第二节 支原体的营养及代谢
一、营养
（一）营养成分
支原体基因组很小，生物合成和代谢能力相当有限，因此支原体生存所需的营养成分主要从外界摄取。支原体对营养物质要求苛刻，所需的主要营养成分包括胆固醇、脂肪酸、核酸前体和供给能量的物质等。
1.胆固醇和脂肪酸
除无胆甾原体外，大多数支原体的生长需要胆固醇，通常在培养基中加入牛或马血清，为支原体生长提供胆固醇和必需的饱和或不饱和脂肪酸。血清中所含胆固醇的主要成分为高密度脂蛋白（HDL），血清中的白蛋白是支原体生长所需脂肪酸的载体。由于不同动物甚至同种动物不同批号的血清所含HDL、低密度脂蛋白（LDL）和极低密度脂蛋白（VLDL）的量有差异，故用其培养支原体的效果也有所不同。Meera等利用非靶向代谢组学技术证实感染猪肺炎支原体的猪的血清中肉豆蔻酸、棕榈油酸、油酸和亚油酸等脂肪酸的含量显著上升，说明猪肺炎支原体生长繁殖时对脂肪酸具有强烈需求。
2.核酸前体
支原体缺乏合成嘧啶所需的乳清酸代谢途径和合成嘌呤所需的酶促代谢途径，因此培养基内至少应提供一种嘌呤碱和嘧啶碱。由于支原体缺乏核苷酸从头合成途径，核苷激酶和脱氧腺苷激酶能把核苷和脱氧核苷磷酸化为相应的核苷酸。实验证明，许多支原体如白丝状支原体丝状亚种，其酶系统能将培养液中的核苷分解为自由碱基，因此可以通过补救合成途径合成所需核苷酸，而人工培养的真核细胞则很难利用嘌呤碱或嘧啶碱，据此可以检测真核细胞培养物中是否受到支原体的污染。
3.供给能量的物质
支原体的能量代谢系统比较简单，呼吸链不完整，缺乏醌、细胞色素和三羧酸循环所需的酶类等，因此，支原体主要依靠底物的磷酸化产生ATP，而不是氧化磷酸化过程。大部分支原体以葡萄糖、精氨酸、尿素和有机酸（如乳酸和丙酮酸）等原料作为能量来源。解脲脲原体缺乏糖酵解、精氨酸ATP水解酶或乙酸激酶-ATP产生途径，但含有尿素水解酶，因此尿素可能是解脲脲原体所需能源物质。能量产生的机制可能是胞外尿素的水解导致氨离子堆积，通过化学渗透机制与ATP偶联而产生能量。
4.其他
除了以上营养物质外，支原体的生长还需要DNA、NADH、核黄素、血清等生长因子。
培养基中的营养成分对支原体的发育有较大影响，如甘油三油酸酯等长链不饱和脂肪酸使支原体形成类似灯丝样形状。另外，脂肪酸量的不均衡或不饱和脂肪酸的缺少会使支原体菌体膨胀而导致不能正常发育。但这些影响在不同支原体菌种之间也会有些差异。值得注意的是，尽管支原体对营养要求苛刻，但并非营养成分越丰富，培养效果越好。有些“难培养”支原体并非是缺乏相应的营养成分，而是某种营养成分对支原体具有毒性作用。如蛋白胨和酵母提取液中的某些成分是部分支原体的生长抑制因子。
（二）转运系统
由于支原体的生物合成能力有限，许多营养物质需要依靠外源性供给，因此支原体需要较多的运输系统来运输营养物质。但与大肠埃希菌和枯草杆菌相比，支原体拥有的运输蛋白数量并不多，这可能是由于支原体只有一个通透屏障，其运输系统的底物特异性较低，而且生物合成过程中耗能少等所致。支原体的呼吸（能量代谢）系统比较简单，缺乏泛醌、细胞色素等，呼吸链进行到黄素蛋白即终止了，故ATP的产生主要依靠底物水平磷酸化，而不是氧化磷酸化。
在支原体中已发现3种类型的转运系统，即ABC转运系统、依赖磷酸烯醇丙酮酸的磷酸转移酶系统（PTS）和易化扩散。
1.ABC转运系统
ABC转运系统由两个ATP结合区、两个跨膜区和一个底物结合区组成，主要参与胞内和胞外间的物质转运，包括糖类、肽类、蛋白质和毒素等。该系统的某些蛋白质具有相变异的特征，能相应地改变底物的特异性和转运功能。Dudler等首先证实在猪鼻支原体（M. hyorhinis）和猪肺炎支原体（M. hyopneumoniae）中存在ABC转运系统。现已证实肺炎支原体、生殖支原体和发酵支原体都具有ABC转运系统。
2.依赖磷酸烯醇丙酮酸的磷酸转移酶系统（PTS）
PTS是大多数细菌的糖转移系统，包含对糖专一的酶Ⅱ和不专一的酶Ⅰ及热稳定性组氨酸磷酸化蛋白（heat-stable histidine-phosphoryl protein, HPr）。研究表明，山羊支原体有与大肠埃希菌相似的PTS，但两者的酶Ⅱ和HPr的分子结构有差异，二者没有交叉免疫反应。山羊支原体酶Ⅱ的作用还与细胞内环腺苷酸（cAMP）水平的调节有关。当基质中葡萄糖的浓度上升时，体内cAMP的浓度则下降。研究表明在培养基中添加甘油, HPr激酶/磷酸化酶（HPrK/P）的活性会显著增加。肺炎支原体的HPrK/P在低ATP浓度时即具有激酶活性，而其他细菌的HPrK/P需要高ATP浓度时才能发挥激酶活性。有些支原体如莱氏无胆甾原体缺乏PTS，但用其离体细胞膜制成的膜小囊能主动运输糖类。实验证明，双环己基碳化二亚胺（膜结合的ATP酶的抑制剂）和砷酸盐（糖酵解磷酸化作用的抑制剂）能抑制该支原体的糖运输，说明其主动运输所需能量来自糖酵解和ATP的水解。总之, HPr和HPrK/P是PTS发挥功能的重要组成部分，对支原体的能量摄取具有重要作用。
3.易化扩散
支原体中存在的易化扩散以跨膜蛋白作为载体。许多必需的营养物质，例如葡萄糖和氨基酸都不溶于脂质，但在跨膜蛋白的帮助下，可以被动跨膜转运。被转运的分子先与跨膜蛋白质膜一侧的特定部位选择性结合，使跨膜蛋白质发生构象改变，把所结合的分子转运到浓度较低的膜的另一侧，并将之释放出来，此时，载体再恢复到原来的构象以进行下一次的结合和转运。
二、代谢
根据对糖类分解的能力不同，可将支原体分为发酵型和非发酵型两种。发酵型支原体主要依靠糖酵解途径分解糖类物质产酸而使培养基的pH下降，除脲原体属以外多数支原体主要依靠糖酵解途径分解葡萄糖合成ATP作为能源。另外，在支原体中也检测到编码丙酮酸复合体、磷酸乙酰转移酶和丙酮酸激酶的基因，故其分解葡萄糖的最终代谢产物主要是乳糖、丙酮酸、脂肪酸及ATP。
非发酵型支原体主要通过精氨酸脱氢酶、鸟氨酸甲酰转移酶及氨基甲酸激酶等，将精氨酸通过底物水平磷酸化而分解成瓜氨酸、鸟氨酸、CO2、NH3及产生ATP而获得能量。由于精氨酸脱氢酶途径在一些发酵型的螺原体和少数发酵型支原体中也存在，因此，当培养基中同时有葡萄糖和精氨酸时，分解葡萄糖产生的酸可能被分解精氨酸产生的碱中和，使其pH不发生明显改变而影响精氨酸利用试验的结果判断。
此外，有一些支原体如无乳支原体（M.agalactiae）、牛生殖道支原体（M. bovigenitalium）和牛支原体（M. bovis）既不发酵糖类，也不能分解精氨酸，但是能将一些有机酸如乳酸、丙酮酸等经乳酸激酶、丙酮酸激酶氧化为醋酸和CO2以供给能量。脲原体虽不能利用葡萄糖及精氨酸，也不能经乳酸激酶途径产生ATP，但脲原体自身具有的尿素酶能分解尿素产生NH3。尿素酶在pH 5.0～6.0时活性较好，但在pH 8.0以上则迅速失去活性。
利用支原体的上述代谢特性，培养支原体时可在培养基中添加葡萄糖、精氨酸或尿素作为底物，并以酚红作指示剂，底物的分解使培养基的pH升高或降低，将培养基的颜色改变情况作为判断各类支原体生长的初步指征。另外，肺炎支原体能还原美蓝，在有氧条件下能使无色的2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）还原为粉红色的三苯甲簪，并产生H2O2，临床可根据这些特性来鉴定肺炎支原体。支原体还具有吸附哺乳动物红细胞并且使其破坏而发生溶血的特性，如肺炎支原体对豚鼠红细胞的溶血反应表现为“β”溶血环，其他支原体则表现为“α”或“γ”溶血环，这些溶血特性可作为鉴定支原体型别的重要指标。
（曾焱华）