与氢结合（[链接]）。
有机分子与异构
除了含有碳原子，生物分子还含有官能团——分子中的原子组，根据其特定的化学成分和它们进行的化学反应进行分类，而不管该组是在哪个分子中发现的。[链接]中列出了一些最常见的官能团。在公式中，符号R代表“残基”，代表分子的其余部分。R可能只代表一个氢原子，也可能代表一个由许多原子组成的组。请注意，一些官能团相对简单，仅由一两个原子组成，而一些官能团由两个更简单的官能团组成。例如，羰基是由碳原子与氧原子双键组成的官能团：C=O。它作为酮、醛、羧酸和酰胺等较大官能团的一部分存在于几类有机化合物中。在酮中，羰基作为内部基团存在，而在醛中，它是末端基团。
具有生物学意义的功能群
碳链构成了大多数有机分子的骨架。功能基团与链结合形成生物分子。因为这些生物分子通常很大，我们称之为大分子。许多与生物学相关的大分子是通过将大量相同或非常相似的较小有机分子连接在一起形成的。较小的分子充当积木，被称为单体**s**，由它们连接产生的大分子被称为聚合物**s**。细胞和细胞结构包括四个主要的含碳大分子组：多糖、蛋白质、脂质和核酸。前三组分子将在本章中进行研究。核酸的生物化学将在《基因组生物化学》中讨论。
大分子
有机分子
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在生物化学中，碳水化合物通常被称为糖类**s**，来自希腊语*sakcharon*，意思是糖，尽管并非所有的糖类都是甜的。最简单的碳水化合物被称为单糖**s**，或简单的糖。它们是合成聚合物或复杂碳水化合物的组成部分（单体），这将在本节中进一步讨论。单糖是根据分子中碳的数量进行分类的。一般类别使用表示碳数量的前缀和表示糖的后缀-*ose*来识别；例如，三糖（三碳）、四糖（四碳）、戊糖（五碳）和己糖（六碳）（[链接]）。己糖D-葡萄糖是自然界中含量最丰富的单糖。其他非常常见和丰富的己糖单糖是半乳糖，用于制造二糖乳糖乳糖和果糖
单糖：甜的
两个单糖分子可以化学结合形成二糖。两个单糖之间的共价键的名称是糖苷键。糖苷键在两个糖分子的羟基之间形成，这是本章前一节描述的脱水合成的一个例子：
双糖
多糖，也称为聚糖，是由数百个单糖单体组成的大聚合物。与单糖和双糖不同，多糖不甜，通常不溶于水。像双糖一样，多糖的单体单元通过糖苷键连接在一起。
多糖
碳水化合物
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脂肪酸是含有以羧酸官能团终止的长链碳氢化合物的脂质。由于长碳氢链，脂肪酸是疏水的（“怕水”）或非极性的。碳氢链只含有单键的脂肪酸被称为饱和脂肪酸，因为它们有尽可能多的氢原子，因此被氢“饱和”。碳氢链至少含有一个双键的脂肪酸被称为不饱和脂肪酸，因为它们的氢原子较少。饱和脂肪酸有一个直的、柔性的碳主链，而不饱和脂肪酸的碳骨架有“扭结”，因为每个双键都会导致碳骨架的刚性弯曲。饱和和不饱和脂肪酸结构的这些差异导致脂肪酸结合的相应脂质的不同性质。例如，含有饱和脂肪酸的脂质在室温下是固体，而含有不饱和脂肪酸的脂质是液体。
脂肪酸和甘油三酯
甘油三酯被归类为简单的脂质，因为它们仅由两种类型的化合物形成：甘油和脂肪酸。相比之下，复杂的脂质含有至少一种额外的成分，例如，磷酸盐基团（磷脂**s**）或碳水化合物部分（甘油**s**）。[链接]描绘了由与甘油相连的两种脂肪酸（甘油二酯）组成的典型磷脂。两条脂肪酸碳链可以都是饱和的，都是不饱和的，或者每条中的一条。代替另一种脂肪酸分子（如甘油三酯），甘油分子上的第三个结合位置被修饰的磷酸盐基团占据。
磷脂与生物膜
异戊二烯是由异戊二烯分子的化学修饰形成的支链脂质，也称为萜类化合物（[link]）。这些脂质在植物和动物中扮演着各种各样的生理角色，在许多技术上被用作药物（辣椒素）、色素（例如橙色β胡萝卜素、叶黄素）和香料（例如薄荷醇、樟脑、柠檬烯[柠檬香味]和松香[松香]）。长链异戊二烯也存在于疏水油和蜡中。蜡通常是防水的，在室温下很硬，但是加热时会变软，如果加热充分会液化。在人类中，主要的蜡产生发生在皮肤毛囊的皮脂腺内，产生一种叫做皮脂的分泌物质，主要由三酰甘油、蜡酯和碳氢化合物角化烯组成。皮肤上的微生物群中有许多以这些脂质为食的细菌。以脂质为食的最突出的细菌之一是痤疮丙酸杆菌，它利用皮肤的脂质产生短链脂肪酸，并参与痤疮的产生。
异戊二烯和甾醇
脂类
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氨基酸是一种有机分子，其中一个氢原子、一个羧基（-COOH）和一个氨基（-NH2）都键合在同一个碳原子上，即所谓的α碳。键合在α碳上的第四个基团在不同的氨基酸中各不相同，被称为残基或侧链，在结构式中用字母*R*表示。残基是两个或多个氨基酸结合并去除水分子时产生的单体。蛋白质的初级结构肽链由氨基酸残基组成。官能团和*R*基团的独特特性允许氨基酸的这些成分形成氢键、离子键和二硫键，以及形成二级、三级和四级蛋白质结构所需的极性/非极性相互作用。这些基团主要由碳、氢、氧、氮和硫组成，形式为碳氢化合物、酸、酰胺、醇和胺。[链接]中提供了一些说明这些可能性的例子。
氨基酸和肽键
蛋白质的大小（长度）和特定的氨基酸序列是其形状的主要决定因素，而蛋白质的形状对其功能至关重要。例如，在生物固氮过程中（参见生物地球化学循环），统称为根瘤菌的土壤微生物与大豆、花生或豆类等豆科植物的根部共生相互作用，在植物根部形成一种称为根瘤的新型结构。然后，植物产生一种名为leghemogobin的载体蛋白，这是一种携带氮或氧的蛋白质。在形状和氨基酸序列合适的蛋白质的特定区域（活性位点），Leghemogobin以非常高的亲和力与其底物氧结合。如果活性位点的形状或化学环境发生改变，即使是轻微的改变，底物也可能无法如此强烈地结合，或者根本无法结合。因此，为了使蛋白质充分活跃，它必须具有适合其功能的形状。
蛋白质结构
蛋白质
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利用生物化学鉴定微生物
微生物生物化学
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导言
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生物可以根据它们用于新陈代谢的碳源以及它们的能量来源来识别。前缀auto-（“自身”）和异性（“其他”）指的是各种生物可以使用的碳源的来源。将无机二氧化碳（CO2）转化为有机碳化合物的生物是自养生物。植物和蓝藻是自养生物的著名例子。相反，异养生物依赖更复杂的有机碳化合物作为营养物质；这些营养物质最初是由自养生物提供给它们的。许多生物，从人类到许多原核生物，包括研究充分的大肠杆菌，都是异养生物。
碳和能源分类
分子之间的电子转移很重要，因为储存在原子中并用于燃料电池功能的大部分能量都是高能电子的形式。以电子形式转移的能量允许电池以增量方式转移和使用能量；也就是说，在小包装中，而不是单一的破坏性爆发。从供体分子中去除电子，使其氧化的反应是氧化反应**s**；那些向受体分子添加电子，使其还原的反应是还原反应**s**。因为电子可以从一个分子移动到另一个分子，所以氧化和还原是串联发生的。这些成对的反应称为氧化还原反应，或氧化还原反应**s**。
氧化和减少代谢
营养素内化学键分解释放的能量既可以通过电子载体的还原来储存，也可以储存在三磷酸腺苷（ATP）的键中。在生命系统中，一小类化合物起到移动电子载体**s**的作用，即在途径中与高能电子结合并穿梭在化合物之间的分子。我们将考虑的主要电子载体起源于B族维生素，是核苷酸的衍生物；它们是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、尼古丁腺嘌呤二核苷酸磷酸酯和黄素腺嘌呤二核苷酸。这些化合物很容易被还原或氧化。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+/NADH）是分解代谢中最常见的移动电子载体。NAD+是分子的氧化形式；NADH是分子的还原形式。尼古丁腺嘌呤二核苷酸磷酸酯（NADP+）是含有额外磷酸基团的NAD+变体的氧化形式，是另一种重要的电子载体；它在还原时形成NADPH。黄素腺嘌呤二核苷酸的氧化形式是FAD，其还原形式是FADH2。NAD+/NADH和FAD/FADH2都广泛用于化学异养体分解代谢过程中从糖中提取能量，而NADP+/NADPH在合成代谢反应和光合作用中起着重要作用。总的来说，FADH2、NADH和NADPH通常被称为具有还原力，因为它们能够将电子捐赠给各种化学反应。
能源载体：NAD+、NADP+、FAD和ATP
有助于加速化学反应的物质是催化剂。催化剂在化学反应中不使用或改变，因此可以重复使用。无机分子可以作为各种化学反应的催化剂，而被称为酶的蛋白质可以作为细胞内生化反应的催化剂。因此，酶在控制细胞新陈代谢方面发挥着重要作用。
酶的结构与功能
酶可以通过促进或降低其活性的方式进行调节。有许多不同种类的分子抑制或促进酶功能，并且存在各种机制来做到这一点（[link]）。竞争性抑制剂是一种与底物足够相似的分子，它可以通过简单地阻止底物结合来与底物竞争与活性位点结合。为了使竞争性抑制剂有效，抑制剂浓度需要大致等于底物浓度。磺胺类药物提供了竞争竞争的一个很好的例子。它们被用来治疗细菌感染，因为它们与细菌叶酸合成途径中酶的活性位点结合。当磺胺类药物以足够的剂量存在时，它会阻止叶酸合成，细菌无法生长，因为它们无法合成DNA、RNA和蛋白质。人类不受影响，因为我们从饮食中获得叶酸。
酶抑制剂
能量、物质和酶
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对于细菌、真核生物和大多数古生菌来说，糖酵解是葡萄糖分解代谢最常见的途径；它产生能量、还原的电子载体和细胞代谢的前体分子。每个生物都进行某种形式的糖酵解，这表明这种机制是一个古老的普遍代谢过程。这个过程本身不使用氧气；然而，糖酵解可以与有氧或无氧的额外代谢过程相结合。糖酵解发生在原核和真核细胞的细胞质中。它始于一个六碳葡萄糖分子，结束于两个三碳糖分子，称为丙酮酸。丙酮酸可能在糖酵解后进一步分解，通过有氧或无氧呼吸利用更多能量，但许多生物，包括许多微生物，可能无法呼吸；对这些生物来说，糖酵解可能是它们产生ATP的唯一来源。
糖酵解
当我们提到糖酵解时，除非另有说明，我们指的是动物和许多细菌使用的EMP途径。然而，一些原核生物使用替代糖酵解途径。一个重要的替代方案是Entner-Doudoroff（ED）途径，以其发现者Nathan Entner和Michael Doudoroff（1911-1975）的名字命名。虽然一些细菌，包括机会性革兰氏阴性病原体*铜绿假单胞菌*，只包含用于糖酵解的ED途径，但其他细菌，如*大肠杆菌*，有能力使用ED途径或EMP途径。
其他糖酵解途径
糖酵解产生丙酮酸，丙酮酸可以被进一步氧化以捕获更多的能量。丙酮酸要进入下一个氧化途径，首先必须在过渡反应中通过酶复合物丙酮酸脱氢酶脱羧为二碳乙酰基，也称为桥反应（见附录C和[链接]）。在过渡反应中，电子也被转移到NAD+以形成NADH。为了进入这个代谢过程的下一阶段，相对微小的二碳乙酰基必须附着在一个非常大的载体化合物上，称为辅酶A（CoA）。过渡反应发生在真核生物的线粒体基质中；在原核生物中，它发生在细胞质中，因为原核生物缺乏膜封闭的细胞器。
过渡反应、辅酶A和克雷布斯循环
碳水化合物的分解代谢
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电子传输系统（ETS）是参与细胞呼吸过程的最后一个组成部分；它包括一系列膜相关蛋白复合物和相关的移动辅助电子载体（[link]）。电子传输是一系列类似于桶旅的化学反应，因为来自NADH和FADH2的电子从一个ETS电子载体快速传递到下一个ETS电子载体。这些载体可以在ETS中传递电子，因为它们的氧化还原电位。蛋白质或化学物质要接受电子，它必须比电子供体具有更正的氧化还原电位。因此，电子从具有更多负氧化还原电位的电子载体移动到具有更多正氧化还原电位的电子载体。真核和原核电子传输系统中涉及的四大类电子载体是细胞色素、黄素蛋白、铁硫蛋白和醌。
电子输运系统
在电子通过ETS的每次转移中，电子都会失去能量，但是在一些转移中，通过使用它在膜上泵送氢离子（H+），能量被储存为势能。在原核细胞中，H+被泵送到细胞质膜的外部（在革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌中称为周质空间），在真核细胞中，它们被从线粒体基质泵送到线粒体膜内部的膜间空间。膜上的H+分布不均匀，这建立了电化学梯度，因为H+离子带正电荷（电），膜的一侧有更高的浓度（化学）。这种由H+（也称为质子）在膜的一侧与另一侧相比积累而形成的电化学梯度被称为质子动力（PMF）。因为所涉及的离子是H+，所以也建立了pH梯度，其中H+浓度较高的膜一侧更具酸性。除了使用PMF制造ATP之外，正如本章所讨论的，PMF还可以用来驱动其他能量不利的过程，包括营养物质运输和鞭毛旋转以获得动力。
化学渗透、质子动力和氧化磷酸化
细胞呼吸
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发酵
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甘油三酯是动物体内长期储存能量的一种形式。它们由甘油和三种脂肪酸组成（见[链接]）。磷脂构成除古细菌以外的所有生物体的细胞膜和细胞器膜。磷脂结构与甘油三酯相似，只是其中一种脂肪酸被磷酸化的头基取代（见[链接]）。甘油三酯和磷脂首先通过从三碳甘油主链释放脂肪酸链（和/或磷酸化的头基，在磷脂的情况下）来分解。分解甘油三酯的反应由脂肪酶催化，涉及磷脂的反应由磷脂酶催化。这些酶有助于某些微生物的毒力，例如细菌*金黄色葡萄球菌*和真菌*新生隐球菌*。这些微生物利用磷脂酶破坏宿主细胞中的脂质和磷脂，然后利用分解代谢产物获取能量（参见细菌和病毒病原体的毒力因子）。
脂质分解代谢
蛋白质通过多种微生物蛋白酶酶的协同作用而降解。细胞外蛋白酶在特定的氨基酸序列内部切割蛋白质，将它们分解成更小的肽，然后可以被细胞吸收。一些临床上重要的病原体可以通过它们产生特定类型的细胞外蛋白酶的能力来识别。例如，由*变形杆菌*和*沙雷氏菌属*的成员产生的细胞外蛋白酶明胶酶可以用来将它们与其他革兰氏阴性肠道细菌区分开来。在明胶肉汤中接种和生长微生物之后，由于明胶酶产生而导致的明胶蛋白的降解阻止了明胶在冷藏时的凝固。其他病原体可以通过降解酪蛋白的能力来区分，酪蛋白是牛奶中发现的主要蛋白质。当在脱脂牛奶琼脂上生长时，细胞外蛋白酶酪蛋白酶的产生会导致酪蛋白的降解，酪蛋白在微生物生长周围表现为一个清除区。机会主义病原体*铜绿假单胞菌*产生的酪蛋白酶可用于将其与其他相关的革兰氏阴性细菌区分开来。
蛋白质分解代谢
脂质和蛋白质的分解代谢
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在所有光合真核生物中，光合作用都发生在叶绿体内部，叶绿体是真核生物中通过光合细菌的内共生而产生的细胞器（参见真核细胞的独特特征）。这些叶绿体被具有内层和外层的双层膜包围。叶绿体内是第三层膜，形成堆叠的圆盘状光合结构，称为类囊体（[链接]）。一堆类囊体被称为颗粒，叶绿体内围绕颗粒的空间被称为基质。
真核生物和原核生物的光合结构
为了使光合作用继续进行，从反应中心色素中丢失的电子必须被替换。这种电子（H2A）的来源将植物和蓝藻的含氧光合作用与其他类型的细菌光合生物进行的缺氧光合作用区分开来（[link]）。在含氧光合作用中，H2O被分裂并将电子提供给反应中心。因为氧气作为副产品产生并被释放，所以这种类型的光合作用被称为含氧光合作用。然而，当其他还原化合物作为电子供体时，不会产生氧气；这些类型的光合作用被称为缺氧光合作用。硫化氢（H2S）或硫代硫酸盐$\左（{\text{S}}_{2}{\text{O}}_{3}^{\text{2−}}\right）$可以作为电子供体，产生元素硫和硫酸盐$\左（{\text{SO}}}_{4}^{\text{2−}}\right）$离子。
含氧和缺氧光合作用
来自太阳的能量转化为化学能并暂时储存在ATP和NADPH分子（寿命为百万分之一秒）中后，光自养生物拥有了构建多碳碳水化合物分子所需的燃料，这些碳水化合物分子可以存活数亿年，用于长期能量储存。碳来自二氧化碳，二氧化碳是细胞呼吸的废物。
光独立反应
光合作用
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碳是生物体最重要的元素之一，其丰度和存在于所有有机分子中就证明了这一点。碳循环体现了不同生态系统中生物体之间的联系。碳在生态系统内部和之间的异养生物和自养生物之间进行交换，主要是通过大气二氧化碳，一种完全氧化的碳，是自养生物用来构建多碳高能有机分子（如葡萄糖）的基本组成部分。光自养生物和化学自养生物分别利用来自太阳和无机化合物的能量，将碳原子共价结合在一起，形成还原的有机化合物，其能量以后可以通过呼吸和发酵过程获得（[链接]）。
碳循环
许多生物大分子，包括蛋白质和核酸，都含有氮；然而，将氮带入活生物体是困难的。原核生物在氮循环（[link]）中起着至关重要的作用，在各种形式之间转化氮以满足自身的需要，间接使其他生物体受益。植物和浮游植物不能将来自大气的氮（在那里它以紧密结合、三重共价N2的形式存在）融入其中，即使这种分子构成了大约78%的大气。氮通过自由生活和共生细菌进入生物世界，这些细菌通过称为固氮的专门生化途径将氮融入其大分子中。水生生态系统中的蓝藻将无机氮（来自氮气）固定为氨（NH3），可以很容易地融入生物大分子中。*根瘤菌*菌（[link]）也能固定氮，共生生活在豆科植物（如豆类、花生和豌豆）的根瘤中，为它们提供所需的有机氮，同时以固定碳作为糖作为交换。自由生活的细菌，如*固氮菌*属的成员，也能固定氮。
氮循环
硫是生物体大分子的必需元素。作为氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸的一部分，它参与蛋白质的形成。它也存在于合成辅酶A等重要生物分子所必需的几种维生素中。几组微生物负责进行硫循环所涉及的过程（[链接]）。缺氧光合细菌以及化学自养古细菌和细菌使用硫化氢作为电子供体，首先将其氧化为元素硫（S0），然后将其氧化为硫酸盐$\左（{{\text{SO}}_{4}}^{2-}\右）。$这导致土壤中硫化氢的分层，在更深、更厌氧的深度水平增加。
硫循环
除了参与碳、氮和硫循环之外，原核生物还参与其他生物地球化学循环。像碳、氮和硫循环一样，一些额外的生物地球化学循环，如铁（Fe）、锰（Mn）和铬（Cr）循环，也涉及氧化还原化学，原核生物在氧化和还原中发挥作用。其他几种元素经历不涉及氧化还原化学的化学循环。例如磷（P）、钙（Ca）和硅（Si）循环。这些元素的循环在海洋中尤为重要，因为大量这些元素被纳入海洋生物的外骨骼。这些生物地球化学循环不涉及氧化还原化学，而是涉及含钙、磷和二氧化硅化合物溶解度的波动。自然微生物群落的过度生长通常受到氮（如前所述）、磷和铁的可用性的限制。人类活动引入过量的铁、氮或磷（通常来自洗涤剂）可能导致富营养化。
其他生物地球化学循环
微生物生物修复利用微生物新陈代谢去除异种生物**s**或其他污染物。异种生物是由人类合成的化合物，并以比自然产生的浓度高得多的浓度引入环境。这种环境污染可能涉及粘合剂、染料、阻燃剂、润滑剂、石油和石油产品、有机溶剂、杀虫剂以及汽油和石油燃烧的产物。许多异种生物抵抗分解，有些在被鱼类和野生动物消耗或吸收后在食物链中积累，而鱼类和野生动物又可能被人类吃掉。特别令人担忧的是多环芳烃（PAH）和三氯乙烯（TCE）等污染物，多环芳烃是一种在原油中发现的致癌异种生物，三氯乙烯是一种常见的地下水污染物。
生物修复
生物地球化学循环
微生物代谢
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导言
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细菌中最常见的细胞复制机制是一个叫做二元裂变的过程，这在[链接]中有所描述。在分裂之前，细胞生长并增加其细胞成分的数量。接下来，脱氧核糖核酸的复制开始于圆形染色体上一个叫做复制起源的位置，染色体附着在内膜上。复制沿着染色体向相反的方向继续进行，直到到达终点。
二元裂变
在真核生物中，生成时间是连续两代生命周期的相同点之间的时间。例如，人类种群的典型生成时间为25年。这个定义对于细菌来说并不实用，细菌可能会快速繁殖或保持休眠数千年。在原核生物（细菌和古细菌）中，生成时间也被称为倍增时间，并被定义为种群通过一轮二元裂变翻倍所需的时间。细菌倍增时间差异很大。尽管*大肠杆菌*在实验室的最佳生长条件下可以在短短20分钟内翻倍，但同一物种的细菌可能需要几天才能在特别恶劣的环境中翻倍。大多数病原体生长迅速，如*大肠杆菌*，但也有例外。例如，结核病病原体*结核分枝杆菌*的产生时间在15至20小时之间；而引起汉森氏病（麻风病）的*麻风分枝杆菌*生长速度要慢得多，倍增时间为14天。
生成时间
在封闭培养（也称为批量培养）中生长的微生物，其中不添加营养物质，也不清除大多数废物，遵循称为生长曲线的可重现的生长模式。自然界中批量培养的一个例子是在封闭环境中生长少量细胞的池塘。培养密度定义为每单位体积的细胞数量。在封闭环境中，培养密度也是群体中细胞数量的度量。身体的感染并不总是遵循生长曲线，但根据感染的部位和类型可能存在相关性。当活细胞的数量与时间作图时，可以在曲线中观察到不同的阶段（[链接]）。
增长曲线
估计样本中细菌细胞的数量，称为细菌计数，是微生物学家执行的一项常见任务。临床样本中细菌的数量可以指示感染的程度。饮用水、食品、药物甚至化妆品的质量控制依赖于细菌计数的估计来检测污染和防止疾病传播。两种主要方法用于测量细胞数量。直接方法包括计数细胞，而间接方法依赖于细胞存在或活性的测量，而不实际计算单个细胞。直接和间接方法在特定应用中都有优点和缺点。
细菌生长的测量
活板计数，或简称板计数，是活细胞或活细胞的计数。它基于这样的原则，即活细胞在适合标本的条件下孵育时复制并产生可见的菌落。结果通常表示为每毫升的菌落形成单位（CFU/mL），而不是每毫升的细胞，因为可能有多个细胞降落在同一地点以产生单个菌落。此外，生长在集群或链条中的细菌样本难以分散，单个菌落可能代表几个细胞。一些细胞被描述为可存活但不可培养，并且不会在固体培养基上形成菌落。由于所有这些原因，活板计数被认为是对活细胞实际数量的低估计。这些限制并不影响该方法的有用性，该方法提供了活细菌数量的估计。
板计数
除了计数细胞的直接方法之外，其他基于间接检测细胞密度的方法通常用于估计和比较培养物中的细胞密度。最重要的方法是测量液体悬浮液中细菌样品的浊度（浊度）。用于测量浊度的实验室仪器称为分光光度计（[link]）。在分光光度计中，光束通过细菌悬浮液传输，穿过悬浮液的光由检测器测量，穿过样品并到达检测器的光量被转换为透射百分比或称为吸光度（光密度）的对数值。随着悬浮液中细菌数量的增加，浊度也会增加，并导致到达检测器的光减少。通过样品并到达检测器的光的减少与分光光度计测量的透射率下降和吸光度增加有关。
间接细胞计数
二进制裂变是原核生物中最常见的细胞分裂模式，但它不是唯一的。其他机制通常涉及不对称分裂（如萌芽）或空气丝中孢子的产生。
细胞分裂的替代模式
在自然界中，微生物主要生长在生物膜中，生物膜是在各种环境表面形成的复杂而动态的生态系统，从工业管道和水处理管道到河床中的岩石。然而，生物膜并不局限于固体表面基质。几乎任何含有少量营养物质的液体环境中的表面最终都会形成生物膜。例如，漂浮在水面上的微生物垫是含有大量光合微生物的生物膜。在人类口腔中发现的生物膜可能包含数百种细菌。不管它们发生在什么环境中，生物膜都不是微生物的随机集合；相反，它们是高度结构化的群落，为其组成微生物提供选择性优势。
生物膜
微生物如何生长
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许多生态系统仍然没有分子氧。有些位于极端位置，如海洋深处或地壳中；其他是我们日常景观的一部分，如沼泽、沼泽和下水道。在人类和其他动物体内，氧气很少或没有氧气的区域为微生物提供了厌氧环境。（[链接]）。
微生物的需氧量
有氧呼吸不断产生活性氧（ROS），这些副产品必须被解毒。即使不使用有氧呼吸的生物体也需要某种方法来分解一些可能从大气氧气中形成的ROS。三种主要酶分解这些有毒副产品：超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶。每一种酶催化不同的反应。反应1中看到的类型的反应是由过氧化物酶催化的。
活性氧的解毒
微生物生长对氧气的需求
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pH值对微生物生长的影响
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温度与微生物生长
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大多数自然环境的溶质浓度往往低于大多数微生物的细胞质。坚硬的细胞壁保护细胞在稀释的环境中免于爆裂。在高渗透压下没有多少保护措施。在这种情况下，水按照其浓度梯度流出细胞。这导致质浆分解（原生质从完整的细胞壁处收缩）和细胞死亡。这一事实解释了为什么盐水和盐中分层肉和鱼是保存食物的由来已久的方法。被称为嗜盐微生物（“喜盐”）的微生物实际上需要高盐浓度才能生长。这些生物存在于盐浓度徘徊在3.5%的海洋环境中。极端嗜盐微生物，如[链接]中的红藻*杜氏盐藻*和古物种*盐杆菌*，生长在比海洋咸3.5-8倍的大盐湖和比海洋咸10倍的死海等高盐湖泊中。
渗透压和气压
光自养生物，如蓝藻或绿色硫细菌，以及光异养生物，如紫色非硫细菌，依靠其色素吸收的波长上足够的光强度来生长和繁殖。光的能量被色素捕获，并转化为化学能，驱动碳固定和其他代谢过程。被这些生物吸收的电磁波谱部分被定义为光合活性辐射（PAR）。它位于400至700纳米（nm）的可见光光谱范围内，并在一些光合细菌的近红外范围内延伸。许多辅助色素，如褐藻中的岩藻黄素和蓝藻中的藻类蛋白，扩大了光合作用的有用波长范围，并弥补了水深较深时可用的低光照水平。其他微生物，如盐杆菌类的古细菌，利用光能驱动它们的质子和钠泵。光被一种叫做细菌视紫红质的色素蛋白复合物吸收，这种复合物类似于眼睛色素视紫红质。光合细菌不仅存在于水生环境中，也存在于土壤中，并与地衣中的真菌共生。奇特的西瓜雪是由一种微藻*黑衣藻*引起的，这是一种富含次级红色类胡萝卜素色素（虾青素）的绿藻，虾青素使藻类生长的雪呈现粉红色。
光
其他影响生长的环境条件
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可用于培养细菌的培养基数量相当可观。一些培养基被认为是通用的通用培养基，支持多种生物体的生长。通用培养基的一个主要例子是胰蛋白酶大豆汤（TSB）。专用培养基用于鉴定细菌，并补充染料、pH指示剂或抗生素。一种类型的富集培养基含有生长因子、维生素和其他必需营养素，以促进挑剔生物体的生长，这些生物体不能制造某些营养素，需要将它们添加到培养基中。当培养基的完整化学成分已知时，它被称为化学定义的培养基。例如，在EZ培养基中，所有单独的化学成分都被识别出来，并且每种成分的确切量都是已知的。在含有酵母、肉或植物提取物和消化物的复杂介质中，培养基的精确化学成分尚不清楚。单个成分的数量是不确定和可变的。营养肉汤、胰蛋白酶大豆肉汤和脑心输液都是复杂介质的例子。
营养需求
用于细菌生长的培养基
微生物生长
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导言
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对DNA的现代理解已经从核酸的发现发展到双螺旋模型的发展。19世纪60年代，职业医生弗里德里希·米舍尔（Friedrich Miescher，1844-1895）是第一个从当地外科诊所用过的绷带上的脓液中从白细胞（白细胞）中分离出富含磷的化学物质的人。他将这些化学物质（最终被称为RNA和DNA）命名为“核蛋白”，因为它们是从细胞核中分离出来的。他的学生理查德·阿尔特曼（Richard Altmann，1852-1900）随后在20年后发现核蛋白的酸性时将其称为“核酸”。在19世纪的最后二十年里，德国生物化学家阿尔布雷希特·科塞尔（Albrecht Kossel，1853-1927）分离并表征了构成核酸的五种不同核苷酸碱基。它们是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶（DNA）和尿嘧啶（RNA）。科塞尔因其在核酸和蛋白质方面的大量工作，包括组氨酸的发现，于1910年获得诺贝尔生理学或医学奖。
DNA的发现和表征
尽管在19世纪末发现了DNA，但科学家们在接下来的几十年里并没有将其与遗传联系起来。为了建立这种联系，科学家们，包括一些微生物学家，在植物、动物和细菌上进行了许多实验。
遗传学基础
到20世纪初，人们已经做了大量的工作来表征脱氧核糖核酸和建立遗传学的基础，包括将遗传归因于细胞核内的染色体。尽管进行了所有这些研究，但直到20世纪很久以后，这些研究路线才趋同，科学家们才开始考虑脱氧核糖核酸可能是后代从父母那里继承的遗传物质。脱氧核糖核酸只包含四种不同的核苷酸，被认为结构过于简单，无法编码如此复杂的遗传信息。相反，蛋白质被认为具有作为细胞遗传信息所需的复杂性，因为它由20种不同的氨基酸组成，这些氨基酸可以组合成各种各样的组合。微生物学家在确定脱氧核糖核酸是遗传分子的研究中发挥了关键作用。
DNA作为负责遗传的分子
利用微生物学发现生命的秘密
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核酸的组成部分是核苷酸。构成DNA的核苷酸被称为脱氧核糖核苷酸。脱氧核糖核苷酸的三个组成部分是一种称为脱氧核糖的五碳糖、一个磷酸盐基团和一个含氮碱基，一种含氮的环结构，负责核酸链之间的互补碱基配对（[link]）。五碳脱氧核糖的碳原子编号为1😍、2ѕ、3è、4è和5😍（1è读作“一个素数”）。核苷由五碳糖和含氮碱基组成。
DNA核苷酸
到20世纪50年代初，已经积累了相当多的证据表明DNA是细胞的遗传物质，现在人们开始探索它的三维结构。大约在这个时候，奥地利生物化学家欧文·查加夫[脚注]（1905-2002年）检查了不同物种的DNA含量，发现腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的含量并不相等，而且它因物种而异，但不是在同一物种的个体之间。他发现腺嘌呤的量非常接近等于胸腺嘧啶的量，胞嘧啶的量非常接近等于鸟嘌呤的量，或者A=T和G=C。这些关系也被称为查加夫规则。

N. Kresge等人。“查加夫的规则：欧文·查加夫的工作。”*生物化学杂志*280（2005）：e21。
发现双螺旋
Watson和Crick提出DNA是由两股相互缠绕形成右旋螺旋的DNA链组成的，两股DNA链是反平行的，使得一条链的3β末端朝向另一条链的5β末端（[链接]）。每条链的3β末端有一个游离羟基，而每条链的5β末端有一个游离磷酸基。聚合核苷酸的糖和磷酸形成结构的主干，而含氮碱基则堆叠在里面。分子内部的这些含氮碱基相互作用，碱基配对。
DNA结构
DNA的结构和功能
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RNA通常是单链的，由通过磷酸二酯键连接的核糖核苷酸组成。RNA链中的核糖核苷酸包含核糖（戊糖）、四种含氮碱基之一（A、U、G和C）和磷酸基团。糖之间微妙的结构差异赋予DNA额外的稳定性，使DNA更适合存储遗传信息，而RNA的相对不稳定性使其更适合其更短期的功能。RNA特异性嘧啶尿嘧啶与腺嘌呤形成互补碱基对，用于代替DNA中使用的胸腺嘧啶。尽管RNA是单链的，但大多数类型的RNA分子在RNA链内的互补序列之间显示出广泛的分子内碱基配对，创造了对其功能至关重要的可预测的三维结构（[link]和[link]）。
RNA结构
细胞通过创造RNA来获取存储在DNA中的信息，从而通过翻译过程指导蛋白质的合成。细胞内的蛋白质有许多功能，包括构建细胞结构和充当细胞化学反应的酶催化剂，这些反应赋予细胞特定的特征。直接参与蛋白质合成的三种主要类型的RNA是信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）。
RNA在蛋白质合成中的作用
虽然RNA不能作为大多数细胞的遗传信息，但对于许多不包含DNA的病毒来说，RNA确实具有这种功能。因此，RNA显然具有作为遗传信息的额外能力。尽管RNA通常是单链细胞内的，但病毒中存在显著的多样性。导致普通感冒的鼻病毒；流感病毒；埃博拉病毒是单链RNA病毒。轮状病毒是双链RNA病毒的例子，它会导致儿童和其他免疫功能低下的个体严重胃肠炎。因为双链RNA在真核细胞中并不常见，它的存在是病毒感染的指标。病毒具有RNA基因组而不是DNA基因组的含义在《病毒》中有更详细的讨论。
RNA作为遗传信息
RNA的结构和功能
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所有细胞活动都被编码在细胞的脱氧核糖核酸中。脱氧核糖核酸分子中的碱基序列代表了细胞的遗传信息。脱氧核糖核酸分子的片段被称为基因，单个基因包含合成各种蛋白质、酶或稳定核糖核酸分子所必需的指令代码。
基因型与表型
生物体的绝大部分基因组被组织成细胞的染色体，染色体是细胞内控制细胞活动的离散脱氧核糖核酸结构。回想一下，虽然真核生物的染色体位于膜结合的细胞核中，但大多数原核生物都包含一条圆形的染色体，该染色体存在于细胞质中称为类核的区域（参见原核细胞的独特特征）。一条染色体可能包含数千个基因。
遗传物质的组织
除了基因之外，基因组还包含许多不编码蛋白质或稳定RNA产物的非编码DNA区域。非编码DNA通常存在于基因编码序列开始之前的区域以及基因间区域（即位于基因之间的DNA序列）（[链接]）。
非编码DNA
尽管大多数DNA都包含在细胞的染色体内，但许多细胞在染色体外还有额外的DNA分子，称为染色体外DNA，它们也是其基因组的一部分。真核细胞的基因组还将包括来自任何细胞器的染色体，例如这些细胞维持的线粒体和/或叶绿体（[link]）。这些细胞器中圆形染色体的维持是其原核起源的遗迹，并支持内共生理论（参见现代细胞理论基础）。在某些情况下，某些DNA病毒的基因组也可以在潜伏病毒感染期间独立地维持在宿主细胞中。在这些情况下，这些病毒是另一种形式的染色体外DNA。例如，人乳头瘤病毒（HPV）可能以这种方式维持在受感染的细胞中。
染色体外DNA
病毒基因组在结构上表现出显著的多样性。一些病毒的基因组由DNA作为其遗传物质组成。这种DNA可能是单链的，如人类细小病毒所示，也可能是双链的，如疱疹病毒和痘病毒所示。此外，尽管所有细胞生命都使用DNA作为其遗传物质，但正如我们所讨论的，一些病毒基因组由单链或双链RNA分子组成。病毒基因组通常比大多数细菌基因组小，只编码少数基因，因为它们依赖宿主来执行复制所需的许多功能。病毒基因组结构的多样性及其对病毒复制生命周期的影响在《病毒生命周期》中有更详细的讨论。
病毒基因组
细胞基因组的结构和功能
基因组生物化学
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导言
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遗传物质的功能
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*大肠杆菌*在单个圆形染色体中有460万碱基对（Mbp），所有这些碱基对都在大约42分钟内复制，从一个复制起点开始，双向（即双向）绕着圆圈进行。这意味着每秒添加大约1000个核苷酸。这个过程非常迅速，几乎没有错误。
细菌中的DNA复制
真核生物基因组比原核生物基因组复杂得多，也大得多，通常由多个线性染色体组成（[链接]）。例如，人类基因组每组单倍体染色体有30亿个碱基对，复制过程中插入60亿个碱基对。每个真核生物染色体上都有多个复制起源（[链接]）；人类基因组有30,000到50,000个复制起源。复制速度约为每秒100个核苷酸——比原核生物复制慢10倍。
真核生物的DNA复制
为了复制它们的核酸，质粒和病毒经常使用原核生物基因组中描述的脱氧核糖核酸复制模式的变体。有关病毒复制策略的更多信息，请参阅病毒生命周期。
染色体外元素的DNA复制：质粒和病毒
DNA复制
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细菌使用相同的RNA聚合酶来转录它们所有的基因。像DNA聚合酶一样，RNA聚合酶将核苷酸一个接一个地添加到生长核苷酸链的3'-OH基团中。DNA聚合酶和RNA聚合酶在活性上的一个关键区别是需要添加核苷酸的3'-OH：DNA聚合酶需要这样一个3'-OH基团，因此需要引物，而RNA聚合酶没有。在转录过程中，与DNA模板链互补的核糖核苷酸被添加到生长的RNA链中，并且通过新核苷酸和最后添加的核苷酸之间的脱水合成形成共价键。在*大肠杆菌*中，RNA聚合酶包含六个多肽亚基，其中五个组成聚合酶核心酶，负责将RNA核苷酸添加到生长链中。第六个亚基被称为sigma（σ）。σ因子使RNA聚合酶与特定的启动子结合，从而允许各种基因的转录。有各种σ因子允许各种基因的转录。
细菌转录
原核生物和真核生物执行基本相同的转录过程，但有一些显著差异（见[链接]）。真核生物使用三种不同的聚合酶，即RNA聚合酶I、II和III，它们在结构上都不同于细菌RNA聚合酶。每种都转录不同的基因子集。有趣的是，古细菌含有一个单一的RNA聚合酶，它与真核生物RNA聚合酶II的关系比与细菌对应物的关系更密切。真核生物mRNA通常也是单序列的，这意味着它们只编码一个多肽，而细菌和古细菌的原核生物mRNA通常是多序列的，这意味着它们编码多个多肽。
真核生物的转录
RNA转录
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mRNA模板的翻译将基于核苷酸的遗传信息转换成氨基酸的“语言”，以创建蛋白质产物。一个蛋白质序列由20种常见的氨基酸组成。每个氨基酸在mRNA内由称为密码子的三联核苷酸定义。mRNA密码子与其对应氨基酸之间的关系称为遗传密码。
遗传密码
除了mRNA模板之外，许多分子和大分子也有助于翻译过程。每个成分的组成因类群而异；例如，核糖体可能由不同数量的核糖体RNA（rRNA）和多肽组成，具体取决于生物体。然而，从细菌到人类细胞，蛋白质合成机制的一般结构和功能是可比的。翻译需要mRNA模板、核糖体、tRNA和各种酶因子的输入。
蛋白质合成机械
翻译在原核生物和真核生物中是相似的。在这里，我们将探讨翻译在代表性原核生物*大肠杆菌*中是如何发生的，并指定细菌和真核翻译之间的任何差异。
蛋白质合成的机理
在翻译期间和之后，多肽可能需要在具有生物活性之前进行修饰。翻译后修饰包括：
蛋白质靶向、折叠和修饰
蛋白质合成（翻译）
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有几种类型的突变是根据脱氧核糖核酸分子是如何改变的来分类的。一种称为点突变，影响单个碱基，最常见的是当一个碱基被另一个碱基取代或替换时发生。突变也是由于一个或多个碱基的增加，称为插入，或者一个或多个碱基的移除，称为缺失。
突变对DNA序列的影响
点突变可能对蛋白质功能有广泛的影响（[link]）。由于遗传密码的退化，点突变通常会导致相同的氨基酸被合并到生成的多肽中，尽管序列发生了变化。这种变化对蛋白质的结构没有影响，因此被称为沉默突变。错义突变导致不同的氨基酸被合并到生成的多肽中。错义突变的影响取决于新氨基酸与野生型氨基酸的化学差异。改变的氨基酸在蛋白质中的位置也很重要。例如，如果改变的氨基酸是酶活性位点的一部分，那么错义突变的影响可能是显著的。许多错义突变导致蛋白质至少在某种程度上仍然具有功能。有时，只有在特定的环境条件下，错义突变的影响才会显现出来；这种错义突变被称为条件突变。很少，错义突变可能是有益的。在正确的环境条件下，这种类型的突变可能会给拥有它的生物体带来选择性优势。还有一种类型的点突变，称为无义突变，它将编码氨基酸的密码子（有义密码子）转换为终止密码子（无义密码子）。无义突变导致合成的蛋白质比野生型短，通常没有功能。
突变对蛋白质结构和功能的影响
脱氧核糖核酸复制过程中的错误会导致自发突变**s**发生。脱氧核糖核酸聚合酶的错误率是每十亿个碱基对复制一个不正确的碱基。暴露于诱变剂**s**会导致诱发突变**s**，这是各种类型的化学制剂或辐射（[链接]）。暴露于诱变剂会使突变率增加1000倍以上。诱变剂通常也是致癌物**s**，导致癌症的物质。然而，尽管几乎所有的致癌物都是诱变的，但并不是所有的诱变剂都一定是致癌物。
突变的原因
脱氧核糖核酸复制的过程非常准确，但是错误可以自发发生，也可以由诱变剂诱导。未纠正的错误会导致表型的严重后果。细胞已经发展出几种修复机制来最大限度地减少持续存在的突变数量。
DNA修复
一种常用的鉴定细菌突变体的技术叫做复制电镀。这种技术被用来检测营养突变体，称为营养缺陷型，它在特定营养物质（如氨基酸）的生物合成途径中编码酶的基因发生突变。因此，尽管野生型细胞保留在缺乏特定营养物质的培养基上正常生长的能力，但营养缺陷型细胞无法在这样的培养基上生长。在复制电镀过程中（[链接]），一群细菌细胞被诱变，然后作为单个细胞电镀在复杂的营养完整板上，并允许其生长成菌落。来自这些菌落的细胞通常使用无菌天鹅绒从主板上取出。这种含有细胞的天鹅绒然后以相同的方向压在各种培养基的板上。至少一个板也应该是营养完整的，以确保细胞在板之间正确转移。其他板缺乏特定的营养物质，允许研究人员发现各种营养缺陷突变体无法产生特定的营养物质。营养完整板上相应菌落的细胞可用于恢复突变体以供进一步研究。
细菌突变体的鉴定
布鲁斯·艾姆斯（Bruce Ames）（1928-）于20世纪70年代开发的艾姆斯试验是一种利用细菌对新化合物的致癌潜力进行快速、廉价筛选的方法。该试验测量与暴露于该化合物相关的突变率，如果该突变率升高，可能表明暴露于该化合物与更大的癌症风险相关。艾姆斯试验使用*鼠伤寒沙门氏菌*作为测试生物，该菌株是一种组氨酸营养缺陷，由于合成所需的必需基因发生突变，无法合成自己的组氨酸。在暴露于潜在的诱变剂后，这些细菌被镀在缺乏组氨酸的培养基上，记录恢复合成组氨酸能力的突变体数量，并与在没有潜在诱变剂的情况下出现的此类突变体数量进行比较（[链接]）。在艾姆斯试验中，更具诱变性的化学物质会带来更多组氨酸合成恢复的突变体。因为许多化学物质不是直接诱变的，而是通过肝酶代谢成诱变形式，所以在本实验开始时通常包括大鼠肝脏提取物，以模仿肝脏代谢。在进行艾姆斯试验后，通过使用其他模型，包括小鼠和大鼠等动物模型，进一步测试被确定为诱变的化合物的潜在致癌特性。
艾姆斯测试
突变
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弗雷德里克·格里菲斯是第一个证明转化过程的人。1928年，他证明了活的非致病性肺炎链球菌可以通过暴露于热杀死的致病菌菌株转化为致病菌。他得出结论，某种被他称为“转化原理”的物质已经从死亡的致病菌传递给了活的非致病菌。1944年，奥斯瓦尔德·艾弗里（1877-1955）、科林·麦克劳德（1909-1972）和麦克林·麦卡蒂（1911-2005）证明了转化原理是脱氧核糖核酸（参见使用微生物发现生命的秘密）。
转型
感染细菌的病毒（噬菌体）也可能在一个被称为转导的过程中将染色体短片段从一种细菌转移到另一种细菌（见[链接]）。回想一下，在广义转导中，任何染色体DNA片段都可能在噬菌体组装过程中通过将染色体DNA意外包装到噬菌体头部而转移到新的宿主细胞中。相比之下，专门的转导是由溶原前噬菌体从细菌染色体上不精确地切除产生的，这样它就携带了一段细菌染色体从噬菌体整合位点的两侧转移到新的宿主细胞。因此，宿主可能获得新的特性。这个过程被称为溶原转化。具有医学意义的是，溶原噬菌体可能携带一个毒力基因到它的新宿主。一旦插入新宿主的染色体，新宿主可能获得致病性。几种致病菌，包括*白喉棒状杆菌*（白喉病原体）和*肉毒杆菌*（肉毒杆菌中毒病原体）是致命的，因为溶原噬菌体引入了毒素编码基因，肯定了转导在传染病基因交换中的临床相关性。古细菌有自己的病毒，可以将遗传物质从一个个体转移到另一个个体。
转导
在结合过程中，DNA通过结合菌毛从一个原核生物直接转移到另一个原核生物，从而使生物体相互接触。在*大肠杆菌*中，编码结合能力的基因位于称为F质粒的细菌质粒上，也称为生育因子，结合菌毛称为F菌毛。F质粒基因编码组成F菌毛的蛋白质和参与质粒滚动循环复制的蛋白质。含有F质粒的细胞能够形成F菌毛，称为F+细胞或供体细胞**s**，缺乏F质粒的细胞称为F−细胞或受体细胞**s**。
共轭
被称为转座子（转座子）或“跳跃基因”的遗传元素是DNA分子，其末端包括特殊的反转重复序列和编码转座酶的基因（[链接]）。转座子允许整个序列从DNA分子的一个位置独立切除，并通过称为转座的过程整合到其他地方的DNA中。转座子最初是由美国遗传学家芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock，1902-1992）于20世纪40年代在玉米（玉米）中发现的。此后，转座子在所有类型的生物体中都有发现，包括原核生物和真核生物。因此，与前面讨论的三种机制不同，转座不是原核生物特异性的。大多数转座子是不可复制的，这意味着它们以“剪切和粘贴”的方式移动。然而，有些可能是可复制的，在复制到其他地方的同时保留它们在DNA中的位置（“复制和粘贴”）。因为转座子可以在脱氧核糖核酸分子内移动，从一个脱氧核糖核酸分子到另一个，甚至从一个细胞到另一个细胞，它们有能力引入遗传多样性。同一脱氧核糖核酸分子内的运动可以通过使基因失活或激活来改变表型。
换位
无性原核生物如何实现遗传多样性
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在细菌和古细菌中，具有相关功能的结构蛋白通常在基因组内一起编码在一个称为操纵子的块中，并在单个启动子的控制下一起转录，从而形成聚子转录本（[link]）。通过这种方式，可以同时控制编码在单个生化途径中催化许多步骤的酶的所有结构基因的转录调节，因为它们要么全部同时需要，要么不需要。例如，在*大肠杆菌*中，编码使用乳糖作为能量源所需的酶的所有结构基因在单个启动子，即*lac*启动子的控制下彼此相邻地位于乳糖（或*lac*）操纵子中。巴斯德研究所的法国科学家弗朗索瓦·雅各布（François Jacob，1920-2013）和雅克·莫诺德（Jacques Monod）通过对*大肠杆菌*的*lac*操纵子的研究，率先展示了细菌基因组织成操纵子。由于这项工作，他们在1965年获得了诺贝尔生理学或医学奖。虽然真核基因没有组织成操纵子，但原核操纵子是学习基因调控的绝佳模型。真核生物中存在一些功能类似于操纵子的基因簇。其中许多原理可以应用于真核系统，并有助于我们理解真核生物中可能导致癌症等病理变化的基因表达变化。
原核基因调控
原核操纵子通常由抑制子与操作员区域的结合来控制，从而阻止结构基因的转录。这种操纵子被归类为可抑制操纵子**s**或诱导操纵子。可抑制操纵子，如色氨酸（*trp*）操纵子，通常含有编码生物合成途径所需酶的基因。只要途径的产物，如色氨酸，继续被细胞需要，可抑制的操纵子就会继续表达。然而，当生物合成途径的产物开始在细胞中积累时，消除了细胞继续制造更多的需要，操纵子的表达被抑制。相反，诱导操纵子**s**，如*大肠杆菌*的*lac*操纵子，通常含有编码酶的基因，该基因参与特定底物如乳糖的代谢。只有当底物可用时才需要这些酶，因此操纵子的表达通常仅在底物存在时诱导。
镇压管制
在原核生物中，还有几个更高水平的基因调节，它们有能力同时控制许多相关操纵子的转录以响应环境信号。一组同时控制的操纵子被称为调节子。
原核生物的全球反应
虽然大多数基因表达在原核生物的转录起始水平上受到调节，也有同时控制转录完成和翻译的机制。自从他们被发现以来，这些机制已经被证明可以控制许多原核操纵子的转录和翻译完成。因为这些机制直接连接转录和翻译的调节，所以它们特定于原核生物，因为这些过程在真核生物中是物理分离的。
细菌调节的其他方法：衰减和核糖开关
虽然我们讨论转录控制的重点使用原核操纵子作为例子，但真核转录控制在许多方面是相似的。与原核生物一样，真核转录可以通过包括阻遏剂和激活剂在内的转录因子的结合来控制。有趣的是，真核转录可以受到蛋白质与DNA区域的结合的影响，称为增强子，相当远离基因，通过增强子和启动子之间促进的DNA循环（[link]）。总的来说，调节转录是控制原核生物和真核生物中基因表达的一种非常有效的方法。然而，真核生物中响应环境和细胞应激的基因表达的控制可以通过额外的方式来完成，而无需转录因子与调节区域的结合。
影响原核生物和真核生物基因表达的其他因素
基因调控：操纵论
微生物遗传学机制
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导言
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Herbert Boyer和Stanley Cohen于1973年首次展示了完整的分子克隆过程，当时他们成功地将非洲爪蛙（*非洲爪蛙*）的基因克隆到细菌质粒中，然后将其引入细菌宿主*大肠杆菌*。分子克隆是一套用于构建重组脱氧核糖核酸并将其纳入宿主生物的方法；它利用了许多源自微生物的分子工具。
分子克隆
分子克隆也可以用来生成基因组文库。该文库是生物体基因组的完整（或几乎完整）副本，包含在重组脱氧核糖核酸质粒中，被设计成独特的细菌克隆。拥有这样一个文库，研究人员可以通过为该片段培养细菌宿主来创建大量的每个片段。这些片段可以用来确定脱氧核糖核酸的序列和存在的任何基因的功能。
创建基因组库
将细菌宿主用于基因工程为重组DNA技术奠定了基础；然而，研究人员也对真核细胞的基因工程非常感兴趣，特别是植物和动物的细胞。将重组DNA分子引入真核宿主称为转染。基因工程植物，称为转基因植物，在农业和制药方面具有重要意义。第一种商业销售的转基因植物是Flavr Savr延迟成熟番茄，它于1994年上市。基因工程牲畜也已成功生产，例如，猪的营养价值增加[脚注]和山羊在乳汁中分泌药品[脚注]。

赖良学，康景新，李荣峰，王京东，William T. Witt，Hwan Yul ong，郝彦宏等。“富含Omega-3脂肪酸的克隆转基因猪的产生。”*《自然生物技术》24*第4期（2006年）：435-436。Raylene Ramos Moura，Luciana Magalhães Melo和Vicente Joséde菲格尔雷多·弗雷塔斯。“转基因和非转基因山羊奶中重组蛋白的生产。”*巴西生物技术档案54*第5期（2011年）：927-938。
将重组分子引入真核宿主
微生物与基因工程工具
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在本小节中，我们将概述一些用于分离和可视化科学家感兴趣的特定脱氧核糖核酸片段的基本方法。其中一些方法不需要了解脱氧核糖核酸分子的完整序列。在快速脱氧核糖核酸测序出现之前，这些方法是唯一可用于处理脱氧核糖核酸的方法，但它们仍然构成分子遗传学家用来研究人体对微生物和其他疾病反应的工具的基本武器库。
DNA的分子分析
在许多情况下，直接研究脱氧核糖核酸或核糖核酸可能是不可取的或不可能的。蛋白质可以提供物种特异性信息用于识别，以及关于细胞或组织如何以及是否对病原微生物的存在做出反应的重要信息。各种蛋白质需要不同的分离和表征方法。
蛋白质的分子分析
可以使用各种方法获得DNA序列，这些序列对于研究致病生物体很有用。随着快速测序技术的出现，我们对致病生物体整个基因组的知识库得到了惊人的增长。我们从对聚合酶链式反应的描述开始，它不是测序方法，但已经允许研究人员和临床医生获得测序和其他研究所需的大量DNA。聚合酶链式反应消除了我们曾经对细胞制造多个DNA副本的依赖，通过细胞外相对简单的反应达到相同的结果。
基于扩增的DNA分析方法
可视化和表征DNA、RNA和蛋白质
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对整个基因组的研究和比较，包括完整的基因集及其核苷酸序列和组织，被称为基因组学。这个领域通过研究人类基因组以及传染性生物的基因组，对未来的医学进步具有巨大的潜力。微生物基因组的分析有助于开发新的抗生素、诊断工具、疫苗、医疗和环境清理技术。
基因组学、转录组学和蛋白质组学
基因工程提供了一种创造称为重组脱氧核糖核酸药物的新药品的方法。这些产品包括抗生素药物、疫苗和用于治疗各种疾病的激素。[链接]列出了重组脱氧核糖核酸产品及其用途的例子。
重组DNA技术与药物生产
在RNA的结构和功能中，我们描述了mRNA、rRNA和tRNA的功能。除了这些类型的RNA之外，细胞还产生几种类型的小型非编码RNA分子，这些分子参与基因表达的调节。其中包括反义RNA分子，它们与原核生物和真核细胞中发现的特定mRNA分子的区域互补。非编码RNA分子在RNA干扰（RNAi）中发挥主要作用，这是一种自然的调节机制，通过这种机制阻止mRNA分子指导蛋白质的合成。特定基因的RNA干扰是由于短的单链反义RNA分子与互补mRNA分子内的区域进行碱基配对，从而阻止蛋白质合成的结果。细胞利用RNA干扰来保护自己免受病毒入侵，这可能会引入双链RNA分子作为病毒复制过程的一部分（[link]）。
RNA干扰技术
基因工程的全基因组方法和药物应用
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由基因突变引起的人类疾病通常很难用药物或其他传统疗法来治疗，因为疾病的迹象和症状是由患者基因组的异常引起的。例如，患者可能有基因突变，阻止了特定细胞类型正常功能所需的特定蛋白质的表达。严重联合免疫缺陷（SCID）患者就是这种情况，这是一种遗传病，会损害某些对免疫系统至关重要的白细胞的功能。
基因治疗的机制和风险
目前，对基因治疗临床试验的监管非常严格。在联邦一级，有三个机构同时监管基因治疗：食品和药物管理局（FDA）、人类研究保护办公室（OHRP）和美国国立卫生研究院（NIH）的重组DNA咨询委员会（RAC）。这些联邦机构与几个地方机构一起，与机构审查委员会互动，以确保在临床试验期间保护患者安全的协议到位。遵守这些协议主要是在地方一级与联邦机构合作执行的。与其他类型的疗法相比，基因疗法目前正在接受最广泛的联邦和地方审查，而其他类型的疗法通常只在FDA的审查之下。一些研究人员认为，这些广泛的法规实际上阻碍了基因治疗研究的进展。2013年，医学研究所（现为国家医学科学院）呼吁国家卫生研究院在大多数情况下放松对基因治疗试验的审查。[脚注]然而，确保患者安全仍然是最令人担忧的问题。

凯瑞·格伦斯。“报告：轻松的基因疗法评论。”*《科学家》*，2013年12月9日。http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/38577/title/Report--Ease-Gene-Therapy-Reviews/。2016年5月27日访问。
基因治疗的监督
基因疗法
微生物遗传学的现代应用
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导言
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对于从事病原体工作的研究人员或实验室人员来说，与特定病原体相关的风险决定了所需的清洁和控制水平。疾病控制和预防中心（CDC）和美国国立卫生研究院（NIH）建立了四个分类级别，称为“生物安全级别”（BSLs）。世界各地的各种组织，包括世卫组织（WHO）和欧盟（欧盟），都使用类似的分类方案。根据CDC的说法，BSL由病原体的传染性、传播便利性和潜在的疾病严重程度以及与病原体一起完成的工作类型决定。[脚注]

美国疾病控制和预防中心。“认识生物安全水平。”http://www.cdc.gov/training/quicklearns/biosafety/。2016年6月7日访问。
实验室生物安全水平
微生物控制最极端的协议旨在实现灭菌：从目标项目或环境中完全去除或杀死所有营养细胞、内生孢子和病毒。灭菌协议通常保留给实验室、医疗、制造和食品工业环境，在这些环境中，某些项目可能必须完全没有潜在的传染性病原体。灭菌可以通过物理手段来完成，例如暴露在高温、高压或通过适当的过滤器过滤，也可以通过化学手段来完成。可用于实现灭菌的化学品称为灭菌剂**s**。灭菌剂有效地杀死所有微生物和病毒，并且在适当的暴露时间下，也可以杀死内生孢子。
灭菌
灭菌方案要求在许多环境中不实用或不必要的程序。临床和非临床环境中使用了各种其他方法来减少物品上的微生物负荷。虽然这些方法的术语经常互换使用，但有重要的区别（[链接]）。
其他控制方法
杀死目标微生物的微生物控制的物理和化学方法由后缀*-cide*（或*-cidal*）标识。前缀表示被处理方法杀死的微生物或传染性病原体的类型：杀菌剂**s**杀死细菌，杀菌剂**s**杀死或灭活病毒，杀菌剂**s**杀死真菌。其他方法不杀死生物，而是停止其生长，使其种群保持静态；此类方法由后缀*-stat*（或*-静态*）标识。例如，抑菌处理抑制细菌的生长，而抑菌处理抑制真菌的生长。决定特定处理是*-cidal*还是*-静态*的因素包括目标微生物的类型、使用的化学物质的浓度以及所应用的处理的性质。
测量微生物控制
控制微生物生长
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加热是最常见也是最古老的微生物控制形式之一。它被用于烹饪和罐装等简单技术。热可以通过改变微生物的膜和变性蛋白质来杀死微生物。微生物的热死亡点（TDP）是在10分钟暴露中杀死所有微生物的最低温度。不同的微生物对高温的反应不同，有些微生物（例如内生孢子形成者，如*C.肉毒杆菌*）更耐热。一个类似的参数，热死亡时间（TDT），是在给定温度下杀死样品中所有微生物所需的时间长度。这些参数通常用于描述使用高温的灭菌程序，如高压灭菌。煮沸是最古老的微生物湿热控制方法之一，它通常非常有效地杀死营养细胞和一些病毒。然而，沸腾在杀死内生孢子方面效果较差；一些内生孢子能够在沸腾中存活长达20小时。此外，沸腾在高海拔地区可能效果较差，那里的水沸点较低，因此杀死微生物所需的沸腾时间较长。出于这些原因，沸腾在实验室或临床环境中不被认为是一种有用的灭菌技术。
热
正如高温对控制微生物生长有效一样，将微生物暴露在低温下也可以是一种简单有效的微生物控制方法，但偏爱低温的嗜冷者除外（参见温度和微生物生长）。家庭厨房或实验室中使用的冰箱将温度保持在0°C至7°C之间。这一温度范围抑制微生物新陈代谢，显著减缓微生物的生长，有助于保存食品或医疗用品等冷藏产品。某些类型的实验室培养物可以通过冷藏保存以备后用。
冷藏和冷冻
暴露在高压下会杀死许多微生物。在食品工业中，高压加工（也称为pascation）用于杀死食品中的细菌、酵母、霉菌、寄生虫和病毒，同时保持食品质量和延长贮藏寿命。施加100到800兆帕（海平面大气压力约为0.1兆帕）之间的高压足以通过蛋白质变性杀死营养细胞，但内孢子可能会在这些压力下存活下来。[脚注][脚注]

C. Ferstl。“高压加工：对技术和法规要求的见解。”思考/白皮书。系列卷10。加利福尼亚州利弗莫尔：国家食品实验室；2013.US7月食品和药物管理局。“替代食品加工技术的微生物灭活动力学：高压加工。”2000.http://www.fda.gov/Food/FoodScienceResearch/SafePracticesforFoodProcesses/ucm101456.htm。2106年7月19日访问。
压力
干燥，也称为干燥或脱水，是一种几千年来一直被用来保存葡萄干、李子和牛肉干等食物的方法。它之所以有效，是因为包括微生物在内的所有细胞都需要水来维持新陈代谢和生存。尽管干燥控制微生物生长，但它可能不会杀死所有微生物或它们的内生孢子，当条件更有利，水分含量恢复时，内生孢子可能会开始再生。
干燥
各种形式的辐射，从高能辐射到阳光，都可以用来杀死微生物或抑制其生长。**电离辐射**包括X射线、伽马射线和高能电子束。电离辐射强到足以传入细胞，在那里它改变分子结构并破坏细胞成分。例如，电离辐射在DNA分子中引入双链断裂。这可能直接导致DNA突变发生，或者在细胞试图修复DNA损伤时引入突变。随着这些突变的积累，它们最终导致细胞死亡。
辐射
利用高频超声波破坏细胞结构被称为超声波处理。超声波的应用导致细胞内液体内压力的快速变化；这导致空化，细胞内气泡的形成，气泡会破坏细胞结构，最终导致细胞溶解或崩溃。超声波处理在实验室中很有用，可以有效地溶解细胞，释放其内容物以供进一步研究；在实验室之外，超声波处理用于清洁手术器械、镜片和各种其他物体，如硬币、工具和乐器。
超声作用
过滤是一种从样品中物理分离微生物的方法。空气通常通过高效微粒空气（HEPA）过滤器（[link]）过滤。HEPA过滤器的有效孔径为0.3µm，小到足以捕获细菌细胞、内孢子和许多病毒，因为空气通过这些过滤器，几乎对过滤器另一侧的空气进行消毒。HEPA过滤器有多种应用，广泛用于临床环境、汽车和飞机，甚至家庭。例如，它们可能存在于真空吸尘器、供暖和空调系统以及空气净化器中。
过滤
使用物理方法控制微生物
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19世纪，科学家们开始试验各种用于消毒的化学物质。19世纪60年代，英国外科医生约瑟夫·李斯特（Joseph Lister，1827-1912）开始使用被称为苯酚的石炭酸作为治疗手术伤口的消毒剂（参见现代细胞理论基础）。1879年，李斯特的工作启发了美国化学家约瑟夫·劳伦斯（Joseph Lawrence，1836-1909）开发了李斯特林，这是一种由几种相关化合物组成的基于酒精的混合物，至今仍被用作口腔防腐剂。今天，石炭酸不再被用作手术消毒剂，因为它是一种皮肤刺激物，但在防腐漱口水和润喉糖中发现的化学化合物被称为酚类化合物。
酚醛类
最早使用的一些化学消毒剂和防腐剂是重金属。重金属通过与蛋白质结合杀死微生物，从而抑制酶活性（[链接]）。重金属是寡动力学的，这意味着非常小的浓度显示出显著的抗菌活性。重金属离子与含硫氨基酸强烈结合，并在细胞内生物积累，使这些金属达到高局部浓度。这会导致蛋白质变性。
重金属
其他常用于消毒的化学物质有卤素碘、氯和氟。碘的作用是氧化细胞成分，包括含硫氨基酸、核苷酸和脂肪酸，并破坏含有这些分子的大分子的稳定性。它经常被用作局部酊剂，但它可能会导致染色或皮肤刺激。碘伏是一种碘与有机分子络合的化合物，从而增加碘的稳定性，进而提高其功效。一种常见的碘伏是聚维酮碘，它包括一种释放碘相对较慢的湿润剂。倍他丁是聚维酮碘品牌，通常被医务人员在手术前用作手部磨砂膏，并在切开前用于患者皮肤的局部消毒（[链接]）。
卤素
醇构成了另一组常用作消毒剂和防腐剂的化学物质。它们通过快速变性蛋白质来工作，蛋白质抑制细胞新陈代谢，并通过破坏膜来导致细胞裂解。一旦变性，如果溶液中存在足够的水，蛋白质可能会潜在地重复膨胀。醇通常在大约70%的水溶剂浓度下使用，事实上，在水溶液中比100%的酒精溶液中工作得更好。这是因为醇会凝固蛋白质。在较高的酒精浓度下，表面蛋白质的快速凝固会阻止细胞的有效渗透。最常用的消毒醇是乙醇（乙醇）和异丙醇（异丙醇，外用酒精）（[链接]）。
酒类
表面活性剂或表面活性剂是一组降低水表面张力的化合物。表面活性剂是肥皂和洗涤剂的主要成分。肥皂是长链脂肪酸的盐，具有极性和非极性区域，使它们能够与其他分子中的极性和非极性区域相互作用（[链接]）。它们可以与非极性油和油脂相互作用，在水中产生乳液，松动和去除表面和皮肤上的污垢和微生物。肥皂不会杀死或抑制微生物生长，因此不被视为防腐剂或消毒剂。然而，正确使用肥皂会机械地带走微生物，有效地除菌表面。一些肥皂含有添加的抑菌剂，如三氯卡班或氯氟卡班，这些化合物在结构上与三氯生相关，为肥皂带来防腐或消毒特性。
表面活性剂
双胍最早于20世纪合成，是一种阳离子（带正电荷）分子，以其防腐特性而闻名（[link]）。一种重要的双胍防腐剂是洗必泰。它对酵母菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有广谱活性，但*铜绿假单胞菌*除外，它可能会在反复接触时产生耐药性。[脚注]洗必泰会破坏细胞膜，在较低浓度下具有抑菌作用，在较高浓度下具有杀菌作用，它实际上会导致细胞的细胞质内容物凝结。它还具有抗包膜病毒的活性。然而，洗必泰对*结核分枝杆菌*和非包膜病毒的效果不佳，而且它不具孢子杀灭性。洗必泰通常用于临床环境中作为手术擦洗和医务人员的其他洗手需求，以及用于手术或针头注射前患者的局部防腐。它比碘伏更持久，提供持久的抗菌活性。洗必泰溶液也可用作口腔手术后的口腔冲洗剂或治疗牙龈炎。另一种双胍，洗必泰，作为外科磨砂膏和口腔冲洗剂越来越受欢迎，因为它的作用比洗必泰快。

*铜绿假单胞菌*对双乙酸氯己定耐药性的发展和'残留'浓度的影响。"*《医院感染杂志》*46第4期（2000）：297-303。
双胍类化合物
烷基化剂是一组强消毒化学品，通过用烷基（CnH2n+1）替换分子内的氢原子起作用，从而灭活酶和核酸（[link]）。烷基化剂甲醛（CH2O）通常用于浓度为37%（称为福尔马林）的溶液中，或作为气态消毒剂和杀菌剂。它是一种强、广谱的消毒剂和杀菌剂，具有杀死细菌、病毒、真菌和内孢子的能力，从而在低温下进行灭菌，这有时是更劳动密集型的热灭菌方法的方便替代品。它还交联蛋白质，并被广泛用作化学固定剂。正因为如此，它被用于组织标本的储存和防腐液。它也被用于疫苗制备中灭活传染性病原体。甲醛对活组织有很强的刺激性，也是致癌物；因此，它不被用作防腐剂。
烷基化试剂
过氧是强氧化剂，可用作消毒剂或防腐剂。最广泛使用的过氧是过氧化氢（H2O2），它经常用于溶液中消毒表面，也可以用作气态剂。过氧化氢溶液是廉价的皮肤防腐剂，可分解成水和氧气，这两种气体对环境都是安全的。这种分解在有光的情况下会加速，因此过氧化氢溶液通常以棕色或不透明的瓶子出售。使用过氧化氢作为防腐剂的一个缺点是它还会对皮肤造成损害，可能会延迟愈合或导致疤痕。隐形眼镜清洁剂通常包括过氧化氢作为消毒剂。
过氧
在过去的15年里，超临界流体的使用，特别是超临界二氧化碳（scCO2），在某些灭菌应用中得到了普及。当二氧化碳被带到大约10倍的大气压时，它达到了一种介于液体和气体之间的超临界状态。放入以这种方式加压二氧化碳的腔室中的材料可以被灭菌，因为scCO2能够穿透表面。
超临界流体
化学防腐剂被用来抑制一些食物中的微生物生长和最大限度地减少腐败。常用的化学防腐剂包括山梨酸、苯甲酸和丙酸，以及它们更易溶解的盐山梨酸钾、苯甲酸钠和丙酸钙，所有这些都被用来控制酸性食物中霉菌的生长。这些防腐剂中的每一种都无毒，很容易被人类代谢。它们也无味，所以它们不会损害它们保存的食物的味道。
化学食品防腐剂
使用化学品控制微生物
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消毒剂或防腐剂的有效性可以通过多种方式来确定。历史上，化学药剂的有效性经常与苯酚进行比较，苯酚是约瑟夫·李斯特使用的第一种化学药剂。1903年，英国化学家塞缪尔·罗米斯（Samuel R理想，1863-1929）和J·T·安斯利·沃克（J. T.Ainslie Walker，1868-1930）建立了一个协议，以*金黄色葡萄球菌*（革兰氏阳性细菌）和*肠道沙门氏菌*伤寒杆菌（革兰氏阴性细菌）作为他们的测试生物，将测试细菌暴露在水中稀释的抗菌化学溶液中7.5分钟。然后，他们计算了两种测试细菌中每种化学物质的苯酚系数。苯酚系数为1.0意味着化学药剂的有效性与苯酚大致相同。苯酚系数小于1.0的化学药剂不如苯酚有效。一个例子是福尔马林，苯酚系数为0.3（*金黄色葡萄球菌*）和0.7（*肠道菌群*伤寒杆菌）。苯酚系数大于1.0的化学药剂比苯酚更有效，如氯胺，苯酚系数分别为133和100。尽管苯酚系数曾经是衡量有效性的有用指标，但它不再常用，因为使用的条件和生物是任意选择的。
苯酚系数
圆盘扩散法包括将不同的化学物质应用于分离的无菌滤纸圆盘（[链接]）。然后将圆盘放在接种了目标细菌的琼脂板上，化学物质从圆盘扩散到接种细菌的琼脂中。随着细菌的“草坪”生长，在圆盘周围观察到微生物生长的抑制区是清晰的区域。尽管还有其他因素会影响抑制区的大小（例如，试剂是否水溶性并能够在琼脂中扩散），但较大的区域通常与化学试剂抑制有效性的增加相关。每个区域的直径以毫米为单位。
圆盘扩散法
其他方法也用于测量化学制剂在临床环境中的有效性。使用稀释试验通常用于确定化学品在无生命表面上的消毒有效性。对于该试验，将不锈钢圆筒浸入目标微生物的培养物中，然后干燥。然后将圆筒浸入各种浓度的消毒剂溶液中一段指定的时间。最后，将圆筒转移到含有不含消毒剂的新鲜无菌培养基的新试管中，并将该试管孵育。细菌存活通过培养基中存在浊度来证明，而消毒剂杀死圆筒上的目标生物不会产生浊度。
使用-稀释测试
使用中的测试可以确定在临床环境中积极使用的消毒剂溶液是否受到微生物污染（[link]）。将使用过的消毒剂的1-mL样品稀释到9mL无菌肉汤培养基中，该培养基也含有一种化合物来灭活消毒剂。然后将10滴，总计约0.2mL这种混合物，接种到两个琼脂平板上。一个平板在37℃下孵育3天，另一个平板在室温下孵育7天。监测平板上微生物菌落的生长。在任何一个平板上生长五个或更多菌落表明消毒剂溶液中存在有活力的微生物细胞并且它被污染了。这种使用中的测试监测消毒剂在临床环境中的有效性。
使用中测试
测试防腐剂和消毒剂的有效性
控制微生物生长
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导言
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尽管抗菌素的发现及其随后的广泛使用通常与现代医学有关，但有证据表明，人类接触抗菌素化合物已经有几千年了。对公元350年至550年间努比亚[脚注]人（现在在今天的苏丹发现）骨骼残骸的化学分析显示，抗菌剂四环素的残留量足够高，表明在啤酒酿造过程中有目的地发酵产生四环素的*链霉菌*。由此产生的啤酒浓稠而稀粥状，用于治疗成人和儿童的各种疾病，包括牙龈疾病和伤口。某些植物的抗菌特性也可能已经被世界各地的各种文化所认可，包括长期以来将植物用于各种医疗目的的印度和中国草药医生（[链接]）。越来越多的当代研究人员利用了这些传统来源的实践，甚至是文献。例如，上世纪70年代被选中领导政府寻找疟疾治疗方法的中国研究员屠悠悠利用了*蒿*，这是一种她通过咨询4世纪医生葛洪的《紧急情况处方手册》发现的植物。在最初的努力不成功后，悠悠和她的团队更加仔细地遵循了1650年前文献中提取植物化学物质的方法，并在一年内进行了一项成功治愈疟疾患者的试验。[脚注] 2015年，悠悠获得诺贝尔生理学或医学奖。许多文化的治疗者都了解真菌的抗菌特性，几个世纪以来，真菌使用发霉的面包或其他含霉菌的产品来治疗伤口已经有了很好的记录。[脚注]今天，尽管世界上大约80%的人口仍然依赖植物衍生的药物，[脚注]科学家们现在发现了活性化合物，这些活性化合物赋予了许多传统使用的植物的药用价值。

M. L.Nelson等人。“简要交流：苏丹努比亚350-550 CE古代人口骨骼遗骸中四环素的质谱表征。”*美国体质人类学杂志*143第1期（2010年）：151-154。E.Hsu。“中国*本草*中*清号*的历史。”皇家热带医学和卫生学会汇刊，第100卷，第6期。（2006年。）505-508. M。温赖特。“古代和近代医学中的霉菌。”*真菌学家*3第1期（1989年）：21-23。S.Verma，S.P.Singh。“草药的当前和未来状况。”*兽医世界*1第11期（2008年）：347-350。
古代社会抗菌素的使用
几千年来，社会一直依赖传统医学；然而，20世纪上半叶带来了一个战略性药物发现的时代。20世纪初，德国医生和科学家保罗·埃利希（Paul Ehrlich，1854-1915）着手发现或合成能够杀死传染性微生物而不伤害患者的化合物。1909年，在筛选了600多种含砷化合物后，埃利希的助手Sahachiro Hata（1873-1938）发现了一种这样的“神奇子弹”。化合物606的目标是细菌*梅毒螺旋体*，梅毒的病原体。化合物606被发现可以成功治愈兔子的梅毒，不久后以Salvarsan的名义上市，作为人类疾病的药物（[链接]）。埃利希系统筛选各种化合物的创新方法即使在今天仍然是发现新抗菌剂的常见策略。
第一批抗菌药物
化疗和抗菌药物发现的历史
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抗菌药物在与目标细菌的相互作用中可以是抑菌的，也可以是杀菌的。抑菌药物会导致可逆的生长抑制，在药物消除后细菌生长会重新开始。相比之下，杀菌药物会杀死它们的目标细菌。是否使用抑菌或杀菌药物的决定取决于感染类型和患者的免疫状况。在具有强大免疫防御的患者中，抑菌和杀菌药物可以有效地实现临床治愈。然而，当患者免疫功能低下时，杀菌药物对于成功治疗感染至关重要。无论患者的免疫状况如何，威胁生命的感染，如急性心内膜炎，都需要使用杀菌药物。
抑菌与杀菌
抗菌药的活性谱与目标细菌的多样性有关。窄谱抗菌药只针对特定的细菌病原体子集。例如，一些窄谱药物只针对革兰氏阳性菌，而另一些则只针对革兰氏阴性菌。如果已经确定了导致感染的病原体，最好使用窄谱抗菌药，并最大限度地减少对正常微生物群的附带损害。广谱抗菌药针对各种各样的细菌病原体，包括革兰氏阳性和革兰氏阴性菌，并且经常被用作经验疗法，以覆盖广泛的潜在病原体，同时等待实验室识别感染病原体。广谱抗菌药也用于多微生物感染（多种细菌混合感染），或作为手术/侵入性程序感染的预防性预防。最后，当窄谱药物因目标病原体产生耐药性而失效时，可以选择广谱抗菌药来治疗感染。
活性谱
在一定时间间隔内给予的药物量是剂量，必须仔细确定，以确保在感染部位达到最佳治疗药物水平，而不会对患者造成明显的毒性（副作用）。每个药物类别都与各种潜在的副作用相关联，其中一些将在本章后面针对特定药物进行描述。尽管尽了最大努力优化剂量，但过敏反应和其他潜在的严重副作用确实会发生。因此，目标是选择将副作用风险降至最低同时仍能实现临床治愈的最佳剂量，在选择最佳剂量和剂量间隔时有重要因素需要考虑。例如，在儿童中，剂量是基于患者的质量。然而，对于成人和12岁及以上的儿童来说，情况并非如此，无论患者的体重如何，通常都有单一的标准剂量。由于成人体重的变化很大，一些专家认为，在确定适当的剂量时，应考虑所有患者的体重。[脚注]另一个考虑因素是药物如何代谢并从体内排出。一般来说，有肝或肾功能障碍史的患者可能会经历药物代谢减少或从体内清除，导致药物水平增加，这可能导致毒性，并使他们更容易出现副作用。

M. E.Falagas，D.E.Karageorgopoulos。“成人体重抗菌剂剂量的调整。”*柳叶刀*375号9710（2010）：248-251。
剂量和给药途径
对于某些感染的最佳治疗，两种抗菌药物可以一起给药，以提供比单独使用任何一种药物的疗效更好的协同作用。协同组合的一个经典例子是甲氧苄啶和磺胺甲恶唑（Bactrim）。单独地，这两种药物仅提供细菌生长的抑菌抑制，但结合起来，药物是杀菌的。
药物相互作用
抗菌化疗基础
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几种不同类别的抗菌剂阻断了肽聚糖生物合成中的步骤，使细胞更容易受到渗透裂解（[link]）。因此，以细胞壁生物合成为目标的抗菌剂在作用上是杀菌的。因为人类细胞不制造肽聚糖，这种作用模式是选择性毒性的极好例子。
细胞壁生物合成的抑制剂
动物细胞（80S）中发现的细胞质核糖体在结构上不同于细菌细胞（70S）中发现的核糖体，使蛋白质生物合成成为抗菌药物的良好选择靶点。本节讨论了几种类型的蛋白质生物合成抑制剂，并在[link]中进行了总结。
蛋白质生物合成的抑制剂
一小部分抗菌药物以细菌膜为目标作为其作用方式（[link]）。多粘菌素是天然多肽抗生素，最早于1947年作为*多粘杆菌*的产物被发现；临床上仅使用了多粘菌素B和多粘菌素E（粘菌素）。它们具有类似洗涤剂的亲脂性，并与革兰氏阴性菌外膜的脂多糖成分相互作用，最终破坏它们的外膜和内膜并杀死细菌细胞。不幸的是，膜靶向机制不是选择性毒性，这些药物在系统给药时也会靶向并损害肾脏和神经系统中的细胞膜。由于这些严重的副作用以及它们从消化道的吸收很差，多粘菌素B被用于非处方外用抗生素软膏（例如Neosporin），而口服粘菌素在历史上仅用于肠道净化，以防止免疫功能低下的患者或接受某些腹部手术的患者的肠道微生物引起的感染。然而，耐多药病原体的出现和传播导致医院静脉注射粘菌素的使用增加，通常作为治疗严重感染的最后手段。抗菌达托霉素是由*玫瑰孢链霉菌*产生的环状脂肽，其作用似乎与多粘菌素类似，插入细菌细胞膜并破坏它。然而，与仅针对革兰氏阴性细菌的多粘菌素B和粘菌素相比，达托霉素专门针对革兰氏阳性细菌。它通常通过静脉注射给药，并且似乎耐受性良好，在骨骼肌中显示出可逆的毒性。
膜功能抑制剂
一些抗菌药物通过抑制核酸合成起作用（[链接]）。例如，甲硝唑是硝基咪唑家族的半合成成员，也是一种抗原生动物。它干扰靶细胞中的DNA复制。药物利福平是利福霉素家族的半合成成员，通过阻断细菌中的RNA聚合酶活性发挥作用。细菌中的RNA聚合酶在结构上不同于真核生物中的RNA聚合酶，提供对细菌细胞的选择性毒性。它用于治疗各种感染，但它的主要用途，通常与其他抗菌药物混合使用，是针对导致结核病的分枝杆菌。尽管其机制具有选择性，但利福平可以诱导肝酶增加正在给药的其他药物的代谢（拮抗作用），导致肝毒性（肝毒性），并对伴侣药物的生物利用度和治疗效果产生负面影响。
核酸合成抑制剂
一些合成药物通过起到抗代谢物的作用来控制细菌感染，抗代谢物是细菌代谢酶的竞争性抑制剂（[链接]）。磺胺类药物（磺胺类药物）是最古老的合成抗菌剂，是叶酸合成中的早期中间体*对*-氨基苯甲酸（PABA）的结构类似物（[链接]）。磺胺类药物通过抑制参与二氢叶酸生产的酶，阻断了叶酸的细菌生物合成，随后阻断了核酸合成所需的嘧啶和嘌呤。这种作用机制提供了对广谱革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体生长的抑菌抑制。由于人类从食物中获取叶酸，而不是在细胞内合成，磺胺类药物对细菌具有选择性毒性。然而，磺胺类药物的过敏反应很常见。磺胺类药物在结构上与磺胺类药物相似，但除了用于治疗汉森氏病（麻风病）外，今天并不常用。
代谢途径的抑制剂
贝达喹，代表被称为二芳基喹啉类化合物的合成抗菌类化合物，使用一种专门抑制分枝杆菌生长的新型作用模式。虽然具体机制尚未阐明，但这种化合物似乎干扰了ATP合成酶的功能，也许是通过干扰氢离子梯度通过氧化磷酸化合成ATP，导致ATP产量减少。由于其副作用，包括肝毒性和潜在致命的心律失常，它的使用是保留给严重的，否则无法治疗的结核病病例。
ATP合成酶抑制剂
抗菌药物的作用机制
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抗真菌药物最常见的作用方式是破坏细胞膜。抗真菌利用真菌和人类在合成甾醇的生化途径上的微小差异。甾醇在保持适当的膜流动性以及细胞膜的适当功能方面很重要。对大多数真菌来说，主要的膜甾醇是麦角甾醇。因为人类细胞膜使用胆固醇而不是麦角甾醇，针对麦角甾醇合成的抗真菌药物具有选择性毒性（[链接]）。
抗真菌药物
抗原生动物药物针对传染性原生动物有几种机制（[链接]）。有些是抗代谢药，如阿托伐喹、普罗胍和青蒿素。阿托伐喹除了抗真菌外，还能阻断原生动物体内的电子传递，用于治疗原生动物感染，包括疟疾、巴贝斯病和弓形虫病。普罗胍是另一种合成的抗代谢药，在寄生细胞中加工成活性形式，抑制原生动物叶酸合成。它经常与阿托伐喹联合使用，这种组合被称为马拉龙，用于疟疾治疗和预防。
抗原生动物药物
由于蠕虫与人类一样是多细胞真核生物，因此开发对其具有选择性毒性的药物极具挑战性。尽管如此，已经开发出了几种有效的类别（[link]）。合成苯并咪唑类，如甲苯咪唑和阿苯咪唑，与蠕虫的β-微管蛋白结合，阻止微管形成。蠕虫肠道细胞中的微管似乎特别受到影响，导致葡萄糖摄取减少。除了对广泛的蠕虫具有活性外，苯并咪唑类还对许多原生动物、真菌和病毒具有活性，其用于抑制癌细胞有丝分裂和细胞周期进展的用途正在研究中。[脚注]使用它们可能的副作用包括肝损伤和骨髓抑制。

B.朱等人。“表现出抗肿瘤活性的苯并咪唑衍生物阻断乳腺癌细胞中的EGFR和HER2活性并上调DR5。”*细胞死亡和疾病*6（2015）： e1686
抗蠕虫药物
与真菌、原生动物和蠕虫的复杂结构不同，病毒结构简单，由核酸、蛋白质外壳、病毒酶组成，有时还有脂质包膜。此外，病毒是专门的细胞内病原体，利用宿主的细胞机制进行复制。这些特征使得开发对病毒具有选择性毒性的药物变得困难。
抗病毒药物
其他抗菌药物的作用机制
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常见的耐药机制有几种，在【链接】中进行了总结，这些机制包括酶促修饰药物、修饰抗菌靶点、防止药物渗透或积累。
耐药性机制
从临床角度来看，我们最关心的是耐多药微生物（MDR）和交叉耐药性。MDR被通俗地称为“超级细菌”，携带一种或多种耐药机制，使它们对多种抗菌素产生耐药性。在交叉耐药性中，单一耐药机制赋予了对多种抗菌素药物的耐药性。例如，拥有一个可以输出多种抗菌素药物的外排泵是微生物通过使用单一耐药机制对多种药物产生耐药性的常见方式。近年来，出现了几种临床上重要的超级细菌，CDC报告称，超级细菌每年在美国造成超过200万的感染，导致至少23,000人死亡。[脚注]以下部分中讨论的几种超级细菌被称为ESKAPE病原体。这个首字母缩略词指的是病原体的名称（*粪肠球菌*、*金黄色葡萄球菌*、*肺炎克雷伯菌*、*鲍曼不动杆菌*、*铜绿假单胞菌*和*肠杆菌*spp。），但这也很合适，因为这些病原体能够“逃避”许多传统形式的抗菌治疗。因此，ESKAPE病原体的感染可能难以治疗，并导致大量医院感染。

疾病控制和预防中心。“抗生素/抗菌素耐药性。”http://www.cdc.gov/drugresistance/index.html。2016年6月2日访问。
多药耐药微生物和交叉耐药
甲氧西林是一种半合成青霉素，旨在抵抗β-内酰胺酶的失活。不幸的是，在将甲氧西林引入临床实践后不久，*S. aureus*的甲氧西林耐药菌株出现并开始传播。耐药机制，即获得一种新的低亲和力PBP，为*S.aureus*提供了对所有可用β-内酰胺的耐药性。耐甲氧西林的*S.aureus*（MRSA）菌株是广泛存在的机会性病原体，特别关注皮肤和其他伤口感染，但也可能导致肺炎和败血症。虽然最初是医疗保健环境中的一个问题（医院获得的MRSA[HA-MRSA]），但MRSA感染现在也通过与受污染的公众成员接触而获得，称为社区相关MRSA（CA-MRSA）。大约三分之一的人口携带*金黄色葡萄球菌*作为其正常鼻腔微生物群的成员，并且其中大约6%的菌株对甲氧西林具有抗药性。[脚注][脚注]

A. S.Kalokhe等人。“耐多药结核病药物敏感性和分子诊断测试：文献综述。*美国医学科学杂志*345第2期（2013年）：143-148。疾病控制和预防中心。“耐甲氧西林*金黄色葡萄球菌*（MRSA）：关于社区MRSA的一般信息。”http://www.cdc.gov/mrsa/community/index.html。2016年6月2日访问
耐甲氧西林*金黄色葡萄球菌*（MRSA）
万古霉素仅对革兰氏阳性菌有效，用于治疗由对其他抗生素耐药的病原体引起的伤口感染、败血症感染、心内膜炎和脑膜炎。它被认为是抵御包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在内的耐药感染的最后一道防线。随着20世纪70年代和80年代抗生素耐药性的上升，万古霉素的使用增加了，我们看到万古霉素耐药肠球菌（VRE）、万古霉素耐药*金黄色葡萄球菌*（VRSA）和万古霉素中间体*金黄色葡萄球菌*（VISA）的出现和传播也就不足为奇了。肠球菌对万古霉素耐药的机制是靶点修饰，涉及肽聚糖亚基肽成分的结构变化，阻止万古霉素结合。这些菌株通常在临床环境中通过与医护人员和受污染的表面和医疗设备接触在患者中传播。
耐万古霉素肠球菌和*金黄色葡萄球菌*
产生广谱β-内酰胺酶（ESBLs）的革兰氏阴性病原体表现出的耐药性远远超出青霉素。ESBLs灭活的β-内酰胺酶谱提供了对所有青霉素、头孢菌素、单巴胺类和β-内酰胺酶抑制剂组合的耐药性，但碳青霉烯类没有。更令人担忧的是，编码ESBLs的基因通常在移动质粒上发现，这些质粒也包含对其他药物类别（例如氟喹诺酮类、氨基糖苷类、四环素类）的耐药性基因，并且可能通过水平基因转移容易传播给其他细菌。这些多重耐药细菌是某些个体肠道微生物群的成员，但它们也是住院患者机会性感染的重要原因，它们可以传播给其他人。
广谱β-内酰胺酶产生革兰氏阴性病原体
在其他革兰氏阴性细菌（例如*铜绿假单胞菌*、*鲍曼不动杆菌*、*麦芽窄食单胞菌*）中出现耐碳青霉烯肠杆菌科（CRE）和耐碳青霉烯是一个日益增长的卫生保健问题。这些病原体通过各种机制对碳青霉烯产生耐药性，包括产生碳青霉烯酶（灭活所有β内酰胺，包括碳青霉烯类）的广谱β内酰胺酶，碳青霉烯主动流出细胞，和/或防止碳青霉烯通过孔蛋白通道进入。与ESBLs的担忧类似，耐碳青霉烯的革兰氏阴性病原体通常对多类抗菌药物具有耐药性，有些甚至产生了泛耐药性（对所有可用抗菌药物的耐药性）。耐碳青霉烯的革兰氏阴性病原体感染通常在卫生保健环境中通过与受污染的个人或医疗设备的相互作用或手术而发生
耐碳青霉烯革兰氏阴性菌
耐多药*结核分枝杆菌*（MDR-TB）和广泛耐药*结核分枝杆菌*（XDR-TB）的出现也引起了全球的严重关注。耐多药结核病菌株对利福平和异烟肼都有耐药性，这是通常用于治疗结核病的药物组合。此外，广泛耐药结核病菌株对任何氟喹诺酮和作为第二线治疗的其他三种药物（阿米卡星、卡那霉素或卷曲霉霉素）中的至少一种都有耐药性，这使得这些患者几乎没有治疗选择。这两种病原体在免疫缺陷人群中尤其成问题，包括那些感染艾滋病毒的人。这些菌株耐药性的发展通常是由于在结核病治疗中不正确使用抗菌剂而导致的，选择耐药性。
耐多药*结核分枝杆菌*
耐药性
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Kirby-Bauer圆盘扩散试验长期以来一直被用作确定特定微生物对各种抗菌药物敏感性的起点。Kirby-Bauer测定从Mueller-Hinton琼脂平板开始，在该平板上将汇合的草坪接种患者分离的细菌病原体。然后将浸渍有已知量的待测抗菌药物的过滤纸盘放置在琼脂平板上。随着细菌接种物的生长，抗生素从圆盘扩散到琼脂中，并与生长的细菌相互作用。抗菌活性被观察为药物浸渍圆盘周围的清晰圆形抑制区，类似于[链接]中描述的圆盘扩散测定。抑制区的直径，以毫米为单位测量，并与标准化图表进行比较，确定细菌病原体对药物的敏感性或耐药性。
Kirby-Bauer圆盘扩散试验
如前所述，Kirby-Bauer磁盘扩散测试的局限性不允许直接比较抗菌效力以指导最佳治疗选择的选择。然而，抗菌稀释测试可用于确定特定药物的最小抑制浓度（MIC），抑制可见细菌生长的药物的最低浓度，以及最小杀菌浓度（MBC），杀死≥99.9%起始接种物的最低药物浓度。确定这些浓度有助于识别特定病原体的正确药物。对于大肉汤稀释测定，在试管中制作肉汤中药物的稀释系列，并将相同数量的测试细菌菌株的细胞添加到每个试管中（[链接]）。MIC通过检查试管以找到抑制可见生长的最低药物浓度来确定；这在肉汤中观察到浑浊（浑浊）。然后将没有可见生长的试管接种到没有抗生素的琼脂培养基上以确定MBC。一般来说，抗菌血清水平应至少比治疗感染的MIC高3至5倍。
稀释测试
测试抗菌素的有效性
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抗菌素发现的当前策略
抗菌药物
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导言
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感染是微生物对宿主的成功定殖。感染会导致疾病，导致体征和症状，从而偏离宿主的正常结构或功能。可能导致疾病的微生物被称为病原体。
疾病的体征和症状
世界卫生组织（WHO）的国际疾病分类（ICD）用于临床领域，用于对疾病进行分类和监测发病率（疾病病例数）和死亡率（疾病导致的死亡人数）。在本节中，我们将介绍ICD（以及一般医疗保健专业）用来描述和分类各种疾病的术语。
疾病分类
疾病的五个时期（有时称为阶段或阶段）包括潜伏期、前驱期、疾病期、衰退期和恢复期（[link]）。潜伏期发生在病原体最初进入宿主（患者）之后的急性疾病中。正是在这段时间内病原体开始在宿主中繁殖。然而，存在的病原体颗粒（细胞或病毒）数量不足，无法引起疾病的迹象和症状。潜伏期可以从急性疾病的一天或两天到慢性疾病的几个月或几年不等，具体取决于病原体。参与确定潜伏期长度的因素多种多样，可以包括病原体的强度、宿主免疫防御的强度、感染部位、感染类型和接受的感染剂量大小。在这个潜伏期，病人不知道疾病开始发展。
疾病时期
患病期的持续时间可能有很大差异，这取决于病原体、宿主免疫反应的有效性以及接受的任何医疗。对于急性疾病，病理变化发生在相对较短的时间内（例如，数小时、数天或数周），并涉及疾病状况的快速发作。例如，流感（由流感病毒引起）被认为是一种急性疾病，因为潜伏期约为1-2天。受感染的个体可以在患病后将流感传播给他人约5天。约1周后，个体进入衰退期。
急性和慢性疾病
传染病的特点
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1884年，科赫发表了四个假设（[链接]），总结了他确定特定微生物是否是特定疾病的原因的方法。科赫的每个假设都代表了一个标准，在疾病与病原体正相关之前必须满足这个标准。为了确定是否满足标准，对实验室动物进行测试，并比较来自健康和患病动物的培养物（[链接]）。
科赫公设
1988年，斯坦利·法尔科（Stanley Falkow，1934-）提出了科赫假设的修订形式，称为分子科赫假设。这些列在[链接]的左栏。分子科赫假设的前提不是分离特定病原体的能力，而是识别可能导致生物体致病的基因。
分子科赫假设
微生物病原体致病的能力称为致病性，生物体致病的程度称为毒力。毒力是一个连续体。光谱的一端是无毒（无害）的生物体，另一端是高毒力的生物体。高毒力的病原体在引入体内时几乎总是会导致疾病状态，有些甚至可能导致健康个体的多器官和身体系统衰竭。毒性较小的病原体可能会导致初始感染，但不一定会导致严重疾病。低毒力的病原体更有可能导致轻微的疾病体征和症状，如低烧、头痛或肌肉疼痛。有些人甚至可能没有症状。
致病性和毒力
病原体可以分为原发性病原体和机会性病原体。原发性病原体可以在宿主体内引起疾病，而不管宿主的常驻微生物群或免疫系统如何。相反，机会性病原体只能在危及宿主防御的情况下引起疾病，如身体的保护屏障、免疫系统或正常微生物群。易患机会性感染的个体包括非常年轻、老年人、孕妇、接受化疗的患者、免疫缺陷者（如获得性免疫缺陷综合征[艾滋病]）、手术后康复的患者以及突破保护屏障的患者（如严重伤口或烧伤）。
原发病原体与机会病原体
要引起疾病，病原体必须成功地完成四个致病步骤或阶段：接触（接触）、粘附（定植）、入侵和感染。病原体必须能够进入宿主，前往可以建立感染的地方，逃避或克服宿主的免疫反应，并对宿主造成损害（即疾病）。在许多情况下，当病原体离开宿主并传播到新宿主时，这个循环就完成了。
发病阶段
病原体要想持续存在，必须使自己处于能够传播到新宿主的位置，通过出口（[link]）离开受感染的宿主。与入口一样，许多病原体都适合使用特定的出口入口。与入口相似，最常见的出口入口包括皮肤和呼吸道、泌尿生殖道和胃肠道。咳嗽和打喷嚏可以将病原体从呼吸道排出。一个喷嚏可以将数千个病毒颗粒发送到空气中。分泌物和排泄物可以将病原体运出其他出口入口。粪便、尿液、精液、阴道分泌物、眼泪、汗水和脱落的皮肤细胞都可以作为病原体离开身体的载体。依靠昆虫载体传播的病原体通过叮咬昆虫提取的血液离开身体。同样，一些病原体通过针头抽取的血液排出体外。
疾病传播
病原体如何导致疾病
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如前一节所述，发病机制的前两个步骤是暴露和粘附。回想一下，粘附素是在病原体表面发现的一种蛋白质或糖蛋白，它附着在宿主细胞上的受体上。粘附素存在于细菌、病毒、真菌和原生动物病原体上。细菌粘附素的一个例子是1型菌毛粘附素，一种在产肠毒素*大肠杆菌*（ETEC）菌毛尖端发现的分子。回想一下，菌毛是细胞表面的毛发状蛋白质刚毛。1型菌毛粘附素允许ETEC细胞的菌毛附着在肠上皮细胞上表达的甘露糖聚糖上。[链接]列出了我们已经讨论过或将在本章后面看到的一些病原体中发现的常见粘附素。
粘附的毒力因子
暴露和粘附后，发病机制的下一步是入侵，这可能涉及酶和毒素。许多病原体通过进入血液来实现入侵，这是一种有效的传播手段，因为血管靠近身体中的每个细胞。这种扩散机制的缺点是血液中还包括免疫系统的许多元素。以-血症结尾的各种术语被用来描述血液中存在病原体。血液中存在细菌被称为菌血症。涉及化脓菌（形成脓液的细菌）的菌血症被称为脓血。当在血液中发现病毒时，它被称为病毒血症。毒血症一词描述了在血液中发现毒素时的情况。如果细菌既存在又在血液中繁殖，这种情况被称为败血症。
细菌外切酶和毒素作为毒力因子
逃避免疫系统对侵袭性也很重要。细菌利用各种毒力因子来逃避免疫系统细胞的吞噬作用。例如，许多细菌产生胶囊，用于粘附，但也通过防止吞噬细胞的摄入来帮助免疫逃避。胶囊的成分阻止免疫细胞能够粘附，然后吞噬细胞。此外，胶囊使细菌细胞变得更大，使免疫细胞更难吞噬病原体（[链接]）。一种值得注意的产生胶囊的细菌是革兰氏阳性病原体*肺炎链球菌*，它会导致肺炎球菌肺炎、脑膜炎、败血症和其他呼吸道感染。*肺炎链球菌*的封装菌株比非封装菌株更具毒性，更有可能侵入血液并导致败血症和脑膜炎。
宿主存活的毒力因素和免疫逃避
虽然病毒病原体在结构上与细菌病原体不相似，但导致其毒力的一些特性是相似的。病毒使用粘附素来促进与宿主细胞的粘附，某些包膜病毒依靠抗原变异来避免宿主免疫防御。这些毒力因素将在以下部分中更详细地讨论。
病毒毒力
细菌和病毒病原体的毒力因子
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病原真菌可以产生与本章前面讨论的细菌毒力因子相似的毒力因子。在本节中，我们将研究与*念珠菌*、*隐球菌、锁骨肌*和*曲霉菌*物种相关的毒力因子。
真菌毒力
原生动物病原体是单细胞真核寄生虫，其毒力因子和致病机制类似于原核和病毒病原体，包括粘附素、毒素、抗原变异和吞噬囊泡内生存的能力。
原生动物毒力
蠕虫或寄生虫是多细胞真核寄生虫，严重依赖毒力因子进入宿主组织。例如，导致血吸虫病的曼氏血吸虫的水生幼虫形式在降解皮肤蛋白质（包括弹性蛋白）的蛋白酶的帮助下穿透完整的皮肤。
蠕虫毒力
真核病原体的毒力因子
致病性微生物机制
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导言
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流行病学分析总是参考一个人群进行的，这是一个有疾病或病症风险的群体。人口可以从地理上定义，但是如果该地区只有一部分人易感，可能需要额外的标准。易感个体可以通过特定的行为来定义，例如静脉注射毒品、拥有特定的宠物，或者是大学等机构的成员。能够定义人口很重要，因为流行病学中大多数感兴趣的衡量标准都是根据人口规模来确定的。
分析人群中的疾病
偶尔出现的疾病，通常没有地理集中，被称为散发性疾病**s**。散发性疾病的例子包括破伤风、狂犬病和鼠疫。在美国，导致破伤风的细菌*破伤风梭菌*在土壤环境中无处不在，但感染事件很少发生，而且发生在分散的地方，因为大多数人都接种了疫苗，适当清洁了伤口，或者很少处于会导致感染的情况。[脚注]同样，在美国，每年也有一些分散的鼠疫病例，通常是由西部各州农村地区的啮齿动物感染的。[脚注]

疾病控制和预防中心。“破伤风监测——美国，2001-2008年。”*发病率和死亡率周报*60，第12期（2011年）： 365。疾病控制和预防中心。“美国鼠疫。”2015年。http://www.cdc.gov/plague/maps。2016年6月1日访问。
发病模式
在研究流行病时，流行病学家的首要任务是确定疾病的病因，称为病原体或病原体。将疾病与特定病原体联系起来可能具有挑战性，因为通常需要额外的努力来证明直接的因果关系，而不是简单的联系。仅仅观察疾病和可疑病原体之间的联系是不够的；需要进行对照实验来消除其他可能的原因。此外，当没有关于爆发原因的直接线索时，病原体通常很难检测到。疾病的体征和症状通常也是非特异的，这意味着许多不同的病原体可以引起相同的体征和症状。即使科学家熟悉病原体，这也会使诊断复杂化。
病因学
美国主要的国家公共卫生机构是疾病控制和预防中心（CDC），这是卫生和公众服务部的一个机构。CDC负责保护公众免受疾病和伤害。CDC执行这一任务的一种方式是与地区、州和地区公共卫生部门合作监督国家法定传染病监测系统（NNDSS）。NNDSS监测被认为在全国范围内具有公共卫生重要性的疾病。这种疾病被称为法定传染病或可报告疾病，因为所有病例都必须向CDC报告。法律要求治疗法定传染病患者的医生提交病例报告。法定传染病包括艾滋病毒感染、麻疹、西尼罗河病毒感染和许多其他疾病。一些州有自己的应申报疾病清单，其中包括疾病预防控制中心清单上以外的疾病。
公共卫生组织的作用
流行病学家的语言
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约翰·斯诺（John Snow，[link]）是一位英国医生，因确定了1854年伦敦布罗德街霍乱疫情的源头而被称为流行病学之父。根据他在早期霍乱爆发（1848-1849年）期间的观察，斯诺提出霍乱是通过粪便-口腔传播途径传播的，微生物是传染性病原体。他通过两种方式调查了1854年的霍乱疫情。首先，怀疑受污染的水是流行病的源头，斯诺确定了感染者的水源。他发现从伦敦下游泰晤士河取水的个人中霍乱病例频率很高。这些水含有来自伦敦和上游定居点的垃圾和污水。他还指出，啤酒厂工人没有感染霍乱，调查发现业主向工人提供啤酒喝，并表示他们可能不喝水。[脚注]其次，他还煞费苦心地绘制了霍乱的发病率，发现那些使用布罗德街特定水泵的人频率很高。作为对斯诺建议的回应，当地官员拆除了水泵的把手，[脚注]导致布罗德街霍乱疫情得到遏制。

约翰·斯诺。*论霍乱的传播方式。第二版，大大扩大*。约翰·丘吉尔，1855年。约翰·斯诺。“戈尔登-沃克尔附近和德普特福德的霍乱。”*医学时报和公报*9（1854年）： 321-322。http://www.ph.ucla.edu/epi/snow/choleragoldensquare.html。
流行病学先驱
如今，流行病学家利用研究设计，即收集数据来检验假设的方式，类似于研究人员研究人群中发生的其他现象的方式。这些方法可以分为观察性研究（不操纵受试者）和实验性研究（操纵受试者）。总的来说，这些研究为现代流行病学家提供了多种工具来探索传染病和它们可能感染的易感个体群体之间的联系。
流行病学研究的类型
追踪传染病
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病原体要想长期存在，它们需要它们通常居住的水库。水库可以是活的有机体或非活的地点。非活的水库可以包括环境中的土壤和水。这些可能自然地庇护有机体，因为它可能在那个环境中生长。这些环境也可能被人类粪便中的病原体、中间宿主排出的病原体或中间宿主遗体中包含的病原体污染。
水库和航母
无论水库在哪里，感染传播都必须发生传播。首先，必须发生从水库到个人的传播。然后，个人必须直接或间接地将传染性病原体传播给其他易感个体。病原微生物采用不同的传播机制。
传输
怀疑或已知接触过某些传染性病原体的个人可能会被隔离或隔离，以防止疾病传播给他人。医院和其他保健设施通常会设立特殊病房，隔离患有结核病或埃博拉病毒等特别危险疾病的患者（[链接]）。根据设置，这些病房可能配备特殊的空气处理方法，人员可能会实施特殊协议来限制传播风险，例如个人防护装备或在医务人员进出时使用化学消毒喷雾剂。
隔离
医院、养老院和监狱引起了流行病学家的注意，因为这些环境与某些疾病发病率的增加有关。较高的传播率可能是由环境本身的特征、人口的特征或两者兼而有之造成的。因此，必须特别努力限制这些环境中的感染风险。
医疗相关（医院）感染
疾病传播方式
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国际公共卫生问题由联合国机构世卫组织（WHO）负责协调。在其2015-16年大约40亿美元的预算中[脚注]，大约10亿美元由成员国资助，其余30亿美元由自愿捐款资助。除了监测和报告传染病，世卫组织还制定和实施控制和预防战略。世卫组织开展了许多成功的国际公共卫生运动。例如，其始于20世纪60年代中期的天花疫苗接种计划导致该疾病在1980年之前在全球根除。世卫组织继续参与传染病控制，主要是在发展中国家，针对疟疾、艾滋病毒/艾滋病和结核病等项目。它还实施减少因暴力、事故、糖尿病等生活方式相关疾病和卫生保健基础设施薄弱而导致的疾病和死亡率的项目。

世卫组织。《2014-2015年方案预算》。http://www.who.int/about/finances-accountability/budget/en。
世卫组织（WHO）
世卫组织和一些国家公共卫生机构，如疾病预防控制中心，都对新出现的传染病进行监测和准备。新出现的传染病要么对人类来说是新的，要么在过去二十年里流行率有所上升。无论这种疾病是新的，还是条件发生了变化，导致频率增加，它的新出现状态意味着需要运用资源来理解和控制其日益增长的影响。
新发和再发传染病
全球公共卫生
疾病与流行病学
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导言
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物理屏障在阻止微生物到达易受感染的组织方面发挥着重要作用。在细胞层面，屏障由紧密连接的细胞组成，以防止入侵者穿越到更深的组织。例如，排列在血管中的内皮细胞具有非常紧密的细胞间连接，阻止微生物进入血流。细胞连接通常由细胞膜蛋白组成，这些蛋白可能与细胞外基质或来自相邻细胞的互补蛋白连接。身体不同部位的组织有不同类型的细胞连接。这些包括紧密连接、桥粒和间隙连接，如[链接]所示。入侵的微生物可能试图用化学方法分解这些物质，使用蛋白酶等会导致结构损伤的酶为病原体创造一个入口点。
物理屏障
除了将微生物拒之门外的物理屏障之外，身体还有许多机械防御，这些防御将病原体从身体中移除，防止它们占据住所。我们已经讨论了几个机械防御的例子，包括皮肤细胞的脱落、通过黏液纤毛自动扶梯排出粘液，以及通过肠道蠕动排泄粪便。机械防御的其他重要例子包括尿液和眼泪的冲洗作用，它们都有助于将微生物带离身体。尿液的冲洗作用在很大程度上是尿道正常无菌环境的原因，尿道包括肾脏、输尿管和膀胱。排出体外的尿液会冲走短暂的微生物，防止它们占据住所。眼睛也有物理屏障和防止感染的机械机制。睫毛和眼睑阻止灰尘和空气中的微生物到达眼睛表面。任何通过这些物理屏障的微生物或碎片都可能被眨眼的机械作用冲走，眨眼会让眼睛沐浴在泪水中，冲走碎片（[链接]）。
机械防御
在身体的不同区域，常驻微生物群是抵御入侵病原体的重要第一线防御。通过占据细胞结合位点和争夺可用营养，常驻微生物群阻止了建立感染所需的病原体附着和增殖的关键早期步骤。例如，在阴道中，常驻微生物群的成员与酵母*念珠菌*等机会性病原体竞争。这种竞争通过限制营养的可用性来防止感染，从而抑制*念珠菌**的生长，*控制其种群。皮肤、上呼吸道和胃肠道上的微生物群和潜在病原体之间也存在类似的竞争。正如本章稍后将讨论的那样，常驻微生物群也有助于先天非特异性宿主防御的化学防御。
微生物组
物理防御
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皮肤产生的液体包括内源性和外源性介质的例子。真皮中的皮脂腺分泌一种叫做皮脂的油，通过毛囊释放到皮肤表面。这种皮脂是一种内源性介质，通过帮助密封毛囊的毛孔提供额外的防御层，防止皮肤表面的细菌侵入汗腺和周围组织（[链接]）。微生物群的某些成员，如细菌*痤疮丙酸杆菌*和真菌*马拉色菌*等，可以使用脂肪酶降解皮脂，将其用作食物来源。这会产生油酸，油酸会在皮肤表面产生温和的酸性环境，对许多病原微生物来说是不适宜的。油酸是外源性产生介质的一个例子，因为它是由常驻微生物产生的，而不是由身体细胞直接产生的。
体液中发现的化学和酶介质
抗菌肽（AMPs）是一类特殊的非特异性细胞衍生介质，具有广谱抗菌特性。一些AMPs由身体常规产生，而另一些AMPs主要是针对入侵病原体的存在而产生（或大量产生）。研究已经开始探索AMPs如何用于疾病的诊断和治疗。
抗菌肽
许多非特异性先天免疫因子存在于血浆中，血浆是血液的流体部分。血浆含有电解质、糖、脂质和蛋白质，每一种都有助于维持体内平衡（即稳定的体内功能），并含有参与血液凝固的蛋白质。血浆中发现的其他蛋白质，如急性期蛋白质、补体蛋白质和细胞因子，参与非特异性先天免疫反应。
血浆蛋白介体
本节讨论的许多化学介质以某种方式导致炎症和发烧，这是在《炎症和发烧》中更详细讨论的非特异性免疫反应。细胞因子刺激肝脏中急性期蛋白的产生，如C反应蛋白和甘露糖结合凝集素。这些急性期蛋白充当调理素，通过凝集素途径激活补体级联。
炎症诱发介质
化学防御
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血液的所有形成元素都来自骨髓中的多能造血干细胞。当造血干细胞在骨髓中复制自己时，单个细胞从身体接收到不同的线索来控制它们如何发育和成熟。结果，造血干细胞分化成不同类型的血细胞，一旦成熟，这些血细胞就在外周血中循环。这种分化过程，称为造血，在[链接]中有更详细的描述。
造血
在血液涂片中，不同类型的粒细胞可以通过细胞核的外观和颗粒的内容来区分，这些颗粒可以交换意见不同的性状、功能和染色特性。中性粒细胞，也称为多形核中性粒细胞（PMNs），有一个有三到五个裂片的细胞核和小而多的淡紫色颗粒。细胞核的每个叶都由一条细长的物质链连接到其他叶。嗜酸性粒细胞在细胞核中的裂片较少（通常为2-3个），较大的颗粒染色为红橙色。嗜碱性粒细胞有一个两裂的细胞核和染色为深蓝色或紫色的大颗粒（[链接]）。
粒细胞
顾名思义，粒细胞在细胞质中缺乏可见的颗粒。粒细胞可分为淋巴细胞或单核细胞（[link]）。淋巴细胞中有自然杀伤细胞，它们在非特异性先天免疫防御中发挥重要作用。淋巴细胞还包括B细胞和T细胞，它们将在下一章讨论，因为它们是特定适应性免疫防御的核心参与者。单核细胞分化为巨噬细胞和树突状细胞，它们统称为单核吞噬细胞系统。
粒细胞
细胞防御
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一些吞噬细胞是正常在血流中循环的白细胞（WBC）。为了到达位于受感染组织中的病原体，白细胞必须通过组织内的小毛细血管壁。这个过程，称为外渗，或称diapedesis，是由补体因子C5a以及驻留的巨噬细胞和组织细胞对感染性病原体的存在做出反应（[link]）释放到紧邻的细胞因子发起的。与C5a类似，许多这些细胞因子具有促炎和趋化作用，它们与小毛细血管的细胞结合，在血管壁内侧的内皮细胞中发起反应。这种反应涉及各种细胞粘附分子和受体的上调和表达。穿过的白细胞会轻微地粘在粘附分子上，减慢速度并沿着感染区域附近的血管壁滚动。当它们到达细胞连接处时，它们会与更多的粘附分子结合，在一个被称为跨内皮迁移的过程中变平并挤过细胞连接处。这种“滚动粘附”的机制允许白细胞离开血液并进入感染区域，在那里它们可以开始吞噬入侵的病原体。
白细胞外渗
如上一节所述，抗体对病原体的调理作用；补体因子C1q、C3b和C4b；以及凝集素可以协助吞噬细胞识别病原体并附着以启动吞噬作用。然而，并非所有病原体识别都是调理素依赖性的。吞噬细胞还可以识别许多病原微生物组共有的分子结构。这种结构被称为病原体相关分子模式（PAMPs）。常见的PAMPs包括以下几种：
病原体识别
一旦病原体识别和附着发生，病原体就会被吞噬在囊泡中，并在一个称为吞噬的过程中被带入吞噬细胞的内部隔间（[link]）。PRRs可以通过首先结合到病原体的表面来帮助吞噬，但吞噬细胞也能够吞噬附近的物品，即使它们没有结合到特定的受体上。为了吞噬病原体，吞噬细胞形成一个伪足，包裹在病原体周围，然后将其捏成一个称为吞噬体的膜囊泡。吞噬体的酸化（pH降低到4-5的范围）提供了重要的早期抗菌机制。包含病原体的吞噬体与一个或多个溶酶体融合，形成吞噬溶酶体。吞噬溶酶体的形成增强了酸化，这对于激活pH依赖的消化溶酶体酶以及产生过氧化氢和有毒活性氧至关重要。溶菌酶、磷脂酶和蛋白酶等溶酶体酶消化病原体。其他酶参与呼吸爆发。在呼吸爆发期间，吞噬细胞会增加对氧气的吸收和消耗，但不是为了产生能量。氧气消耗的增加集中在超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基的产生上，和其他抗菌的活性氧物种。
病原体降解
病原体识别与吞噬
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对组织损伤的早期（如果不是立即）反应是急性炎症。损伤后立即发生血管收缩，以尽量减少失血。血管收缩的量与血管损伤的量有关，但通常是短暂的。血管收缩之后是血管舒张和血管通透性增加，这是常驻肥大细胞释放组胺的直接结果。血流量和血管通透性增加可以稀释损伤或感染部位的毒素和细菌产物。它们还有助于与炎症反应相关的五个可观察到的体征：红斑（发红）、水肿（肿胀）、热、疼痛和功能改变。血管舒张和血管通透性增加也与损伤和/或感染部位吞噬细胞的涌入有关。这可以增强炎症反应，因为当吞噬细胞被受损细胞、PAMPs或病原体表面的调理素释放的细胞窘迫信号激活时，它们可能会释放促炎症化学物质。补体系统的激活可以通过过敏性毒素C5a的产生进一步增强炎症反应。[链接]说明了皮肤伤口部位急性炎症的典型病例。
急性炎症
当急性炎症无法清除传染性病原体时，可能会发生慢性炎症。这通常会导致宿主生物和病原体之间持续的（有时是徒劳的）低级别战斗。受伤区域可能会在表面愈合，但病原体可能仍然存在于更深的组织中，刺激持续的炎症。此外，慢性炎症可能参与退行性神经系统疾病的进展，如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症、心脏病和转移性癌症。
慢性炎症
发烧是一种炎症反应，它延伸到感染部位之外，影响整个身体，导致体温整体升高。体温通常由下丘脑调节和维持，下丘脑是大脑的一个解剖部分，其功能是维持体内稳态。然而，某些细菌或病毒感染会导致热原的产生，热原是有效改变下丘脑“恒温器设置”以提高体温并导致发烧的化学物质。热原可以是外源性的或内源性的。例如，革兰氏阴性细菌产生的内毒素脂多糖（LPS）是一种外源性热原，可能会诱导白细胞释放内源性热原，如白细胞介素-1（IL-1）、白细胞介素-6、干扰素-γ（IFN-γ）和肿瘤坏死因子（TNF）。在级联效应中，这些分子随后会导致前列腺素E2（PGE2）从其他细胞释放，重置下丘脑以引发发热（[链接]）。
发烧
炎症和发烧
先天非特异性宿主防御
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导言
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适应性免疫防御的激活是由称为抗原的病原体特异性分子结构触发的。抗原类似于病原体识别和吞噬中讨论的病原体相关分子模式（PAMPs）；然而，尽管PAMPs是在许多病原体上发现的分子结构，但抗原是特定病原体独有的。例如，刺激水痘适应性免疫的抗原是水痘-带状疱疹病毒独有的，但与其他病毒病原体相关的抗原有很大不同。
抗原
抗体（也称为免疫球蛋白）是存在于血液和组织液中的糖蛋白。抗体单体的基本结构由四个由二硫键连接在一起的蛋白质链组成（[link]）。二硫键是在两个半胱氨酸氨基酸上发现的氢基*R*基团之间的共价键。两条最大的链彼此相同，被称为重链。两条较小的链也彼此相同，被称为轻链。连接在一起，重链和轻链形成一个基本的Y形结构。
抗体
不同类别的抗体在机体对病原体的防御中起着重要作用。这些功能包括中和病原体、调节吞噬作用、凝集、补体激活和抗体依赖性细胞介导的细胞毒性。对于大多数这些功能，抗体还提供了适应性特异性免疫和先天非特异性免疫之间的重要联系。
抗原-抗体相互作用
特异性适应性免疫概述
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主要的组织相容性复合体（MHC）是在身体所有有核细胞表面发现的MHC分子编码基因的集合。在人类中，MHC基因也被称为人类血白球抗原（HLA）基因。缺乏细胞核的成熟红细胞是唯一不在表面表达MHC分子的细胞。
主要组织相容性复合物分子
体内所有有核细胞都有与MHC分子联合处理和呈递抗原的机制。这向免疫系统发出信号，指示细胞是否正常健康或感染了细胞内病原体。然而，只有巨噬细胞、树突状细胞和B细胞有能力特异性地呈递抗原以激活T细胞；因此，这些类型的细胞有时被称为抗原呈递细胞（APCs）。
抗原提呈细胞（APC）
主要组织相容性复合物和抗原提呈细胞
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T细胞和所有其他参与先天和适应性免疫的白细胞一样，是由骨髓中的多能造血干细胞（HSC）形成的（见[链接]）。然而，与先天免疫的白细胞不同，最终的T细胞首先分化成淋巴干细胞，然后变成小的、不成熟的淋巴细胞，有时称为淋巴细胞。分化的第一步发生在骨骼的红髓（[链接]），之后不成熟的T淋巴细胞进入血液，并前往胸腺进行成熟的最后一步（[链接]）。一旦进入胸腺，不成熟的T淋巴细胞被称为胸腺细胞。
T细胞的生产和成熟
T细胞可以分为三个不同的类别：辅助T细胞、调节T细胞和细胞毒性T细胞。这些类别是根据它们某些表面分子的表达、它们的激活方式以及它们在适应性免疫中的功能作用来区分的（[链接]）。
T细胞的分类
无论是辅助性T细胞还是细胞毒性T细胞，激活都是一个复杂的过程，需要多个分子的相互作用和暴露于细胞因子，激活过程中T细胞受体（TCR）参与了病原体表位识别的第一步。
T细胞受体
辅助T细胞只能通过呈现与MHC II相关的处理过的外源抗原表位的APC来激活。激活过程的第一步是对MHC II抗原结合裂隙中呈现的特定外源抗原表位的TCR识别。第二步涉及辅助T细胞上的CD4与与抗原结合裂隙分开的MHC II分子区域的相互作用。第二次相互作用锚定了MHC II-TCR复合物，并确保辅助T细胞识别APC的外源（“非自我”）抗原表位和“自我”抗原；这两种识别都是细胞激活所必需的。在第三步中，APC和T细胞分泌激活辅助T细胞的细胞因子。激活的辅助T细胞随后增殖，通过有丝分裂分裂产生克隆的天真辅助T细胞，这些细胞分化成具有不同功能的亚型（[link]）。
辅助性T细胞的激活和分化
细胞毒T细胞（也称为细胞毒T淋巴细胞，或CTLs）由APCs在类似于辅助T细胞的三步过程中激活。关键区别在于细胞毒T细胞的激活涉及识别以MHC I（相对于MHC II）呈现的抗原以及CD8（相对于CD4）与受体复合物的相互作用。在成功共识别外来抗原表位和自身抗原后，APC和细胞毒T细胞产生的细胞因子激活了克隆增殖和分化。激活的细胞毒T细胞可以分化为靶向病原体进行破坏的效应细胞毒T细胞或准备好对后续暴露做出反应的记忆细胞。
细胞毒T细胞的活化与分化
当T细胞激活受到控制和调节时，其结果是有效对抗感染的保护性反应。然而，如果T细胞激活不受调节和过度，结果可能会危及生命。某些细菌和病毒病原体会产生被称为超抗原的毒素（参见细菌和病毒病原体的毒力因子），可以触发这种不受调节的反应。已知的细菌超抗原包括中毒性休克综合征毒素（TSST）、葡萄球菌肠毒素、链球菌热原毒素、链球菌超抗原和链球菌有丝分裂外毒素。已知产生超抗原的病毒包括爱泼斯坦-巴尔病毒（人类疱疹病毒4）、巨细胞病毒（人类疱疹病毒5）等。
超抗原与T细胞的无调节激活
T淋巴细胞与细胞免疫
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像T细胞一样，B细胞由骨髓中的多能造血干细胞（HSC）形成，并通过淋巴干细胞和淋巴细胞（见[链接]）。然而，与T细胞不同，注定要成为B细胞的淋巴细胞不会离开骨髓并进入胸腺成熟。相反，最终的B细胞会在骨髓中继续成熟。
B细胞的生产和成熟
像T细胞一样，B细胞拥有具有多种特异性的抗原特异性受体。尽管它们依赖T细胞来实现最佳功能，但B细胞可以在没有T细胞帮助的情况下被激活。幼稚成熟B细胞的B细胞受体（BCR）是IgD和IgM的膜结合单体形式。它们有两条相同的重链和两条相同的轻链，通过二硫键连接成基本的“Y”形（[link]）。Y形分子的主干，两条重链的恒定区域，横跨B细胞膜。暴露在B细胞外部的两个抗原结合位点参与特定病原体抗原决定簇的结合，以启动激活过程。据估计，每个幼稚成熟B细胞的膜上有超过100,000个BCR，并且这些BCR中的每一个都具有相同的抗原决定簇结合特异性。
B细胞受体
B细胞的T细胞依赖性激活在与适应性免疫相关的初级和次级反应中都起着重要作用。随着第一次接触蛋白质抗原，发生T细胞依赖性初级抗体反应。初级反应的初始阶段是大约10天的滞后期或潜伏期，在此期间血清中无法检测到抗体。这个滞后期是初级反应的所有步骤所需的时间，包括抗原与BCR的天真成熟B细胞结合、抗原处理和提呈、辅助T细胞激活、B细胞激活和克隆增殖。滞后期的结束以血清中IgM水平的上升为特征，因为TH2细胞刺激B细胞分化为浆细胞。IgM水平在初次抗原暴露后约14天达到峰值；大约在同一时间，TH2刺激抗体类别转换，血清中的IgM水平开始下降。与此同时，IgG水平上升，直到在初次反应后约三周达到峰值（[链接]）。
主要和次要反应
B淋巴细胞与体液免疫
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所有形式的适应性免疫都可以描述为主动或被动。主动免疫是指激活个体自身的适应性免疫防御，而被动免疫是指从另一个个体或动物转移适应性免疫防御。主动和被动免疫可以根据保护是自然获得的还是人为获得的进一步细分。
适应性免疫的分类
几千年前，人们首次认识到，天花感染后幸存下来的个体对随后的感染具有免疫力。接种个体以积极保护他们免受天花感染的做法似乎起源于10世纪的中国，当时描述了变异的做法（[链接]）。变异是指用天花受害者的痂或脓疱中的传染性物质故意接种个体。传染性物质要么被注射到皮肤中，要么通过鼻腔途径引入。发展起来的感染通常比自然获得的天花温和，从较温和的感染中恢复提供了对更严重疾病的保护。
变异和疫苗接种
要让疫苗提供疾病防护，它必须让个体接触病原体特异性抗原，这将刺激保护性适应性免疫反应。就其本质而言，这会带来一些风险。与任何药物一样，疫苗都有可能造成不良影响。然而，理想的疫苗不会造成严重的不良影响，也不会带来感染其旨在预防的疾病的风险。考虑到这些目标，已经开发了各种类型的疫苗。这些不同类别的疫苗将在下一节中描述，并在[链接]中进行总结。
疫苗类别
疫苗
自适应特定主机防御
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导言
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当预敏个体接触过敏原时，它会导致几乎立即发生的快速免疫反应。这种反应被称为过敏，并被归类为I型超敏反应。过敏原可能是看似无害的物质，如动物皮屑、霉菌或花粉。过敏原也可能是天生被认为更危险的物质，如昆虫毒液或治疗药物。当个体对花生或贝类等食物变得敏感时，食物不耐受也会产生过敏反应（[链接]）。不管过敏原是什么，第一次接触都会激活初级IgE抗体反应，使个体在随后接触时对I型超敏反应敏感。
I型超敏反应
被归类为II型超敏反应或细胞毒性超敏反应的免疫反应是由IgG和IgM抗体与基底膜上的细胞表面抗原或基质相关抗原结合介导的。这些抗体可以激活补体，导致靶向细胞的炎症反应和裂解，也可以参与细胞毒性T细胞的抗体依赖性细胞介导的细胞毒性（ADCC）。
II型（细胞毒性）超敏反应
III型超敏反应是由尼古拉斯·莫里斯·阿尔萨斯（Nicolas Maurice Arth，1862-1945）于1903年首次描述的免疫复合物反应。为了产生用于实验程序的抗体，阿尔萨斯通过向兔子注射来自马的血清来免疫它们。然而，在用马血清反复免疫兔子时，阿尔萨斯注意到以前未报告的和意想不到的局部皮下出血，注射部位水肿。这种反应在注射后3到10小时内发生。这种对非自身血清蛋白的局部反应被称为阿尔萨斯反应。当可溶性抗原与IgG以一定比例结合时，就会发生阿尔萨斯反应，从而导致称为免疫复合物的抗原抗体聚集体的积累。
III型超敏反应
IV型超敏反应不像其他三种超敏反应那样由抗体介导。相反，IV型超敏反应受T细胞调节，涉及效应细胞的作用。这些类型的超敏反应可以根据T细胞亚型、抗原类型和由此产生的效应机制（[链接]）分为三个亚类。
IV型超敏反应
一些由过敏引起的疾病并不完全是由一种疾病引起的。例如，过敏性肺炎（HP）通常是一种职业病或环境疾病，当肺部因吸入灰尘、内生孢子、鸟类羽毛、鸟粪、霉菌或化学物质的过敏反应而发炎时，就会发生这种疾病。HP有许多不同的名称，与各种形式的接触有关（[链接]）。与鸟粪相关的HP有时被称为鸽子爱好者的肺或家禽工人的肺——这两种疾病在鸟类饲养者和饲养者中都很常见。奶酪处理者病、农民肺、桑拿浴者病和热水浴缸肺是HP的其他名称，与在各种环境中接触霉菌有关。
过敏性肺炎
I型超敏反应的诊断是一个复杂的过程，除了有据可查的患者病史外，还需要进行几项诊断测试。可以测量血清IgE水平，但单独升高的IgE不能确认过敏性疾病。作为识别负责I型反应过敏的抗原过程的一部分，可以通过针刺皮肤试验（PPST）或皮内试验进行测试。PPST是在患者背部或手臂上的一系列浅表皮肤刺中引入过敏原（[链接]）进行的。根据美国过敏联合委员会和欧洲过敏和免疫学学会的说法，PPST被认为是诊断过敏最方便、最便宜的方法。第二种类型的测试，即皮内试验，需要用小针注射到真皮中。这种针，也被称为结核杆菌素针，连接在含有少量过敏原的注射器上。PPST和皮内测试都要观察15-20分钟，以观察对过敏原的风疹反应。几分钟内测量任何风疹（凸起、发痒的肿块）和风疹（发红）表明I型超敏反应，风疹反应越大，患者对过敏原的敏感性就越大。
超敏症的诊断
过敏反应可以用多种方法治疗。预防过敏反应可以通过脱敏（hyposensiation）疗法来实现，该疗法可用于通过重复注射过敏原来减少过敏反应。以规定的时间间隔（例如，每周）向患者注射已知过敏原的极稀释浓度（由过敏原测试确定）。注射传递的过敏原数量在积累期内缓慢增加，直到确定有效剂量，并在治疗期间保持该剂量，治疗可能持续数年。通常鼓励患者在接受注射后在医生办公室停留30分钟，以防注射的过敏原引起严重的全身反应。实施脱敏治疗的医生办公室必须准备好在发生此类事件时提供复苏和药物治疗。
超敏反应的治疗
超敏反应
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一些自身免疫性疾病被认为是器官特异性的，这意味着免疫系统以特定器官或组织为目标。器官特异性自身免疫性疾病的例子包括乳糜泻、格雷夫斯病、桥本甲状腺炎、I型糖尿病和爱迪生病。
器官特异性自身免疫性疾病
尽管器官特异性自身免疫性疾病以特定器官或组织为目标，但系统性自身免疫性疾病更为普遍，以全身多个器官或组织为目标。系统性自身免疫性疾病的例子包括多发性硬化症、重症肌无力、银屑病、类风湿性关节炎和系统性红斑狼疮。
系统性自身免疫性疾病
自身免疫紊乱
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上述不同类型的移植物具有不同的排斥风险（[link]）。当受体的免疫系统将供体组织识别为外来（非自身）时，就会发生排斥反应，从而引发免疫反应。主要的组织相容性复合标志物MHC I和MHC II，更具体地鉴定为人类白球抗原（HLA），在移植排斥中发挥作用。从基因不同的个体或物种移植的组织中表达的HLA可能会被宿主的树突状细胞识别为非自身分子。如果发生这种情况，树突状细胞将处理外来HLA并将其呈现给宿主的辅助T细胞和细胞毒性T细胞，从而激活它们。然后，细胞毒性T细胞通过它们用来杀死病毒感染细胞的相同机制靶向并杀死移植细胞；辅助T细胞也可能释放激活巨噬细胞杀死移植细胞的细胞因子。
移植排斥
一种被称为移植物抗宿主病（GVHD）的排斥形式主要发生在骨髓移植和外周血干细胞的接受者身上。GHVD呈现出一种独特的情况，因为移植组织能够产生免疫细胞；捐赠骨髓中的APCs可能会识别宿主细胞是非自身的，从而导致供体细胞毒性T细胞的激活。一旦激活，供体的T细胞就会攻击受体细胞，导致急性GVHD。
移植物抗宿主病
从历史上看，组织移植的实践——以及伴随这种过程的并发症——是一个相对较新的发展。直到1954年，两个人之间的第一次成功器官移植才实现。然而，从那时起，器官移植领域发展迅速。
移植的未来
器官移植和排斥
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原发性免疫缺陷的数量超过250种，是由非特异性先天或特异性适应性免疫防御的遗传缺陷引起的。一般来说，出生时患有原发性免疫缺陷（PI）的患者通常对感染的易感性增加。对于一些人来说，这种易感性可以在出生后不久或幼儿时期变得明显，而其他患者则会在以后的生活中出现症状。一些原发性免疫缺陷是由于免疫系统的单一细胞或体液成分的缺陷；其他可能是由一种以上成分的缺陷引起的。原发性免疫缺陷的例子包括慢性肉芽肿病、X连锁丙种球蛋白血症、选择性IgA缺乏症和严重的联合免疫缺陷疾病。
原发性免疫缺陷
继发性免疫缺陷是由于获得性B细胞、T细胞或两者功能受损而发生的。继发性免疫缺陷可能由以下原因引起：
继发性免疫缺陷
免疫缺陷
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细胞介导的免疫反应可以针对癌细胞，其中许多癌细胞没有正常的自身蛋白质补体，使它们成为消除的目标。异常癌细胞也可能呈现肿瘤抗原。这些肿瘤抗原不是用于在发育过程中消除淋巴细胞的筛选过程的一部分；因此，即使它们是自我抗原，它们也可以刺激和驱动针对异常细胞的适应性免疫反应。
细胞介导的肿瘤反应
癌症疫苗有两种类型：预防和治疗。预防疫苗用于预防癌症的发生，而治疗疫苗用于治疗癌症患者。大多数预防性癌症疫苗针对已知会导致癌症的病毒感染。其中包括分别有助于预防宫颈癌和肝癌的人乳头瘤病毒和乙型肝炎疫苗。
癌症疫苗
癌症免疫生物学和免疫治疗
免疫系统疾病
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导言
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用于研究和诊断目的的抗体通常通过向实验动物（如兔子或山羊）注射特定抗原来获得。在几周内，动物的免疫系统将产生高水平的抗原特异性抗体。这些抗体可以在抗血清中收获，抗血清是在暴露于抗原后从动物身上收集的完整血清。因为大多数抗原是具有多个表位的复杂结构，它们导致在实验动物身上产生多种抗体。这种所谓的多克隆抗体反应也是人类免疫系统对感染的典型反应。因此，从动物身上提取的抗血清将包含来自多个B细胞克隆的抗体，每个B细胞对抗原上的特定表位做出反应（[链接]）。
生产多克隆抗体
多克隆抗血清被用于许多临床测试，这些测试旨在确定患者是否对特定病原体产生抗体反应。虽然这些测试肯定是强大的诊断工具，但它们也有其局限性，因为它们是确定特定病原体是否存在的间接手段。基于多克隆反应的测试有时会导致假阳性结果——换句话说，确认存在事实上不存在的抗原的测试。基于抗体的测试也可能导致假阴性结果，当测试未能检测到事实上存在的抗体时就会发生这种情况。
多克隆抗血清的临床应用
某些类型的检测需要比使用多克隆抗血清更好的抗体特异性和亲和力。为了获得这种高特异性，所有抗体必须以高亲和力结合到单个表位。这种高特异性可以由单克隆抗体（mAbs）提供。[链接]比较单克隆和多克隆抗体的一些重要特征。
生产单克隆抗体
由于生产单克隆抗体的最常见方法使用小鼠细胞，因此有必要为人类临床使用创造人源化单克隆抗体。小鼠抗体不能重复注射到人类体内，因为免疫系统会识别它们是外来的，并会以中和抗体对其做出反应。通过对小鼠B细胞中的抗体进行基因工程，可以将这一问题降至最低。小鼠轻链和重链基因的可变区域与人类恒定区域连接，然后将嵌合基因转移到宿主细胞中。这允许生产主要是“人类”的单克隆抗体，只有抗原结合位点是小鼠起源的。
单克隆抗体的临床应用
多克隆和单克隆抗体生产
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可见的抗原抗体复合物称为沉淀素，产生沉淀素的*体外*测定称为沉淀素反应。沉淀素反应通常涉及将可溶性抗原添加到含有抗体溶液的试管中。每个抗体有两个臂，每个臂都可以结合到一个表位上。当抗体结合到两个抗原时，两个抗原被抗体结合在一起。当抗体将越来越多的抗原结合在一起时，可以形成晶格，从而产生沉淀素（[link]）。大多数沉淀素测试使用多克隆抗血清而不是单克隆抗体，因为多克隆抗体可以结合多个表位，使晶格形成的可能性更大。尽管单克隆抗体可能会结合一些抗原，但结合的频率会降低，从而使形成可见沉淀素的可能性大大降低。
沉淀素反应
为了引起感染，病毒必须与宿主细胞上的受体结合。抗病毒抗体可以通过包覆病毒粒子来中和病毒感染，阻止结合（[链接]）。这种活性中和病毒粒子，并可能导致形成大的抗体-病毒复合物（很容易通过吞噬作用去除）或通过抗体与病毒结合并阻止其与宿主细胞受体的结合。这种中和活性是中和测定的基础，中和测定是用于诊断病毒感染的敏感测定。
中和试验
当患者血液中蛋白质水平升高或尿液中蛋白质丢失时，临床医生通常会要求进行聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）测定（参见可视化和表征DNA、RNA和蛋白质）。该测定比较各种血清蛋白质的相对丰度。可以使用免疫电泳（IEP）进一步研究异常蛋白质电泳模式。IEP从运行PAGE开始。针对选定血清蛋白质的抗血清被添加到平行于电泳轨道运行的槽中，形成类似于Ouchterlony测定中看到的沉淀素弧（[链接]）。这允许鉴定样品中异常免疫球蛋白。
免疫电泳
在进行蛋白质凝胶电泳后，可以使用抗体在凝胶中鉴定特异性蛋白质。这种技术被称为蛋白质印迹。在通过PAGE分离蛋白质之后，凝胶中的蛋白质抗原被转移到硝酸纤维素膜上并固定在硝酸纤维素膜上。然后可以将该膜暴露于产生的一抗，以特异性结合到感兴趣的蛋白质上。配备有分子信标的第二个抗体随后将与第一个抗体结合。这些二抗与另一个分子偶联，例如酶或荧光团（受光激发时发出荧光的分子）。当使用偶联到酶的抗体时，添加酶的显色底物。该底物通常是无色的，但会在抗体存在的情况下显色。荧光或底物着色识别抗体结合到的膜中特定蛋白质的位置（[link]）。
免疫印迹检测：免疫印迹
抗体的关键功能之一是激活（固定）补体。例如，当抗体与细菌结合时，某些补体蛋白识别结合的抗体并激活补体级联。作为回应，其他补体蛋白与细菌结合，其中一些作为调理素来提高吞噬效率，另一些在革兰氏阴性细菌细胞膜上产生孔，导致裂解。这种裂解活性可用于检测血清中是否存在针对特定抗原的抗体。
补体介导免疫分析
检测抗原抗体复合物
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使用凝集试验来识别链球菌是由丽贝卡·兰斯菲尔德和她的同事多切斯和奥斯瓦尔德·艾弗里在20世纪20年代开发的。[脚注]她使用抗体来识别M蛋白，这是链球菌的一种毒力因子，对于细菌引起链球菌咽喉的能力是必要的。针对M蛋白的抗体的产生对于对细菌产生保护性反应至关重要。

Lancefield， Rebecca C.，“*溶血性链球菌*的抗原复合物。I.*溶血性链球菌*提取物中类型特异性物质的演示，”*实验医学杂志*47，第1期（1928年）：91-103。
细菌和病毒的凝集
除了以前接触过的细菌和病毒抗体，大多数人还携带针对自己血型以外的其他血型的抗体。目前有33种免疫重要的血型系统，其中许多被限制在不同的种族群体中，或者很少产生抗体。最重要的，也许也是最著名的是ABO和Rh血型（见[链接]）。
血型和交叉匹配
凝集试验
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EIA的一个强大用途是免疫染色，其中抗体-酶缀合物增强显微镜。免疫组织化学（IHC）用于检查整个组织。如[link]所示，可以对组织的一部分进行染色以显示各种细胞类型。在这个例子中，使用抗CD8的单克隆抗体对扁桃体组织的一部分中的CD8细胞进行染色。现在可以计算CD8细胞的数量，确定它们与存在的其他细胞类型的相对数量，并确定这些细胞在该组织中的位置。这些数据将有助于研究艾滋病等疾病，其中CD8细胞的正常功能对于减缓疾病进展至关重要。
免疫染色
酶联免疫吸附测定法（ELISAs）是广泛使用的EIA。在直接ELISA中，抗原被固定在微量滴定板的孔中。在每个孔中加入对特定抗原具有特异性并与酶缀合的抗体。如果抗原存在，那么抗体将结合。洗涤以去除任何未结合的抗体后，加入无色底物（chromogen）。酶的存在将底物转化为有色最终产物（[link]）。虽然这种技术更快，因为它只需要使用一种抗体，但它的缺点是来自直接ELISA的信号较低（灵敏度较低）。
酶联免疫吸附试验（ELISA）
在某些情况下，可能需要检测或定量存在于溶液中浓度非常低的抗原或抗体。已经开发了免疫过滤技术来使这成为可能。在免疫过滤中，大量流体通过多孔膜进入吸收垫。附着在多孔膜上的抗原会在抗体通过时捕获抗体；或者，我们也可以将抗体附着在膜上以捕获抗原。
免疫过滤和免疫层析分析
环境影响评估和ELISA
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直接荧光抗体（DFA）测试使用荧光标记的mAb来结合和照亮目标抗原。DFA测试对于细菌疾病的快速诊断特别有用。例如，针对*化脓性链球菌*（A组链球菌）的荧光标记抗体可用于从咽拭子中获得链球菌咽喉的诊断。诊断在几分钟内就准备就绪，患者甚至可以在离开诊所之前开始使用抗生素。DFA技术也可用于诊断由痰样本中的*肺炎支原体*或*嗜肺军团菌*引起的肺炎（[链接]）。荧光抗体与显微镜载玻片上的细菌结合，允许使用荧光显微镜对细菌进行现成检测。因此，DFA技术对于可视化某些难以从患者样本中分离或培养的细菌很有价值。
直接荧光抗体技术
间接荧光抗体（IFA）测试（[链接]）用于寻找患者血清中的抗体。例如，用于诊断梅毒的IFA测试使用从实验室动物中分离出的*梅毒T.*细胞（细菌不能在实验室培养基上生长）和在载玻片上制备的涂片。将患者血清涂抹在涂片上，如果存在抗螺旋体抗体，则允许其结合。血清被洗掉，并添加二抗。二抗是一种与氟原结合的抗人类免疫球蛋白。在检查中，*梅毒T.细菌只有在被患者血清中的抗体结合时才会可见。
间接荧光抗体技术
荧光标记的抗体可用于使用流式细胞术（[link]）定量复杂混合物中的特定类型的细胞，流式细胞术是一种自动化的细胞计数系统，可以检测荧光细胞，因为荧光细胞一次通过一个狭窄的管子。例如，在艾滋病毒感染中，了解患者血液中CD4 T细胞的水平非常重要；如果数字低于每μL血液500，患者就更有可能获得机会性感染；低于每μL 200，患者就再也无法产生有用的适应性免疫反应。分析首先将混合细胞群体（例如，来自捐赠者的白细胞）与荧光标记的单抗（例如抗CD4）与特定于细胞分组人口的单抗一起孵育。一些实验通过在适当的单抗中添加不同的荧光原来同时观察两个细胞标记。然后将细胞通过狭窄的毛细管引入流式细胞仪，迫使细胞以单列形式通过。使用激光激活荧光原。荧光光向四面八方辐射，因此荧光检测器可以与入射激光成一定角度定位。
流式细胞仪
流式细胞仪和免疫荧光也可以被修改，以将单个样本中的细胞分类为纯化的细胞亚群，用于研究目的。流式细胞仪的这种修改被称为荧光激活细胞分选机（FACS）。在FACS中，细胞的荧光诱导设备将电荷放在含有该细胞的运输液体的液滴上。电荷特定于荧光灯的波长，这允许通过这些不同的电荷进行差异分选。分选由静电偏转器完成，该偏转器将含有细胞的带电液滴移动到一个或另一个收集容器中。该过程导致高度纯化的细胞亚群。
使用免疫荧光进行细胞分选
荧光抗体技术
免疫反应的实验室分析
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导言
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人类皮肤由几层和亚层组成。两个主要层是表皮和真皮。这些层覆盖第三层组织，称为皮下组织，由纤维和脂肪结缔组织组成（[链接]）。
皮肤层
皮肤是多种正常微生物群的家园，由从皮肤细胞和汗液和皮脂等分泌物中获取营养的共生生物组成。皮肤的正常微生物群倾向于通过产生抗菌物质和击败皮肤表面的其他微生物来抑制短暂的微生物定植。这有助于保护皮肤免受病原体感染。
皮肤的正常微生物群
虽然皮肤微生物群可以起到保护作用，但在某些情况下也会造成伤害。通常，居住在一个人皮肤微生物群中的机会性病原体可能会传播给另一个更容易感染的人。例如，耐甲氧西林*金黄色葡萄球菌*（MRSA）通常会驻留在医护人员和医院病人的鼻孔中；尽管对完整健康的皮肤无害，但MRSA如果引入身体其他部位会导致感染，就像手术期间或手术后切口或伤口可能发生的那样。这就是清洁手术部位如此重要的原因之一。
皮肤感染
虽然眼睛和皮肤有截然不同的解剖结构，但它们都与外部环境直接接触。眼睛的一个重要组成部分是鼻泪腺引流系统，它充当眼睛液体的管道，称为眼泪。眼泪通过泪腺装置从外眼流向鼻腔，泪腺由参与眼泪产生的结构组成（[链接]）。泪腺在眼睛上方，分泌眼泪以保持眼睛湿润。有两个小开口，一个在上眼睑的内边缘，一个在下眼睑的内边缘，靠近鼻子。这些开口中的每一个都被称为泪点。这些泪点一起从眼睛中收集眼泪，然后通过泪道输送到泪囊**，**也称为泪囊或泪囊。
眼睛的解剖和微生物群
结膜是眼睛感染的常见部位；像其他粘膜一样，它也是病原体的常见入口。结膜的炎症被称为结膜炎，尽管它通常被称为红眼病，因为眼睛里有粉红色的外观。角膜下方更深结构的感染不太常见（[链接]）。结膜炎以多种形式发生。它可能是急性的或慢性的。急性化脓性结膜炎与脓液形成有关，而急性出血性结膜炎与结膜出血有关。术语眼睑炎是指眼睑的炎症，而角膜炎是指角膜的炎症（[链接]）；角膜结膜炎是角膜和结膜的炎症，泪囊炎是泪囊的炎症，当鼻泪管堵塞时经常会发生。
眼睛感染
皮肤和眼睛的解剖学和正常微生物群
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*葡萄球菌*常见于皮肤，*表皮葡萄球菌*和*人葡萄球菌*常见于正常微生物群。*金黄色葡萄球菌*也常见于鼻腔和健康皮肤，但致病菌株通常是皮肤和其他身体系统广泛感染的原因。
皮肤葡萄球菌感染
*链球菌*是革兰氏阳性球菌，其微观形态类似于细菌链。菌落通常很小（直径1-2毫米），半透明，边缘完整，高度略高，在血琼脂上生长时可以是非溶血性、α溶血性或β溶血性（[链接]）。此外，它们是过氧化氢酶阴性的兼性厌氧菌。
皮肤链球菌感染
另一种重要的皮肤病原体是*铜绿假单胞菌*，一种革兰氏阴性、氧化酶阳性的需氧芽孢杆菌，常见于水和土壤以及人体皮肤。*铜绿假单胞菌*是伤口和烧伤机会性感染的常见原因。它还会导致热水浴缸皮疹，这是一种以毛囊炎为特征的疾病，经常困扰游泳池和热水浴缸的使用者（回想微生物生物化学中的临床焦点案例）。*铜绿假单胞菌*也是外耳炎（游泳者耳朵）的原因，外耳炎是一种耳道感染，会导致瘙痒、发红和不适，并会发展为发烧、疼痛和肿胀（[链接]）。
*假单胞菌*皮肤感染
最普遍的皮肤状况之一是痤疮。痤疮折磨着近80%的青少年和年轻人，但它可以在所有年龄段的个体中发现。青少年发病率较高是由于荷尔蒙变化会导致皮脂过度分泌。
痤疮
人畜共患病炭疽病是由*芽孢杆菌**炭疽病*引起的，炭疽病是一种革兰氏阳性、形成内孢子的兼性厌氧菌。炭疽病主要影响绵羊、山羊、牛和鹿等动物，但也可以在人类身上发现。有时被称为羊毛分类病，它通常通过接触受感染的动物或动物产品（如羊毛或皮革）传播给人类。然而，接触*B.**炭疽病*也可能通过其他方式发生，因为内孢子广泛存在于土壤中，可以存活很长时间，有时可以存活数百年。
炭疽热
与皮肤一样，眼睛的表面与外界接触，在某种程度上容易受到环境中细菌的感染。细菌性结膜炎（红眼病）是一种以结膜发炎为特征的疾病，通常伴有粘稠液体的排出（描述为急性化脓性结膜炎）（[链接]）。结膜炎可以影响一只眼睛或两只眼睛，通常不会永久影响视力。细菌性结膜炎最常见的原因是*嗜血杆菌**流感*，但也可以由其他物种如*卡他莫拉菌*、*肺炎链球菌、*和*金黄色葡萄球菌*引起。病原体可以通过细菌培养物、革兰氏染色和分离病原体的诊断生化、抗原或核酸图谱测试来识别。细菌性结膜炎的传染性很强，通过受感染个体的分泌物传播，但也具有自我限制性。细菌性结膜炎通常会在几天内痊愈，但有时会开外用抗生素。因为这种情况极具传染性，所以每当怀疑是结膜炎时，建议就医。使用隐形眼镜的个人在怀疑是结膜炎时应该停止使用。某些症状，如视力模糊、眼睛疼痛和光敏感，可能与严重的情况有关，需要就医。
细菌性结膜炎
沙眼或颗粒性结膜炎是可预防失明的常见原因，这种疾病在美国很少见，但在发展中国家却很普遍，特别是在非洲和亚洲。这种疾病是由导致婴儿新生儿包涵体结膜炎的同一物种引起的，*沙眼衣原体*。*沙眼衣原体*可以很容易地通过感染物传播，如被污染的毛巾、床单和衣服，也可以通过与感染者的直接接触传播。*沙眼衣原体*也可以通过苍蝇传播，苍蝇会将含有沙眼衣原体*的受感染粘液从一个人转移到另一个人。
沙眼
角膜炎可能有多种原因，但细菌性角膜炎最常见的原因是*表皮葡萄球菌*和/或*铜绿假单胞菌*。隐形眼镜使用者尤其容易受到这种感染，因为*表皮葡萄球菌*和*铜绿假单胞菌*都能很好地附着在镜片表面。通过适当护理隐形眼镜和避免佩戴镜片过夜，可以大大降低感染风险。因为感染会很快导致失明，所以使用抗生素进行及时和积极的治疗很重要。可以使用细菌培养物、革兰氏染色和分离病原体的诊断生化、抗原或核酸图谱测试来识别病原体。
细菌性角膜炎
在治疗皮肤和眼睛的细菌感染时，重要的是要考虑到很少有此类感染可以归因于单一病原体。虽然生物膜可能会在身体的其他部位形成，但它们与皮肤感染（例如由*金黄色葡萄球菌*或*铜绿假单胞菌*引起的感染）特别相关，因为它们在慢性皮肤伤口中普遍存在。当细菌（有时是真菌）附着在表面并产生细胞外聚合物（EPS）时，生物膜就会形成，其中可能嵌入多种生物体的细胞。当伤口上形成生物膜时，它可能会干扰自然愈合过程以及诊断和治疗。
皮肤和眼睛的生物膜和感染
皮肤和眼睛的细菌感染
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乳头状瘤（疣）是人类乳头状瘤病毒（HPV）常见皮肤感染的表现，并通过直接接触传播。HPV有许多类型，它们导致各种不同的表现，如常见疣、足底疣、扁平疣和丝状疣。HPV也会导致性传播的生殖器疣，这将在泌尿生殖系统感染中讨论。对某些HPV菌株可以接种疫苗。
乳头状瘤
另一种常见的皮肤病毒是单纯疱疹病毒（HSV）。HSV在历史上被分为两种类型，HSV-1和HSV-2。HSV-1通常通过个体之间的直接口腔接触传播，通常与口腔疱疹有关。HSV-2通常通过性传播，通常与生殖器疱疹有关。然而，HSV-1和HSV-2都能够感染任何粘膜，生殖器HSV-1和口腔HSV-2感染的发病率近年来一直在增加。在本章中，我们将讨论限制在HSV-1引起的感染上；HSV-2和生殖器疱疹将在泌尿生殖系统感染中讨论。
口腔疱疹
红斑病和第五种病毒性疾病在表现形式上有些相似，但它们是由不同的病毒引起的。红斑病，有时称为roseola infantum或exanem subitum（“突发性皮疹”），是一种轻度病毒感染，通常由人类疱疹病毒-6（HHV-6）引起，偶尔由HHV-7引起。它通过直接接触受感染个体的唾液或呼吸道分泌物传播，通常通过飞沫气溶胶传播。红斑病在儿童中非常常见，症状包括流鼻涕、喉咙痛和咳嗽，以及（或随后）高烧（39.4℃）。发烧消退后大约三到五天，胸部和腹部可能开始出现皮疹。皮疹不会引起不适，最初会形成扁平的特征性黄斑或坚硬且轻微隆起的丘疹；一些黄斑或丘疹可能被白色环包围。皮疹最终可能会扩散到颈部和手臂，有时还会继续扩散到面部和腿部。诊断通常是根据对症状的观察做出的。然而，可以进行血清学测试来确认诊断。虽然可能会建议治疗来控制发烧，但疾病通常会在发烧后一周内不经治疗而消失。对于具有特殊风险的个人，例如免疫功能低下的人，可以使用抗病毒药物更昔洛韦。
Roseola和第五种疾病
像细菌性结膜炎一样，眼睛的病毒感染会导致结膜发炎和眼睛分泌物。然而，病毒性结膜炎往往会产生比细菌性结膜炎相关的浓稠分泌物更水的分泌物。这种感染具有传染性，很容易通过接触眼分泌物从一只眼睛传播到另一只眼睛或其他个体。
病毒性结膜炎
皮肤和眼睛的病毒感染
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皮肤真菌病是由皮肤真菌引起的，皮肤真菌需要角蛋白来生长，角蛋白是一种存在于皮肤、头发和指甲中的蛋白质。皮肤真菌有三个属，它们都能引起皮肤真菌病：*毛癣菌*、*表皮真菌菌*和*小孢子菌*。身体大多数部位的皮肤真菌病通常被称为癣，但特定部位的皮肤真菌病可能有独特的名称和症状（见[链接]和[链接]）。请记住，这些名称——尽管它们是拉丁语——指的是身体上的位置，而不是病原体。皮肤真菌病可能是由身体大部分区域的不同皮肤真菌引起的。
蒂尼亚斯
皮肤真菌病的另一个原因是*曲霉菌*，这是一个由许多不同物种的霉菌组成的属，其中一些会导致一种叫做曲霉菌病的疾病。原发性皮肤曲霉菌病，即感染始于皮肤，很少见，但确实会发生。更常见的是继发性皮肤曲霉菌病，即感染始于呼吸系统并系统性传播。原发性和继发性皮肤曲霉菌病都会导致在感染部位或感染部位形成独特的焦痂（[链接]）。肺曲霉菌病将在呼吸真菌中进行更彻底的讨论）。
皮肤曲霉菌病
*白色念珠菌*和*念珠菌*属中的其他酵母会导致皮肤感染，称为皮肤念珠菌病。*念珠菌*spp.有时负责擦烂，这是皮肤褶皱中出现的皮疹或皮肤上其他局部皮疹的总称。*念珠菌*也会感染指甲，导致指甲变黄变硬（[链接]）。
皮肤和指甲的念珠菌病
皮肤真菌病是表浅的，皮下真菌病可以从皮肤传播到更深的组织。在温带地区，最常见的皮下真菌病是一种叫做孢子丝菌病的疾病，由真菌*孢子丝菌**schenkii*引起，通常被称为玫瑰园丁病或玫瑰刺病（回忆案例：每朵玫瑰都有刺）。孢子丝菌病通常在与土壤、植物或木材接触后感染，因为真菌可以通过刺刺或碎片等小伤口进入。孢子丝菌病通常可以通过在园艺时戴手套和防护服以及及时清洁和消毒户外活动中的任何伤口来避免。
孢子丝菌病
皮肤真菌病
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*棘阿米巴*是一种自由生活的原生动物变形虫属，常见于土壤和淡水的未氯化体中。（这是一些游泳池用氯处理的原因之一。）该属包含少数寄生物种，其中一些会导致眼睛、皮肤和神经系统感染。这种感染有时会传播并影响其他身体系统。皮肤感染可能表现为脓肿、溃疡和结节。当棘阿米巴感染眼睛*时，*导致角膜发炎，这种情况称为*棘阿米巴*角膜炎。[链接]说明了*棘阿米巴*的生命周期和各种感染模式。
*棘阿米巴*感染
蠕虫*Loa loa*，也被称为非洲眼虫，是一种线虫，会导致卤虫病，这是西非和中非特有的疾病（[链接]）。这种疾病不会发生在该地区以外，除非由旅行者携带。有证据表明，个体遗传差异会影响被*Loa loa*蠕虫感染后发生卤虫病的易感性。即使在*Loa loa*蠕虫常见的地区，这种疾病通常也只在不到30%的人口中发现。[脚注]有人认为，在该地区呆一段时间的旅行者可能比本地人口更容易出现症状，感染的表现可能不同。[脚注]

加西亚，A…等人。“人类洛伊虫病宿主易感性微丝菌血症的遗传流行病学。”*热带医学与国际卫生*4（1999）8:565-74。http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10499080。2016年9月14日访问。Spinello，A.，等人。“进口*Loa loa*丝虫病：三例和过去25年非流行国家报告的病例回顾。”*国际传染病杂志*16（2012）9：e649-e662。DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.ijid.2012.05.1023。
卤虫病
皮肤和眼睛的原生动物和蠕虫感染
皮肤和眼睛感染
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导言
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呼吸系统在概念上可以分为会厌点的上部和下部区域，会厌是在吞咽过程中将下呼吸道系统与咽部隔离开的结构（[link]）。上呼吸道系统与外部环境直接接触。鼻孔（或鼻孔）是鼻子的外部开口，它通向鼻腔，鼻孔后面的一个大的充满空气的空间。这些解剖部位分别构成呼吸道的主要开口和第一部分。鼻腔内衬有毛发，这些毛发捕获大颗粒，如灰尘和花粉，并阻止它们进入更深的组织。鼻腔也内衬有粘膜和鲍曼腺体，它们产生粘液，帮助捕获颗粒和微生物以进行清除。鼻腔与其他几个充满空气的空间相连。鼻窦是颅骨中一组四个成对的小腔，通过一系列小开口与鼻腔连通。鼻咽部是从后鼻腔延伸出来的上喉咙的一部分。鼻咽部携带通过鼻子吸入的空气。中耳通过咽鼓管与鼻咽部相连。中耳通过鼓膜或耳鼓与外耳分开。最后，泪腺通过鼻泪管（泪管）引流到鼻腔。这些部位之间的开放连接允许微生物从鼻腔移动到鼻窦、中耳（和背部），并从鼻咽部向下进入下呼吸道。
上呼吸道系统的解剖
下呼吸道系统开始于喉部会厌以下或喉部（[link]）。气管或气管是从喉部延伸出来的软骨管，为空气到达肺部提供了一条畅通无阻的路径。气管到达肺部时分为左右支气管。这些路径反复分支形成更小更广泛的管网，即细支气管。在这个树状网络中形成的末端细支气管在称为肺泡的死胡同中结束。这些结构被毛细血管网络包围，是呼吸系统中气体交换的场所。人类肺部包含大约400,000,000个肺泡。肺部的外表面由双层胸膜保护。这种结构保护肺部，并提供润滑，使肺部在呼吸过程中容易移动。
下呼吸系统的解剖
呼吸系统的内层由粘膜（[link]）组成，并受到多重免疫防御的保护。呼吸上皮内的杯状细胞分泌一层粘稠的粘液。这种分泌物的粘度和酸性抑制了微生物对底层细胞的附着。此外，呼吸道含有纤毛上皮细胞。跳动的纤毛将粘液和任何被困的微生物驱逐并推动向上到达会厌，在那里它们将被吞食。以这种方式消除微生物被称为粘液纤毛自动扶梯效应，是防止吸入微生物进一步迁移到下呼吸道的重要机制。
呼吸系统的防御
上呼吸道包含丰富多样的微生物群。鼻腔和鼻窦主要由厚壁菌属、放线菌属和变形菌属的成员定植。最常见的细菌包括*表皮葡萄球菌*、草绿色群链球菌（VGS）、*棒状杆菌*spp.（白喉）、*丙酸杆菌*spp.和*嗜血杆菌*spp.。口咽部包括许多与鼻子和鼻窦相同的分离物，增加了可变数量的细菌，如*普雷沃特氏菌*、*梭杆菌*、*莫拉氏菌*和*艾肯氏菌*，以及一些*念珠菌*真菌分离物。此外，许多健康的人无症状地在上呼吸道携带潜在的病原体。多达20%的人口鼻孔携带*金黄色葡萄球菌*。[脚注]咽部也可以定植

《*金黄色葡萄球菌*的鼻腔运输：流行病学、潜在机制和相关风险》*《临床微生物学评论》*10第3期（1997）：505-520。
呼吸系统的正常微生物群
呼吸系统的微生物疾病通常会导致急性炎症反应。这些感染可以按受影响的位置进行分组，名称以“itis”结尾，字面意思是**的炎症。例如，鼻炎是鼻腔的炎症，通常是普通感冒的特征。鼻炎也可能与花粉热过敏或其他刺激物有关。鼻窦的炎症称为鼻窦炎耳朵的炎症称为中耳炎。中耳炎是中耳的炎症。多种微生物会导致咽炎，通常称为喉咙痛。喉部的炎症称为喉炎。由此产生的炎症可能会干扰声带功能，导致声音丧失。当扁桃体发炎时，称为扁桃体炎。慢性扁桃体炎可以通过扁桃体切除手术治疗。更罕见的是会厌炎可能会被感染，这种情况称为会厌炎。在下呼吸道系统，支气管的炎症会导致支气管炎。最严重的是肺炎，肺部的肺泡被感染并发炎。脓液和水肿积聚并使肺泡充满液体（称为固结）。这降低了肺部交换气体的能力，通常会导致有效的咳嗽，排出痰和粘液。肺炎的病例从轻微到危及生命不等，并且仍然是非常年轻和非常年老的人死亡的重要原因。
呼吸道感染的体征和症状
呼吸道的解剖和正常微生物群
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链球菌咽炎（链球菌咽喉）是一种常见的上呼吸道感染，由*化脓链球菌*引起。这种革兰氏阳性细菌表现为球菌链，如[链接]所示。丽贝卡·兰斯菲尔德在20世纪30年代使用来自细菌细胞壁的碳水化合物抗原对链球菌进行了血清学分类。*化脓链球菌*是兰斯菲尔德A组链球菌的唯一成员，通常被称为GAS或A组链球菌。
链球菌感染
中耳感染被称为急性中耳炎（AOM），但通常简称为耳痛。这种情况在3个月至3岁之间最常见。在美国，AOM是5岁以下儿童就医的第二大原因，也是抗生素处方的主要适应症。[脚注]

G. Worrall。“急性中耳炎”*加拿大家庭医生*53 no.12（2007）：2147-2148。
急性中耳炎
白喉的病原体*白喉棒状杆菌*是一种棒状、革兰氏阳性的杆状物，属于放线菌门。白喉是正常鼻咽微生物群的常见成员。然而，由于存在一种温带噬菌体编码的蛋白质——白喉毒素，白喉*的一些菌株会致病。白喉通常是口咽部的呼吸道感染，但也会导致皮肤上的脓疱样病变。尽管这种疾病会影响所有年龄段的人，但它往往在5岁以下或40岁以上的人中最为严重。像链球菌性咽喉炎一样，白喉通常通过咳嗽产生的飞沫和气溶胶传播。在喉咙定植后，细菌会留在口腔中并开始产生白喉毒素。这种蛋白质是一种A-B毒素，通过灭活伸长因子（EF）-2（参见细菌和病毒病原体的毒力因子）阻止宿主细胞蛋白质合成。毒素的作用导致宿主细胞死亡和炎症反应。由死亡的宿主细胞、脓液、红细胞、纤维蛋白和传染性细菌组成的灰色渗出物的积累导致假膜的形成。假膜可以覆盖鼻腔、扁桃体、咽和喉的粘膜（[链接]）。这是白喉的典型症状。随着疾病的进展，假膜会扩大以堵塞咽部或气管的水龙头，并可能导致窒息和死亡。有时，晚期感染需要插管，即在气管中放置呼吸管。如果白喉毒素扩散到全身，它也会损害其他组织。这可能包括心肌炎（心脏损伤）和可能损害呼吸的神经损伤。
白喉
肺炎是导致肺部炎症和肺泡中液体和白细胞积累的肺部感染的总称。肺炎可能由细菌、病毒、真菌和其他生物引起，尽管绝大多数肺炎是细菌起源的。细菌性肺炎是一种普遍的、潜在的严重感染；它在2014年在美国造成了50,000多人死亡。[脚注]随着肺泡充满液体和白细胞（巩固），空气交换受损，患者会感到呼吸窘迫（[链接]）。此外，肺炎会导致胸膜炎，这是肺部周围胸膜的感染，会使呼吸非常痛苦。尽管在适当的情况下许多不同的细菌会导致肺炎，但三种细菌会导致大多数临床病例：*肺炎链球菌*、*H*.*流感*和*肺炎支原体*。除此之外，我们还将研究一些不太常见的肺炎原因。

KD Kochanek等人。“死亡： 2014年的最终数据。”*国家生命统计报告*65第4期（2016年）。
细菌性肺炎
结核病（TB）是人类历史上最致命的传染病之一，尽管美国结核病感染率极低，但疾控中心估计，全球约有三分之一的人口感染了结核病的病原体*结核分枝杆菌*，2014年全球新增结核病病例960万，死亡人数150万。[脚注]

疾病控制和预防中心。“结核病。数据和统计。”http://www.cdc.gov/tb/statistics/default.htm
肺结核
百日咳的病原体通常被称为百日咳，是一种革兰氏阴性球菌*博德氏菌*。这种疾病的特点是肺部粘液堆积，导致长时间的剧烈咳嗽。有时，一阵咳嗽后，当空气通过发炎和受限的气道吸入时，会发出类似“呼”的声音——因此得名百日咳。尽管成年人可能被感染，但这种疾病的症状在婴儿和儿童中最为明显。百日咳通过飞沫传播具有高度传染性，因此产生的无法控制的咳嗽是在易感人群中传播这种疾病的有效手段。
百日咳
一种被称为军团病（也称为军团病）的非典型肺炎是由有氧革兰氏阴性杆菌*嗜肺军团菌*引起的。这种细菌感染生活在潮湿环境中的自由变形虫，感染通常发生在人造水库，如空调冷却塔、加湿器、喷雾系统和喷泉。这些水库中的气溶胶会导致易感个体感染，特别是那些患有慢性心脏病或肺病或其他削弱免疫系统的疾病的人。
军团病
人畜共患病Q热是由立克次体（*Coxiella burnetii*）引起的。这种细菌的主要宿主是家畜，如牛、绵羊和山羊。这种细菌可能通过蜱或通过接触受感染动物的尿液、粪便、牛奶或羊水传播。在人类中，主要感染途径是通过吸入受污染的农场气溶胶。因此，它在很大程度上是农民的职业病。人类对*C. burnetii*非常敏感——感染剂量估计只有几个细胞。[脚注]此外，这种生物耐寒，可以在干燥的环境中存活很长时间。与急性Q热相关的症状包括高烧、头痛、咳嗽、肺炎和全身不适。在少数患者（不到5%[脚注]）中，病情可能会变成慢性的，经常导致心内膜炎，这可能是致命的。

WD蒂格特等人。“空气Q热。”*细菌学评论*25第3期（1961年）： 285-293。疾病控制和预防中心。“Q热。症状、诊断和治疗。”2013年。http://www.cdc.gov/qfever/symptoms/index.html。2016年7月6日访问。
Q热
呼吸道细菌感染
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普通感冒是鼻腔各种轻度病毒感染的总称。已知有200多种不同的病毒导致普通感冒。最常见的感冒病毒包括鼻病毒、冠状病毒和腺病毒。这些感染在人群中广泛传播，并通过直接接触和飞沫传播。咳嗽和打喷嚏有效地产生传染性气溶胶，已知鼻病毒在环境表面持续长达一周。[脚注]

AG L'Huillier等人。“鼻病毒在人手指上的存活”*临床微生物学和感染*21，第4期（2015年）： 381-385。
普通感冒
流感通常被称为流感，是一种常见的病毒性疾病，由正粘病毒引起，主要影响上呼吸道，但也可以延伸到下呼吸道。流感在全球范围内普遍存在，每年在美国造成3000至50000人死亡。每年的死亡率可能因导致季节性流行病的菌株的毒力而有很大差异。[脚注]

疾病控制和预防中心。“估计美国季节性流感相关死亡：疾病预防控制中心的研究证实了流感的变异性。”2016年。http://www.cdc.gov/flu/about/disease/us_flu-related_deaths.htm。2016年7月6日访问。
流行性感冒
病毒引起的肺炎病例少于细菌；然而，几种病毒会导致儿童和老年人的肺炎。病毒性肺炎最常见的来源是腺病毒、流感病毒、副流感病毒和呼吸道合胞病毒。这些病毒产生的体征和症状可以从轻微的感冒样症状到严重的肺炎病例，这取决于病毒株的毒性和受感染个体宿主防御的强度。偶尔，感染会导致中耳炎。
病毒性肺炎
严重急性呼吸系统综合症（SARS）和中东呼吸系统综合症（MERS）是由冠状病毒引起的两种急性呼吸道感染。在这两种情况下，这些都被认为是人畜共患传染病。蝙蝠和麝香猫被认为是SARS的宿主；骆驼似乎是MERS的宿主。
非典和中东呼吸综合征
麻疹、风疹（德国麻疹）和水痘是三种重要的病毒性疾病，通常与皮疹有关。然而，它们的症状是全身性的，因为它们的入口是呼吸道，所以它们可以被认为是呼吸道感染。
导致皮疹的病毒性呼吸系统疾病
呼吸道病毒感染
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组织胞浆菌病是一种呼吸系统的真菌疾病，最常见于美国密西西比河谷以及中美洲和南美洲、非洲、亚洲和澳大利亚的部分地区。病原体*胶囊组织胞浆菌*是一种二形真菌。这种微生物在环境中以丝状霉菌的形式生长，但在人类感染期间以萌芽酵母的形式出现。这种病原体的主要宿主是土壤，特别是在富含蝙蝠或鸟类粪便的地方。
组织胞浆菌病
二形真菌*球孢子菌感染*会导致球孢子菌病。由于这种微生物是加利福尼亚州圣华金河谷特有的，这种疾病有时被称为山谷热。在美国西南部、墨西哥以及中美洲和南美洲的半干旱和干旱地区发现了一种导致类似感染的相关物种。[脚注]

霍斯彭塔尔博士。“球孢子菌病”。《医学景观》。2015年。http://emedicine.medscape.com/article/215978-overview。2016年7月7日访问。
球孢子菌病
芽生菌病是一种罕见的疾病，由另一种二形真菌*皮炎芽生菌*引起。像*组织原体*和*球孢子*一样，*芽生菌*以土壤为水库，真菌孢子可以从扰动的土壤中吸入。芽生菌病的肺部形式通常会导致轻微的流感样症状，并且具有自我限制性。然而，它可能会在免疫功能低下的人群中传播，导致慢性皮肤病，面部和手部出现皮下病变（[链接]）。这些皮肤病变最终会变得硬皮和变色，并导致变形疤痕。系统性芽生菌病很少见，但如果不治疗，它总是致命的。
芽生菌病
毛霉菌目中的多种真菌会导致毛霉菌病，这是一种罕见的真菌疾病。其中包括面包霉菌，如*根霉*和*毛霉*；最常见的相关物种是*根霉（米）*（见[链接]）。这些真菌可以在免疫受损患者的许多不同组织中定居，但经常感染皮肤、鼻窦或肺部。
毛霉病
*曲霉菌*是一种常见的丝状真菌，存在于土壤和有机碎片中。几乎每个人都接触过这种霉菌，但很少有人生病。然而，在免疫功能低下的患者中，*曲霉菌*可能会形成并导致曲霉菌病。吸入孢子会导致哮喘样过敏反应。症状通常包括呼吸急促、喘息、咳嗽、流鼻涕和头痛。当菌丝菌落聚集在肺部时，会形成真菌球或曲霉菌瘤（[链接]）。真菌菌丝会侵入宿主组织，导致肺部出血和血性咳嗽。在严重的情况下，疾病可能会发展为播散形式，通常是致命的。死亡通常是由肺炎或脑出血引起的。
曲霉病
一种称为*肺孢子虫*肺炎（PCP）的肺炎是由*Pneumocystis jirovecii*引起的。这种生物曾经被认为是一种原生动物，以前被命名为*P. carinii*，但它已被重新归类为真菌，并根据生化和遗传分析重新命名。*肺孢子虫*是获得性免疫缺陷综合征（AIDS）患者肺炎的主要原因，可以在其他受损患者和早产儿身上看到。呼吸道感染会导致发烧、咳嗽和呼吸急促。这些感染的诊断可能很困难。该生物体通常通过对肺部组织和液体样本的显微镜检查来识别（[链接]）。基于测试的测试可用于检测无症状艾滋病患者的*P.jirovecii*。这些感染的最佳治疗方法是联合药物甲氧苄啶-磺胺甲恶唑（TMP/SMZ）。这些磺胺类药物通常有副作用，但利大于弊。如果不治疗，五氯苯酚感染通常是致命的。
*肺孢子虫*肺炎
被包裹的酵母*新生隐球菌*感染会导致隐球菌病。这种真菌在土壤中无处不在，可以从鸟类粪便中分离出来。免疫功能低下的人通过吸入气溶胶中发现的担子孢子而感染。围绕这些微生物的厚多糖胶囊使他们能够避免被肺泡巨噬细胞清除。感染的初始症状包括发烧、疲劳和干咳。在免疫功能低下的患者中，肺部感染经常传播到大脑。由此产生的脑膜炎会导致头痛、对光敏感和混乱。如果不治疗，这种感染通常是致命的。
*隐球菌病*
呼吸道真菌病
呼吸系统感染
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导言
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泌尿道的基本结构在男性和女性中很常见。然而，这些结构在女性和男性中有独特的位置，男性的泌尿和生殖器结构之间有大量的重叠。[链接]说明了女性和男性共有的泌尿解剖学。
泌尿道解剖学
男性生殖系统（[link]）位于泌尿系统附近，尿道是这两个系统的一部分。睾丸负责精子的产生。附睾是一个盘绕的管子，从睾丸中收集精子并将其传递到输精管。附睾也是精子离开睾丸后成熟的部位。精囊和前列腺是产生支持精子的液体的副腺体。射精时，输精管将这种液体和精子的混合物，称为精液，释放到尿道，尿道延伸到阴茎末端。
生殖系统解剖
不同身体部位的正常微生物群对传染病提供了重要的非特异性防御（见物理防御），泌尿生殖道也不例外。然而，肾脏是无菌的。尽管尿液确实含有一些抗菌成分，但细菌会在室温下遗漏的尿液中生长。因此，主要是冲洗作用使输尿管和膀胱远离微生物。
泌尿生殖系统的正常微生物群
尿路感染最常引起膀胱（膀胱炎）或尿道（尿道炎）的炎症。尿道炎可能与膀胱炎有关，但也可能由性传播感染引起。男性尿道炎的症状包括排尿时有灼热感、阴茎排出物、精液或尿液中有血。女性尿道炎与疼痛和频繁排尿、阴道分泌物、发烧、发冷和腹痛有关。膀胱炎的症状与尿道炎相似。当尿道炎是由性传播病原体引起时，可能会出现涉及生殖器的其他症状。这些症状可能包括疼痛的水泡（水泡）、疣和溃疡。输尿管炎是一种罕见的输尿管感染，也可能发生在膀胱炎中。这些感染可以是急性或慢性的。
泌尿生殖系统感染的一般体征和症状
激素的变化，特别是由于怀孕或更年期导致的雌激素的变化，会增加泌尿生殖道感染的易感性。如前所述，雌激素在调节*乳酸菌*物种糖原的可用性和随后产生乳酸方面发挥着重要作用。低水平的雌激素与阴道pH值升高和细菌性阴道病和酵母感染风险增加有关。雌激素还在维持阴道壁的弹性、强度和厚度方面发挥作用，并保持阴道壁润滑，减少干燥。低水平的雌激素与阴道壁变薄有关。这种变薄增加了撕裂和擦伤的风险，损害了保护屏障，增加了对病原体的易感性。
泌尿生殖道感染的一般原因和传播方式
泌尿生殖道的解剖和正常微生物群
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膀胱炎最常见的原因是膀胱的细菌感染，但也可能是对某些治疗或刺激物的反应，如放射治疗、卫生喷雾剂或杀精剂。膀胱炎的常见症状包括排尿困难（排尿伴有灼伤、不适或疼痛）、脓尿（尿中脓）、血尿（尿中带血）和膀胱疼痛。
膀胱炎
肾盂肾炎是一种肾脏炎症，可能是由从尿路其他部分（如膀胱）传播的细菌引起的。此外，肾盂肾炎可以从通过血液传播到肾脏的细菌发展而来。当感染从下尿路传播时，病原体通常是粪便细菌，如*大肠杆菌*。常见的体征和症状包括背痛（由于肾脏的位置）、发烧以及恶心或呕吐。大血尿（尿液中可见的血液）发生在30-40%的女性身上，但在男性中很少见。[脚注]感染可能变得严重，可能导致菌血症和全身影响，可能危及生命。感染清除后，肾脏可能会出现疤痕并持续存在，这可能导致功能障碍。

《急性肾盂肾炎》*《医景》*，2015。http://emedicine.medscape.com/article/245559-overview。
肾脏感染（肾盂肾炎和肾小球肾炎）
细菌性尿道炎有两大类：淋病性和非淋球菌性。淋病性尿道炎是由*淋病奈瑟菌*引起的，并与淋病（一种常见的性传播感染）有关。尿道炎的这一原因将在生殖系统的细菌感染中讨论。非淋球菌性尿道炎（NGU）一词是指与*淋病*无关的尿道炎症。在女性中，NGU通常没有症状。在男性中，NGU通常是一种轻微的疾病，但会导致脓性分泌物和排尿困难。因为症状通常很轻微或不存在，大多数感染者不知道自己被感染了，但他们是疾病的携带者。无症状患者也没有理由寻求治疗，虽然不常见，但未经治疗的NGU可以传播到生殖器官，导致女性盆腔炎和输卵管炎，男性附睾炎和前列腺炎。引起非淋菌性尿道炎的重要细菌病原体包括*沙眼衣原体*、*生殖支原体*、*解脲支原体*和*人型支原体*。
非淋菌性尿道炎（NGU）
泌尿系统细菌感染
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阴道炎症被称为阴道炎，通常由细菌感染引起。也有可能在没有炎症的情况下正常阴道微生物群失衡，称为细菌性阴道病（BV）。阴道病可能没有症状，也可能导致轻微症状，如稀薄、白色至黄色、均匀的阴道分泌物、灼烧、气味和瘙痒。主要病原体是*阴道加德纳氏菌*，一种革兰氏变异性至革兰氏阴性多形性细菌。其他病原体包括厌氧物种，如*类杆菌*和*梭杆菌*属的成员。此外，还可能涉及脲原体和支原体。这种疾病通常是自我限制的，尽管如果症状出现，建议使用抗生素治疗。
细菌性阴道炎和阴道病
淋病也被称为淋病，是生殖系统中一种常见的性传播疾病，尤其在15至24岁的个体中流行。它是由*淋病奈瑟菌*引起的，通常被称为淋病球菌或GC，它有菌毛，允许细胞附着在上皮细胞上。它还具有一种称为脂寡糖的脂多糖内毒素，作为外膜结构的一部分，增强了其致病性。除了引起尿道炎，*淋病N.还可以感染其他身体组织，如皮肤、脑膜、咽部和结膜。
淋病
*沙眼衣原体*是性传播感染衣原体的病原体（[链接]）。虽然许多衣原体*感染没有症状，但衣原体是非链球菌性尿道炎（NGU）的主要原因，也可能导致男性附睾炎和睾丸炎。在女性中，衣原体感染会导致尿道炎、输卵管炎和PID。此外，衣原体感染可能与宫颈癌风险增加有关。
衣原体
梅毒通过直接身体（一般是性）接触传播，由革兰氏阴性螺旋体*梅毒螺旋体*引起。*梅毒螺旋体*基因组相对简单，缺乏革兰氏阴性细菌特有的脂多糖内毒素。然而，它确实含有在宿主中触发免疫反应的脂蛋白，造成组织损伤，这可能会增强病原体的传播能力，同时逃避宿主免疫系统。
梅毒
性传播感染软下腺是由革兰氏阴性棒*杜克雷嗜血杆菌*引起的。它的特征是生殖器或与性接触相关的其他区域（如口腔和肛门）上的软肺 **(**[链接]）。与与梅毒相关的硬肺不同，软肺发展成疼痛的开放性溃疡，可能会出血或产生高度传染性的液体。除了引起肺，细菌还可以侵入淋巴结，潜在地导致腹股沟淋巴结通过皮肤排出脓液。像其他生殖器病变一样，软肺特别令人担忧，因为它们破坏了皮肤或粘膜的保护屏障，使个人更容易感染艾滋病毒和其他性传播疾病。
软下腺
生殖系统的细菌感染
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生殖器疱疹是由单纯疱疹病毒（[link]）引起的一种常见疾病，单纯疱疹病毒是一种包膜双链脱氧核糖核酸病毒，分为两种不同的类型。单纯疱疹病毒有几种毒力因子，包括受感染的细胞蛋白（ICP）34.5，它有助于复制和抑制树突状细胞的成熟，作为避免被免疫系统消除的机制。此外，病毒包膜上的表面糖蛋白促进单纯疱疹病毒被抗体和补体因子覆盖，使病毒以“自我”的形式出现，并防止免疫系统激活和消除。
生殖器疱疹
所有类型的疣都是由多种人类乳头瘤病毒（HPV）引起的（参见皮肤和眼睛的病毒感染）。尖锐湿疣，通常称为生殖器疣或性病疣（[链接]），是由某些HPV菌株引起的一种极其普遍的性传播感染。尖锐湿疣是在外生殖器或肛门上发现的不规则、柔软、粉红色的生长。
人乳头状瘤
生殖系统的病毒感染
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生殖系统的真菌感染
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泌尿生殖系统原生动物感染
泌尿生殖系统感染
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导言
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食物通过口腔进入消化道，在这里机械消化（通过咀嚼）和化学消化（通过唾液中的酶）开始。口腔内是舌头、牙齿和唾液腺，包括腮腺、舌下腺和颌下腺（[链接]）。唾液腺产生唾液，唾液润滑食物并含有消化酶。
口腔的解剖学和正常菌群
当食物离开口腔时，它会穿过咽部或喉咙后部，并进入食道，食道将食物从咽部运送到胃中，而不添加任何额外的消化酶。胃产生粘液来保护它的内膜，以及消化酶和酸来分解食物。部分消化的食物然后通过幽门括约肌离开胃，到达小肠的第一部分，称为十二指肠。胰液，包括酶和碳酸氢根离子，被释放到小肠中，以中和胃中的酸性物质，并帮助消化。胆汁，由肝脏产生，但储存在胆囊中，也被释放到小肠中乳化脂肪，以便它们可以在小肠的水环境中旅行。消化在小肠中继续，食物中含有的大部分营养物质在小肠中被吸收。被称为肠细胞的简单柱状上皮细胞排列在被称为绒毛的小肠褶皱的内腔表面。每个肠细胞在细胞顶端表面都有更小的微绒毛（细胞质膜延伸），这些微绒毛增加了表面积，以允许更多营养物质的吸收发生（[链接]）。
胃肠道的解剖和正常微生物群
尽管有许多防御机制可以防止感染，但消化道的所有部分都可能成为感染或中毒的场所。食物中毒一词有时被用作胃肠道感染和中毒的总称，但并非所有形式的胃肠道疾病都起源于食源性病原体或毒素。
口腔和胃肠道疾病的一般体征和症状
消化系统的解剖和正常微生物群
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牙齿蛀牙，临床上称为龋齿，是对牙齿造成损害的微生物病变。随着时间的推移，病变可以通过外部牙釉质层生长，感染底层牙本质，甚至最里面的牙髓。如果龋齿得不到治疗，感染可能会变成脓肿，扩散到牙齿更深的组织，靠近根部，或者血液。
龋齿
除了对牙齿本身的损害外，周围的结构也会受到微生物的影响。牙周病是感染导致牙齿周围结构发炎和组织损伤的结果。从轻度到重度的牙周病发展通常是可逆的，并且可以通过良好的口腔卫生来预防。
牙周病
如前所述，正常的口腔微生物群会导致牙齿和牙周感染。然而，当其他微生物存在时，口腔中会出现许多其他感染。
口腔感染
口腔和口腔微生物疾病
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葡萄球菌食物中毒是食物中毒的一种形式。当*金黄色葡萄球菌*在食物中生长时，它可能会产生肠毒素，当摄入时，会在一到六小时内引起恶心、腹泻、抽筋和呕吐等症状。在一些严重的情况下，它可能会导致头痛、脱水以及血压和心率的变化。体征和症状在24到48小时内消失。*金黄色葡萄球菌*通常与各种生的或未煮熟的和煮熟的食物有关，包括肉类（例如罐头肉、火腿和香肠）和奶制品（例如奶酪、牛奶和黄油）。它也常见于手上，并可能通过不良的卫生状况传播到准备好的食物中，包括不良的洗手和使用受污染的食物准备表面，如砧板。最大的风险是食物温度低于60摄氏度（140华氏度），这允许细菌生长。为了安全起见，煮熟的食物通常应该重新加热到至少60摄氏度（140华氏度），大多数生肉应该烹饪到更高的内部温度（[链接]）。
葡萄球菌食物中毒
当胃肠道疾病与杆状革兰氏阴性细菌*志贺氏杆菌*有关时，它被称为细菌性痢疾或志贺氏杆菌病。感染可能是由胃肠道中的*S.痢疾*、*S. flexneri*、*S.bodii*和/或*S.sonnei*引起的。志贺氏杆菌病可以从手到嘴传播，也可以通过受污染的食物和水传播。最常见的是，它通过粪便-口腔途径传播。
志贺氏菌病（细菌性痢疾）
*沙门氏菌*胃肠炎，也称为沙门氏菌病，是由杆状革兰氏阴性菌*沙门氏菌*引起的。*S. Inteica*和*S.bongori*两个物种在人类中引起疾病，但*S.Inteica*是最常见的。*S.Inteica*最常见的血清型是肠炎和伤寒。我们将分别讨论伤寒和甲型副伤寒引起的伤寒。在这里，我们将重点讨论由其他血清型引起的沙门氏菌病。
沙门氏菌病
某些血清型的伤寒*，主要是血清型伤寒（*S. typhi*），但也包括副伤寒，会导致一种更严重的沙门氏菌病，称为伤寒。这种未经治疗的死亡率为10%的严重疾病会导致高烧、身体疼痛、头痛、恶心、嗜睡和可能的皮疹。
伤寒
革兰氏阴性棒*大肠杆菌*是结肠正常微生物群的常见成员。尽管绝大多数*大肠杆菌*菌株是有益的共生菌，但有些可能是致病性的，可能导致危险的腹泻病。致病性菌株具有额外的毒力因子，如促进结肠定植或可能产生毒素的1型菌毛（见细菌和病毒病原体的毒力因子）。这些毒力因子是通过水平基因转移获得的。
*大肠杆菌*感染
胃肠道疾病霍乱是一种严重的感染，通常与卫生条件差有关，尤其是在自然灾害之后，因为它是通过受污染的水和食物传播的，而这些水和食物没有被加热到足以杀死细菌的温度。它是由*霍乱弧菌*血清型O1引起的，这是一种革兰氏阴性鞭毛虫细菌，呈弯曲杆状（弧菌）。根据疾病预防控制中心的数据，霍乱每年估计导致3至500万例病例和10万人死亡。[脚注]

疾病控制和预防中心。*霍乱-霍乱弧菌感染*。2014年11月6日更新。http://www.cdc.gov/cholera/general。2016年9月14日访问。
霍乱和其他弧菌
*空肠弯曲杆菌*是革兰氏阴性菌、螺旋菌或弯曲菌的一个属。它们可能有一两个鞭毛。*空肠弯曲杆菌*胃肠炎是一种广泛传播的疾病，由*空肠弯曲杆菌*引起。主要传播途径是通过在屠宰过程中受到污染的家禽。处理生鸡肉反过来会污染烹饪表面、器具和其他食物。未经高温消毒的牛奶或受污染的水也是潜在的传播媒介。在大多数情况下，这种疾病是自我限制的，包括发烧、腹泻、痉挛、呕吐，有时还包括痢疾。有时会出现更严重的体征和症状，如菌血症、脑膜炎、胰腺炎、胆囊炎和肝炎。它还与自身免疫性疾病有关，如格林-巴利综合征，这是一种在某些感染后发生的神经疾病，导致暂时瘫痪。感染后也可能发生HUS。许多菌株的毒力是溶血素产生和*弯曲杆菌*细胞膜膨胀毒素（CDT）存在的结果，CDT是一种强大的脱氧核糖核酸酶（DNase），它不可逆地破坏宿主细胞DNA。
*空肠弯曲菌*胃肠炎
革兰氏阴性细菌*幽门螺杆菌*能够耐受人体胃的酸性环境，并已被证明是消化性溃疡的主要原因，消化性溃疡是胃或十二指肠溃疡。这种细菌还与胃癌风险增加有关（[链接]）。根据疾病预防控制中心的数据，大约三分之二的人口感染了*幽门螺杆菌*，但只有不到20%的人有患溃疡或胃癌的风险。*幽门螺杆菌*存在于大约80%的胃溃疡和90%以上的十二指肠溃疡中。[脚注]

*幽门螺杆菌*：卫生保健提供者情况说明书〉，1998年7月更新，http://www.cdc.gov/ulcer/files/hpfacts.pdf。
消化性溃疡
*产气膜梭菌*胃肠炎是一种通常温和的食源性疾病，与未煮熟的肉类和其他食物有关。*产气膜梭菌*是一种革兰氏阳性、棒状、内孢子形成的厌氧细菌，耐高温和低温。在高温下，细菌可以形成内孢子，这些内孢子会在食物中或肠道内迅速发芽。A型菌株的食物中毒很常见。这种菌株总是会产生一种肠毒素，有时也存在于其他菌株中，这种毒素会导致痉挛和腹泻的临床症状。一种更严重的疾病形式，称为猪瘟或肠炎坏死症，会导致出血、疼痛、呕吐和腹胀。可能会导致肠道坏疽。这种形式的死亡率很高，但在美国很少见。
*产气膜梭菌*胃肠炎
*艰难梭菌*是一种革兰氏阳性棒，可以是共生细菌，作为健康个体正常微生物群的一部分。当正常微生物群被长期使用抗生素破坏时，它会允许这种细菌过度生长，导致由*艰难梭菌*引起的抗生素相关腹泻。抗生素相关腹泻也可以被认为是一种医院疾病。*艰难梭菌*感染风险最大的患者是免疫功能低下、长期在医疗保健环境中、年龄较大、最近服用抗生素、做过胃肠手术或使用质子泵抑制剂的人，这种抑制剂可以降低胃酸并允许*艰难梭菌*增殖。因为这种物种可以形成内孢子，所以它可以在恶劣条件下在环境中存活很长时间，并且在医疗保健环境中是一个相当令人担忧的问题。
*艰难梭菌*
*蜡样芽孢杆菌*，常见于土壤中，是一种革兰氏阳性的内孢子形成细菌，有时会导致食源性疾病。*蜡样芽孢杆菌*内孢子可以在烹饪中存活，并在食物加热后产生肠毒素；疾病通常发生在食用在室温下放置太久的米饭和其他准备好的食物后。这些迹象和症状出现在摄入后的几个小时内，包括恶心、疼痛和腹部痉挛。*蜡样芽孢杆菌*产生两种毒素：一种导致腹泻，另一种导致呕吐。有时会出现更严重的迹象和症状。
*蜡样芽孢杆菌*引起的食源性疾病
*耶尔森氏菌*属最为人所知的是*鼠疫耶尔森氏菌*，这是一种导致鼠疫的革兰氏阴性杆菌。然而，*Y.小肠结肠炎*和*Y.假结核*会导致胃肠炎。感染通常通过粪便-口腔途径传播，摄入被粪便污染的食物或水。由于其内毒素和外毒素（肠毒素和细胞毒素坏死因子）的活性，也可能导致中毒。这种疾病通常相对轻微，并且会自我限制。然而，严重的腹泻和痢疾可能会在婴儿身上发展。在成人中，感染会传播并导致并发症，如反应性关节炎、甲状腺疾病、心内膜炎、肾小球肾炎、眼部炎症和/或结节性红斑。在极少数情况下可能会发展为菌血症。
*耶尔森氏菌引起的食源性疾病*
胃肠道细菌感染
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轮状病毒是呼肠病毒科的双链核糖核酸病毒。它们是常见腹泻疾病的原因，尽管通过疫苗接种进行预防变得越来越普遍。这种病毒主要通过粪便-口腔途径传播（[链接]）。
轮状病毒引起的胃肠炎
诺如病毒，通常被识别为诺沃克病毒，是杯状病毒。几种菌株会导致胃肠炎。每年有数百万例病例，主要发生在婴儿、幼儿和老年人身上。这些病毒很容易传播，传染性很强。众所周知，它们会在封闭空间（如游轮上）引起人群的广泛感染。这些病毒可以通过直接接触、接触受污染的表面和受污染的食物传播。因为病毒不会被用于杀死细菌的标准浓度消毒剂杀死，所以传播的风险仍然很高，即使在清洁之后。
诺如病毒引起的胃肠炎
星形病毒是一种单链RNA病毒（星形病毒科），可引起严重的胃肠炎，特别是在婴儿和儿童中。体征和症状包括腹泻、恶心、呕吐、发烧、腹痛、头痛和不适。病毒通过粪便-口腔途径传播（被污染的食物或水）。为了诊断，对粪便样本进行分析。检测可能涉及酶免疫测定和免疫电子显微镜。治疗包括支持性补液和必要时更换电解质。
天体病毒引起的胃肠炎
肝炎是一个通用术语，意思是肝脏炎症，它可能有多种原因。在某些情况下，原因是病毒感染。有五种主要的肝炎病毒具有临床意义：肝炎病毒A（HAV）、B（HBV）、C（HCV）、D（HDV）和E（HEV）（[链接]）。请注意，其他病毒，如爱泼斯坦-巴尔病毒（EBV）、黄热病和巨细胞病毒（CMV）也会导致肝炎，并在循环和淋巴系统的病毒感染中进行了讨论。
肝炎
胃肠道病毒感染
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贾第虫病也被称为背包客腹泻或海狸热，是美国一种常见的疾病，由鞭毛原生生物*蓝氏贾第虫*引起，也称为*肠贾第虫*或*十二指肠贾第虫*（[链接]）。为了建立感染，*G. lamblia*使用一个大的粘合盘附着在肠粘膜上。该盘由微管组成。在粘附过程中，*G.lamblia*的鞭毛以从盘下抽出液体的方式移动，导致一个压力较低的区域，促进其与肠上皮细胞的粘附。由于其附着，*贾第虫*还阻止营养物质的吸收，包括脂肪。
贾第虫病
另一种原生动物肠道疾病是隐孢子虫病，通常由*隐孢子虫**parvum*或*C. hominis*引起。（[链接]）这些病原体通常在动物身上发现，可以在老鼠、鸟类和农场动物的粪便中传播。受污染的水和食物是最常见的传播原因。原生动物也可以通过人类与受感染动物或其粪便的接触传播。
隐孢子虫病
原生动物寄生虫*溶组织内阿米巴*会导致阿米巴病，严重时称为阿米巴痢疾。*溶组织内阿米巴*通常通过受粪便污染的水或食物传播。这种疾病在发展中国家最普遍，是全世界寄生虫疾病死亡的主要原因之一。疾病可能由少至10个囊肿传播引起。
阿米巴原虫病（Amebisis）
肠道疾病环孢菌病是由原生动物*Cayetanensis环孢菌*引起的。它是热带和亚热带地区的特有疾病，因此在美国并不常见，尽管从原生动物更常见的地区进口的受污染农产品也有暴发。
环孢菌病
胃肠道原生动物感染
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由土壤传播的蠕虫大型线虫*蛔虫*引起的感染被称为蛔虫病。据估计，全世界有超过8亿10亿人被感染。[脚注]感染最常见于温暖的气候和一年中温暖的时间。目前，感染在美国并不常见。蠕虫的卵通过受污染的食物和水传播。如果食物生长在受污染的土壤中，包括粪便用作肥料时，这种情况可能会发生。

疾病控制和预防中心。“寄生虫-蛔虫病”2016年5月24日更新。http://www.cdc.gov/parasites/ascariasis/index.html。
蛔虫病
两种线虫与钩虫感染有关。两种都在美洲、非洲和亚洲发现。*Necator americanus*主要在美国和澳大利亚发现。另一种，*Ancylostoma doudenale*，在南欧、北非、中东和亚洲发现。
钩虫
线虫病一般由*线虫病*引起，线虫病是一种通过土壤传播的蠕虫，既有自由生活的形式，也有寄生形式。在寄生形式中，这些线虫的幼虫通常通过皮肤穿透身体，特别是通过赤脚，尽管通过器官移植或日托中心等设施的传播也可能发生。当在粪便中排泄时，幼虫可以成为自由生活的成年人，而不是发展成寄生形式。这些自由生活的蠕虫繁殖，产卵孵化成幼虫，幼虫可以发展成寄生形式。在寄生生命周期中，感染性幼虫进入皮肤，通常通过脚。幼虫到达循环系统，这使它们能够旅行到肺部的肺泡空间。它们被运送到咽部，在那里，像许多其他蠕虫一样，被感染的病人咳嗽它们并再次吞咽它们，以便它们返回肠道。一旦它们到达肠道，雌性就生活在上皮细胞中，并产生无性发育的卵子，这与自由生活形式不同，自由生活形式使用有性繁殖。幼虫可能会在粪便中排泄，或者通过进入肠道组织和肛门周围的皮肤重新感染宿主，这可能导致慢性感染。
线虫病
*蚯蚓肠虫*，通常被称为松虫，是微小的（2-13毫米）线虫，会导致肠虫病。在所有蠕虫感染中，肠虫病在美国最常见，影响多达三分之一的美国儿童。[脚注]虽然体征和症状通常很轻微，但患者可能会因肛周区域的瘙痒而感到腹痛和失眠，这种瘙痒经常发生在晚上蠕虫离开肛门产卵时。瘙痒有助于传播，因为这种疾病是通过粪便-口腔途径传播的。当受感染的个体抓伤肛门区域时，卵可能会进入指甲下，然后沉积在个体的口腔附近，导致再次感染，或者在fomites上，它们可以转移到新的宿主身上。被摄入后，幼虫在小肠内孵化，然后在结肠中居住并发育成成虫。从结肠，雌成虫在晚上离开身体产卵（[链接]）。

“蛔虫”。*马里兰大学医学中心医学参考指南*。最后一次审查是2014年12月9日。https://umm.edu/health/medical/altmed/condition/roundworms。
寄生虫（肠虫）
线虫鞭虫*Trichuris trichiura*是一种寄生虫，通过从被土壤污染的手或食物中摄入传播并导致鞭虫病。感染在温暖的环境中最常见，特别是当卫生条件差且粪便污染土壤的风险更大时，或者当食物在土壤中种植时使用粪便作为肥料时。体征和症状可能很小或不存在。当出现严重感染时，体征和症状包括疼痛、频繁的腹泻，其中可能含有粘液和血液。感染可能导致直肠脱垂，这是一种直肠的一部分从身体内部脱落并从肛门突出的情况（[链接]）。严重感染的儿童可能会出现生长减慢，他们的认知发展可能会受到影响。
鞭虫病
旋毛虫病（旋毛虫病）是在食用含有*旋毛虫**螺旋体*（最常见）或其他*旋毛虫*物种的食物后发展起来的。这些微观线虫最常在肉类中传播，尤其是猪肉，没有彻底煮熟。肉类中的*旋毛虫*幼虫在接触胃酸和胃蛋白酶时从囊肿中出现。它们在大肠内发育成成熟的成虫。大肠中产生的幼虫能够通过寄生虫的管柱机械地迁移到肌肉中，形成囊肿。肌肉蛋白在含有*旋毛虫*（护士细胞）的细胞中大量减少或无法检测到。从其他动物身上摄取囊肿的动物以后会感染（[链接]）。
旋毛虫病
绦虫病是一种绦虫感染，通常是由猪肉（*Taenia**solium*）、牛肉（*Taenia saginata*）和亚洲（*Taenia asiatica*）在未煮熟的肉中发现的绦虫引起的。食用生鱼或未煮熟的鱼，包括被污染的寿司，也会导致鱼绦虫（*Diphylloboterum**latum*）的感染。绦虫是扁虫（cestode），有多个身体部分，一个叫做头节的头附着在肠壁上。绦虫可以变得相当大，可以达到4到8米长（[link]）。[link]说明了绦虫的生命周期。
绦虫
另一种囊虫，*细粒棘球蚴*，会导致一种被称为包虫病（囊性棘球蚴病）的严重感染。*细粒棘球蚴*在狗（最终宿主）以及几个中间宿主（绵羊、猪、山羊、牛）中发现。囊虫通过受感染动物粪便中的卵传播，这对从事农业的个人来说可能是一种职业危害。
包虫病
吸虫是一种扁形虫，外观呈叶状。它们是吸虫的一种，多种物种与人类疾病有关。最常见的是肝吸虫和肠吸虫（[链接]）。
福禄克
胃肠道蠕虫感染
消化系统感染
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导言
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循环（或心血管）系统是一个由器官和血管组成的封闭网络，在身体周围移动血液（[link]）。循环系统的主要目的是向组织输送营养物质、免疫因子和氧气，并带走废物以供消除。心脏是一个四腔泵，将血液推进全身。脱氧血液从体内返回后通过上腔静脉和下腔静脉进入右心房。血液接下来通过三尖瓣进入右心室。当心脏收缩时，来自右心室的血液通过肺动脉泵入肺部。在那里，血液在肺泡处被氧化，并通过肺静脉返回心脏。含氧血液在左心房被接收，并通过二尖瓣进入左心室。当心脏收缩时，含氧血液通过一系列称为动脉的厚壁血管泵入全身。第一个也是最大的动脉被称为主动脉。动脉依次分支和减小大小（被称为小动脉），直到它们以称为毛细血管的较小血管网络结束。毛细血管床位于组织内的间隙空间，并向这些组织释放营养物质、免疫因子和氧气。毛细血管连接到一系列称为静脉的血管，这些血管的大小增加形成静脉。静脉在将血液输送回心脏时结合在一起形成更大的血管。最大的静脉，上腔静脉和下腔静脉，将血液返回右心房。
循环系统
淋巴系统也是一个贯穿全身的血管网络（[link]）。然而，这些血管并不形成一个完整的循环系统，也不受心脏的压力。相反，淋巴系统是一个开放的系统，液体从四肢向心脏上方的静脉中的两个引流点沿一个方向移动。淋巴液比血液移动得更慢，因为它们没有加压。小毛细淋巴管与组织间隙中的毛细淋巴管相互作用。来自组织的液体进入毛细淋巴管并被排出（[link]）。这些液体被称为淋巴，也含有大量的白细胞。
淋巴系统
在正常情况下，循环系统和血液应该是无菌的；循环系统没有正常的微生物群。因为系统是封闭的，微生物没有容易进入循环系统的入口。那些能够突破身体物理屏障并进入血液的微生物会遇到许多循环免疫防御，如抗体、补体蛋白、吞噬细胞和其他免疫细胞。微生物通常通过皮肤破裂（例如伤口、针头、静脉导管、昆虫叮咬）进入循环系统，或者通过身体其他部位的感染传播到循环系统。例如，导致肺炎或肾脏感染的微生物可能会进入肺或肾脏的局部循环，并从那里传播到整个循环网络。
循环系统感染
像循环系统一样，淋巴系统没有正常的微生物群，大量的免疫细胞通常在建立感染之前消除短暂的微生物。只有具有一系列毒力因子的微生物才能克服这些防御并在淋巴系统中建立感染。然而，当局部感染开始传播时，淋巴系统通常是入侵微生物首先被检测到的地方。
淋巴系统感染
循环和淋巴系统的解剖
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在低浓度下，促炎细胞因子如白细胞介素1（IL-1）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）在宿主的免疫防御中发挥着重要作用。然而，当它们以较大的数量进行系统循环时，由此产生的免疫反应可能会危及生命。IL-1诱导血管舒张（血管变宽）并减少血管内皮细胞之间的紧密连接，导致广泛的水肿。随着液体从循环中移出进入组织，血压开始下降。如果不加以控制，血压可能会降至维持适当肾脏和呼吸功能所需的水平以下，这种情况被称为感染性休克。此外，炎症反应期间细胞因子的过度释放会导致血凝块的形成。血压的降低和血凝块的发生会导致多器官衰竭和死亡。
细菌性败血症、败血症和中毒性休克
一种败血症称为产褥期败血症，也称为产褥期感染、产褥热或产床热，是一种与产褥期相关的医院感染——产褥期是分娩后一个人的生殖系统恢复到非妊娠状态的时间。这种感染可能起源于生殖道、乳房、泌尿道或手术伤口。最初，感染可能仅限于子宫或其他局部感染部位，但它会迅速传播，导致腹膜炎、败血症和死亡。在伊格纳兹·塞梅韦斯19世纪的工作和细菌理论被广泛接受之前（见现代细胞理论基础），产褥期败血症是新妈妈分娩后最初几天死亡的主要原因。
产褥期脓毒症
感染性关节炎也称为脓毒性关节炎，可以是急性或慢性疾病。感染性关节炎的特点是关节组织发炎，最常由细菌病原体引起。大多数急性感染性关节炎病例继发于菌血症，快速发作中度至重度关节疼痛和肿胀，限制了受影响关节的运动。在成人和幼儿中，感染性病原体最常通过损伤直接引入，如伤口或手术部位，并通过循环系统带到关节。关节置换手术后也可能发生急性感染。急性感染性关节炎通常发生在免疫系统受到其他病毒和细菌感染损害的患者身上。*金黄色葡萄球菌*是成人和幼儿一般人群中急性脓毒性关节炎最常见的原因。*淋病奈瑟菌*是性活跃个体急性传染性关节炎的重要原因。
传染性关节炎
骨髓炎是一种最常见的由感染引起的骨组织炎症。这些感染可以是急性的，也可以是慢性的，可能涉及各种不同的细菌。骨髓炎最常见的病原体是*金黄色葡萄球菌*。然而，*结核分枝杆菌*、*铜绿假单胞菌、化脓链球菌*、*无乳链球菌*、肠杆菌科的物种*、*和其他微生物也会导致骨髓炎，这取决于涉及哪些骨骼。在成人中，细菌通常通过创伤或涉及假肢关节的外科手术直接进入骨组织。在儿童中，细菌通常从血液中引入，可能从局灶性感染传播。长骨，如股骨，在儿童中更常见，因为年轻人的骨骼血管化更广泛。[脚注]

M. Vazquez。“儿童骨髓炎”*儿科当前意见*14，第1期（2002年）：112-115。
骨髓炎
感染*S.脓原性*有多种表现和并发症，通常称为后遗症。如前所述，这种细菌会导致化脓性感染，如产褥热。然而，这种微生物也会以急性风湿热（ARF）的形式引起非化脓性后遗症，这会导致风湿性心脏病，从而影响循环系统。风湿热主要发生在未经治疗或治疗不当的咽炎发作后至少2-3周的儿童身上（参见呼吸道细菌感染）。风湿热曾经是美国儿童的主要杀手；然而，今天，由于链球菌咽炎的早期诊断和抗生素治疗，它在美国很少见。在世界上诊断和治疗不容易的地区，急性风湿热和风湿性心脏病仍然是儿童死亡的主要原因。[脚注]

A. Beaudoin等人。“儿童中的急性风湿热和风湿性心脏病——美属萨摩亚，2011-2012年。”*发病率和死亡率周报*64号。20（2015）：555-558。
风湿热
心内膜是排列在心脏肌肉和瓣膜上的组织层。这种组织可以被各种细菌感染，包括革兰氏阳性球菌，如*金黄色葡萄球菌*、草绿色链球菌和*粪肠球菌*，以及革兰氏阴性的所谓HACEK杆菌：*嗜血杆菌*spp.、*放线杆菌*、*人心杆菌*、*艾肯氏菌腐蚀*和*金氏菌*。由此产生的炎症称为心内膜炎，可以描述为急性或亚急性。病原体通常在正常屏障防御的意外或故意突破期间进入血液（例如，牙科手术、身体穿孔、导管插入术、伤口）。预先存在心脏损伤、人工瓣膜和其他心脏设备的个体，以及有风湿热病史的人患心内膜炎的风险更高。这种疾病会迅速破坏心脏瓣膜，如果不治疗，会导致
细菌性心内膜炎和心包炎
外伤或某些疾病，如糖尿病，会导致血管损伤，中断流向身体某个区域的血流。当血流中断时，组织开始死亡，创造厌氧环境，厌氧细菌可以在其中茁壮成长。这种情况被称为缺血。厌氧细菌*产气膜梭菌*（以及肠道中的许多其他*梭菌*spp.）的内生孢子可以很容易地在缺血组织中发芽并在厌氧组织中定居。
气性坏疽
感染革兰氏阴性菌*图拉伦氏方济各菌*会导致兔热病（或兔子热），这是一种人畜共患传染病。*图拉伦氏方济各菌*是一种兼性细胞内寄生虫，主要导致兔子患病，尽管各种各样的家养动物也容易感染。人类可以通过摄入受污染的肉类或更典型的处理受感染的动物组织（例如，剥受感染的兔子的皮）来感染。兔热病也可以通过受感染节肢动物的叮咬传播，包括狗蜱（*Dermacentor Variabilis*）、美洲孤星蜱（*Amblyomma americanum*）、木蜱（*Dermacentor andersoni*）和鹿蝇（*Cleysops*spp.）。虽然这种疾病不能在人类之间直接传播，但接触*图拉伦氏方济各菌*的气溶胶会导致危及生命的感染。*图拉伦氏方济各菌*传染性强，感染剂量少至10个细菌细胞。此外，如果不治疗，肺部感染的死亡率为30%-60%。[脚注]由于这些原因，*图拉伦氏菌*目前被分类，必须作为生物安全三级生物和潜在的生物战剂处理。

世卫组织。《世卫组织兔血症指南》。2007年。http://www.cdc.gov/tularemia/resources/whotularemiamanual.pdf。2016年7月26日访问。
兔热病属
布鲁氏菌属的物种是革兰氏阴性兼性细胞内病原体，表现为球菌。几种物种会导致动物和人类的人畜共患病感染，其中四种具有显著的人类致病性：牛和水牛的*流产B.、狗的*犬B.、猪的*B.和山羊、绵羊和骆驼的*Melitensis*。这些病原体的感染被称为布鲁氏菌病，也称为波状热、“地中海热”或“马耳他热”。爱丽丝·凯瑟琳·埃文斯首先确定牛身上的*布鲁氏菌感染可以通过牛奶传播给人类。她的发现在被接受之前争论了多年；人们开始对牛奶进行巴氏杀菌（加热以干扰微生物），这导致相关疾病急剧减少。动物疫苗接种使布鲁氏菌病在美国成为一种罕见疾病，但在地中海、南亚和中亚、中南美洲和加勒比海地区仍然很常见。人类感染主要与摄入受感染动物的肉类或未经高温消毒的乳制品有关。感染也可以通过在处理动物产品时吸入气溶胶中的细菌，或通过直接接触皮肤伤口而发生。在美国，大多数布鲁氏菌病病例发生在广泛接触潜在受感染动物的个人身上（例如屠宰场工人、兽医）。
布鲁氏菌病
人畜共患病猫抓病（CSD）（或猫抓热）是一种细菌感染，当人类被猫咬伤或抓伤时，它会引入淋巴结。它是由兼性细胞内革兰氏阴性细菌*巴尔通体菌*引起的。猫在梳理毛发时摄入的含有*B. henselae*的跳蚤粪便会感染。当跳蚤粪便或含有*B.henselae*的猫唾液（来自爪子或舔）被引入咬伤或抓伤部位时，人类会被感染。一旦被引入伤口，*B.henselae*会感染红细胞。
猫抓病
人畜共患传染病鼠咬热可能由两种不同的革兰氏阴性细菌引起：*念珠状链杆菌*，这在北美更常见，*小螺旋菌*，这在亚洲更常见。由于现代卫生措施，鼠咬在美国很少见。然而，接触被鼠粪便或体液污染的感染物、食物或水也会导致感染。鼠咬热的体征和症状包括发烧、呕吐、肌痛（肌肉疼痛）、关节痛（关节疼痛）和手脚上的斑丘疹皮疹。咬伤部位也可能形成溃疡，以及附近淋巴结的一些肿胀。在大多数情况下，感染是自我限制的。对导致这些疾病体征和症状的毒力因素知之甚少。
鼠咬热
革兰氏阴性杆菌*鼠疫耶尔森氏菌*导致人畜共患感染鼠疫。这种细菌会导致动物（通常是啮齿动物或其他小型哺乳动物）和人类的急性发热性疾病。如果不进行治疗，这种疾病会导致高死亡率。从历史上看，*Y.鼠疫*导致了几次毁灭性的大流行，导致数百万人死亡（参见微连接：鼠疫的历史）。鼠疫有三种形式：腺鼠疫（最常见的形式，约占病例的80%）、肺鼠疫和败血症鼠疫。这些形式由传播方式和感染的初始部位来区分。[链接]说明了动物和人类之间的这些各种传播和感染方式。
鼠疫
多种人畜共患温病（引起发热的疾病）是由需要节肢动物载体的病原菌引起的。这些病原体要么是*无原体、巴顿氏菌*、*埃利希亚、东方菌*和*立克次体*的专性细胞内物种，要么是*疏螺旋体*属的螺旋体。由于与疾病相关的低感染剂量，该组病原体的分离和鉴定最好在BSL-3实验室进行。
人畜共患温病
循环和淋巴系统的细菌感染
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人类疱疹病毒4，也称为爱泼斯坦-巴尔病毒（EBV），与多种人类疾病有关，如单核细胞增多症和伯基特淋巴瘤。人类疱疹病毒4（HHV-4）的暴露很普遍，几乎所有人都在童年的某个时候接触过，对人群的血清学测试证明了这一点。该病毒主要存在于B淋巴细胞中，像所有疱疹病毒一样，可以长时间处于潜伏状态。
传染性单核细胞增多症与伯基特淋巴瘤
人类疱疹病毒5（HHV-5）也被称为巨细胞病毒（CMV），是一种在人类人群中感染率很高的病毒。目前估计，美国有50%的人在成年时已经被感染。[脚注]CMV是普通人类人群中非Epstein-Barr传染性单核细胞增多症的主要原因。它也是免疫缺陷宿主的重要病原体，包括艾滋病患者、新生儿和移植接受者。然而，绝大多数CMV感染是无症状的。在成年人中，如果确实出现症状，通常包括发烧、疲劳、腺体肿胀和咽炎。

疾病控制和预防中心。“巨细胞病毒和先天性巨细胞病毒感染：关于巨细胞病毒。”2016年。http://www.cdc.gov/cmv/transmission.html。2016年7月28日访问。
巨细胞病毒感染
有许多节肢动物传播的病毒，或虫媒病毒，可以引起人类疾病。其中有几种由蚊子传播的重要出血热。我们将讨论三种构成严重威胁的疾病：黄热病、基孔肯雅热和登革热。
节肢动物传播的病毒病
埃博拉病毒病（EVD）是一种高度传染性疾病，由*Ebolavirus*（一种BSL-4丝状病毒（[link]）的物种引起。埃博拉病毒通过直接接触体液（例如血液、唾液、汗液、尿液、粪便或呕吐物）和被污染的感染物间接接触传播给人类。如果没有或使用适当的遏制和使用个人防护设备，受感染的患者很容易将埃博拉病毒传播给他人。处理和处理埃博拉病毒病患者对普通民众和卫生保健工作者极其危险。几乎在每一次埃博拉病毒爆发中，卫生保健工作者都有埃博拉病毒感染。埃博拉病毒传播的这种便利性最近在2014年几内亚、利比里亚和塞拉利昂的埃博拉病毒疫情中得到了证明，其中10个国家的28,000多人被感染，11,000多人死亡。[脚注]

健康地图。“2014年埃博拉病毒爆发。”http://www.healthmap.org/ebola/#timeline。2016年7月28日访问。
埃博拉病毒病
汉坦病毒*属由至少四个血清组和九个病毒组成，导致两种主要的临床（有时重叠）综合征：北美的汉坦病毒肺综合征（HPS）和其他大陆的肾综合征出血热（HFRS）。汉坦病毒在世界各地的野生啮齿动物身上都有发现，它们在尿液和粪便中传播病毒。通过吸入啮齿动物尿液和粪便的气溶胶，在啮齿动物之间和人类之间传播。与美国和加拿大疫情相关的汉坦病毒通过鹿鼠、白脚鼠或棉花鼠传播。
汉坦病毒属
人类T淋巴细胞病毒（HTLV），也称为人类免疫缺陷病毒（HIV）是逆转录病毒，是获得性免疫缺陷综合症（AIDS）的病原体。人类免疫缺陷病毒（HIV）有两种主要变种。HIV-1（[链接]）发生在全球人类人群中，而HIV-2则集中在西非。目前，世界上受影响最严重的地区是撒哈拉以南非洲，2015年估计有2560万人感染了HIV。[脚注]撒哈拉以南非洲也占全球新增HIV感染总数的三分之二（[链接]）。[脚注]

世卫组织。《艾滋病毒/艾滋病：情况说明书》。2016年。http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs360/en/。2016年7月28日访问。同上。
人类免疫缺陷病毒
循环和淋巴系统的病毒感染
m58938
尽管经过一个多世纪的紧张研究和临床进步，疟疾仍然是当今世界最重要的传染病之一。它的广泛分布使世界上一半以上的人口处于危险之中。2015年，世卫组织估计全世界约有2.14亿例疟疾病例，导致约438,000人死亡；约88%的病例和91%的死亡发生在非洲。[脚注]尽管疟疾目前在美国不是主要威胁，但其重新引入的可能性令人担忧。疟疾是由*疟原虫*属的几种原生动物寄生虫引起的：*恶性疟原虫、P.诺氏疟原虫、P. malariae、P.ovale、*和*P.间日疟原虫。疟原虫*主要感染红细胞，并通过*按蚊*的叮咬传播。

世卫组织。《2015年世界疟疾报告：摘要》。2015年。http://www.who.int/malaria/publications/world-malaria-report-2015/report/en/。2016年7月28日访问。
疟疾
弓形虫病是由原生动物*弓形虫*引起的。*弓形虫*存在于各种各样的鸟类和哺乳动物中，[脚注]和人类感染很常见。疾病控制和预防中心（CDC）估计，12岁及以上的人群中有22.5%感染了*弓形虫*；但是免疫能力强的人通常没有症状。[脚注]家猫是*弓形虫*性交阶段唯一已知的最终宿主，因此是主要的感染者。受感染的猫在粪便中排出*弓形虫*卵囊，这些卵囊通常通过接触猫身上、垃圾箱或户外猫排便的花园床上的粪便传播给人类。

上午Tenter等人…“*弓形虫*：从动物到人类。”*国际寄生虫学杂志*30第12-13期（2000年）： 1217-1258。疾病控制和预防中心。“寄生虫-弓形虫病（弓形虫感染）。流行病学和风险因素。”2015年http://www.cdc.gov/parasites/toxoplasmosis/epi.html。2016年7月28日访问。
弓形虫病
巴贝斯虫病是一种罕见的人畜共患传染病，由*巴贝斯虫*spp引起。这些寄生原生动物感染各种野生和家养动物，并可通过黑腿*硬蜱*蜱传播给人类。在人类中，*巴贝斯虫*感染红细胞并在细胞内复制，直到它破裂。从破裂的红细胞中释放出的*巴贝斯虫*通过入侵其他红细胞来继续生长周期。患者可能没有症状，但那些确实有症状的人最初通常会感到不适、疲劳、寒战、发烧、头痛、肌痛和关节痛。在极少数情况下，特别是在无脾（脾脏缺失）患者、老年人和艾滋病患者中，巴贝斯虫病可能类似于恶性疟原虫，伴有高烧、溶血性贫血、血红蛋白尿（尿液中的血红蛋白或血液）、黄疸和肾衰竭，感染可能是致命的。如果进行脾切除术，先前获得的无症状巴贝斯虫感染可能会出现症状。
巴贝西虫病
恰加斯病也被称为美洲锥虫病，是一种人畜共患病，被归类为被忽视的热带疾病（NTD）。它是由鞭毛原生动物*克氏锥虫*引起的，最常见的是通过三角虫的粪便传播给动物和人。三角虫bug被昵称为接吻bug，因为它经常在脸上或眼睛周围叮咬人类；昆虫经常在叮咬附近排便，被叮咬的个体可能会将感染的粪便擦入叮咬伤口（[链接]）。叮咬本身是无痛的，最初，许多人没有表现出疾病的迹象。其他传播方式包括受污染的输血、受感染捐赠者的器官移植以及怀孕期间先天性传播给胎儿。
恰加斯病
虽然它被归类为NTD，但利什曼病在热带和亚热带地区相对广泛，影响了90多个国家的人们。它是由大约20种不同的*利什曼原虫*引起的，这些原生动物寄生虫由沙蝇载体传播，如*Phlebotomus*spp。和*Lutzomyia*spp。狗、猫、羊、马、牛啮齿动物和人类都可以作为水库。
利什曼病
血吸虫病（bilharzia）是一种由原产于加勒比海、南美、中东、亚洲和非洲的*血吸虫*属血吸虫引起的NTD。大多数人类血吸虫病病例是由*曼氏血吸虫、血吸虫*或*日本血吸虫*引起的。*血吸虫*是唯一通过皮肤侵入的吸虫；所有其他吸虫都通过摄入感染。世卫组织估计，2014年至少有2.58亿人需要血吸虫病预防性治疗。[脚注]

世卫组织。“血吸虫病。情况说明书”。2016年。http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs115/en/。2016年7月29日访问。
血吸虫病
循环和淋巴系统的寄生虫感染
循环和淋巴系统感染
m58939
导言
m58940
大脑是身体中最复杂、最敏感的器官。它负责身体的所有功能，包括充当所有感觉、活动、情绪和智力的协调中心。对大脑的保护是由头骨的骨骼提供的，头骨又被头皮覆盖，如[链接]所示。头皮由外层皮肤组成，外层皮肤松散地附着在膈膜上，这是一个平坦、宽阔的肌腱层，锚定皮肤的浅层。在膈膜下面的骨膜牢牢地包裹着头骨的骨骼，并为骨骼提供保护、营养和骨骼修复的能力。在头骨的骨层下面是包围大脑的三层称为脑膜的膜。这些脑膜的相对位置如[链接]所示。最靠近颅骨的脑膜层被称为硬脑膜（字面意思是*坚韧的母亲*）。在硬脑膜下面是蛛网膜（字面意思是*蜘蛛状的母亲*）。最内层的脑膜层是一层微妙的膜，称为软脑膜（字面意思是*温柔的母亲*）。与其他脑膜层不同，软脑膜牢牢地附着在大脑的卷曲表面。在蛛网膜和软脑膜之间是蛛网膜下腔。这个区域内的蛛网膜下腔充满了脑脊液（CSF）。这种水样的液体是由脉络丛细胞产生的。脉络丛是大脑每个心室中由密集毛细血管床周围的立方上皮细胞组成的区域。CSF用于输送营养物质和清除神经组织中的废物。
中枢神经系统
PNS是由连接器官、四肢和身体其他解剖结构与大脑和脊髓的神经组成的。与大脑和脊髓不同，PNS不受骨骼、脑膜或血液屏障的保护，因此，PNS的神经更容易受伤和感染。周围神经的微生物损伤会导致刺痛或麻木，称为神经病。这些症状也可能由创伤和非传染性原因（如药物）或糖尿病等慢性病引起。
外周神经系统
神经神经系统和中枢神经系统的组织由神经胶质细胞和神经元组成。神经胶质细胞协助神经元的组织，为神经元功能的某些方面提供支架，并有助于神经损伤的恢复。
神经系统的细胞
尽管头骨为大脑提供了极好的防御，但在感染过程中也会出现问题。任何由炎症引起的大脑或脑膜肿胀都会导致颅内压，导致脑组织严重受损，脑组织在头骨僵硬的骨骼中扩张的空间有限。脑膜炎一词用于描述脑膜炎症。典型症状包括严重头痛、发烧、畏光（对光的敏感性增加）、颈部僵硬、抽搐和混乱。脑组织炎症称为脑炎，患者除了嗜睡、癫痫发作和性格变化外，还表现出与脑膜炎相似的体征和症状。当炎症同时影响脑膜和脑组织时，这种情况称为脑膜脑炎。所有三种炎症都很严重，会导致失明、失聪、昏迷和死亡。
脑膜炎和脑炎
神经系统解剖
m58941
细菌性脑膜炎是最严重的脑膜炎之一。引起脑膜炎的细菌通常在创伤后或由于细菌毒素的作用，通过血液进入中枢神经系统。细菌也可能从上呼吸道的结构传播，如口咽、鼻咽、鼻窦和中耳。头部伤口或耳蜗植入物（放置在内耳的电子设备）的患者也有患脑膜炎的风险。
细菌性脑膜炎
梭菌属是革兰氏阳性的内孢子形成棒，是专性厌氧菌。梭菌的内孢子在自然界中广泛存在，通常存在于土壤、水、粪便、污水和海洋沉积物中。梭菌产生的蛋白质外毒素比任何其他细菌属都多，包括两种具有蛋白酶活性的外毒素，它们是已知最有效的生物毒素：肉毒杆菌神经毒素（BoNT）和破伤风神经毒素（TeNT）。这两种毒素的致命剂量为每公斤体重0.2-10纳克。
*梭菌*-相关疾病
汉森氏病（也称为麻风病）是由一种长而薄的丝状杆状细菌*麻风分枝杆菌*引起的，麻风分枝杆菌*是一种专门的细胞内病原体。*麻风分枝杆菌*被归类为革兰氏阳性细菌，但最好用抗酸染色在显微镜下观察，通常被称为抗酸细菌。汉森氏病影响PNS，导致附件或其他身体部位的永久性损伤和丢失。
汉森氏病（麻风病）
神经系统的细菌性疾病
m58942
虽然它比细菌性脑膜炎常见得多，但病毒性脑膜炎通常不太严重。许多不同的病毒会导致脑膜炎作为原发性感染的后遗症，包括那些导致疱疹、流感、麻疹和腮腺炎的病毒。大多数病毒性脑膜炎病例会自发消退，但严重病例确实会发生。
病毒性脑膜炎
寨卡病毒感染是一种新兴的虫媒病毒疾病，在非洲、东南亚和南美洲和中美洲与人类疾病相关；然而，由于其蚊子载体的广泛范围，其范围正在扩大。2016年报告了第一批源自美国的病例。寨卡病毒最初是在1947年通过监测黄热病的网络从乌干达寨卡森林的猴子身上描述出来的。直到2007年密克罗尼西亚首次大规模爆发，它才被认为是严重的人类病原体；[脚注]然而，该病毒在过去十年中声名狼藉，因为它已经成为类似于其他虫媒病毒感染的症状的原因，包括发烧、皮疹、结膜炎、肌肉和关节疼痛、不适和头痛。*伊蚊*属的蚊子是主要媒介，尽管病毒也可以通过性传播，在怀孕期间或通过输血传播给胎儿。

Sikka、Veronica、Vijay Kumar Chattu、Raaj K. Popli、Sagar C.Galwankar、Dhanashree Kelkar、Stanley G.Sawicki、Stanislaw P.Stawicki和Thomas J.Papadimos，“寨卡病毒作为全球卫生安全威胁的出现：INDUSEM联合工作组（JWG）的审查和共识声明”，*《全球传染病杂志》*8，第1期（2016年）：3。
寨卡病毒感染
狂犬病是一种致命的人畜共患病，自古以来就为人所知。这种疾病是由狂犬病病毒（RV）引起的，RV是横纹肌病毒科的成员，主要通过被感染哺乳动物的叮咬传播。横纹肌病毒科是包膜RNA病毒，具有独特的子弹形状（[链接]）；它们首先由路易斯·巴斯德研究，他从狂犬病狗身上获得狂犬病病毒，并在兔子身上培养了这种病毒。他成功地利用受感染动物的干燥神经组织制备了狂犬病疫苗。这种疫苗在1885年首次用于治疗受感染的人类。
狂犬病
脊髓灰质炎（脊髓灰质炎）由脊髓灰质炎病毒引起，是一种主要的肠道疾病，在小部分病例中，它会进入神经系统，导致瘫痪，并可能导致死亡。脊髓灰质炎病毒具有高度传染性，通过粪便-口腔途径或气溶胶或飞沫传播。大约72%的脊髓灰质炎病毒感染没有症状；另有25%仅导致轻微的肠道疾病，导致恶心、发烧和头痛。[脚注]然而，即使没有症状，感染病毒的患者也会通过粪便和口腔分泌物传播病毒，从而可能将病毒传播给他人。大约每200例脊髓灰质炎病毒中就有一例影响中枢神经系统中的细胞。[脚注]

美国疾病控制和预防中心，“全球健康-脊髓灰质炎”，2014年。2016年6月30日访问。http://www.cdc.gov/polio/about/index.htm.US疾病控制和预防中心，“全球健康-脊髓灰质炎”，2014年。2016年6月30日访问。http://www.cdc.gov/polio/about/index.htm。
脊髓灰质炎
称为朊病毒的无细胞传染性病原体是人类和其他动物中发生的一组相关疾病，称为传染性海绵状脑病（TSE）。所有TSE都是脑组织被朊病毒感染时发生的退化性致命神经系统疾病。这些疾病发病缓慢；症状可能要到几年甚至几十年的潜伏期后才会显现出来，但死亡通常发生在第一个症状出现后的几个月到几年内。
传染性海绵状脑病
神经系统的脱细胞性疾病
m58943
*新生隐球菌*是一种可导致脑膜炎的真菌病原体。这种酵母常见于土壤中，特别与鸽子粪便有关。它有一个厚厚的胶囊，作为一个重要的毒力因子，抑制吞噬作用的清除。大多数*新生隐球菌*病例导致亚临床呼吸道感染，在健康个体中，这种感染通常会自发解决，没有长期后果（见呼吸真菌）。在免疫功能低下的患者或患有其他潜在疾病的患者中，感染可能会进展到导致脑膜炎和脑组织中肉芽肿的形成。*隐球菌*抗原还可以抑制细胞介导的免疫和延迟型超敏反应。
隐球菌性脑膜炎
原发性阿米巴脑膜脑炎（PAM）是由*福勒奈格莱菌*引起的。这种阿米巴鞭毛虫通常自由生活在土壤和水中。它可以以三种形式之一存在——感染性阿米巴滋养体形式、能动鞭毛虫形式和休眠囊肿形式。PAM是一种罕见的疾病，与年轻和其他健康的个体有关。个体通常在河流、湖泊和温泉等温暖的淡水中游泳时被阿米巴感染。致病性滋养体最初通过鼻腔通道进入鼻窦感染大脑；然后向下移动嗅觉神经纤维穿透黏膜下神经丛，侵入筛板，到达蛛网膜下腔。蛛网膜下腔是高度血管化的，是滋养体传播到中枢神经系统其他区域的途径，包括大脑（[链接]）。炎症和灰质的破坏会导致严重的头痛和发烧。几天内，就会出现混乱和抽搐，并迅速发展为癫痫发作、昏迷和死亡。进展可能非常迅速，这种疾病通常直到尸检才被诊断出来。
阿米巴脑膜炎
*棘阿米巴*和*巴拉姆提亚*物种是在许多淡水体内发现的自由生活的阿米巴。这些阿米巴对人类的感染很少见。然而，它们会导致隐形眼镜佩戴者的阿米巴角膜炎（见眼睛的原生动物和蠕虫感染），免疫功能低下患者的播散性感染，严重情况下的肉芽肿性阿米巴脑炎（GAE）。与PAM相比，GAE倾向于亚急性感染。微生物被认为是通过鼻窦或皮肤破裂进入的。它是血源性传播的，可以侵入中枢神经系统。在那里，感染会导致炎症、病变的形成和脑炎典型神经症状的发展（[链接]）。GAE几乎总是致命的。
肉芽肿性阿米巴脑炎
非洲人类锥虫病（也称为非洲昏睡病）是撒哈拉以南非洲两个不同地区特有的严重疾病。它是由昆虫传播的血鞭藻*布氏锥虫*引起的。亚种*布氏罗得西亚锥虫*导致东非锥虫病（EAT），另一个亚种*布氏冈比亚锥虫*导致西非锥虫病（WAT）。目前每年报告数百例EAT病例。[脚注]WAT更常见，往往是一种更慢性的疾病。每年约有7000至10000例WAT新病例被确定。[脚注]

美国疾病控制和预防中心，“寄生虫-非洲锥虫病（也称为睡眠病），东非锥虫病常见问题解答”，2012年。2016年6月30日访问。http://www.cdc.gov/parasites/sleepingsickness/gen_info/faqs-east.html.US疾病控制和预防中心，“寄生虫-非洲锥虫病（也称为睡眠病），流行病学和风险因素”，2012年。2016年6月30日访问。http://www.cdc.gov/parasites/sleepingsickness/epi.html。
非洲人类锥虫病
*弓形虫*是一种无处不在的细胞内寄生虫，会导致新生儿感染。猫是最终的宿主，人类在食用受感染的肉类后，或者更常见的是，通过摄入猫粪便中脱落的卵囊（参见循环和淋巴系统的寄生虫感染），就会被感染。*弓形虫*通过在血管内皮细胞之间传递进入循环系统。[脚注]大多数弓形虫病病例没有症状。然而，在免疫功能低下的患者中，由*弓形虫*感染引起的神经弓形虫病是脑脓肿最常见的原因之一。[脚注]该生物体能够通过感染大脑毛细血管的内皮细胞来跨越血脑屏障。寄生虫在这些细胞内繁殖，这似乎是进入大脑所必需的一步，然后导致内皮细胞裂解，将后代释放到脑组织中。这种机制与它最初进入血液的方法大不相同。[脚注]

Carruthers，Vern B.和Yasuhiro Suzuki，“*弓形虫*感染对大脑的影响”，*精神分裂症公报*33，第3期（2007年）： 745-51。Uppal，Gulsan，“艾滋病毒中的中枢神经系统弓形虫病”，2015年。2016年6月30日访问。http://emedicine.medscape.com/article/1167298-overview#a3.Konradt，Christoph，Norikiyo Ueno，David A.Christian，Jonathan H.Delong，Gretchen Harms Pritchard，Jasmin Herz，David J.Bzik等人，“内皮细胞是*弓形虫*进入中枢神经系统的复制生态位，”*Nature Microology*1（2016年）：16001。
神经弓形虫病
囊虫病是一种寄生虫感染，由猪肉绦虫的幼虫引起。当幼虫侵入大脑和脊髓时，这种情况被称为神经囊虫病。这种情况影响全世界数百万人，是发展中国家成人癫痫的主要原因。[脚注]

DeGiorgio，克里斯多夫M.，Marco T. Medina，Reyna Duron，Chi Zee和Susan Pietsch Escueta，“神经囊虫病”，*癫痫电流*4，第3期（2004年）：107-11。
神经囊虫病
神经系统真菌和寄生虫病
神经系统感染
m58946
生命是由物质组成的。物质占据空间，具有质量。所有物质都由**原子**组成。所有原子都包含**质子**、**电子**和**中子**（[链接]）。唯一的例外是氢（H），它由一个质子和一个电子组成。质子是一种带正电荷的粒子，驻留在原子核（原子的核心）中，质量为1个原子质量单位（amu），电荷为+1。电子是一种带负电荷的粒子，在原子核周围的空间中传播。电子分布在不同的能级，称为电子壳。电子的质量可以忽略不计，电荷为-1。中子和质子一样，驻留在原子核中。它们的质量为1 amu，没有电荷（中性）。正电荷（质子）和负电荷（电子）在中性原子中相互平衡，中性原子的净电荷为零。因为质子和中子的质量各为1 amu，原子的质量等于该原子的质子和中子的数量。电子的数量不计入总质量，因为电子质量太小了。
原子结构
所有物质都由**元素**的原子组成。元素具有独特的物理和化学性质，是不容易通过物理或化学方式转化为其他物质的物质。每种元素都有一个名称，通常源自拉丁语或英语。元素也有代表名称的一或两个字母的符号；例如，钠（Na）、金（Au）和银（Ag）的缩写分别源自它们最初的拉丁语名称*natrium*、*aurum、*和*argnum*。有英文缩写的例子有碳（C）、氢（H）、氧（O）和氮（N）。共有118种不同的元素（其中92种自然发生）已被识别并组织到元素周期表中。在天然存在的元素中，地球上生物体中发现的元素不到30种，其中四种（C、H、O和N）约占生物体质量的96%。[脚注]

《与星星一起生活：人体如何与地球、行星和恒星的生命周期相联系》，牛津大学出版社，美国，2015年。
化学元素
在描述微生物学中分子内部和分子之间的原子相互作用时，有三种类型的化学键很重要：（1）共价键，可以是极性的或非极性的，（2）离子键，和（3）氢键。在描述原子分子间相互作用的物理和化学性质时，也可以讨论其他类型的相互作用，如*伦敦*色散力和*范德华力，但我们不会在这里包括这些力的描述。
化学键
对于由共价键形成的分子，分子式表示构成该分子的元素原子的数量和类型。作为例子，考虑一个葡萄糖分子，它的分子式为C6H12O6。这个分子式表示一个葡萄糖单分子由六个碳原子、十二个氢原子和六个氧原子形成。
分子公式，分子质量和摩尔
热力学是指涉及物理物质的能量和能量转移的研究。
能源
**化学反应**发生在两个或多个原子结合在一起形成分子或结合的原子破裂时。化学反应中使用的物质被称为**反应物**（通常在化学方程式的左侧），反应产生的物质被称为**产物**（通常在化学方程式的右侧）。反应物和产物之间通常画一个箭头来指示化学反应的方向；这个方向并不总是“单行道”
化学反应
水分子内的氢原子和氧原子形成极性共价键。对水分子没有总体电荷，但每个氢原子上有一个@+，氧原子上有两个@-。每个水分子吸引其他水分子，因为分子不同部分的正负电荷（[link]）。水也吸引其他极性分子（如糖），形成氢键。当一种物质容易与水形成氢键时，它可以溶解在水中，被称为**亲水**（“亲水”）。氢键不容易与油和脂肪等非极性物质形成。这些非极性化合物是**疏水**（“怕水”），会远离和避开水。
水和溶液的性质
溶液的**pH**是氢离子（H+）和氢氧化物离子（OH-）浓度的量度，分别描述为**酸度**或**碱度，**。酸度和碱度（也称为碱度）可以测量和计算。pH可以简单地用数学方程表示，$\text{pH}={\text{−log}}}_{10}\左[{\text{H}}^{+}\右]。$在方程的左侧，“p”表示“的负对数”，H表示[H+]。在方程的右侧，[H+]是H+在摩尔/L中的浓度。在这个简单的方程中没有表示的是OH-的贡献，OH-也参与酸度或碱度。pH值的计算结果是0到14的数字范围，称为pH标度（[链接]）。0到6.9之间的pH值表示一种酸。由于[H+]浓度高，[OH-]浓度低，它也被称为低pH值。7.1到14之间的pH值表示碱或碱。由于[H+]浓度低，[OH-]浓度高，它也被称为高pH值。7的pH值被描述为中性pH值，当[H+]等于[OH-]时发生。
酸和碱
对微生物学很重要的物理和化学基础
m58947
指数或幂是重复乘法的数学速记。例如，指数“2”表示将该指数的基数乘以自身（在这里的示例中，基数是“5”）：
方块和其他权力
百分比是一种用分成100份的整体来表示某物的分数的方式。百分比是分母为100的比率。我们使用百分比符号%来显示百分比。因此，25%表示$\frac{25}{100}$的比率，3%表示$\frac{3}{100}$的比率，100%表示$\frac{100}{100}$或一个整体。
计算百分比
在许多领域，尤其是在科学领域，小数乘以10的幂是很常见的。让我们看看当我们把1.9436乘以10的幂时会发生什么。
乘除十
科学记数法用于表示非常大和非常小的数字为两个数字的乘积，乘积的第一个数字，数字项，通常是一个不小于1且不大于10的数字，乘积的第二个数字，指数项，用指数写成10，【链接】中给出了一些科学记数法的例子。
科学符号
将任何数字转换为科学记数法都很简单。计算将小数点移动到最左边的非零数字旁边所需的位数：也就是说，将数字设置在1到10之间。然后将该数字乘以10，得出您移动小数点的位数。如果您将小数点向左移动，则指数为正，如果您将小数点向右移动，则指数为负。所以
用科学符号表示数字
一个数字的公共对数（log）是10必须提高到等于该数字的幂。例如，100的公共对数是2，因为10必须提高到等于100的二次方。其他示例在[链接]中。
对数
在报告通过测量获得的数值数据时，我们只使用测量精度保证的有效数字。例如，假设微生物学家使用自动细胞计数器确定一升河水样本中有525,341个细菌细胞。然而，她将浓度记录为每升525,000个细胞，并使用这个四舍五入的数字来估计10升河水中可能存在的细胞数量。在这种情况下，测量量的最后三位数字被认为不重要。*它们四舍五入是为了考虑如果测量更多样本可能出现的细胞数量变化。
四舍五入和有效数字
如果已知起始单元格的数量和加倍时间，可以随时写一个方程来计算细胞数量，只要细胞以恒定的速率分裂。我们定义*N*0为细菌的起始数量，时间*t*=0的数量。*Ni*是时间*t*=*i*的细菌数量，未来的任意时间。最后我们将设置*j*等于世代数，或者细胞种群在时间间隔内翻倍的次数。然后我们有，
生成时间
[link]中的表格包含用于计算微生物如何生长中给出的最可能数字示例的值。
最大或然数
数学基础
m58948
糖酵解
恩特纳-杜多洛夫路径
戊糖-磷酸途径
TCA循环
β氧化
电子转运链与氧化磷酸化
卡尔文-本森循环
代谢途径
m58949
下表列出了文中提到的致病性真细菌的物种和一些更高的群体。细菌是生命的三个领域之一，随着通过基因序列采样变得更加清晰，细菌的分类不断变化。所有分类级别的许多群体与细菌系统发育树的其他成员仍有未确定的关系。*伯杰的古细菌和细菌系统学手册*维护着已发布的原核物种列表和描述。此处的表格遵循*伯杰手册*分类大纲中的分类组织。[脚注]

《古细菌和细菌分类学手册》，分类学大纲，2012http://www.bergeys.org/outlines.html
细菌病原体
病毒有几种分类系统。国际病毒分类委员会（ICTV）是负责病毒分类规则的国际科学机构。这里使用的ICTV系统根据遗传相似性和假定的单系性对病毒进行分类。病毒分类系统与细胞生物分类系统是分开的。ICTV系统将病毒分为七个目，其中包含相关的科。目前，有大量未分配的科与七个目有未知的亲缘关系。其中三个目只感染真细菌、古细菌或植物，没有出现在本表中。一些科可能分为亚科。也有许多未分配的属。像所有分类学一样，病毒分类学也在不断变化。最新的完整物种列表和分类可以在ICTV网站上获得。[脚注]

国际病毒分类学委员会。“ICTV主物种列表”http://talk.ictvonline.org/files/ictv_documents/m/msl/default.aspx
病毒性病原体
真菌是真核生物领域的王国之一。真菌与动物和其他一些小群体关系最密切，与植物和其他以前被归类为原生生物的群体关系更疏远。目前，真菌分为七个门（或部门，这是从真菌与植物一起研究开始的），但有些关系存在不确定性。[脚注]许多真菌群体，特别是那些以前被归类为Zygomycott a门的真菌，它不是单系的，与其他真菌的关系不确定。本表中列出的属于这一类的物种是*根霉。*真菌名称受《藻类、真菌和植物国际命名法》管辖，[脚注]但是国际真菌分类委员会（ICTF）也促进真菌的分类工作。ICTF的一项活动是宣传医学和其他重要真菌物种的名称变更。许多以前有两个名字（一个是有性形式，一个是无性形式）的物种现在被合并到一个名字下。

D. S.Hibbett等人。《真菌的高级系统发育分类》。*真菌学研究*111 No.5（2007）：509-547。J.McNeill等人。*国际藻类、真菌和植物命名规范（墨尔本规范）*。德国Oberreifenerg。Koeltz科学书籍；2012。http://www.iapt-taxon.org/nomen/main.php？
真菌病原体
与二三十年前相比，以前被归类为原生生物的生物之间的关系（以及它们的分类学）得到了更好的理解，但这仍然是一个半成品。2005年，Eukarya被分为六个超级组。[脚注]最新的高级分类结合了以前的两个超级组，产生了一个由五个超级组组成的系统。[脚注]这种分类是为原生动物学家协会开发的，但它不是唯一建议的方法。五个超级组中的一个包括动物、真菌和一些较小的原生生物组。另一个包含绿色植物和三个藻类组。其他三个超级组（列在下面的三个表格中）包含其他原生生物，其中许多会导致疾病。此外，还有大量原生生物组的关系尚不清楚。在这里所代表的三个超群中，我们已经指出了列出的病原体所属的门。

*真核微生物学杂志*52第5期（2005年）：399-451。S. M.Adl等人：《真核生物的修订分类》*真核微生物学杂志*59第5期（2012年）：429-514。
原生动物病原体
寄生虫的分类仍然存在许多不确定性，所有这些寄生虫都属于动物王国。致病物种存在于两个门中：线虫门，即蛔虫门和扁虫门。线虫门被初步分为两类[脚注]，其中一类是Chromadorea，可能包含不相关的群体。寄生扁虫包含在扁虫的三类中，其中两类对人类很重要，吸虫和虫虫。

国家生物技术信息中心。《分类浏览器：线虫》。http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Browser/wwwtax.cgi?id=6231
寄生蠕虫
临床相关微生物分类
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