原核生物的形态结构与功能

第三章原核生物形态 结构与功能 原核生物 指一大类细胞无核膜包裹 只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物 本章目录 第一节细菌第二节放线菌第三节蓝细菌第四节支原体 立克次氏体 衣原体 第一节细菌 细菌 是一类细胞细短 结构简单 胞壁坚韧 多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物 本节目录 一 细菌的形态构造及其功能二 细菌的群体形态 革兰氏染色法是1884年由丹麦病理学家ChristainGram创立的 而后一些学者在此基础上作了某些改进 它是细菌学中最重要的鉴别染色法 其基本步骤如下 革兰氏染色法 制片 初染 媒染 脱色 复染 镜检 革兰氏染色的结果 革兰氏阴性菌呈红色 G 革兰氏阳性菌呈紫色 G 二 构造 1 细菌的一般构造 细胞壁细胞膜核区 1 细胞壁 Cellwall 细胞壁 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 a 固定细胞外形和提高机械强度 b 为细胞的生长 分裂和鞭毛运动所必需 c 阻拦大分子有害物质进入细胞 d 赋予细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性 G 细菌细胞壁 特点 厚度大 化学组分简单 一般含90 肽聚糖和10 磷壁酸 机械强度高 G 细菌肽聚糖 肽聚糖是细菌细胞壁中特有的成分 肽聚糖分子 肽 聚糖 四肽尾 肽桥 N 乙酰葡糖胺 N 乙酰胞壁酸 N 乙酰胞壁酸 N 乙酰葡糖胺 四肽尾 肽桥 1 4 糖苷键 溶菌酶 双糖单位 四肽尾 由4个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成 肽桥 起着连接前后两个四肽尾分子的桥梁作用 肽桥的变化甚多 由此形成了 肽聚糖的多样性 磷壁酸 是结合在G 细菌细胞壁上的一种酸性多糖 主要成分为甘油酸或核糖醇磷酸 可分为壁磷壁酸和膜磷壁酸 磷壁酸的生理功能 其磷酸分子上较多的负电荷可提高细胞周围Mg2 的浓度 保证细胞膜上一些需Mg2 的合成酶提高活性 贮藏磷元素 能调节细胞内自溶素 autolysin 的活力 借以防止细胞因自溶而死亡 赋予革兰氏阳性细菌以特异的表面抗原 可作为噬菌体的特异性吸附受体 增强某些致病菌如A族链球菌 Streptococcus 对宿主细胞的粘连 避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用 G 细菌细胞壁 特点 厚度较薄 层次较多 成份复杂 机械强度差 G 细菌的肽聚糖 外膜 位于G 细菌细胞壁最外层由脂多糖 LPS 磷脂 脂蛋白和其他蛋白组成的厚膜 脂多糖 LPS 位于G 细菌细胞壁最外层的一层较厚的类脂多糖类物质 由类脂A 核心多糖和O 特异性侧链3部分组成 脂多糖的功能 其中的类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质 内毒素的物质基础 因其负电荷较强 故与磷壁酸相似 也有吸附Mg2 Ca2 等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用 由于LPS结构的多变 决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性 是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体 具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能 外膜蛋白 嵌合在G 细菌细胞壁外膜上的多种蛋白质成分 周质空间 指位于G 细菌细胞壁外膜与细胞膜之间的狭窄空间 呈胶状 内含各种周质蛋白 包括各种酶类和受体蛋白等 古生菌的细胞壁 细胞壁中不含真正的肽聚糖 而含假肽聚糖 假肽聚糖 多糖骨架是由N 乙酰葡糖胺和N 乙酰塔罗糖胺糖醛酸以 1 3 糖苷键交替连接而成 缺壁细胞 L型细菌 在实验室或宿主体内通过自发突变而形成的遗传稳定的细胞壁缺陷菌株 原生质体 在人为条件下 用溶菌酶除尽细菌等微生物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细胞 球状体 还残留部分细胞壁的原生质体 支原体 在长期进化过程中形成的 适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物 革兰氏染色机制 通过结晶紫初染和碘液媒染后 在细胞膜内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物 CVIdyecomplex 革兰氏阳性细菌由于其细胞壁较厚 肽聚糖网层次多和交联致密 故遇乙醇或丙酮作脱色处理时 因失水反而使网孔缩小 再加上它不含类脂 故乙醇处理不会溶出缝隙 因此能把结晶紫与碘复合物牢牢留在壁内 使其仍呈紫色 反之 革兰氏阴性细菌因其细胞壁薄 外膜层的类脂含量高 肽聚糖层薄和交联度差 在遇脱色剂后 以类脂为主的外膜迅速溶解 薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出 因此 通过乙醇脱色后细胞退成无色 这时 再经沙黄等红色染料进行复染 就使革兰氏阴性菌呈现红色 而革兰氏阳性菌则仍保留紫色 实为紫加红色 了 2 细胞膜 原核微生物的细胞质膜上一般不含胆固醇等甾醇 细胞膜的生理功能为 选择性地控制细胞内 外的营养物质和代谢产物的运送 是维持细胞内正常渗透压的屏障 合成细胞壁和糖被的各种组分 肽聚糖 磷壁酸 LPS 荚膜多糖等 的重要基地 膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系 是细胞的产能场所 是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位 间体 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 多见于革兰氏阳性细菌 每个细胞含一至少数几个 着生部位可在表层或深层 前者与某些酶如青霉素酶的分泌有关 后者与DNA的复制 分配以及与细胞分裂有关 古生菌细胞膜的特点 磷脂疏水尾由长链烃组成 亲水头和疏水尾以醚键相连 存在单分子层 在甘油分子的C3位上 可连接多种独特的基团 含有多种独特脂类 3 细胞质和内含物 细胞质 指被细胞膜包围的除核区以外的一切半透明 胶体状 颗粒状物质的总称 原核生物的细胞质是不流动的 细胞内含物 指细胞质内一些形状较大的颗粒状构造 主要有 贮藏物磁小体羧酶体气泡 贮藏物 聚 羟丁酸 poly hydroxybutyrate PHB 是存在于许多细菌细胞质内属于类脂性质的碳源类贮藏物 不溶于水 可溶于氯仿 可用尼罗蓝或苏丹黑染色 具有贮藏能量 碳源和降低细胞内渗透压的作用 多糖类贮藏物 包括糖原和淀粉类 在真细菌中以糖原为多 糖原可用碘液染成褐色 在光学显微镜下可见 异染粒 metachromaticgranules 又称迂回体或捩转菌素 volutingranules 这是因为它最早是在迂回螺菌被发现并可用美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色的缘故 颗粒大小为0 5 1 0 m 是无机偏磷酸的聚合物 分子呈线状 n值在2 106间 一般在含磷丰富的环境下形成 功能是贮藏磷元素和能量 并可降低细胞的渗透压 藻青素 cyanophycin 通常存在于蓝细菌中 是一种内源性氮源贮藏物 同时还兼有贮存能源的作用 磁小体 其成分为Fe3O4 外有一层磷脂 蛋白或糖蛋白膜包裹 是单磁畴晶体 无毒 其功能是导向作用 即借鞭毛游向对该菌最有利的泥 水界面微氧环境处生活 羧酶体 carboxysome 又称羧化体 是存在于一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物 其大小与噬菌体相仿 约10nm 内含1 5 二磷酸核酮糖羧化酶 在自养细菌的CO2固定中起着关键作用 气泡 gasvocuoles 是在许多光合营养型 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 2 1 0 m 75nm 内由数排柱形小空泡组成 外有2nm厚的蛋白质膜包裹 其功能是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 4 核区 nuclearregionorarea 又称核质体 nuclearbody 原核 拟核 nucleoid 或核基因组 genome 指原核生物所特有的无核膜结构 无固定形态的原始细胞核 它是一个大型环状双链DNA分子 只有少量蛋白质与之结合 一般均为单倍体 2 细菌的特殊构造 糖被鞭毛菌毛性毛芽孢伴孢晶体 糖被 glycocalyx 包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质 称为糖被 荚膜的功能为 保护作用 其上大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤 可防止噬菌体的吸附和裂解 一些动物致病菌的荚膜还可保护它们免受宿主白细胞的吞噬 贮藏养料 作为透性屏障或 和 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 糖被在科学研究和实践中的应用 菌种鉴定用作药物和生化制剂用作工业原料用于污水处理 2 鞭毛 生长在某些细菌体表的长丝状 波曲的蛋白质附属物 称为鞭毛 其数目为一至数十条 具有运动功能 在下述两情况下 单凭肉眼观察也可初步推断某细菌是否存在着鞭毛 在半固体 含0 3 0 4 琼脂 直立柱中用穿刺法接种某一细菌 经培养后 若在穿刺线周围有呈混浊的扩散区 说明该菌具有运动能力 并可推测其长有鞭毛 反之 则无鞭毛 根据某菌在平板培养基上的菌落外形也可推断它有无鞭毛 一般地说 如果该菌长出的菌落形状大 薄且不规则 边缘极不圆整 说明该菌运动能力很强 反之 若菌落外形圆整 边缘光滑 厚度较大 则说明它是无鞭毛的细菌 鞭毛的构造 原核微生物 包括古生菌 鞭毛的构造由基体 钩形鞘和鞭毛丝三部分组成 鞭毛 基体 钩形鞘 鞭毛丝 鞭毛蛋白螺旋排列而成 L环 P环 S M环 鞭毛的生理功能 运动 拴菌实验 1974年 美国学者M Silverman和M Simon设法把单毛菌鞭毛的游离端用相应抗体固定在载玻片上 确定了 旋转论 的正确性 鞭毛着生 菌毛 是一种长在细菌体表的纤细 中空 短直且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 性毛 构造成分与菌毛相同 但比菌毛长 粗 每个细菌一般仅着生一至少数几条性毛 多见于G 细菌的雄性菌株上 其主要功能是向雌性菌株传递遗传物质 芽孢 芽孢是整个生物界中抗逆性最强的生命体之一 芽孢不具有繁殖功能 产芽孢的种类主要有芽孢杆菌属和梭菌属 芽孢的构造 芽孢的构造 芽孢的形成 芽孢的萌发 活化 出芽 生长 芽孢的耐热机制 渗透调节皮层膨胀学说 研究芽孢的意义 芽孢是细菌分类 鉴定的重要形态学指标 有助于菌种筛选 方便菌种保藏 灭菌的重要指标 伴孢晶体 少数芽孢杆菌在形成芽孢的同时 会在芽孢旁形成一颗棱形 方形或不规则的碱溶性蛋白质晶体 称为伴孢晶体 二 细菌的群体形态 一般呈现湿润 较光滑 较透明 较粘稠 易挑取 质地均匀以及菌落正反面或边缘与中央部位的颜色一致等 第二节放线菌 放线菌 actinomyetes 是一类主要呈菌丝生长和以孢子繁殖的陆生性较强的原核生物 放线菌广泛分布在含水量较低 有机物较丰富和微呈碱性的土壤中 是抗生素的主要生产菌 Frankia菌属是重要的固氮菌 一 放线菌的形态构造二 放线菌的繁殖三 放线菌的群体特征 一 放线菌的形态构造 1 营养菌丝又称为初级菌丝体或一级菌丝体或基内菌丝 匍匐生长于培养基内 主要生理功能是吸收营养物 2 气生菌丝又称为二级菌丝体 营养菌丝体发育到一定时期 长出培养基外并伸向空间的菌丝为所生菌丝 它叠生于营养菌丝之上 直径比营养菌丝粗 颜色较深 3 孢子丝当气生菌丝发育到一定程度 其上分化出可形成孢子的菌丝即为孢子丝 又名产孢丝或繁殖菌丝 二 放线菌的繁殖 放线菌主要通过形成无性孢子的方式进行繁殖 也可利用菌丝片断进行繁殖 三 放线菌的群体特征 菌落特征 干燥 不透明 表面呈致密的丝绒状 上有一层彩色的 干粉 菌落和培养基连接紧密 难以挑取 菌落正反面颜色不一致 第三节蓝细菌 蓝细菌 Cyanobacteria 蓝藻 是一类进化历史悠久 革兰氏阴性 无鞭毛 含叶绿素a 但不形成叶绿体 能进行产氧性光合作用的大型原核生物 蓝细菌细胞的几种特化形式 异形胞 heterocyst 是存在于丝状生长的蓝细菌种类中的形大 壁厚 专司固氮功能的细胞 静息孢子 akinete 是一种长在细胞链中间或末端的形大 壁厚 色深的休眠细胞 异形胞 第四节支原体 立克次氏体 衣原体 一 支原体二 立克次氏体三 衣原体 一 支原体 mycoplasma 支原体 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原核生物 特点 细胞很小 细胞壁含甾醇 无细胞壁 对渗透压敏感 菌落小 呈 油煎蛋 状 以二分裂和出芽方式繁殖 能在含血清 酵母膏和甾醇等营养丰富的培养基上生长 多数能以糖类作能源 基因组很小 对抑制蛋白质合成和破坏甾醇的抗生素敏感 二 立克次氏体 Rickettsia 立克次氏体 是一类专性急生于真核生物细胞内的G 原核生物 细胞大小为0 3 0 6 m 0 8 2 0 m 细胞呈球状 杆状或丝状 有的多形性 有细胞壁 呈革兰氏阴性反应 除少数外 均在真核细胞内营专性寄生