微生物细胞的结构与功能

第三章 微生物细胞的结构与功能,第一节 原核微生物 第二节 真核微生物,第一节 原核微生物,原核微生物：是指一大类细胞微小、细胞核无核膜包裹（只有称作核区的裸露DNA）的原始单细胞生物。 与真核微生物的主要区别： 基因组由无核膜包裹的双链DNA组成； 缺乏由单位膜分隔、包围的细胞器； 核糖体为70S型。 原核微生物分两个域： 细菌域：细菌、放线菌、蓝细菌、 枝原体、立克次氏体和 衣原体等。 古生菌域,细菌细胞的构造： 一般构造 细胞壁，细胞膜， 细胞质和核质 特殊构造 鞭毛，菌毛， 性菌毛和糖被 （荚膜或粘液层）,一、 细胞壁,（1）细胞壁（cell wall）：是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖，具有固定细胞外形和保护细胞不受损伤等多种生理功能。,细胞壁的主要功能,维持细胞外形； 细胞生长、分裂和鞭毛运动所必须； 阻拦大分子有害物质； 与细菌的抗原性、对抗生素和噬菌体的 敏感性有关。,1. 革兰氏阳性菌的细胞壁,特点： 厚度大 （2080nm） 组成： 肽聚糖 （占90） 磷壁酸 （占10）,G+菌细胞壁结构,磷壁酸（teichoic acid）： 结合在G菌胞壁上的一种酸性多糖，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。 磷壁酸的结构 （五种类型）- 主要为甘油磷壁酸 和核糖醇磷壁酸两类,甘油磷壁酸的结构模式（左）及其单体（虚线范围内） 的分子结构（右）,磷壁酸的种类： 壁磷壁酸 膜磷壁酸,磷壁酸的生理功能,结合镁离子（Mg2），提高胞膜合成酶活力； 储藏磷元素； 增强细菌与宿主细胞粘连、抗吞噬和抗补体； 表面抗原； 噬菌体受体； 调节胞内自溶酶（autolysin）活力，防自溶。,2. G菌细胞壁,特点：较薄，层次多，成分较复杂； 组成：肽聚糖（23nm）； 外膜,G菌的肽聚糖,G菌的肽聚糖与G菌肽聚糖的区别： 四肽侧链的第三位为二氨基庚二酸（mDAP） 没有肽桥,外膜 （outer membrane）,是G菌细胞壁的特有结构， 位于壁的最外层，为脂多糖、 磷脂和若干膜蛋白。 外膜的组成结构： 脂多糖（lypopolysaccharide，LPS）：G菌细胞壁最外层， 较厚（810nm）由类脂A，核心多糖和o特异性多糖组成； 磷脂：脂多糖和脂蛋白之间； 脂蛋白：磷脂层与肽聚糖之间。 外膜蛋白：嵌合在LPS和磷脂层外膜上的20多种蛋白，如孔蛋白（porin） 孔蛋白（porin）：结构三聚体跨膜蛋白孔道； 功能控制某些物质进入胞内。,外膜的主要功能,类脂A是G菌的致病物质内毒素； 与磷壁酸相似，吸附阳离子的功能； 与抗原性有关； 噬菌体吸附受体； 物质交换、屏障功能。,外膜蛋白：嵌合在LPS和磷脂层外膜上的20多种蛋白， 如孔蛋白（porin） 孔蛋白（porin）：结构三聚体跨膜蛋白孔道； 功能控制某些物质进入胞内。,周质空间 (periplasmic space, periplasm) 又称壁膜间隙。在G细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约1215nm），呈胶状。存在着多种周质蛋白（periplasmic proteins）： 水解酶类，例如蛋白酶、核酸酶等 合成酶类，例如肽聚糖合成酶 结合蛋白（运送营养物质） 受体蛋白（与细胞的趋化性相关） 外膜与内膜间的黏合位点： 外膜与内膜间的直接接触,G 菌和G菌生物学特性比较,项 目 革兰氏阳性菌 革兰氏阴性菌 细胞壁 厚度 厚（2080nm） 薄（811nm） 层次 1 2 肽聚糖厚度 厚，层次多 薄，一般单层 磷壁酸 多数含有 无 外膜（LPS） 无 有 孔蛋白 无 有 脂蛋白 无 有 周质空间 无或窄 有 溶质通透性 强 弱 肽聚糖 四肽未中Lys 有 无 四肽尾中mDAP 无 有 Gly五肽等肽桥 有 无 细胞 细胞硬度 硬实 柔软 产芽孢 有的产 不产 鞭毛基体 有2个环 有4个环 对理化因子抗性 对机械力 抗性强 抗性弱 青霉素、磺胺 敏感 较抗 链、氯、四 较抗 敏感 阴离子去污剂 敏感 较抗 碱性染料 敏感 较抗 溶菌酶处理后 形成原生质体 形成圆球体 其他 产毒素 以外毒素为主 以内毒素为主,3. 抗酸细菌的细胞壁,抗酸细菌（acidfast bacteria）：一类细胞壁中含 有大量分枝菌酸（mycolic acid）等蜡质的特殊革兰氏阳性细菌。因它们被酸性复红染上色后，就不能再被盐酸乙醇脱色，故称抗酸细菌。 如：分枝杆菌属的结核分枝杆菌、麻风分枝杆菌等。 化学组成： 类脂（分枝菌酸和索状因子）60 蛋白质（孔蛋白） 肽聚糖 结构：外壁层类脂、孔蛋白 内壁层肽聚糖,抗酸细菌细胞壁的构造,4. 古生菌,古生菌（Archaea，又称古细菌Archaebacteria，古菌）： 是一个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群，主要为一些独特生态类型的原核生物。如产甲烷菌和大多数嗜极菌（extremophile）。 古生菌的细胞壁： 无细胞壁古生菌：只有热原体属(Thermoplasma） 细胞壁的组成：多糖（假肽聚糖），假肽聚糖， 糖蛋白或蛋白质,假肽聚糖(甲烷杆菌属为例)的结构,二糖单位 肽尾（3肽） 肽桥(L-Glu) 均与真细菌的不同,5. 缺壁细胞,缺壁细胞（cell wall deficiet bacteria） 缺壁细胞的形成：,缺壁细胞的种类：,A L型细菌（Lform of bacteria） 基本概念：实验室或宿主体内通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺损菌株； L型细菌的发现：1935年，英国Lister研究所学者发现，念珠状链杆菌； L型细菌的特点： 多形性，对渗透敏感， 油煎蛋样小菌落。,B原生质体（protoplast）,基本概念：人为条件下，用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制新生细胞壁合成后，所得到的仅有一层细胞膜包裹的圆球状渗透敏感细菌。 特点：G菌易形成，对相应噬菌体不敏感，鞭毛不能运动，细胞不分裂，其他细胞功能正常； 意义：细胞融合杂交育种；遗传学基本原理研究。,Protoplast fusion,hybrid protoplast (“progeny”),C 球状体（spheroplast）： 又称原生质球，指还残留了部分细胞壁（G菌外膜层）的原生质体 D 支原体（Mycoplasma）： 是一类无细胞壁、介于独立生活和细胞内寄生生活间的最小型原核生物,细胞大小：很小，直径250nm （一般150300nm），光镜勉强可见 胞膜：含甾醇，较坚韧 胞壁结构和形态： 无胞壁，多形性， 对渗透压较敏感,6. 革兰氏染色的机制,革兰氏染色法：1884年丹麦学者革兰（C. Gram）发明的 鉴别染 色法(结晶紫碘酒精复红) 革兰氏染色的机制： 结晶紫和碘形成不溶于水的复合物（CVI dye complex） G菌和G菌细胞壁结构的不同： G菌胞壁厚，肽聚糖网层次多和交联致密，乙醇脱水时网孔 缩小，更无脂类，不致复合物脱出。 G菌反之,二、细胞壁以内的构造原生质体,1. 细胞质膜（cell membrane）： 是一层紧贴在细胞壁内侧，包围着细胞质的柔软、脆弱、富有弹性的半透性膜。 组成：磷脂（2030）和蛋白质（5070组成，厚约78nm。 原核生物和真核生物细胞膜的主要差别： 前者的蛋白质含量特别高，一般无甾醇（仅枝原体外）,（1）细菌的细胞质膜,结构磷脂双分子层： 两极性头分别朝向内外两表面， 两非极性端的疏水尾埋入膜的内层,磷脂的分子结构 （在极性头的甘油分子C3位上，不同种类微生物具有不同的R基团）,不同种类微生物具有不同的R基团,G G 磷脂酸 磷脂酰甘油 磷脂酰乙醇胺 常富含 磷脂酰肌醇 见于若干分支杆菌 磷脂酰胆碱 偶尔,细胞膜的结构（续）,整合蛋白（integral protein，或内嵌蛋白 intrinsic protein）： 脂双层中嵌埋着的具运输功能的蛋白质。 周边蛋白（peripheral protein，或extrinsic protein）： 脂双层表面具酶促作用的蛋白质。,细胞膜的生理功能： 物质运输； 维持渗透压； 生物合成：合成细胞膜 及以外的细胞结构成分； 产能基地：氧化磷酸化和 光合磷酸化酶系； 鞭毛运动：鞭毛着生部位， 提供鞭毛运动所需能量； 趋化性有关。 原核生物除支原体外一般不含胆固醇等甾醇，甾醇可增加细胞壁强度。 间体（mesosome）：是一种由细胞质膜内褶而形成的囊状构造，其中充满着层状或管状的泡囊。,（2）古细菌的细胞质膜： 古生菌的细胞质膜：单分子层膜或 单、双分子层混合膜 而单分子层膜多存在于嗜高温古生菌,甘油二醚和甘油四醚的分子构造及由其形成的双层和单层膜,2. 细胞质和内含物,细胞质（cytoplasm）：被细胞膜包围的除核质以外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。含水量约80。 主要成分：核糖体（50S30S）、储藏物、酶类、中间代谢物、质粒、营养物质和大分子单体等；少数细菌还含有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等特殊功能的细胞组分。 细胞内含物（inclusion body）：胞质内一些形状较大的颗粒状或囊泡状构造。,A 储藏物,储藏物（reserve materials）： 由不同化学成分累积而成的不容性颗粒，主要功能是储存营养物。,聚羟丁酸（PHB）和聚羟链烷酸（PHA）,分布： 1925年巨大芽孢杆菌 （Bacillusmegaterium）中发现， 在产碱菌属（Alcaligenes）、 假单胞菌属（Pseudomonas） 和固氮菌属（Azotobacter） 等60属菌中存在。 染色性： 可用尼罗蓝或苏丹黑染色。,聚羟丁酸（PHB）和聚羟链烷酸（PHA）,功能： 类脂性质的碳原类储藏物，具有储藏能量、碳源和降低胞内渗透压的作用。 意义： 聚羟丁酸（PHB） 和聚羟链烷酸（PHA）为生物 合成的高聚物，具有无毒、可 塑和易降解等优点，可取代塑 料，用于制造医用塑料、快餐 盒等。,异染粒,异染粒（metachromatic granules ） 又称迂回体或迂回螺菌素(volutin granules) 分布： 迂回螺菌（Spirillum volutans，最早该菌中发现， 故命名之） 白喉棒杆菌（Corynebacterium diphtheriae） 结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis） 性质：无机偏磷酸复合物，0.5-1um 染色性：美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色 功能：储存磷元素和能量，降低细胞渗透压。,B 磁小体 （magnetosome）,分布：水生螺菌属（Aquaspirillum） 和嗜胆球菌属（Bilophococcus）等趋磁细菌中 结构：内Fe3O4，外包磷脂、蛋白质或糖蛋白 的八面体、六面体等 功能：导向功能，趋泥或趋水界面微氧环境, destroys H2O2 意义：用作磁性定向药物和抗体，用以制造生物传感器,C 羧酶体,羧酶体（carboxysome）： 内含1，5二磷酸核酮糖羧化酶 在自养菌（硫杆菌属）的CO2固定中起关键作用,气泡（gas vacuoles）： 是存在于许多光能营养型、无鞭毛运动水生细菌（多种蓝细菌）中的泡囊状含物，调节细胞比重，以使其漂浮在最适宜水层中的作用。,Found in: prokaryotes that float in lakes and seas, such as: Cyanobacteria sp. Purple and green phototrophic bacteria Archaea Confer buo