结核分枝杆菌的分类
从最早有关结核病的记载到结核杆菌的最终被发现和逐渐认识加深，人类经历了一个漫长的历史时期。
依据生物分类学系统，结核杆菌属于细菌界、厚壁菌门、裂殖菌纲、放线菌目、分枝杆菌科、分枝杆菌属。
自结核杆菌发现以来，新发现的分枝杆菌属的成员已增添到100多种。
根据新版《伯杰细菌鉴定手册》，又将分枝杆菌属菌种基本分为两大类：一类是在营养丰富的培养基内，在适宜培养温度条件下，接种很稀的新鲜培养物，在7天以内肉眼可见单个菌落者，称为快速生长分枝杆菌。二类是在7天以上者则为缓慢生长分枝杆菌。麻风分枝杆菌虽然也属于后一类，但在体外不能生长，尚难于用人工方法加以培养。
结核分枝杆菌的形态
结核杆菌一般多是细长杆菌，形状稍弯曲，两端钝圆，长为1~5μm，宽（厚度）为0.2~0.6μm，呈单个或分枝状排列，无荚膜、无鞭毛、无芽孢。显微镜下可观察到结核分枝杆菌形态常不典型，可呈多态性。在生长发育时可呈分枝状，排列成V、Y、X等形态。化学药物治疗后，可增加结核分枝杆菌形态多样性出现的机会。
结核分枝杆菌各种形态可进一步归纳为杆状型（基本形态）、球状型（L型）、滤过型、颗粒型四种形态类型。
一、杆状型（基本形态）
在对临床标本镜检时，除观察到典型杆菌形态外，往往会发现长度、弯曲度各异的结核分枝杆菌的多种形态，甚至出现串珠状、棒状和丝状形态。
二、球状型（L型）
结核杆菌在体内外物理、化学和免疫等多种因素的压力下，维持菌体基本形态的细胞壁会缺陷或丢失，造成发育不全的球状型形态。细胞壁缺陷程度可以是不同的，细胞壁改变最小的是分枝杆菌缺乏型，又称诺卡氏菌样变异型，最早由Steenken氏于1936年在一结核分枝杆菌陈旧性菌落中心发现。对结核杆菌球状型研究较多的是L型菌。这是一种细胞壁成分全部或大部缺失的细胞壁缺陷型。L型菌一般呈圆球状，同时也存在多种形态。
三、滤过型
1901年，Foutes最早在经细菌滤器过滤的结核杆菌培养液中检查到结核杆菌的滤过型菌。1926年，Calmette等提出结核菌的滤过形式有传染性。有研究结果显示，抗痨治疗6个月后可引起结核杆菌菌群性质的变化。此时，病变组织中可出现滤过型。而这些滤过型保持了结核杆菌的遗传信息，能够进行复制，可再次引起结核病。
四、颗粒型
1907年，莫赫（Much）在结核性囊性脓肿、浆液性渗出液、淋巴结等脓液中观察到革兰氏阳性颗粒，称为莫赫颗粒。推测莫赫颗粒是结核分枝杆菌非抗酸性非细胞型体，有感染豚鼠并发育成正常杆菌的能力。
结核分枝杆菌的微细结构及基因组结构
结核分枝杆菌细胞结构由细胞壁、细胞膜、细胞质结核杆菌组成。细胞壁骨架是由肽聚糖和类脂质连接而成，因此也可认为是革兰氏阳性菌。在电子显微镜下可进一步观察到菌体微细结构。
近年来发现结核分枝杆菌细胞壁外尚有一层荚膜。一般因制作切片时遭受破坏而不易看到。若在制备电镜标本固定前用明胶处理，可防止荚膜脱水收缩。在电镜下可看到菌体外有一层较厚的透明区，即荚膜，荚膜对结核分枝杆菌有一定的保护作用。
结核分枝杆菌的细胞膜的外层为坚硬的肽聚糖（PG）层。在PG层的外侧，PG与阿拉伯半乳聚糖（AG）连接。在AG的外侧为分枝菌酸。菌体表面结构的最外层为糖脂，多与分枝菌酸相连。海藻二糖的PCT、AG和分枝菌酸盐复合物（索状因子）也与细胞壁结构相连结。核菌体细胞壁的酰化海藻糖-2‘-硫酸盐可能在细菌的毒力上起重要的作用，因为多数有毒力的结核分枝杆菌能产生酸性硫脂，与细菌灭活巨噬细胞中吞噬体的作用有关系。
结核分枝杆菌细胞壁成分之一的阿拉伯甘露糖脂（lipoarabinomannan，LAM），从细胞膜开始一直延伸贯穿整个细胞壁，乃至于细菌表面。结核分枝杆菌的LAM的阿拉伯糖末端连接有数个甘露糖残基。而快速生长的非致病性分枝杆菌LAM的阿拉伯糖末端则连接肌醇磷酸盐。末端结构的差异也反映了细菌对巨噬细胞反应上的不同。
1998年，英国Sanger中心和法国Pasteur研究所联合报告了结核杆菌H37Rv全基因组序列图。该研究表明，结核杆菌基因组大小为4.4Mbp，包含4000多个基因，约3995个开放阅读框架，占整个基因组编码容量的91%，大多数用于编码脂类代谢酶；其中，蛋白质编码基因有3924个开发读码框，90%具有潜在编码能力。牛分枝杆菌的全基因组序列于2003年完成。基因组序列4345492bp，平均G+C含量为65.63%，共有3951个基因编码蛋白质，包括一个原噬菌体和42个插入序列（IS）。令人惊讶的是，基因组在核苷酸水平上99.95%与肺结核分枝杆菌相同，但是遗传信息的缺失已经引起基因组的减小。此外，牛分枝杆菌没有独一无二的基因暗示不同的基因表达可能对人和牛分枝杆菌的宿主取向有重要意义。基因组测序表明牛分枝杆菌有11个缺失区，大小从1kb 到12.7kb ，这些已经通过测序被证实。值得注意的是，在牛分枝杆菌基因序列中包含一个基因座TbD1，现有的肺结核分枝杆菌菌株的大多数都不含有该基因座。因此，总体水平上讲，缺失是修整牛分枝杆菌基因组的主要机制。
在牛分枝杆菌和肺结核分支杆菌H37Rv间存在着2437个单核苷酸多态性（SNPs），与肺结核分枝杆菌CDC1551间存在着2423个单核苷酸多态性SNPs。3个分枝杆菌同一长度的基因组编码2504个蛋白（CDS）的比较揭示出牛分枝杆菌有1629个编码序列与肺结核分枝杆菌H37Rv是相同的，1656个蛋白编码序列CDC1551是相同的。通过对编码2082个蛋白序列的比较显示H37Rv和CDC1551两种肺结核分枝杆菌菌株中没有区别。在所选的编码序列中，与肺结核分枝杆菌H37Rv相比，牛分枝杆菌有506个同义和769个非同义单核苷酸多态性。与肺结核分枝杆菌CDC1551相比，牛分枝杆菌有506个同义和800个非同义单核苷酸多态性。这个分析不仅强调了肺结核分枝杆菌复合物成员的基因序列的守恒，也说明牛分枝杆菌与肺结核分枝杆菌的差异。
在牛分枝杆菌AF2122/97和肺结核分枝杆菌H37Rv间，在基因编码的29种不同的PE-PGRS和28种PPE蛋白上，在编码框内有由插入和缺失产生的大量的序列变异而其他都是移码。因为这些蛋白中有60%不同，很明显，大部分基因相同的基因组的剩余部分是不一致的表明这些基因家族序列广泛得多态性，变异来源于选择压力。对牛结核分枝杆菌基因组序列的比较分析，可以说明，牛结核分枝杆菌主要表型特点的遗传依据，遗传信息的缺失是修整基因组的主要方式。
结核分枝杆菌菌体成分与生物活性
一、脂类
脂质占菌体干重的20%～40%，占胞壁干重的60%，主要是磷脂、脂肪酸和蜡质，它们大多与蛋白质或多糖物质结合成复合物存在。结核菌体脂类含量比其他细菌高，是引起结核病特征性变化与表现的物质基础。脂质含量与细菌毒力相关，毒力强的结核分枝杆菌含脂最高。
二、多糖
由阿拉伯半乳聚糖、阿拉伯甘露聚糖、甘露聚糖和葡聚糖等组成。多以脂类、蛋白质和核酸等结合形式存在。是免疫反应的重要抗原物质。
三、蛋白质
结核分枝杆菌含多种蛋白质组分，由不同菌体蛋白及活菌在生长过程中分泌于细胞外的多种蛋白组成，是结核菌的主要抗原性物质。结核菌素（OT）、纯蛋白衍生物（PPD）为多种蛋白的复合抗原，可刺激机体免疫应答。
四、核酸
RNA含量比DNA高4～5倍。RNA分布于细胞质内，DNA存在于细胞核中。DNA是遗传物质，将遗传信息传给子代，并指导RNA的合成。RNA是蛋白质和其他细胞成分合成所必须的物质。
五、盐类
钙、钾、镁、铁、磷等，约占菌体成分的6％。
结核分枝杆菌的生长代谢
结核杆菌为专性需氧菌，在体外培养时营养要求高，须在含有蛋黄、马铃薯、甘油和天门冬素等的固体培养基上才能生长。最适pH值为6.5～6.8，最适温度为37℃。在固体培养基上生长缓慢，接种后培养3～4周才出现肉眼可见的菌落。菌落干燥、坚硬，表面呈颗粒状，呈乳酪色或黄色，形似菜花样。在液体培养内呈粗糙皱纹状菌膜生长，若在液体培养基内加入水溶性脂肪酸，如Tween-80，可降低结核杆菌表面的疏水性，使其呈均匀分散生长，此法有利于作药物敏感试验等。
结核分枝杆菌的新陈代谢包括结核分枝杆菌如何获得营养、如何转化这些营养成分为低分子量的代谢中间产物，然后如何组装这些代谢产物成为细胞增殖所需要的大分子，最终显示各种生物学现象。其研究对于结核病的预防、治疗和药物靶标的设计是非常重要的。
总体来说，在糖代谢和能量代谢上结核分枝杆菌并无特异之处。但结核分枝杆菌菌株更适应低氧分压环境。氧存在时，进行氧代谢。在氧缺乏时，如坏死组织内，结核分枝杆菌呼吸抑制，三羧酸循环关闭，替代以酵解支路。氧代谢的关闭可能是细胞休眠的信号。在组织中，结核分枝杆菌是如何获得氧的供应仍不清楚。在宿主细胞中，氧是由各种含血红素成分供给的。因此，在细胞组织中，结核分枝杆菌将面对一低氧分压环境，而在坏死组织中，细胞几乎处于缺氧状态。
在宿主组织内存在远多于碳水化合物的大量的脂质。结核分枝杆菌对脂质进行脂解和利用。外源性脂质可能抑制脂质合成酶系。
质膜是结核杆菌多种酶所在处。质膜上磷脂的代谢转化是利用宿主磷脂酰胆碱，转化为分枝杆菌质膜的磷脂酰乙醇胺。结核分枝杆菌由磷脂酰肌醇在鸟苷二磷酸－甘露糖等途径合成胞膜的磷脂酰肌醇甘露聚糖。和快速生长的分枝杆菌相比，结核分枝杆菌失去了调控质膜流动性的能力，35℃时主要合成18碳的棕榈酸，与10℃时合成的16碳脂肪酸相比，减少了流动性。
肽葡聚糖又称粘肽，结合了二氨基庚二酸后构成胞壁的内层。和一般细菌相比，分枝杆菌的肽葡聚糖的肽聚糖存在两个差异：一是在两个二氨基庚二酸残基之间和D-丙氨酸二氨基庚二酸之间由一肽键相连；二是N-乙醇酰胞壁酸代替了普通的N-乙酰胞壁酸。
分枝菌酸是结核分枝杆菌的重要成分。分枝菌酸特异性地与阿拉伯半乳聚糖的5-阿拉伯糖基序连接。估计结核分枝杆菌约有250个酶参与脂肪酸合成。而大肠杆菌仅为50个酶参与。因此，结核分枝杆菌启动不同的合成系统。在体内，主要启动脂解酶系统。目前，已发现了36个酰基辅酶A合成酶和36个酶成员组成的家族，催化宿主脂肪酸降解的开始。分枝菌酸是有α侧链的β-羟基酸。α侧链为24或26碳链脂肪酸，而β-羟基酸则是长达56碳链脂肪酸。此羟基酰单元和寡分枝菌酸单位有分枝杆菌的分类特征，可鉴定分枝杆菌。在结核分枝杆菌中发现海藻糖分枝杆菌转移酶，此酶无水解分枝杆菌活性，可能参与分枝菌酸向胞壁的转运。分枝杆菌的外凝集素参与分枝菌酸在胞壁上的定位。分枝菌酸的合成阶段仍未阐明。但索状因子——6，6-二分枝酰-a，a’-海藻糖是由分枝菌酸转酰酶合成的。
结核分枝杆菌的毒力
细菌的病原性或致病性包含着病原菌引起宿主病理性反应及反应强度两方面含义。后一含义即通常所称的毒力。因此，病原菌的病原性和毒力是两个不等同的概念。前者为菌种的属性，后者指不同菌株的毒力。
现有研究表明，世界各地区结核分枝杆菌野生株总毒力水平及地区内各野生株的强毒株和弱毒株的构成比也是不一样的。据报道，南印度地区分离的野生株75％以上是弱毒株，而日本和英国野生株强毒株占优势。我国学者报道，上海地区强毒株比例为45.5％，中等毒力株29.5％，弱毒株15.9％。另一报道指出，北京、黑龙江、新疆、四川和海南地区90％以上的野生株为强毒株。这种毒力异质性可能和感染者的发病、发展和预后有关。
结核分枝杆菌不像普通细菌能产生内毒素和外毒素，也无荚膜和细胞外侵袭性酶类。其毒力、致病性主要是与其在机体细胞内、外生长与大量繁殖，机体由菌体成分及其代谢产物引起免疫损伤以及变态反应导致一系列组织学上的变化有关。其毒性物质主要是索状因子和硫脂，也包括其他的脂类和菌体蛋白。