《微生物学》教案.doc

微生物学教案第一章 绪论一、 微生物及微生物的特点1. 微生物微生物（microorganism,microbe）不是分类学上的名词，而是指一切肉眼看不见或看不清、需要借助光学显微镜或电子显微镜才能观察到的一切微小生物（0.1mm）的总称。它们大多为单细胞，少数为多细胞，还包括一些没有细胞结构的生物。 非细胞结构：病毒，亚病毒因子（类病毒，卫星病毒，卫星RNA，朊病毒） nm（纳米）级，微生物 -分子生物， 电镜下可见 原核生物：细菌（真细菌，古细菌），放线菌，蓝细菌， 支原体，衣原体，立 细胞结构： 克次氏体等m（微米）级-细胞生物， 真核生物：真菌（酵母菌，霉菌，蕈菌），原光镜下可见 生动物等 在日常生活中，我们每个人对微生物都有过接触并有一定的感性认识。清新的空气，可口的酸奶，美味的面包或馒头，蘑菇、木耳，腐乳以及东北人爱吃的酸菜等，都使我们享受到微生物带来的恩惠；当因感冒或其他一些疾病（传染病）使我们受到折磨，植物病害，夏天时菜饭变馊或臭（长毛），食品、衣服、皮革、器材等因受潮湿面霉烂时，便是微生物作怪，是有害的微生物侵蚀了机体；当你患病时打针、吃药 ，是抗生素在起作用；病愈时，则是微生物所产生的抗生素的奉献。但如果高剂量的某种抗生素注入体内，效果甚微或毫无效果时，则也是微生物的恶作剧-病原微生物对药物产生了抗性。可见，微生物与我们日常生活的关系是十分密切的。2. 微生物的特点在整个生物界中，各种生物体形的大小相差十分悬殊。植物界的一种红杉可高达350m,动物界中的蓝鲸可达34m长，而微生物体的长度一般都在m和nm范围内。微生物由于其个体的微小性，给它们带来了一系列显然有别于高等生物的特征，从而也使微生物获得了许多“生物界之最”的桂冠。（1）体积小，面积大（形态微小，结构简单）任何固定体积的物体，如对其进行三维切割，则切割的次数越多，其所产生的颗粒数就越多，每个颗粒的体积也就越小。任何物体被分割的越细小，其单位体积所占有的表面积就越大。若把某一物体单位体积所占有的表面积称为比面值，则物体的体积越小，其比面值就越大，以球体的比面值为例： 表面积 4r2 3比面值= = = 体积 4/3r3 r 由上述公式可以推算出细胞半径（r）为1m的球菌，其比面值为3；半径为2m的，比面值为1.5；而半径为3m的，则比面值仅为1了。微生物的个体都极其微小。微生物学家通常使用的标尺是微米（m）或纳米（nm）1m=1/1000 mm 1nm=1/1000 m各类微生物个体的大小差异十分明显。一般细菌的直径通常在1m以上。最近芬兰科学家E O Kajander等发现了一种能引起尿结石的纳米细菌，其细胞直径最小仅为50nm，甚至比最大的病毒更小一些。这种细菌分裂缓慢，三天才分裂一次，是目前所知最小的具有细胞壁的细菌；1971年发现的马铃薯纺缍块茎病的病原体-类病毒，是迄今为止所知的最简单与最小的专性细胞内寄生生物，其整个个体仅由一个以359个核苷酸组成的单链裸露的RNA分子构成，长度50nm；迄今为止所知的个体最大的细菌，则是德国科学家H N Schulz等最近在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫细菌，其大小一般在0.10.3mm，但有些可达0.75mm，可用肉眼清楚看到。科学家将此菌称为：“纳米比亚硫磺珍珠”。杆菌平均长度为2m，将1500个杆菌头尾衔接仅有一颗芝麻长；杆菌平均宽为0.5m，6080个杆菌“肩并肩”排成横队，也只有一根头发丝宽；细菌的体重则更轻了，约10100亿个细菌约重1mg.。 面积/体积比：人 = 1，大肠杆菌 = 30万； 这样大的比表面积特别有利于它们和周围环境进行物质、能量、信息的交换。微生物的其它很多属性都和这一特点密切相关。微生物是一个如此突出的小体积大面积系统，因而赋于它们具有与一切大生物不同的特性，它们具有一个巨大的营养物质吸收面、代谢废物的排泄面和环境信息的交换面。（2）吸收多（广），转化快生物界的普遍规律是：个体越小，其单位体重所消耗的食物就越多。有资料表明，E . coli在1h内可分解自重100010000倍的乳糖；在适宜的条件下，微生物24h所合成的物质相当于细胞原来质量的3040倍，而一头体重500kg乳牛，一昼夜仅能合成0.5kg蛋白质，两者相差1000倍。一头500 kg的食用公牛，24小时生产 0.5 kg蛋白质，而同样重量的酵母菌，以质量较次的糖液（如糖蜜）和氨水为原料，24小时可以生产 50000 kg优质蛋白质。消耗自身重量2000倍食物的时间：大肠杆菌：1小时人：500年（按400斤/年计算）微生物获取营养的方式多种多样，所能利用的营养物质也最丰富。无论是有机物还是无机物，凡是动植物能利用的营养物质，微生物全能利用，而大量为动植物所不能利用的甚至是剧毒的物质，微生物照样能够利用。已知无一例外的是：凡是有机化学家合成的分子，不论结构如何新疑复杂，最终准逃不出毁灭的命运，这就充分说明了微生物所谓食谱大，吸收广的特点。微生物获取营养的方式多种多样，其食谱之广是动植物完全无法相比的！纤维素、木质素、几丁质、角蛋白、石油、甲醇、甲烷、天然气、塑料、酚类、氰化物、各种有机物均可被微生物作为粮食。微生物对营养物质吸收多，转化快的特点为微生物的高速生长繁殖和合成大量代谢产物提供了充分的物质基础，从而使微生物能在自然界和人类实践中更好地发挥其超小型“活的化工厂”的作用。（3）生长旺，繁殖快微生物具有极高的生长和繁殖速度。已知E . coli在合适的生长条件下，细胞分裂1次仅需12.520min。若按平均20min分裂1次计，则1h可分裂3次，每昼夜可分裂72次（代），最初的一个细菌可产生4.7221021(4万亿亿)个后代，总重量可达4722t。细菌比植物繁殖率快500倍，比动物繁殖率快2000倍。据报道，当前全球的细菌总数约为51030个。事实上，由于营养、空间和代谢产物等条件的限制，微生物的几何级数分裂速度充其量只能维持数小时而已。一般在液体培养时，细菌细胞的浓度通常不超过108109个/ml。由于繁殖快，微生物的数量最多，如肥沃的根圈土壤中，每克土可有微生物几亿到几十亿个；即使在不适于微生物生长的空气中（街道空气），每立方米可含有微生物几千上万个。土壤为微生物的大本营，细菌（数亿/g）放线菌（孢子数千万/g）霉菌（孢子数百万/g）酵母菌（数十万/g）。人肠道中聚居100400种微生物，为肠道正常菌群，总数达100万亿左右。苍蝇全身携带5亿多细菌（脏）。平均每张纸币上有900万细菌（成都）。一般人的每个喷嚏有12万个飞沫，其中约含菌4500150000，感冒患者的“高质量”喷嚏则含多达8500万个细菌。由此可见，我们生活在被大量微生物包围的世界环境中，但常常是“身在菌中不知菌”，幸好在一般情况下，大多数微生物为非致病菌，否则，后果难设。微生物的生长旺、繁殖快的特性对生物学基本理论的研究带来极大的优越性，它使科学研究周期大为缩短、空间减少、经费降低、效率提高。当然，若是一些危害人、畜和农作物的病原微生物或能使物品霉变的有害微生物，则它们的这一特性则会给人类带来极大的损失和祸害，因此，我们必须认真对待。（4）适应强，易变异微生物具有极其灵活的适应性或代谢调节机制，这是任何高等动、植物所无法比拟的。微生物对外界环境条件尤其是那些恶劣的“极端环境”如高温、高酸、高盐、高辐射、高压、低温、高碱、高毒等具有惊人的适应力，堪称生物界之最。如氧化硫硫杆菌能生长在5%10%的H2SO4(pH0.5)的酸性环境中；某些耐碱的微生物如脱氮硫杆菌生长的最高pH为10.7；在世界大洋最深的马里亚纳海沟，水深达11034米，压力约为111.775Mpa，仍有细菌存在；死海含盐达2325%，红皮盐杆菌、盐生盐杆菌、死海盐杆菌仍有生长，死海根本不“死”。抗热：有的细菌能在265个大气压，250 的条件下生长；自然界中细菌生长的最高温度可以达到121 ；有些细菌的芽孢，需加热煮沸8小时才被杀死； 抗寒：有些微生物可以在12 30的低温生长；抗酸碱：细菌能耐受并生长的pH范围：pH 0.5 13；耐渗透压：蜜饯、腌制品，饱和盐水（NaCl, 32%)中都有微生物生长；抗压力：有些细菌可在1400个大气压下生长；微生物个体微小，结构简单，与外界环境直接接触，对环境条件的变化很敏感，尽管变异频率十分低，（10-510-10）,但发生变异后的个体由于繁殖快，可以在短期内产生大量变异的后代。有益的变异可为人类创造巨大的经济和社会效益，如产青霉素的菌种，1943年时每毫升发酵液仅分泌约20单位的青霉素，通过微生物遗传育种工作者的共同努力，至今青霉素的发酵水平已超过510万单位/ml；有害的变异则是人类各项事业中的大敌，如各种致病菌的耐药性使原本已得到控制的相应的传染病变得无药可治，而各种优良菌种生产性状的退化则会使生产无法正常维持等。（5）分布广，种类多微生物到处可以传播和栖息，它“无孔不入”，“随遇而安”。地球上除了火山的中心区域等少数地方以外，从土壤圈、水圈、大气圈至岩石圈，到处都有它们的踪迹。微生物永远是生物圈上下极限的开拓者和各项生存记录的保持者。在动、植物体内外，土壤、河流、空气、平原、高山、深海、污水、垃圾、海底淤泥、冰川、盐湖、沙漠、甚至油井、酸性矿水和岩层下，都有大量与其相适应的各类微生物存在。分析表明，微生物占地球生物总量的60%！人迹可到之处，微生物的分布必然很多，而人迹不到的地方，也有大量的微生物存在！ eg: 数十公里的高空（最高为离地85公里，须用火箭采样）；几千米的地下；强酸、强碱、高热的极端环境；常年封冻的冰川； 微生物的生理代谢类型多； 代谢产物种类多； 微生物的种数“多”； 虽然目前已定种的微生物只有大约10万种，远较动植物为少，但一般认为目前为人类所发现的微生物还不到自然界中微生物总数的1%。休眠长、世界上最古老的活细菌（芽孢）：2.5亿年起源早、38亿年前，生命在海洋中出现，陆地上就可能存在微生物发现晚、300多年前人们才真正发现微生物的存在微生物的种类之多十分惊人。迄今为止，人类已描述过的生物总数约200万种。据估计，微生物总数约在50600万种之间，其中已记载巡的仅有约20万种（1995年），但这是一个正在迅速增长的变数。目前所了解的只占总数的1%，开发利用的也只占已了解的1%。可以说，微生物与人类关系的重要性，你怎么强调都不过分，微生物是一把十分锋利的双刃剑，它们在给人类带来巨大利益的同时也带来残忍的破坏。它给人类带来的利益不仅是享受，而且实际上涉及到人类的生存。 “在近代科学中，对人类福利最大的一门科学，要算是微生物学了。”二、 微生物类群与生物三域1. 微生物类群 真细菌：细菌，放线菌，蓝细菌等 原核微生物 细胞型微生物 古细菌微生物 真核微生物：霉菌，酵母菌，微小藻类，原生动物等 非细胞型微生物：病毒，噬菌体等2. 生物三域特征现代生物学把生物分为细胞生物和非细胞生物，又把细胞生物分为原核生物和真核生物。原核生物中只包括真细菌和古生菌两大类微生物；真核生物中包括几类微生物以及全部动物和植物。古细菌（古菌，古生菌）、真细菌和真核生物三域（以前曾称为三原界）的概念，是沃斯（Woese）及其同事1977年根据对代表性细菌类群的16SrRNA (或18SrRNA)碱基序列的同源性测定分析后提出的。他们认为生物界的发育并不是一个由简单的原核生物发育到比较完全和较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古细菌、真细菌和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来。这一起点即是至今仍不明确的一个原始祖先。为了避免古细菌和真细菌的混淆，又于1990年把三域改为古生菌、细菌和真核生物。古细菌和真细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似，因而同属原核生物。但在分子生物学水平上，古细菌和真细菌之间有明显差别。生物三域特征比较比较项目 古细菌 真细菌 真核生物细胞大小 通常1m 通常1m 通常10m核膜 +遗传物质染色体 1条，环形染色体+质 1条，环形染色体+质 通常1条以上线形染色 粒 粒 体+细胞器DNA有丝分裂 +组蛋白 ？ +细胞壁 无或有蛋白质亚单位， G+或G，总是含有胞 动物无，植物有纤维素， 假胞壁质，无胞壁酸 壁酸，支原体属中无细 几丁质等，无胞壁酸 胞壁细胞膜 含异戊二烯醚，甾醇， 含脂肪酸酯，甾醇稀少， 含脂肪酸酯，甾醇普遍， 有分支的直链 无分支直链 无分支直链含DNA的细胞器 线粒体和叶绿体内质网和高尔基体 +胞饮和阿米巴运动 +核糖体大小 70S 70S 80S（细胞器中70S）核糖体亚基 30S，50S 30S，50S 40S，60SRNA聚合酶亚基数 912 4 1215TRNA共同臂上的 无 一般有 一般有胸腺嘧啶内含子 +仅发现于tRNA和 + rRNA基因延长因子 能与白喉毒素反应 不能与白喉毒素反应 能与白喉毒素反应蛋白质或启动氨基酸 甲硫氨酸 N-甲酰甲硫氨酸 甲硫氨酸16（18）SrRNA的3 有 有 无位是否结合有AUCA-CCUCC片段对氯霉素的敏感性 不敏感 敏感 不敏感对环已胺的敏感性 敏感 不敏感 敏感对青霉素的敏感性 不敏感 除支原体外，敏感 不敏感对茴香霉素的敏感性 敏感 不敏感 敏感对白喉毒素的敏感性 敏感 不敏感 敏感对利福平的敏感性 不敏感 敏感 不敏感三、 微生物科学及其分科微生物学是一门在细胞、分子或群体水平上研究微生物的形态结构、生理生化、遗传变异以及微生物的生态、进化、分类，及其与人类、动物、植物、自然界之间的相互作用等生命活动规律的学科，其根本任务是发掘、利用、改善和保护有益微生物，控制、消灭或改造有害微生物，为人类社会的进步服务。随着微生物学的不断发展成熟，微生物学已分化出大量的分支学科，据不完全统计（1990年），已达181门之多，并在不断形成新的分科和研究领域。微生物学的分科分科的依据 微生物学分科的名称按微生物的种类 细菌学、病毒学、真菌学、菌物学、原生动物学、藻类学等按研究对象 细菌学、真菌学、病毒学、菌物学等按应用范围 工业微生物学、农业微生物学、医学微生物学、兽医微生物学、药学微生物学、食品微生物学、预防微生物学等按生命活动规律 微生物生理学、微生物生物化学、微生物遗传学、微生物生态学、分子微生物学、微生物分类学、微生物基因组学等按生态环境 土壤微生物学、海洋微生物学、环境微生物学、水生微生物学、宇宙微生物学等按与疾病的关系 医学微生物学、免疫生物学、流行病学等四、 人类对微生物世界的认识史1. 一个难以认识的微生物世界人类对动、植物的认识，可以追溯到人类的出现。可对数量巨大、分布极广并始终包围在人体内外的微生物却长期缺乏认识，其主要原因是因为微生物的个体过于微小、群体外貌不显、种间杂居混生以及形态与其作用的后果之间很难被人认识等。如“世纪瘟疫”-艾滋病，从感染病毒到发病一般要经过1213年的潜伏期，若没有现代生物学知识，谁会知道病人的死因就是由极其微小的人类免疫缺陷病毒（HIV）在作崇？在发霉的花生、玉米等胚的附近，常易生长黄曲霉-可以产生黄曲霉毒素，若经常食用这类霉变食物，就会诱发肝癌等疾病，倘若没有微生物学知识，人们无论如何也不会相信自己竟是被这类极不显眼的区区微生物所害。在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它们的存在，甚至人们已经在不知不觉中应用它们。我国劳动人民已很早就认识到微生物的存在和作用，也是最早应用微生物的少数国家之一。据考古学推测，我国在8000年以前已经出现了曲蘖酿酒了，4000多年前我国酿酒已十分普遍，而且当时的埃及人也已学会烘制面包和酿制果酒，2500年前我国人民已发明酿酱、醋，知道用曲治消化道疾病。公元六世纪(北魏时期)，我国贾思勰的巨著齐民要术详细地记载了制曲、酿酒、制酱和酿醋等工艺。公元九世纪到十世纪我国已发明用鼻苗法种痘，用细菌浸出法开采铜。到了16世纪，古罗巴医生G.Fracastoro才明确提出疾病是由肉眼看不见的生物(living creatures)引起的。我国明末(1641年)医生吴又可也提出戾气 学说，认为传染病的病因是一种看不见的戾气，其传播途径以口、鼻为主。长崎以来，人们对微生物视而不见，触而不觉，嗅而不闻，食而不察，得其益而不感其恩，受其害而不知其恶。这从人类历史上曾遭受多次严重的瘟疫流行的事实而得到充分的证明，如鼠疫（黑死病）、天花、麻风、梅毒和肺结核（白疫）的大流行等。公元6世纪，鼠疫在地球上第一次大流行时，曾危及埃及、土耳其、意大利、阿富汗等国家和地区，死亡人数约1亿人；而第二次14世纪（1347年）流行时，几乎摧毁了整个欧洲，有1/3（约2500万）人死于这场灾难，亚洲约死4000万（其中中国1300多万）人，在此后80年间，这种疾病一再肆虐，实际上消灭了大约75%的欧洲人口，一些历史学家认为这场灾难甚至改变了欧洲文化；19世纪末到20世纪初的第三次大流行发生在香港和印度北部地区，死亡人口约100万，这三次全球性杀人不见血的流行病共殃及近2亿人口，比死亡最惨重的第二次世界大战（约1.1亿人）还多。今天，一种新的瘟疫-艾滋病（AIDS）正在全球蔓延，癌症也正威胁着人类的健康和生命，许多被征服的传染病如肺结核、疟疾、霍乱等也有“卷土重来”之势。随着环境污染日趋严重，一些重未见过的新的疾病如军团病、埃博拉病毒病、疯牛病等又给人类带来新的危协。在人们真正看到微生物之前，实际上已经猜想或感觉到它有存在，甚至在不知不觉中应用它们，即约8000年前到1676年期间为微生物学的经验时期，也称史前期，这是一个朦胧阶段。此时期各国劳动人民其中尤以我国的制曲、酿酒技术著称。如华佗（约公元112212年）创造麻醉术及剖腹外科，主张割腐肉防传染，其医学思想和高超医术在当时世界遥遥领先；宋真宗时代（公元9981022年种人痘预防天花在我国已相当普遍，后传入俄、日、朝，并于1796年经土耳其传英，以后又传至欧洲各国。18世纪，英医生琴纳在种人痘的启示下发明了种牛痘。2. 微生物的发现和微生物学的发展（1） 微生物的发现显微镜的发明揭开了微生物世界的奥秘，1590年，荷兰人（Jannsen）赞森父子首先制成原始的分辨率很低的复式显微镜。1664年，英国人罗伯特 胡克（R.Hooke）用这种显微镜观察和描绘了长在皮革表面的一种蓝色霉菌的子实体结构，还画过长在枯萎的蔷薇叶上的一种霉菌，但观察很粗糙。荷兰人安东 范 列文虎克（Anting Van Leeuwenhoek 16321723年）才是真正看见并描述微生物的第一人。他的父亲是一个编篮匠，母亲为酿酒工之女。他六岁时丧父，16岁去阿姆斯特丹当布店学徒。六年后回到家乡Delft城从事多种职业：自营干货店，当过会计、出纳、验货员，充任Delft城sheriff家的侍从，具体干过市政厅的看管和清洁勤杂工作。一生曾做过419架单式显微镜和放大镜，一般放大倍数为50300倍。1981年初，有人对尚存的放大率最高的列文虎克显微镜进行实际测定，知其放大率266倍！1674年他首先用自制的单式显微镜观察到原生动物，1676年他又首次描述了观察到的细菌。1684年伦敦皇家学会会报刊登了列文虎克描绘的各种细菌形态，1695年安东 列文虎克发现的自然奥秘一书发表，他把观察到的大量的各种微小的“狄肯尔”dierken意“活泼的物体”-微动体。他的工作为微生物的存在提供了有力的证据。可惜的是他只是一名敏锐的观察家，没有将发现上升为理论。直到100年后，才有人对微生物进行描述、鉴定。（2） 微生物学发展简史 发展时期经历时间特点和标记代表人物史前期初创期奠基期发展期成熟期8000年前至公元1676年16761861年18611897年18971953年1953年以后人类已在应用微生物，如发酵、酿造等，但未发现微生物的存在世界上第一次发现了微生物的存在（当时称为“微动体”）开创了寻找病原微生物的“黄金时期”，并从形态描述进到生理学研究的新水平 用无细胞酵母汁发酵酒精成功，开创了微生物生化研究的新时期 “普通微生物学”作为一门学科开始形成DNA结构的双螺旋模型建立。微生物成为分子生物学中的重要研究对象。20世纪70年代后微生物成为生物工程学科的主角各国劳动人民列文虎克巴斯德，科赫布赫纳M. DoudoroffJ. D. Watson和H. F. C. Crick (DNA双螺旋结构模型的创立)（3） 微生物学的先驱及其贡献从微生物的发现到微生物学的创立，经历了近3个世纪，这是无数科学家共同努力的结果。在微生物学的发展进程中，值得一提的是如下几位：列文虎克：自制了世界上第一台显微镜，并观察到了一些细菌和原生动物，首次揭示了微生物世界。由于他的杰出贡献，1680年他当选为英国皇家学会会员。巴斯德：（Louis Pasteur, 法国，18221895）是微生物学的奠基人。他把微生物学的研究从形态描述推进到生理学的水平，并开创了寻找病原微生物的兴盛时期，使微生物学开始以独立的学科形式形成。巴斯德的主要工作是以下3个方面： 彻底否定了“自然发生”学说。1857年他根据曲颈瓶实验证实，空气中确实含有微生物，它们可引起有机质的腐败。把培养基中的微生物加热杀死后，曲颈瓶弯曲的瓶颈挡住了空气中的微生物到达有机物浸液内，但如果将瓶颈打断，空气中的微生物即可进入瓶内，使有机质发生腐败。 证实发酵是由微生物引起的。巴斯德发现酒精发酵是由酵母菌引起的，还发现乳酸发酵、丁酸发酵、醋酸发酵等都是由不同的细菌引起的，为进一步研究微生物的生理生化奠定了基础。免疫学-预防接种。将病原菌减毒，使其转变为疫苗。巴斯德发明了接种减毒病原菌以预防鸡霍乱和牛、羊炭疽病，并制成狂犬病疫苗，为人类防病、治病做出了巨大贡献。此外，他发明的巴斯德消毒法，一直沿用至今。他还解决了当时法国葡萄酒变质和家蚕软化病等实践问题，为造福人类做出了巨大贡献。科赫：（Robert Koch, 德国，18431910）是细菌学的奠基人，在病原菌的研究及细菌的分离、培养等方面做出了杰出的贡献。 配制固体培养基，并建立通过固体培养分离纯化微生物的技术。 用自创的方法证实并分离到许多病原菌，如炭疽芽孢杆菌（1877）、结核分支杆菌（1882）-因此获得了诺贝尔奖、链球菌（1882）、霍乱弧菌（1883）等。 提出了科赫法则，即证明某种微生物为某种疾病病原体所必须具备的条件，这一法则至今仍指导着动、植物病原菌的鉴定。 创立了许多显微镜技术，如细菌的鞭毛染色法、悬滴培养法、显微摄影技术等。 布赫纳：（Edward Buchner, 德国，18601917）于1897年用酵母菌无细胞压榨汁将葡萄糖进行酒精发酵获得成功，发现了微生物酶的重要作用，从此将微生物学推进到了生化研究的阶段。此后，微生物生理、生化等研究得到了迅速的发展。五、 微生物学在生命科学中的重要地位1. 促进了生命科学中许多重大理论问题的突破生命科学由整体或细胞水平进入分子水平，取决于许多重大理论问题的突破，其中微生物学起了重要甚至关键的作用，特别是对分子遗传学和分子生物学的影响最大。1928年，对肺炎双球菌的研究，发现了转化现象。1941年，用粗糙链孢霉进行突变试验，提出了“一个基因一个酶”的假说。1943年，利用细菌的突变试验证实了突变的性质和来源。1944年，继续研究转化现象，证明了引起细菌转化的物质是DNA。1953年，提出DNA双螺旋结构模型。1958年，用15N标记E.coli, 证明DNA半保留复制，提出遗传信息传递的“中心法则”，这标志着分子遗传学的诞生。1961年，研究大肠杆菌无细胞蛋白质合成体系破译了全部遗传密码。1961年，研究大肠杆菌提出了操纵子学说，阐明了基因表达的调控机制。1973年，将E.coli的抗四环素质粒与E.coli的抗卡那霉素质粒体外重组重新转化到E.coli受体菌获得成功，这是基因工程首次成功的试验。“断裂基因”的发现，基因精细结构分析，重叠基因的发现，DNA、RNA、蛋白质的合成机制等都是以微生物为材料而获得成功的。2. 发展了生命科学中许多研究和生物工程技术20世纪70年代以来，由于微生物学的一些重大发现，如基因载体（质粒、病毒）、工具酶（连接酶、逆转录酶、限制性内切酶等）的发现，才导致了DNA重组技术和遗传工程的产生。如今，基因载体的构建、质粒的改造、基因库的建立和保存、基因的正确表达及产物的获得等也离不开微生物。由于微生物学消毒灭菌、分离培养等技术的渗透和拓展，现在动植物细胞也和微生物一样可以在显微镜下分离，在摇瓶和琼脂平板中培养，也可在发酵罐中进行生产。如采用培养罐大量培养杂交瘤细胞，发酵生产用于疾病诊断和治疗的单克隆抗体；用培养罐大规模培养人参细胞和担子菌菌丝，生产人参皂苷、生物碱、灵芝多糖等。微生物学转化技术的渗透，才导致了转基因动物、转基因植物转化技术的出现。在“人类基因组计划”的研究方面，由于模式生物的生物学特性清楚，基因组小，便于测定和分析，可从中获取经验和改进技术的方法。而模式生物除极少数为动植物外，大多为微生物（细菌和酵母）。在微生物基因组测序的过程中，基因组作图和测序方法不断改进，大大加快了“人类基因组计划”的进展，2001年2月，人类基因组图谱及初步分析结果已正式提前公布。在后基因组时代，微生物仍将作为模式生物为高等生物基因功能的研究提供帮助。微生物与人类基因组计划 人类基因组计划的全称为人类基因组作图和测序计划。这是一项当今世界耗资巨大(30亿美元)，其深远意义堪与阿波罗登月计划媲美的最大的科学工程。要完成如此浩大的工程，除了需要多学科(数、理、化、信息、计算机等)的交叉外，模式生物的先行至关重要，因为模式生物一般背景清楚，基因组小，便于测定和分析，可从中获取经验改进技术方法。而这些模式生物除极少数(例如果蝇、线虫、拟南芥等)为非微生物外，绝大部分为细菌和酵母，目前已完成了近20多种独立生活的微生物基因组的序列测定，在此过程中由于基因组作图和测序方法的不断改进，大大加快了基因组计划进展，预计人类基因组计划有可能提前2-3年完成(2003年左右)。 测序工作只是计划的一部分，紧接着是更巨大的工程-后基因组研究，其主要任务是认识基因与基因组的功能。目前微生物基因组序列分析表明，在某些微生物中存在一些与人类某些遗传疾病相类似的基因，因此可以利用这些细菌的模型来研究这些基因的功能，为认识庞大的人类基因组及其功能提供简便的模式。 总之，20世纪的微生物学一方面在与其它学科的交叉和相互促进中，获得令人瞩目的发展。另一方面也为整个生命科学的发展作出了巨大的贡献，并在生命科学的发展中占有重要的地位。3. 揭示生命本质的重要途径随着对微生物研究的深入，新的生命本质的揭示也隐藏于微生物的研究中。 在海洋深处的某些硫细菌可在温度高达250甚至是300的高温条件下生活，其代谢特性完全不同于一般生物，对这类微生物生命本质的揭示无疑具有重大的理论和现实意义。 有一类极端微生物-嗜在其细胞膜上存在一种称为菌视紫红质的特殊物质，它与人眼视网膜上的一种蛋白质类似，在无氧有光条件下可进行光合作用，其质子的释放和吸收会引起颜色的变化，其光合磷酸化是至今所知的最简单的光合磷酸化反应，这为研究光合作用的分子机制提供了极好的模型。 支原体是至今发现的最小、能独立生活的微生物，它的个体很小，仅为0.1m，但至今发现完成其生命活动所需的酶大小约为0.05m，由此看来支原体的酶的排布是多么合理，其研究价值可想而知。 1982年，美国科学家S. B.Prusiner 发现了一种新的病原体，即朊病毒，仅由蛋白质构成，但它可以复制，引起的疾病可以传染，这给人类新的启示：蛋白质又是如何与生命的本质相联系呢？当然，对朊病毒的研究已有了新的发现，随着英国疯牛病的爆发，把对朊病毒的研究推向了新的热潮，现已明确朊病毒蛋白的转变是致病的关键。病变蛋白进入细胞后与细胞基因表达的朊病毒前体结合，导致朊病毒前体的构型改变，转变以朊病毒，但在一些病例中其构型转变的机理仍不清楚。并发现了朊病毒具有与病毒截然不同的性质。总之，微生物作为研究生命本质的重要材料，仍将发挥难以替代的作用。4. 微生物与诺贝尔奖劳氏肉瘤病毒是著名的致病RNA病毒，于1911年由P. Rous发现，他还发现了RNA信息可以反转录成DNA，因而于1966年获得了诺贝尔奖。这个工作的继续是寻找反转录的物质基础，终于在1970年分别由H. Temin、D. Baltimore找到了逆转录酶的存在，而R. Dulbecco提出了至今人们公认的反转录的DNA整合到寄主细胞DNA上的假说，他们通过研究微生物而得到的重大发现，又为人类探索生命本质做出了重要的贡献，故于1975年3人同时获得了诺贝尔将。逆转录酶的发现给人类带来了巨大的福音，当今已在基因工程研究中获得了广泛的应用，并成为获得基因的重要工具。据统计，20世纪因在微生物及其相关学科中有杰出贡献而获得诺贝尔生理学或医学奖的约有60人。诺贝尔奖获得者的研究工具是微生物，许多的研究思路来自对微生物的探索。微生物是一个天然的研究宝库，是用之不竭的源泉，永远会给研究者提供充足的资源、丰富的想像力、开阔的思路和眼界。第二章 原核微生物 原核微生物即广义的细菌，是指一大类仅含有一个DNA分子的原始核区而无核膜包裹的原始单细胞微生物。包括真细菌和古生菌（古细菌）两大类。其中除少数属古生菌外，多数的原核生物都是真细菌。第一节 真细菌 在人体内外部和我们的周围，到处都有大量的细菌集居着。凡在温暖、潮湿和富含有机物质的地方，都有各种微生物的活动，在那里常会散发出一股特殊的臭味或酸败味。在夏天，固体食品表面时而会出现一些水珠状、鼻涕状、浆糊状等色彩多样的小突起，这就是细菌的集团，叫菌落或菌苔。如果用小棒去挑一下，往往会拉出丝状物来；用手去抚摸一下，常有粘、滑的感觉。如果在液体中出现混浊、沉淀或液面飘浮“白花”，并伴有小气泡冒出，也说明其中可能长有大量细菌。一、细菌的形态、大小 1.细菌的大小细菌细胞大小的常用单位是微米，用符号m表示（1m=10-3mm=10-6m）。不同细菌的大小相差很大。其中大肠杆菌可作为典型细菌细胞大小的代表，其平均长度约为2m，宽约0.5m.。迄今所知最大的细菌是纳米比亚硫磺珍珠菌，其大小一般在0.10.3mm，有的可大到0.75mm左右，肉眼可见；而最小的纳米细菌，其细胞直径只有50nm (1nm=10-3m),甚至于比最大的病毒还要小。2.细菌的形态和排列细菌的形态极其简单，基本上只有球状、杆状和螺旋状三大类，仅少数为其他形状，如丝状、三角形、方形和圆盘形等。在自然界所存在有细菌中，以杆菌为最常见，球菌次之，而螺旋状的则最少。（1）球菌：根据其分裂的方向及随后相互间的连接方式又可分为：单球菌：尿素微球菌双球菌：肺炎双球菌链球菌：溶血链球菌、乳链球菌四联球菌：四联微球菌八叠球菌：尿素八叠球菌、藤黄八叠球菌葡萄球菌：金黄色葡萄球菌（2）杆菌：杆菌的形态多样，有短杆或球杆状，有长杆或棒杆状，有一端分枝的，也有的有一柄等。长杆菌：枯草杆菌、苏云金杆菌短杆菌：鼠疫杆菌、固氮菌分枝杆菌：结核杆菌棒状杆菌：白喉棒状杆菌（3）螺旋菌：螺旋不足一环者为弧菌，满2-6环的小型、坚硬的螺旋状细菌为螺菌，而旋转周数多（超过6环）、体长而柔软的螺旋状细菌则专称螺旋体。弧菌：霍乱弧菌（逗号弧菌）螺菌：减少螺菌、 小螺菌弧菌和螺菌的显著区别是：前者往往偏端单生或丛生鞭毛，后者两端都有鞭毛。细菌的形态明显受环境条件影响，如可随培养时间、培养温度、培养基的组成与浓度等发生改变，菌龄的大小也有差别。在幼龄期和适宜环境条件下，表现正常的形态，当培养条件改变或菌体衰老时，常引起菌体形态上的改变。二、细菌细胞的结构与功能细菌细胞中的细胞壁、细胞质膜、细胞质以及核区是一般细菌细胞所共有的结构，称一般结构，把仅在部分细菌中才有的或在特殊环境条件下才形成的构造如鞭毛、芽孢、糖被等称特殊结构。1.细菌细胞的一般结构（1）细胞壁除支原体外，几乎所有细菌都有细胞壁。它是细菌细胞最外层坚韧并富有弹性的外被，主要成分为肽聚糖，它赋于细菌细胞以强度和形状。功能：保护细菌免受机械性或其他破坏的作用。正常情况下起着保护细胞与维持细胞形状的作用。细菌细胞内的溶质浓度要比外界环境中的高得多，由此产生的胞内渗透压也比外界高得多。正是细胞壁保护了细胞，使细胞不会因吸水过度面胀破。屏障保护功能。有些具有多层结构细胞壁的细菌如革兰氏阴性细菌，其细胞壁还可阻挡溶菌酶、消化酶等酶蛋白及某些抗生素（如青霉素）和染料等进入细胞，从而起到更好的保护细胞免受这些物质的损伤。为细胞的生长、分裂和鞭毛的着生、运动等所必需。赋于细胞的特定抗原性、致病性和对抗生素及噬菌体的敏感性。细菌的革兰氏染色由于细菌形体太小以及菌体细胞大多较为透明，因此给研究工作带来很大困难。1884年由丹麦医生C. Gram创建了一种极为方便的细菌染色方法，可把几乎所有的细菌分成两大类。其主要过程为：草酸铵结晶紫初染，碘液媒染，95%乙醇脱色，再以沙黄等红色染料复染。被染成蓝紫色的细菌称革兰氏阳性菌G+，被染成红色的称革兰氏阴性菌G-。此法称革兰氏染色法。细菌细胞壁的构造和化学组成原核微生物细胞壁结构和化学组成具有多样性的特征。它们不仅具有很多的共性，而且在革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和古生菌中还存在各自的特性。革兰氏阳性菌的细胞壁较厚（20-80nm），但化学组分比较单一，只含有90%的肽聚糖和10%的磷壁酸；革兰氏阴性菌虽然较薄（10-15nm），却有多层构造（肽聚糖和脂多糖层等），其化学组分中除含有肽聚糖外，还含有一定量的类脂质和蛋白质等成分。此外，两者在表面结构上也有显著不同。G+：壁厚，20-80nm，由40层左右的网络状分子交织成网套覆盖在整个细胞上。含有特殊的多聚物-磷壁酸质（垣酸），其为酸性多糖，带负电荷，使细胞壁形成一个负电荷环境，大大加强了细胞膜对二价离子的吸附，尤其是Mg2+。而高浓度的Mg2+存在，对保持膜的硬度，提高细胞壁合成的酶活性极为重要。如金黄色葡萄球菌、枯草杆菌等。G-：壁较薄，10-15nm，肽聚糖少，埋在外膜层下，仅1-2层，故对机械强度的抵抗力较G+弱。不含垣酸。由于肽聚糖少，网孔较大，经乙醇处理后，溶解了脂类物质，使网孔进一步增大，通透性增加，结晶紫碘复合物易被抽提出去，因此染上了复染液的颜色。如大肠杆菌等。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比较项目G+G-肽聚糖含量很高30-95含量很低5-20磷壁酸含量较高（50）0类脂质一般无（2含量较高（约20）蛋白质0含量较高对青霉素敏感不够敏感对溶菌酶敏感不够敏感结构层次单层多层肽聚糖结构多层，75%亚单位交联，网格紧密坚固单层，30%亚单位交联，网格较疏松紧密与细胞膜的关系不紧密紧密肽聚糖（粘肽，胞壁质，粘肽复合物）双糖单位：G、M，1，4糖苷键（溶菌酶）肽尾：L-丙、D-谷、L赖、D-丙-青霉素-破坏转肽肽桥：磷壁酸 (垣酸)G+所特有，构成C抗原（表面抗原）磷壁酸的功能：1. 协助肽聚糖加固细胞壁2. 提高膜结合酶的活力（磷壁酸带负电荷，加强了对阳离子的吸附）3. 贮藏磷元素4. 调节细胞壁的增长5. 形成表面抗原6. 构成噬菌体吸附的受体位点 脂多糖层G-所有，由磷脂双分子层、脂蛋白与脂多糖形成的外壁层，因含脂多糖，故称脂多糖层。形成O抗原或菌体抗原。脂多糖功能：1. 构成G-致病物质-内毒素的物质基础2. 起保护作用，可阻止溶菌酶、抗生素和染料等侵入菌体，也可阻止周质空间中的酶外漏3. 吸附Mg2+、Ca2+等离子，提高细胞壁的稳定性4. 作为重要的抗原因子决定了G-菌抗原表位的多样性5. 是许多噬菌体吸附的受体古生菌的细胞壁除热原体属无壁外，其余都具有与真细菌类似功能的细胞壁。壁中无真正的肽聚糖，而是拟胞壁质（假肽聚糖）、糖蛋白和蛋白质构成。缺壁细菌L型细菌：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。原生质体：指在人为条件下，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胞。G+球状体（原生质球）：指还残留了部分细胞壁（尤其是G-细菌外膜层）的原生质体。支原体：在长期进化中形成，适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物，其细胞膜中含 有一般原核生物所没有的甾醇，故即使缺壁，其细胞膜仍有较高的机械强度。（2）细胞膜功能：1. 控制细胞内外物质（营养物质和代谢废物）的运送、交换2. 维持细胞内正常渗透压的屏障作用3. 合成细胞壁各种组分（脂多糖、肽聚溏、磷壁酸）和荚膜等大分子的场所4. 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地5. 传递信息，膜上的某些特殊蛋白质能接受光电及化学物质等产生的刺激信号并发生构象变化，从而引起细胞内的一系列代谢变化和产生相应的反应。6. 提供鞭毛着生位点内膜系统间体：（拟线粒体-类似真核细胞线粒体的功能）与细胞壁的合成、核质分裂、细胞呼吸以及芽孢形成有关。类囊体：（载色体）光合作用的场所。羧酶体：某些硫杆菌细胞内散布着由单位膜（非单位膜）围成的多角体，在自养细菌的CO2固定中起作用。（3）细胞质及内含物由流体部分和颗粒部分组成。流体部分中80%是水，其中水溶物质主要是可溶性的酶类和RNA。颗粒部分主要是核糖体、贮藏性颗粒、载色体以及质粒等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴胞晶体等。