微生物考研微生物细胞结构与功能PPT课件.ppt

第一章微生物细胞的结构与功能,目的要求：通过本章学习，要求掌握：原核细胞的结构与功能；真核细胞的结构与功能；原核细胞与真核细胞的主要区别；古生菌的基本结构特点。对细胞型微生物的多样性形成概念。,重点：本章的重点讲授原核细胞的结构与功能。难点：1、细菌细胞壁肽聚糖亚单位的组成。2、细菌鞭毛与真核生物鞭毛亚显微结构的比较。3、细菌芽孢的形成过程。,微生物-细胞型生物和非细胞生物。凡有细胞形态的微生物称为细胞型微生物。按其细胞结构又可分为原核微生物和真核微生物。原核微生物是指细胞核为原核即核为原始形态的核，没有核膜、核仁，由DNA组成，不与组蛋白结合。原核微生物包括真细菌和古生菌两大群。,基本构造:1.细胞壁；2.细胞膜；3.细胞核；4.核糖体；5.颗粒状内含物；特殊构造:6.间体；7.质粒；8.荚膜；9.芽孢；10.鞭毛与菌毛,第一节原核细胞的构造,细胞的结构,特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造,一般构造：一般细菌都有的构造,第一节原核微生物细胞的结构1、细胞壁（重点：结构与功能）2、细胞质膜（重点：结构与功能）3、细胞质和内含物1）概念2）贮藏物3）磁小体4）羧酶体5）气泡6）载色体7）核糖体8）质粒4、核区（nuclearregionorarea）5、特殊的休眠构造芽孢（重点：芽孢的基本特性和耐热机制，利用伴孢晶体作为生物杀虫剂）1）概念2）细菌芽孢的特点3）芽孢的形成与芽孢的萌发过程4）芽孢的耐热机制5）芽孢杆菌（Bacillus）芽孢形成的生理调控6）伴孢晶体7）细菌的其他休眠构造6、糖被（重点：基本特点及与生产、科研的关系）1)概念2）特点7、鞭毛（基本结构及推动细菌运动的特点）1）概念2）观察和判断细菌鞭毛的方法3）鞭毛的结构及其运动机制4）鞭毛推动细菌运动的特点8、菌毛9、性毛,不同细菌细胞壁的化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性（G+）和革兰氏阴性（G-）。,一、细胞结构,一)、细胞壁,1.细菌细胞壁,细菌细胞壁的功能：,1、固定细胞外形；2、为鞭毛运动提供支点；3、保护细胞免受外力的损伤（G+菌可抵御1525个大气压的渗透压，G-菌可抵御510个大气压的渗透压）4、为正常细胞的分裂所必需；5、阻挡有害物质进入；6、与细菌的抗原性、致病性和对噬菌体的敏感性有关。,1).革兰氏阳性的细胞壁成分,肽聚糖,G+,磷壁酸,A.肽聚糖的分子结构,双糖单位：N-乙酰葡糖胺、N-乙酰胞壁酸四肽尾（四肽侧链）：L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala肽桥（肽间桥）：甘氨酸五肽,肽聚糖单体：,肽聚糖是由组成肽聚糖的单体聚合而成的大分子网状化合物。,磷壁酸又名垣酸，是大多数G+菌所特有的成分，约占细胞壁成分的10%。,B.磷壁酸,磷壁酸,壁磷壁酸,膜磷壁酸,磷壁酸主要有两种，一是核糖醇磷壁酸，一是甘油磷壁酸,前者存在金黄色葡萄球菌和芽孢杆菌中，后者存在干酪乳杆菌中。,磷壁酸的主要功能：,1、带负电荷，可与环境中Mg2等阳离子结合，提高这些离子的浓度，以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要；,3、赋予革兰氏阳性菌特异的表面抗原；,4、提供某些噬菌体特异的吸附受体。,2、保证革兰氏阳性致病菌（如A族链球菌）与其宿主间的粘连（主要为膜磷壁酸）；,5、调节细胞自溶素活力,防止细胞因自溶而死亡。,2).革兰氏阴性的细胞壁成分,G-细胞壁的组成和结构比G+更复杂。分为内壁层和外壁层两部分。,肽聚糖脂多糖脂蛋白类脂蛋白质,孔蛋白外壁蛋白,外壁层,G-,内壁层,外壁层是G细菌细胞壁所特有的结构，它位于壁的最外层，化学成分为脂多糖、磷脂和若干种外蛋白。,G+菌与G-菌肽聚糖单体的异同：,其区别为:1、四肽上的第三个氨基酸不同,G+菌为赖氨酸；G-菌为内消旋二氨基庚二酸（DAP)。2、肽间桥不同：G+菌为甘氨酸五肽；G-菌为肽键。,脂多糖（LPS)分子结构由三部分组成：,类脂A：2个N乙酰葡糖胺及5个长链脂肪酸3个2酮3脱氧辛糖酸（KDO）内核心区核心多糖区3个L甘油D甘露（Hep）外核心区:5个己糖（Hex）,包括葡糖胺、半乳糖、葡萄糖O侧链:多个4Hex单位,内含半乳糖、鼠李糖、甘露糖、阿比可糖(Abq),LPS,类脂A是G-细菌的毒性中心,1、是革兰氏阴性细菌致病物质内毒素的物质基础；,2、与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+和Ca2+等阳离子以提高这些离子在细胞表面浓度的作用；,3、由于LPS结构的变化，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；,4、是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体。5、具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能,脂多糖的功能,脂多糖要维持其结构的稳定性需要足量Ca2+的存在。如果用螯合剂去除Ca2+，LPS就解体。这时，G-细菌的内壁层肽聚糖就暴露出来，因而就可被溶菌酶所水解。,脂多糖LPS含有三种特殊的糖Hep(L-甘油-D-甘露庚糖)KDO（2酮3脱氧辛糖酸）Abq(阿比可糖)LPS组成O侧链的糖类不同决定了不同细菌的抗原特异性，可用血清学方法加以鉴定。在非致病的G-细菌中脂多糖没有O侧链。脂多糖LPS的毒性部分在类脂A。,注意几点：,不同细菌肽聚糖亚单位中短肽中的二氨基酸不一样。不同细菌肽聚糖亚单位之间的交联方式不一样不同的细菌，肽聚糖中双糖亚单位的数量不一，例金黄色葡萄球菌只有9个双糖亚单位，而地衣芽孢杆菌多达79个二糖单位。不同种类的细菌肽聚糖的含量不一。G+菌多，G-菌少，交链度也不一样，G+高，G-低。肽聚糖能被溶菌酶水解，水解部位在-1.4糖苷键。G+菌对青霉素敏感，因青霉素可阻止肽聚糖亚单位之间交联肽链的形成。肽聚糖存在于除古细菌以外的所有有壁原核生物的细胞壁中。,简单染色法正染色革兰氏染色法鉴别染色法抗酸性染色法芽孢染色法死菌姬姆萨染色法负染色：荚膜染色法等细菌染色法活菌：用美蓝或TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色,3).革兰氏染色,用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染。2.用碘液进行媒染，其作用是提高染料和细胞间的相互作用从而使二者结合得更牢固。3.用乙醇冲洗脱色。在经历脱色后仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细胞呈无色。4.用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对涂片进行复染。例如番红，使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色。,革兰氏染色,C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。,革兰氏染色的原理：,G+菌的细胞壁肽聚糖含量高、网格结构紧密，含脂量低，用酒精脱色时，肽聚糖层收缩，网格孔径缩小，阻止了结晶紫碘的复合物逸出，当复染时染不上蕃红的红色，菌体仍为结晶紫的紫色，此为G+反应。,G-菌的细胞壁肽聚糖层薄，含脂量高，用酒精脱色时由于细胞壁中的脂类物质溶于酒精，使细胞通透性增加，使得初染时进入细胞中的结晶紫碘的复合物逸出，当再用蕃红复染时菌体就染上蕃红的红色，此为G-反应。,4).G细菌与G-细菌细胞壁的化学组成,肽聚糖G+磷壁酸多糖,壁磷壁酸膜磷壁酸,肽聚糖-内壁层脂多糖G-脂蛋白类脂蛋白质,孔蛋白外壁蛋白,外壁层,G-细菌的细胞壁比G+菌要复杂得多，结构层次明显，分为内壁层和外壁层两层。,肽聚糖的单体构成了大分子网状化合物:,G+菌的肽聚糖的分子结构交联度高，肽聚糖层厚,如枯草杆菌网状分子有40层。而G-菌的交联度低,肽聚糖层薄，如大肠杆菌仅由12层分子组成。,G+菌与G-菌细胞壁的比较,2.古生菌的细胞壁,除热原菌属没有细胞壁以外，其余都具有与真细菌功能相似的细胞壁古生菌的细胞壁没有真正的肽聚糖，而含假肽聚糖。假肽聚糖与真肽聚糖相比没有胞壁酸、没有D型氨基酸、没有DAP，而由N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸代替胞壁酸。有些古细菌的细胞壁由杂多糖组成,还有些古细菌的细胞壁由蛋白质或糖蛋白组成。,古细菌细胞壁与真细菌细胞壁的区别：,古细菌细胞壁不含有肽聚糖，而真细菌有古细菌假肽聚糖中多糖由-1,3糖苷键连接而成，真细菌肽聚糖中多糖由-1,4糖苷键连接而成古细菌中没有N-乙酰胞壁酸和D型氨基酸,古生菌假肽聚糖的单体结构,-1,3糖苷键不被溶菌酶水解,N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-glu、L-ala和L-lys三个L型氨基酸组成，肽桥则由L-glu一个氨基酸组成。,3.细胞壁缺陷细菌,缺壁突变L型细菌实验室或宿主体内形成基本去尽原生质体（G+）人工去壁部分去除原生质球（G-）在自然界长期进化中形成支原体,a.L型细菌（L-formofbacteria）,细菌在某些环境条件下（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陷变异型。因英国李斯特（Lister）预防研究所首先发现而得名（1935年，念珠状链杆菌Streptobacillusmoniliformis）特点：没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态；有些能通过细菌滤器，故又称“滤过型细菌”；对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）,大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中均有发现，被认为可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。,b.原生质体（protoplast）,在人为条件下，用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的，圆球形、对渗透压变化敏感的细胞，一般由革兰氏阳性细菌形成。特点：1）对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心甚至通气等都易引起其破裂；2）有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，也不被相应噬菌体所感染；3）在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌落，形成芽孢及恢复成有细胞壁的正常结构。4）比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。,c.球状体(sphaeroplast),采用上述同样方法，针对革兰氏阴性细菌处理后而获得的残留部分细胞壁（外壁层）的球形体。与原生质体相比，它对外界环境具有一定的抗性，可在普通培养基上生长。,原生质体,原生质球,L型细菌和支原体,原生质体：用青霉素等抗生素或者溶菌酶处理G+菌而得到的去壁完整的球形体。原生质球：用青霉素等抗生素或溶菌酶处理G-细菌而得到的去壁不完全的近球形体。L型细菌：某些细菌在特定环境条件下因基因突变而产生的无壁类型。在一定条件下L型细菌能发生回复突变而恢复为有壁的正常细菌。支原体：进化过程中形成的无壁的原核生物,二)、细胞膜,细胞膜是外侧紧贴细胞壁而内侧包围原生质的一层柔软而富有弹性的半透性膜。,脂类：占2030%细胞膜的化学组成主要是蛋白质：占6070%hopanoid（藿烷类化合物）,1.细菌细胞膜的结构,细菌的细胞膜由两层磷脂分子组成，磷脂疏水端两两相对，亲水的头部向外，蛋白质嵌入磷脂双分子层中或分布在磷脂双分子层的内外表面。,2.细胞膜的化学组成与结构模型：,a.磷脂,亲水的极性端,疏水的非极性端,b.液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel),膜的主体是脂质双分子层；,脂质双分子层具有流动性；,整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；,周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；,脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；,脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。,1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科尔森（G.L.Nicolson）,细胞膜：对所有有生命的细胞来说是必需的，对细菌亦然！维持细胞内部结构处于稳定且高度有序状态的物理屏障；细胞重要的代谢活动中心之一；,磷脂膜蛋白甾醇类物质,结构特点符合经典的“液态镶嵌模型”理论,不饱和脂肪酸的结构和相对含量变化大（微生物生理及生态分布的多样性）。,约占细菌细胞膜的50%70%，比任何一种生物膜都高，而且种类也多。,细菌：hopanoid（藿烷类化合物）真核生物：胆固醇,提高膜的稳定性,甾醇类物质,由磷脂分子形成的双分子膜中加入甾醇类物质可以提高膜的稳定性,真核生物细胞膜中一般含有胆固醇等甾醇，含量为5%-25%。,原核生物与真核生物的最大区别就是其细胞膜中一般不含胆固醇，而是含有hopanoid（藿烷类化合物）。,细菌细胞膜的功能,1、控制内外物质的运送、交换；2、维持细胞内正常渗透压的屏障；3、合成细胞壁各种组分（LPS，肽聚糖，磷壁酸）和荚膜大分子的场所；4、进行氧化磷酸化和光合磷酸化的产能基地；5、许多酶和电子传递链的所在部位；6、鞭毛着生点并为其运动提供能量。,3.古生菌细胞膜的结构,古细菌的细胞膜不含磷脂。而是由植烷基甘油二醚或二植烷基甘油四醚组成。,三）壁膜间隙,G+、G-壁膜间隙：,壁膜间隙的功能：含有水解酶，结合蛋白，化学受体。1.水解酶：催化食物的初步降解2.结合蛋白：启动物质转运过程3.化学受体：在趋化作用中起作用的蛋白,壁膜间隙中的水解酶列表如下：,四)、内膜系统,细菌细胞的内膜系统有间体载色体羧酶体类囊体,1、间体（mesosome）：它是细菌细胞内唯一的“细胞器”，由细胞膜内陷而成的一种层状、管状或囊状物，其结构和化学组成与细胞膜相同。一般位于细胞分裂部位或其邻近部位。常见于G+菌,在有些G-细菌中不明显。功能:1)、呼吸作用电子传递系统的中心，相当于高等生物的线粒体，间体上有细胞色素氧化酶，玻珀酸脱氢酶等呼吸酶系。2)、与合成细胞壁，特别是横隔壁有关，因间体常出现于细胞分裂时新形成的横隔壁处。3)、参与遗传物质的复制与核分裂有关，因DNA的复制点和间体结合在一起。4)、间体一边和膜相连，另一侧和核物质紧密接触，起着向核运送营养物质和能量的作用。5)、芽孢的形成也与间体有关。,2载色体（chromatophore），亦称色素体或叫光合膜,是光合细菌进行光合作用的场所，相当于绿色植物的叶绿体。主要化学成分是蛋白质和脂类。载色体在有的细菌细胞中是由内膜内陷延伸而成的囊状，管状或层状结构（如在红硫菌科中），而在有的细菌细胞中则是由单层膜组成的囊状结构，独立分布于细胞质中（如在绿硫菌科中）。,3羧酶体（carboxysome）、又称多角体（Polyhedralbody）,自养细菌特有的内膜结构，由3.5nm厚的蛋白质单层膜包围，是自养细菌固定CO2的场所。羧酶体中含有卡尔文循环中固定CO2的关键性酶1.5-二磷酸核酮糖羧化酶。,4类囊体（thylakoid）,是蓝细菌进行光合作用的场所，由单位膜组成。类囊体中含有叶绿素，胡罗卜素及辅助色素藻胆蛋白体，前两者位于类囊体中，后者位于类囊体的外表面上。,五）细胞核,E.coli细胞长约2um，DNA拉直后其长为11001400um。,细菌染色体通常是一个环状的DNA分子。例外：放线菌染色体是线状的DNA分子,原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核，又称原核、拟核或细菌染色体。它位于细胞质内，没有核膜、核仁。细菌细胞核的化学成分为双链DNA，没有组蛋白。,细胞核,细菌细胞核功能：细菌生长、新陈代谢、遗传变异的控制中心。,（六）细胞质及内含物,包围在细胞膜内的物质称为细胞质，由于细胞核是细菌细胞的重要结构成分，因此细胞质通常是指细胞膜包围的除细胞核以外的物质。,细胞质中有如下重要的内含物:1、质粒；2、核糖体；3、储藏颗粒(碳素储藏颗粒、氮素储藏颗粒、磷素储藏颗粒)4、多种酶类和中间代谢物、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有气泡或伴孢晶体等。,1、质粒控制细菌的某一遗传性状；2、可作为基因转移的载体。,1、质粒Plasmid,Prokaryoticcellshavesmallextra-chromosomalgeneticelementscalledplasmids.质粒是独立存在于细菌染色体外或附加在染色体上的遗传物质。,质粒的功能：,质粒通常不含有细胞初级代谢的遗传信息,而含有关于次级代谢的遗传信息,1、致育因子(fertilityfactor,F因子或F质粒)与大肠杆菌的接合作用(conjugation)有关携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株（highfrequencerecombination,简称Hfr),质粒的类型:,2、抗性因子(resistancefactor,R因子)包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。带R质粒细菌有时对几种抗生素或其它药物呈现抗性。例R1质粒(94kb)可使宿主对五种药物具有抗性：氯霉素、链霉素、磺胺、氨苄青霉素、卡那霉素并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于R1抗性质粒上。,许多R质粒能使宿主细胞对许多金属离子呈现抗性，包括碲(Te6+)、砷(As3+)、汞(Hg2+)、镍(Ni2+)、钴(Co2+)、银(Ag+)、镉(Cd2+)等。在肠道细菌中发现的R质粒，约有25是抗汞离子的，而铜绿假单胞菌中约占75。,3、Col质粒含有编码大肠菌素的基因4、毒性质粒具有编码毒素的基因5、代谢质粒也称降解质粒，携带有能降解某些物质的酶的基因6、共生固氮质粒携带有与固氮有关的基因7、隐秘质粒不显示任何表型效应，只有通过物理的方法检测其存在,松弛型质粒（relaxedplasmid)：质粒在宿主中可以有10100个拷贝，也称为高拷贝数质粒。,严谨型质粒(stringentplasmid)：质粒在每个宿主细胞中只有14个拷贝，也叫低拷贝数质粒。,窄宿主范围质粒：质粒的复制起点较特异，只能在一种特定的宿主细胞中复制。,广宿主范围质粒：质粒的复制起点不太特异，可以在许多中细菌中复制。,质粒的特点：,1、不亲和性可以共存于同一细胞中的不同质粒彼此是亲和的，而不能共存于同一细胞的质粒彼此不亲和，质粒的这种特性称为不亲和性。2、可消除性3、能自我复制，稳定的遗传4、没有质粒的细菌不能自发产生质粒,但可以通过转化、转导或接合作用获得质粒5、质粒可以携带供体细胞的DNA转移。,质粒的功能：,2、可作为基因转移的载体。,1、质粒控制细菌的某一遗传性状；,细胞质中核糖核蛋白的颗粒状物质由核糖核酸RNA(65%)和蛋白质(35%)组成常以游离状态或多聚核糖状态分布于细胞质中沉降系数70s，由50S和30S两个亚基组成50S亚基由5SrRNA、23SrRNA和34种蛋白质组成30S亚基由16SrRNA和21种蛋白质组成。蛋白质的合成场所,2、核糖体(ribosomes),3、储藏颗粒(reservematerials),贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，主要功能是贮存营养物。,1）碳素储藏颗粒聚-羟丁酸(poly-hydroxybutyrate,PHB),类脂性质的碳源类贮藏物,巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏的PHB可达其干重的60%。,多糖类贮藏物,在真细菌中以糖原为多糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成褐色，可在光学显微镜下看到。,糖原粒淀粉粒,有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。,2）氮素储藏颗粒藻青素cyanophycin(藻青蛋白)-蓝细菌中内源性氮素储藏颗粒，同时兼有贮存能源的作用。3）磷素储藏颗粒异染粒:细菌细胞中多聚偏磷酸盐的颗粒,遇蓝色染料染成紫红色。在含磷丰富的环境下形成。功能:贮藏磷元素和能量，并可降低细胞的渗透压,由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分枝多肽所构成，分子量在25000125000。,Chromatiumbuderi,很多真细菌在进行产能代谢或生物合成时,常涉及对还原性的硫化物如H2S,硫代硫酸盐等的氧化。在环境中还原性硫素丰富时,常在细胞内以折光性很强的硫粒的形式积累硫元素。当环境中环境中还原性硫缺乏时,可被细菌重新利用,4）硫素储藏颗粒,4、气泡（gasvocuoles）,许多光合营养型、无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物，大小为0.21.0m75nm，内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白质膜包裹。,功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质,（七）糖被：,一些细菌在生长过程中向细胞外分泌一种粘液性物质,当这种粘液很浓时,用特殊的染色方法染色后在显微镜下可见其结构,这种结构称为荚膜,当粘液很稀时,用荚膜染色无法看到其构造,故称为粘液层。,包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质。按其有无固定层次、层次厚薄可细分为：荚膜（capsule）、粘液层(slimelayer)和菌胶团(zoogloea),许多有荚膜或液层的细菌相互连接成较大的群体，这种较大的群体称为菌胶团。,益处：1)肠膜状明串珠菌能用蔗糖合成大量的荚膜物质葡聚糖，葡聚糖是生产右旋糖酐的原料，而右旋糖酐是制作代血浆的主要成分。荚膜作为代血浆的生产原料。2)野油菜黄单胞菌的粘液层可提取胞外多糖黄原胶，作石油钻井液添加剂。,害处：有荚膜的细菌致病性强污染食品，导致粘性面包、粘性牛奶产生影响制糖生产增加糖液粘度，影响过滤速度，对生产造成损失。,荚膜的益处和害处,糖被（glycocalyx）,2）特点,（1）主要成分是多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。经特殊的荚膜染色，特别是负染色（又称背景染色）后可在光学显微镜清楚地观察到它的存在。,（2）产生糖被是微生物的一种遗传特性，其菌落特征及血清学反应是是细菌分类鉴定的指标之一。,（3）荚膜等并非细胞生活的必要结构，但它对细菌在环境中的生存有利。,（4）细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系。,S型菌落：有荚膜的细菌形成的菌落表面光滑R型菌落：没有荚膜的细菌形成的菌落表面粗糙,（3）功能,保护细菌免受干燥的影响；贮藏养料，以备营养缺乏时重新利用；与病原菌的毒性密切相关；能抵抗吞噬细胞的吞噬，抗噬菌体吸附作为透性屏障或离子交换系统，可保护细菌免受重金属离子的毒害表面附着作用细菌间的信息识别作用堆积代谢废物,一些原核微生物含有由蛋白质或糖蛋白亚单位组成的晶格状结构覆盖在细胞表层。在古菌中普遍存在，在有一些古菌中作为细胞壁存在目前主要功能仍不清楚，作为细胞的外界面直接与环境接触，因此它至少起到了一个外部渗透屏障的功能，允许小分子的物质进入细胞但屏蔽掉一些大分子物质。,晶状样细胞表面层S-层（crystallineSurfaceLayers）(S-Layers),1.鞭毛,鞭毛是细菌的运动器官，它是一根中空的管状蛋白质丝。由三条线状的蛋白质亚基围绕着一个中空的核心组装成螺旋链。,生长在某些细菌体表的长丝状、波曲的蛋白质附属物,（九）鞭毛（flagellum）和菌毛（pilus）,G-细菌鞭毛的基体由L、P、S、M四个环组成，L环嵌在外壁层中,P环在内壁层中,S环位于壁膜间隙，M环嵌入在细胞膜中。G+细菌鞭毛的基体只有两个环，S环位于壁膜间隙，M环嵌入在细胞膜中。,鞭毛的亚显微构造由鞭毛丝、鞭毛钩和基体组成。,2)根据鞭毛着生位置，鞭毛菌可分以下五种类型：,1.一端单生鞭毛菌如铜绿色假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)2.两端单生鞭毛菌如牡蛎螺菌(Spirillumostreae)3.一端丛生鞭毛菌如荧光假单胞菌(P.fluorescens)4.两端丛生鞭毛菌如红色螺菌(Spirillumrubrum)5.周生鞭毛菌如枯草杆菌(Bacillussubtilis),3)鞭毛的有无和着生方式具有十分重要的分类学意义,4）观察和判断细菌鞭毛的方法,电子显微镜直接观察,鞭毛长度：1520m；直径：0.010.02m,光学显微镜下观察：鞭毛染色,显微镜下判断：细菌的运动性培养特征判断：半固体穿刺、菌落（菌苔）形态,要证明某一细菌是否存在直径只有0.010.02m的鞭毛，可用电镜观察。在光学显微镜下，经过染料加粗的鞭毛也能观察在暗视野中，对水浸片或悬滴标本中运动着的细菌，也可根据其运动情况判断它们是否存在着鞭毛。,电子显微镜和光学显微镜下观察,肉眼观察判断细菌是否有鞭毛,在半固体培养基中（0.3%-0.4琼脂）用穿刺接种法接种细菌，培养后，如果穿刺线周围有呈混浊的扩散区，说明该菌具有运动能力，反之则无。根据菌落形状判断：如果菌落形状大而薄、边缘极不规则，说明该菌具有运动能力。反之，如果菌落十分圆整，边缘光滑，相对较厚，则说明它没有鞭毛。,（5）鞭毛的运动机制,“旋转论”（rotationtheory）“挥鞭论”（bendingtheory）的争议,1974年，西佛曼（M.Silverman）和西蒙（M.Simon）的“拴菌”试验(tethered-cellexperiment),“拴菌”试验把单毛菌鞭毛的游离端用相应抗体牢牢“拴”在载玻片上，然后在光学显微镜下观察，发现细菌是在载玻片上不断打转（而非伸缩挥动），从而肯定了“旋转论”是正确的。,鞭毛推动细菌运动的特点,细菌的趋避运动,鞭毛的功能是运动，这是原核生物实现其趋性（taxis）即趋向性的最有效方式。,化学趋避运动或趋化作用（chemotaxis）：细菌对某化学物质敏感，通过运动聚集于该物质的高浓度区域或低浓度区域。,（6）鞭毛推动细菌运动的特点,如何观察鞭毛在运动中的旋转方向？,细菌以推进方式做直线运动（逆时针方向旋转）以翻腾形式做短促转向运动（顺时针方向旋转）,把聚苯乙烯胶乳珠黏附在鞭毛上，观察细菌运动时该胶乳珠绕着鞭毛轴进行的转动。,无化学梯度：进行随机运动存在引诱剂浓度梯度：朝着浓度升高的方向前进时翻滚的频率降低（或运动的时间更长），而在朝着浓度低的方向移动时仍以正常频率进行翻滚、转向，其结果是使细菌沿着浓度高的方向运动。对驱避剂的反应则相反，沿着浓度降低的方向离开驱避剂时，翻滚发生的频率降低（运动时间延长）。,化学趋避运动或趋化作用（chemotaxis）：细菌对某化学物质敏感，通过运动聚集于该物质的高浓度区域或低浓度区域。,2、菌毛(fimbria，复数fimbriae),长在细菌体表的纤细、中空、短直、数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面的功能。菌毛由一条丝状的蛋白质亚基绕成中空的螺旋。,每个细菌约有250300条菌毛。有菌毛的细菌一般以革兰氏阴性致病菌居多，借助菌毛可把它们牢固地粘附于宿主的呼吸道、消化道、泌尿生殖道等的粘膜上，进一步定植和致病。,3、性毛(pili,单数pilus),构造和成分与菌毛相同，但比菌毛粗、长，比鞭毛细而短，每个性细胞只有14根。,性毛一般见于G-的雄性菌株（即供体菌）中，其功能是向雌性菌株（即受体菌）传递遗传物质。有的性毛还是RNA噬菌体的特异性吸附受体。,性菌毛起接合作用,（十）芽孢特殊的休眠构造,1）概念,某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，也译作“内生孢子”）。,芽孢的亚显微结构由核心，皮层，芽孢衣，孢外壁四层组成。,2）芽孢的结构,产芽孢菌,芽孢囊：产芽孢菌的营养细胞外壳,芽孢,孢外壁：脂蛋白，透性差,皮层：芽孢肽聚糖及DPA-Ca，体积大、渗透压高,孢外衣：疏水性角蛋白，抗酶解、抗药物，多价阳离子难通过,芽孢壁：含肽聚糖，可发展成新细胞的壁,芽胞质膜：含磷脂、蛋白质，可发展成新细胞的膜,芽胞质：含DPA-Ca、核糖体、RNA核酶类,核区：含DNA,核心,3）细菌芽孢的特点,整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。,芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。,产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。,芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）,4）芽孢的形成,1,轴丝形成2,形成前芽孢3,隔膜形成,7,孢子囊破裂，芽孢释放,6,芽孢成熟,5,形成孢子衣（芽孢外壳）,4,形成皮层,5）芽孢的萌发,芽胞的萌发过程：活化：活化处理，生长条件合适出芽：芽胞衣开始降解，芽孢透性增加，皮层开始消失，核心膨胀，开始合成细胞壁。耐热性和折光性降低，DPA-Ca等可溶性物质外流，抗性降低。生长：芽孢核心开始合成新的DNA、RNA和蛋白质，肽聚糖分解，长出芽管，逐渐发育成新的营养细胞。营养细胞的细胞膜来自至芽孢双层膜的内膜。,由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发,6）芽孢的耐热机制,芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同,渗透调节皮层膨胀学说,芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差,皮层的离子强度很高，产生极高的渗透压夺取芽孢核心的水分，结果造成皮层的充分膨胀。,核心部分的细胞质却变得高度失水，因此，具极强的耐热性。,芽孢具有耐热性的原因,1、壁厚；2、芽孢含水少；3、含有吡啶二羧酸钙的复合物；4、含硫氨基酸高；5、含有耐热性的酶。,7）伴孢晶体（parasporalcrystal）,少数芽孢杆菌，例如苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)在其形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体内毒素，称为伴孢晶体。,伴孢晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用，因而可将这类产伴孢晶体的细菌制成有利于环境保护的生物农药细菌杀虫剂。,特点：不溶于水，对蛋白酶类不敏感；容易溶于碱性溶剂。,伴孢晶体的杀虫机理：,伴孢晶体,鳞翅目幼虫口服,伴孢晶体在肠道迅速溶解（中肠pH为9.0-10.5）,吸附于上皮细胞，引起渗透性丧失，肠道穿孔,肠道中的碱性溶液进入血液，后者pH升高，昆虫全身麻痹而死亡,Bt生物杀虫剂的研究与应用：,1、液体或固体发酵生产菌体在农田直接施用；,2、将毒蛋白克隆到植物中构建基因工程抗虫作物；,3、研究如何提高Bt杀虫剂的生产与应用水平,Bt生物杀虫剂的生产和应用中存在的相关问题：,噬菌体感染严重影响发酵生产的正常进行；,Bt杀虫剂在野外大规模使用时，日光的紫外线破坏其杀虫晶体蛋白，显著影晌杀虫效果。,有资料表明，将Bt制剂在模拟阳光下暴露24小时便会导致大量失活，因此，如何延长Bt制剂的持效性已成为进一步提高该制剂实际应用效果的关键问题之一。,黑色素具有防紫外线，抗噬菌感染的特性，将细菌产生的黑色素用于Bt杀虫剂的生产和应用，或直接构建能自身产生黑色素的Bt工程菌株，,（8）孢囊(Cyst),有些细菌不以芽孢休眠，而是形成孢囊，孢囊也是细菌的一种休眠体，它是由细胞壁加厚而成，孢囊抗干燥，但不抗热，它不含吡啶二羧酸。芽孢与孢囊相比：一个营养体产生一个芽孢，一个芽孢也只产生一个营养体一个营养体产生一个孢囊，但一个孢囊可产生多个幼龄细胞,1.细胞结构典型G阳性细胞由核心、皮层、孢子衣、外胞壁组成2.显微镜观察不折光折光3.Ca2+含量低高4.吡啶二羧酸(DPA)无有5.聚羟基丁酸(PHB)有无6.多糖含量高低7.蛋白质含量低高8.某些种的伴胞晶体蛋白无有9.含硫氨基酸低高10.酶活性高低11.新陈代谢（氧吸收）高低12.大分子合成有无13.mRNA有含量低或无14.抗热性低高15.抗辐射能力低高16.抗化学药剂和抗酸能力低高17.染色性易染难染需用特殊方法18.对溶菌酶作用敏感不敏感,比较项目营养细胞芽孢,（8）芽孢与营养细胞的比较,真核细胞比原核细胞复杂，真核细胞除了它的核为真核外，另一个重要的特征是细胞的功能定位在不同的细胞器上。真菌，单细胞的藻类，原生动物这些微生物的细胞都是真核细胞。,真核生物(Eukaryotes)是一大类细胞核具有核膜，核仁，能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等多种细胞器的生物。真核微生物(Eukaryoticmicroorganism)属于真核生物类的微生物,第二节真核细胞的构造,单细胞藻类，真菌及原生动物三者细胞构造的区别,真菌藻类原生动物核真核真核真核细胞壁叶绿体（眼虫有）营养方式异养自养吞噬或自养,真核微生物的主要类群,真核微生物,藻类,原生动物,真菌,单细胞真菌酵母菌,丝状真菌霉菌,大型真菌子实体真菌蕈菌,一、真核细胞的细胞壁：,真核细胞的细胞壁比原核细胞厚，在光学显微镜下即可见到。真核细胞的壁的化学成分不象原核细胞那样含有肽聚糖.,纤维素：由1-4键连接而成的聚合物。单个纤维素聚合物可能多达8000个葡萄糖单位，约有4m长，这些大分子交织成直径为5-30nm的微纤维，然后再聚合，折叠成为细胞壁的结构藻类的壁二氧化硅：只存在于硅藻和金藻中多糖类蛋白质已糖多糖链,真菌的壁1.3糖苷键连接的葡聚糖存在于高等真菌壁中几丁质氨基已糖多糖链蛋白质类脂,纤维素：存在于低等真菌的壁中,细胞壁,真菌细胞壁主要成分是多糖，另有少量的蛋白质和脂类,低等真菌的细胞壁的主要成分以纤维素为主,酵母的细胞壁的主要成分以葡聚糖为主,高等真菌的细胞壁的主要成分以几丁质为主,藻类的细胞壁主要是纤维素、间质多糖,二、细胞膜,真核细胞的细胞膜与原核细胞的细胞膜的结构相似。真核细胞膜的主要特点是膜中含有甾醇，甾醇的功能还不太明了，可能与膜结构的稳定有关。,真核生物与原核生物细胞质膜的差别,真核细胞的运动靠鞭毛或纤毛，鞭毛构造是9+2型,中央鞘,微管二联体,外动力蛋白壁,内动力蛋白壁,A微管,B微管,微管连丝蛋白,放射辅条,辅条头,中央微管,三、鞭毛与纤毛,“92”型,四、细胞核,是细胞遗传信息（DNA）的贮存、复制和转录的主要部位,外形固定，有核膜、核仁,由核被膜、染色质、核仁和核基质组成,DNA与组蛋白结合,真核细胞细胞核的核小体构造模式图：,核小体,组蛋白八聚体,双链DNA,组蛋白H1,八聚体组蛋白（H2A，H2B、H3和H4各一对）组蛋白H1与连接DNA结合DNA：盘绕八聚体,真核结构,核基质：由蛋白纤维组成的网状结构，有支撑细胞核和提供染色质附着点的功能,核仁,染色质,核被膜,RNA,蛋白质,核膜：由两层7-8nm的膜组成，中间有10-50nm的核周间隙,核纤层：成分为核纤层蛋白,核小体,RNA,非组蛋白：DNA聚合酶，RNA聚合酶,是真核细胞合成rRNA和组装rRNA的场所,五、细胞质和细胞器,1、细胞基质和细胞骨架,除细胞器以外的胶状溶液，称细胞基质,细胞骨架是由微管、肌动蛋白丝（微丝）和中间丝3种蛋白质纤维构成的细胞支架,内质网是单层的单位膜，由脂质双分子层围成。粗糙内质网：上面附有核糖核蛋白体，是合成蛋白质场所。光滑内质网：没有核糖核蛋白体功能：运输蛋白质；合成脂质和固醇内质网外与质膜相连，内与核