大腸埃希菌具有多種致病物質，如內毒素，莢膜，III型分泌係統等。III型分泌係統是指能向真核靶細胞內輸送毒性基因產物的細菌效應係統，約由20餘種蛋白組成。這是腸杆菌科成員一般的毒力因子，大腸埃希菌還具有自身一些特殊的毒力因子，主要是定植因子和外毒素，特別在引起泌尿道感染和胃腸炎等疾病上起重要作用。
1、定植因子又稱黏附素。大腸埃希菌的黏附素能使細菌緊密黏著在泌尿道和腸道的細胞上，避免因排尿時尿液的衝刷和腸道的蠕動作用而被排除。大腸埃希菌黏附素的特點是具有高度特異性，能刺激宿主產生特異性抗體。它們包括定植因子抗原I、II、III；集聚黏附菌毛I和III；束形成菌毛；緊密黏附素；P菌毛（因能與P血型抗原結合而命名）；侵襲質粒抗原蛋白和Dr菌毛（能與Dr血型抗原結合）等。
2、外毒素大腸埃希菌可產生多種外毒素，它們是誌賀毒素I和II；耐熱腸毒素a和b；不耐熱腸毒素I和II。此外，溶血素A在尿路致病性大腸埃希菌所致疾病中有重要作用。
3、K抗原具有抗吞噬作用。
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