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第二章原核微生物 教学提示 重点掌握细菌细胞的形态 构造和主要功能 掌握其群体形态 特别是菌落 特征及细菌学研究方法 如显微镜技术及制片染色技术等 掌握放线菌的典型形态特征及与人类生产生活的关系了解蓝细菌 古生菌及其他原核生物的典型特征 知识回顾 1 微生物2 微生物学3 微生物学之父巴斯德的贡献4 科赫原则 微生物 细菌Bacteria古生菌Archaea 真菌 酵母 霉菌 蕈菌等 单细胞藻类 原生动物等 非细胞型 病毒 细胞型 原核微生物 真核微生物 古生菌在进化谱系上与真细菌及真核生物相互并列 且与后者关系更近 而其细胞构造却与真细菌较为接近 同属于原核生物 第一节细菌 bacteria 1细胞的形态构造及其功能 1 1形态和染色 球状 杆状 螺旋状 基本形态 1 球状 细胞个体呈球形或椭圆形 不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式 常被作为分类依据 第一节细菌 bacteria 1细胞的形态构造及其功能 2 杆状 细胞呈杆状或圆柱状 一般其粗细 直径 和两端形状 如圆钝 平直或尖锐等 比较稳定 而长度则常因培养时间 培养条件不同而有较大变化 第一节细菌 bacteria 1细胞的形态构造及其功能 枯草芽孢杆菌 地衣芽孢杆菌 铜绿假单胞菌 绿脓杆菌 结核分枝杆菌 炭疽病的病原菌 炭疽杆菌 破伤风梭菌 3 螺旋状 弧菌 螺旋菌 螺旋体菌 1细胞的形态构造及其功能 弧菌 菌体只有一个弯曲 其程度不足一圈 形似 C 字或逗号 鞭毛偏端生 蛭弧菌 霍乱弧菌 螺旋菌 菌体回转如螺旋 螺旋数目和螺距大小因种而异 鞭毛二端生细胞壁坚韧 菌体较硬 螺旋体菌 菌体柔软 用于运动的类似鞭毛的轴丝位于细胞外鞘内 梅毒密螺旋体 4 大小与重量 细菌的大小测量单位是um 大小的测量方法 显微镜测微尺 显微照相后根据放大倍数进行测算 5 染色 由于细菌细胞微小又透明 一般先要经过染色才能在显微镜下观察清晰 革兰氏染色法 细菌染色方法 鉴别染色法 简单染色法 负染色 正染色 死菌 活菌 抗酸性染色法 芽孢染色法 姬姆萨染色法 荚膜染色法 用美蓝或TTC等作活菌染色 1 2细菌细胞的结构 一般结构 一般细菌都有的构造 特殊结构 部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的 1 2 1细菌细胞的一般构造 细胞壁 cellwall 是位于细胞表面 内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧 略具弹性的细胞结构 约占干重的10 25 1 2 1 1细胞壁 cellwall 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 细菌和革兰氏阴性 G 细菌 1 革兰氏阳性细菌的细胞壁成分 G 菌细胞壁化学组成以肽聚糖 peptidoglycan 为主 这是原核微生物所特有的成份 占细胞壁物质总量的50 90 2 革兰氏阴性细菌的细胞壁成分 G 细菌细胞壁的组成和结构比G 菌更复杂 主要成份为 脂多糖 磷脂 脂蛋白 肽聚糖 G 菌也有肽聚糖 仅占细胞壁干重的5 10 肽聚糖结构与G 菌相同 但组成有异 短肽尾的 号位上L Lys往往被其他二氨酸取代 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 磷脂和若干种外膜蛋白 3 G 细菌与G 细菌细胞壁的比较 4 革兰氏染色方法 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 非常著名的 有用的 在细菌鉴定中必须用到的方法 1用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染1min 2用碘溶液进行媒染1min 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用乙醇或丙酮冲洗进行脱色20 30s 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5min 例如沙黄 它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色 而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色 革兰氏染色的机制 简而言之 不同细菌的染色差异 G 或G 是由于细胞壁化学成分的差异而引起了物理特性 脱色能力 的不同 具体而言 G 细胞壁厚 肽聚糖高 交联度大 当乙醇脱色时 肽聚糖因脱水而网孔收缩 故结晶紫 碘复合物被阻留在细胞内 细胞不脱色 仍呈紫色 G 细胞壁薄 肽聚糖低 含脂类高 乙醇将脂类分解 缝隙加大 故结晶紫 碘复合物流出细胞壁 细胞脱色 用碱性红色染色 沙黄 后呈紫色 5 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 G 缺壁人工去壁细菌部分去除 球状体 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 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 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 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 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 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 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 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 1 2 1 2细胞膜与间体 1 细胞膜概念 细胞质膜 cytoplasmicmembrane 又称质膜 plasmamembrane 细胞膜 cellmembrane 或内膜 innermembrane 是紧贴在细胞壁内侧 包围着细胞质的一层柔软 脆弱 富有弹性的半透性薄膜 厚约7 8nm 由磷脂 占20 30 和蛋白质 占50 70 组成 2 细胞膜的生理功能 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 4 间体 mesosome 或中体 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 青霉素酶分泌 DNA复制 分配以及细胞分裂有关 间体 仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像 细胞质的主要成分为核糖体 贮藏物 多种酶类和中间代谢物 质粒 各种营养物和大分子的单体等 少数细菌还有类囊体 羧酶体 气泡或伴孢晶体等 1 2 1 3细胞质和内含物 1 概念 细胞质 cytoplasm 是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明 胶状 颗粒状物质的总称 含水量约80 核糖体是细胞质中的一种核糖核蛋白的颗粒状物质 由核糖核酸 60 和蛋白质 40 组成 常以游离状态或多聚核糖状态分布于细胞质中 其沉降系数均为70s 它是蛋白质的合成场所 2 核糖体 ribosomes 3 贮藏物 reservematerials 聚 羟丁酸 poly hydroxybutyrate PHB 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 类脂性质的碳源类贮藏物 贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性颗粒沉淀 主要功能是贮存营养物 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 可在光学显微镜下观察到 糖原粒淀粉粒 有的细菌积累淀粉粒 可用碘液染成深兰色 异染粒 metachromaticgranules 颗粒大小为0 5 1 0 m 是无机偏磷酸的聚合物 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 在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌 Spirillumvolutans 中的异染粒 迂回体 藻青素 cyanophycin 一种内源性氮源贮藏物 同时还兼有贮存能源的作用 通常存在于蓝细菌中 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25000 125000 硫粒 sulfurglobules 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 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 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 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 1 2 1 4核区 nuclearregionorarea 原核生物所特有的无核膜结构 无固定形态的原始细胞核 知识回顾 1 细菌形态 大小 重量 长度 2 阳性菌和阴性菌的细胞壁差别3 革兰氏染色机制4 缺壁细菌 1 2细菌细胞的结构 一般结构 一般细菌都有的构造 特殊结构 部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的 材料 青霉素G的抗菌作用快而强 低浓度抑菌 高浓度杀菌 其抗菌谱较窄 主要对革兰氏阳性及阴性球菌 革兰氏阳性杆菌 螺旋体及放线菌有强大的抗菌作用 对革兰氏阴性杆菌的作用较弱 对结核杆菌 真菌 立克次氏体 病毒等均无效 细菌对青霉素G可产生耐药性 尤其是金黄色葡萄球菌的耐药性较为常见 青霉素G毒性很低 最主要的不良反应是过敏反应 1 请将本材料中提到的微生物 下标线标示的 按照细胞水平进行分类 2 结合所学的微生物学知识 阐述青霉素的药理 3 阐述耐药性产生的可能遗传机制及生化机制 答 1原核细胞型微生物 细菌 螺旋体 放线菌 立克次氏体 1 真核细胞型微生物 真菌 1 非细胞型微生物 病毒 1 2 无论是G 细菌还是G 细菌细胞壁中都有肽聚糖成分 1 青霉素的作用是抑制肽聚糖合成最后阶段的交联作用转肽反应 不论G 细菌还是G 细菌都是一样 只不过具体作用位点不同 这样 细菌不能形成完整的细胞壁而裂解死亡 2 由于G 细菌外膜的通透屏障作用 使青霉素不易达到它的作用靶位 从而使G 细菌对青霉素不敏感 1 3遗传机制 自发突变加药物选择 1 细胞间抗药性的基因转移 1 生化机制 产生使抗生素结构改变的酶 即钝化酶 1 作用靶位的改变 1 细胞通透性的改变 1 1 2 2 1鞭毛 flagellum 复flagella 概念 某些细菌细胞表面着生的一至数十条长丝状 螺旋形的附属物 具有推动细菌运动功能 为细菌的 运动器官 1 2 2细菌细胞的特殊结构 鞭毛的有无和着生方式 单端鞭毛 端生丛毛 两端生鞭毛 周生鞭毛 2 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 15 20 m 直径 0 01 0 02 m 光学显微镜下观察 鞭毛染色和暗视野显微镜 根据培养特征判断 半固体穿刺 菌落 菌苔 形态 3 鞭毛的功能 具有运动的功能 1 2 2 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 每个细菌约有250 300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 1 2 2 3性毛 pili 单数pilus 构造和成分与菌毛相同 但比菌毛长 数量仅一至少数几根 性毛一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株 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 1 2 2 4糖被 glycocalyx 1 概念 包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质 糖被按其有无固定层次 层次厚薄又可细分为荚膜 capsule或macrocapsule 大荚膜 微荚膜 microcapsule 粘液层 slimelayer 和菌胶团 zoogloea 荚膜 粘液层 菌胶团 2 糖被的特点 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 产生糖被是某些微生物的一种遗传特性 其菌落特征及血清学反应是细菌分类鉴定的指标之一 c 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 d 细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系 3 糖被的功能 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 致病功能 具有表面附着作用 与病原菌的毒性密切相关 能抵抗吞噬细胞的吞噬 1 2 2 5特殊的休眠构造 芽孢 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 偶译 内生孢子 2 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来保藏 细菌繁殖体 80度迅速死亡 芽孢 100度沸水 可存活几小时 芽孢功能 芽孢对热 干燥 辐射 化学消毒剂等理化因素均有强大的抵抗力 DPA 钙离子 3 芽孢的形成与芽孢的萌发过程 自学 4 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 5 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 6 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 肠中pH9 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 致血液中pH升高 使昆虫全身麻痹而死亡 细菌主要是通过无性繁殖产生后代 其繁殖方式是二分裂 binaryfission 简称裂殖 fission 因此其生长方式是指数生长 细菌的繁殖过程分为三个连续步骤 核的分裂和隔膜的形成 横隔壁形成 两子细胞分裂 另外有个别细菌还存在三分裂和复分裂等繁殖方式 2细菌的繁殖 分裂繁殖 3细菌的菌落 3 1在固体培养基上 内 的群体形态 菌落 菌苔 一般琼脂浓度1 5 2 0 中性pH 菌落 colony 在固体培养基上 内 形成的以母细胞为中心的一堆肉眼可见的 有一定形态 构造特征的子细胞集团 如果该母细胞是一个单细胞 由它繁殖成的菌落就是单菌落或克隆 clone 则它的一切后代都是纯种培养物 菌苔 lawn 如果多个菌落连成一片 或者用大量纯种细胞接种在固体培养基上 则长成的培养物就是菌苔 菌落特征描述的3方面 菌落表面形态圆形 根状 不规则状 光滑或粗糙 湿润或干燥菌落隆起形状扁平 隆起 凸起 脐状凸起菌落边缘形状整齐 波状 丝状 裂叶状细菌菌落特征 一般湿润 光滑 较粘稠 较易挑起 质地均匀 正反面和边缘颜色一致 一般地 有鞭毛的 菌落大而平坦 边缘多缺刻 不规则有糖被的 菌落大而透明 湿润 边缘有蛋清样分泌物有芽孢的 表面粗糙 干燥 不透明 表面多褶 3 2在半固体培养基上 内 的群体形态 穿刺线的形状 一般琼脂浓度0 5 0 7 中性pH 根据明胶