微生物细胞的结构和功能

Chapter 3 微生物细胞的结构和功能 原核微生物, 原核微生物（ Prokaryotic microbes）：是指一大类细胞核无核膜包裹，只有称做核区（nuclear region)的裸露DNA的原始单核细胞生物，包括真细菌和古生菌两类。真细菌包括：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、衣原体和立克氏体等。 细菌：是一类细胞细而短、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的微生物。,Sect 1 细菌（bacteria）, 固体琼脂平板上菌落形态：菌落（colony）及特征描述、菌苔（lawn）, 液体培养基中培养特征：混浊、菌膜、或絮状沉淀。 有特殊的臭味或酸败味。 认识历程：有害 有益,一 细胞的形态构造及其功能,一）形态和染色 1、细菌的基本形态,球状：单球菌、双球菌、四联球菌、八迭球菌、链球菌、葡 萄球菌,螺旋状：弧菌、螺菌、螺旋体。 其它形状：如星形，方行等,杆状：短杆菌、棒状杆菌、梭菌、节杆菌等。,双球菌(diplococcus),脑膜炎奈瑟菌,肺炎链球菌,四联球菌(tetrad),八叠球菌(sarcina),链球菌(streptococcus),葡萄球菌(staphylococcus),杆菌(bacillus),不同杆菌的大小、长短、粗细很不一致。,杆菌的形态多样,螺形菌(spiral bacterium),自然界中杆状细菌最常见、球菌次之，螺旋状最少；量度细菌大小的单位是m（微米，10-6m）作单位。亚细胞构造的量度用nm（纳米，10-9m）作单位。 细菌的形态明显的受环境的影响； 细菌的大小与所用染色方法有关。 A ：干燥固定：变小； B： 负染色：变大。,图-3-1 不同细菌大小比较,染色方法 ： 死菌：,正染色,简单染色法,鉴别染色法,革兰氏染色法、抗酸染色法、牙孢 染色法,姬姆萨（Giemsa）染色法,负染色：荚膜染色法等, 活菌：用美蓝或TTC（氯化三苯基四氮唑）染色,二）细胞结构和功能（一）细胞壁（cell wall) 细胞壁：是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要由肽聚糖构成，有固定的细胞外形和保护细胞等多种功能。 功能： 固定细胞外形和提高机械强度，使其免受渗透压等外力的损伤； 为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所需； 阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、 消化酶和青霉素等有害物质的损伤； 赋予细胞特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。,图-3-1 巨大芽孢杆菌质壁分离后可见细胞壁, 革兰氏（C.Gram)染色法,革兰染色法： 涂片 风干 固定 结晶紫 碘液 95%乙醇 复红,革兰阳性菌,革兰阴性菌,革兰染色,1min,1min,脱色,两类细菌细胞壁的共同组分为肽聚糖，但各有其特殊组分。,革兰阳性 革兰阴性,1、革兰氏阳性菌的细胞壁,特点： 壁厚（2080nm); 化学成分简单：肽聚糖（90%）+ 磷壁酸（10%）2）组成 肽聚糖 （peptidoglycan)：是真细菌细胞所特有的成分，它由肽和糖两部分组成，其中肽包括四肽尾和肽桥两种，糖则由N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸相互间隔连接而成，成长链骨架状。 磷壁酸（teichoic acid): 它是结合在G+ CW上的一种酸性多糖主要成分为甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸，根据其在CW中的位置不同可分为壁磷壁酸和膜磷壁酸。,革兰阳性菌肽聚糖聚糖骨架、四肽侧链、五肽交联桥,革兰阳性菌细胞壁特殊组分,图-3-2 壁磷壁酸与肽聚糖连接模式图,2、革兰氏阴性菌的细胞壁特点： 壁薄； 化学成分复杂：肽聚糖 + 外膜 + 外膜蛋白2）组成 （1）肽聚糖 四肽尾的第三个氨基酸 L-lys m-DAP （内消旋二氨基庚二酸） 没有特殊的肽桥 (D-Ala m-DAP ),革兰阴性菌肽聚糖聚糖骨架、四肽侧链,水解肽聚糖的酶类：溶菌酶（lysozyme）、自溶酶（autolytic enzyme）等,（2）外膜： 位于G- CW的外层，由脂多糖（外）、磷脂（中）和脂蛋白（内）组成。 脂多糖 （lipopolysaccharide, LPS) 是位于G- 细胞壁最外的一层较厚的类脂多糖 类物质，由类脂A、核心多糖和O-特异侧链（O-Specific side chain,或O-多糖，O-抗原）三组成（P41-43)。,脂多糖 (lipopolysaccharid,LPS),其中 类脂A，是G- 内毒素的基础。 O-特异侧链与抗原性有关。 LPS 功能： A 类脂A是G- 致病物质内毒素的基础； B 因其负电荷较强，与磷壁酸相似，可吸附Mg2+, Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用； C 由于LPS 结构多样，决定了G- 细胞表面抗原决定簇的多样性； D 是许多噬菌体在细胞表面的吸附受体； E 具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能。,甘油磷脂类组成： 磷酸化的头部 + 三碳的甘油骨架 + 两条脂肪酸链,磷脂, 脂蛋白,定义：脂蛋白是由脂和蛋白质以非共价键（疏水作用、范德华力、和静电引力）结合而成的复合物。,（3）外膜蛋白（ outer-membraneprotein,Omp)：指嵌合在LPS 和磷脂层外膜上的蛋白，有20余种，但多数 Omp功能尚不清楚。 研究进展： 1、它是革兰氏阴性菌外膜的主要结构，占其全部组成的1/2，在维持外膜结构，保证物质运输，作为大肠菌素、噬菌体受体，参与 F因子接合以及在细菌的致病机理和免疫机理等多方面发挥重要功能。按其在细胞中的拷贝数高低区分为主要蛋白和微量蛋白。 2、目前，一般认为，细菌 Omp 在细菌致病性方面不仅可增强细菌对宿主的吸附作用，而且有助于细菌通过机体的防御屏障，尤为重要的是，它可以帮助细菌逃避机体的多种免疫防疫体系。,Table. 1 Major mechanisms of OMP-mediated bacterial adaptive responses to environment,革兰阴性菌细胞壁特殊组分,存在多种周质蛋白如水解酶类、合成酶类、结合蛋白及受体蛋白等。, 革兰阳性菌与阴性菌细胞壁结构比较,+,脂多糖,+,脂蛋白,+,外膜,+,磷壁酸,占细胞壁干重5%-20%,占细胞壁干重50%-80%,肽聚糖含量,1-2层,可多达50层,肽聚糖层数,10-15nm,20-80nm,厚度,较疏松,较坚韧,强度,革兰阴性菌,革兰阳性菌,细胞壁, Gram 染色机制, G+ 由于CW 厚，尤其是肽聚糖含量较高，网络结构紧密，含脂量又低，当它被酒精脱色时，引起肽聚糖网状结构的孔径缩小以至关闭，从而阻止了不溶性结晶紫-碘复合物的逸出，故呈紫色； 而G-CW肽聚糖层薄，含量少，而含脂量又高，当酒精脱色时，脂类物质溶解，CW透性增大，结晶紫-碘复合物被抽提出来，故G- 呈复染液的红色。,3、缺壁细菌 自然界进化形成：支原体、粘菌、原生动物、某些嗜盐菌、产甲烷细菌（疵壁菌mendosicutes） 实验室人工培养： 细菌细胞壁缺陷型或L型(bacterial L form)：在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菌株。即在细胞壁受损后仍能生长和分裂的细菌。在一般环境中不能耐受菌体内的高渗透压而将会涨破死亡。在高渗环境下，仍可存活。 原生质体(protoplast) ：革兰阳性菌细胞壁缺失后，原生质仅被一层细胞膜包住（用溶菌酶溶解或青霉素抑制细胞壁的形成）（基本去尽）。 球状体(spheroplast)：指还残留着部分细胞壁的原生质体，革兰阴性菌肽聚糖层受损后尚有外膜保护（部分去掉）。, 细菌L型的形态和染色性,细菌L型呈高度多形性，大小不一。着色不匀，无论其原为革兰阳性或阴性菌，形成L型大多染成革兰阴性。, 细菌L型的培养特性和菌落形态, 细菌L型生长缓慢，营养要求高，对渗透压敏感，普通营养基上不能生长，培养时必须用高渗的含血清的培养基。 细菌L型在高渗的含血清的培养基上生长后形成三种类型的菌落。,油煎蛋样菌落（典型L型菌落）,颗粒型菌落,丝状菌落,（二）细胞壁以内的结构原生质体 1、细胞质膜（cytoplasmic membrane) 定义：是紧帖CW内侧，包围细胞质的一层柔软、脆弱、 富有弹性的半透膜。 组成：磷脂（20-30%）+ 蛋白（50-70%） 与真核细胞膜之异同： A， 细菌细胞膜的结构与真核细胞者基本相同，由磷脂 和多种蛋白质组成，但不含胆固醇； B， 细菌细胞膜的功能与真核细胞者类似，主要有物质转 运、生物合成、分泌和呼吸等作用； C， 细菌细胞膜可形成一种特有的结构，称为间体。,1）磷脂 每个磷脂分子由一个带正电荷且能溶于水的极性头（磷酸端）和一个不带电荷、不溶于水的非极性尾（羟端）组成。 在极性头的甘油C3上，不同微生物具有不同的R基，而非极性尾则由长链脂肪酸通过脂键连接在甘油的C1 和C2上，其链长和饱和度因菌种和生长温度而异，温度越高，饱和度越高。,2）质膜蛋白 在细菌细胞膜中蛋白的含量高达75%，比任何一种生物质膜都高。 根据其在细胞膜中的位置不同可分为： 外周蛋白（执行不同功能）； 固有蛋白（运输功能）,3）细胞膜结构 单位膜假说：“蛋白-磷脂-蛋白” 夹心结构。 板快模型： 流动态 + 凝胶态。 液态镶嵌模型： （1972年由辛格（J S Singer）和尼科尔森 （G L Nicolson）提出。 A， 膜的主体是脂质双分子层； B， 脂质双分子层具有流动性； C， 周边蛋白表面含有亲水基团，通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连； D，脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合； E，脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上做“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中做横向移动。,图 3-3 细胞膜流动镶嵌模型,4）细胞膜的功能 A，控制 细胞内、外的物质（营养物质和代谢废物）的运送、 交换； B，维持细胞内正常渗透压的屏障作用； C，合成细胞壁各种组分（LPS、肽聚糖、磷壁酸）和荚膜等 大分子的场所； D，进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地； E，许多酶（ -半乳糖苷酶、有关细胞壁和荚膜的合成酶、 ATP 酶）和电子传递组分的所在部位； F， 鞭毛的着生点和提供其运动所需的能量等。,5）间体 (mesosome) 间体 ：是部分细胞膜内陷、折叠、卷曲形成的囊状物，多 见于革兰阳性菌。其功能类似于真核细胞的线粒体，故亦称 为“拟线粒体”(chondroid)。,2、细胞质及其内含物,1）定义： 细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶状颗粒物 质的总称。2）特点： 不能流动。3）主要成分：包括核糖体，贮存物、多种酶类和中间代谢产物、质粒、各种营养物和大分子单体等，少数菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等 核糖体(ribosome)：细菌合成蛋白质的场所，游离存在于蛋 白质中 大小：70 S = 50S + 30 s 数量：与蛋白合成直接相关，往随细菌生长速率而变,图-3-4 核糖体的亚单位结构和空间结构模型, 质粒 (plasmid)：染色体外的遗传物质，存在于细胞质中。为 闭合环状的双链DNA，控制细菌某些特定的遗传特性。 存在于许多细菌如 E.coli，痢疾杆菌，绿脓杆菌等。 数量：1N 个，每个 plasmid 含有 50100 个 gene. 分类：抗药性因子 (R 因子）；致育因子（F 因子）； Col 因子、抗重金属、紫外线等因子。 特性： A，可自行消失，也可人为消失（物理或化学手段）； B，没有plasmid 的细菌可通过接合、转化或转导等方式从 具有plasmid 的 Bacteria 中获得。 C，既能自我复制、稳定遗传，也可插入细菌染色体或与其 携带的外源 DNA 片段共同复制增殖，可单独转移，也 可携带DNA一起转移，它是基因工程中重要的运载工具。,基因,载体,重组子,蛋白表达, 贮藏物 C 源及能源类,糖源：E.coli 等,PHB：固 N 菌等（生产医用塑料的材料）,硫粒：紫硫细菌等, N 源类：藻青素、藻青蛋白（蓝细菌） P 源类（异染粒）：迂回螺菌等, 磁小体：存在于水声螺菌等，具有导向作用。 羧酶体：存在于一些自养细菌细胞内，如硝化细菌等，具有固定CO2 的功能。 气泡：存在于许多光合营养型细菌中，如鱼腥藻蓝细菌等，具有调节细胞比重的作用。,3、核区, 细菌是原核细胞，不具有成形的核。细菌的遗传物质称为核质或拟核，无核膜、核仁和有丝分裂器。功能与真核细胞的染色体相似。 核质由单一密闭环状DNA分子反复回旋卷曲盘绕组成松散网状结构。 细菌DNA 由于含有磷酸基，使之带有很高的负电荷，它们被Mg2+及有机碱如精胺等中和，而真核生物负电荷被组蛋白等碱性蛋白中和。,4、特殊的休眠构造芽孢 (spore) spore：某些细菌在一定的环境条件下，能在菌体内部形成 一个圆形或卵圆形小体，是细菌的休眠形式。芽胞 形成后细菌即失去繁殖能力。 特性： 含水量极低、抗逆性极强（抗热、紫外线）的生命体； 无繁殖功能； 产生芽胞的都是革兰阳性菌如好氧性的芽孢杆菌属、厌氧性的梭菌属。,1) 芽胞的结构,2) 芽胞的形成与发芽 (P5254）, 细菌形成芽胞的能力是由菌体内的芽胞基因 决定的。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、含水量低、抗逆性极强的休眠体（endospore）。一个细菌只形成一个芽胞，一个芽胞发芽也只生成一个菌体，细菌数量并未增加，因而芽胞不是细菌的繁殖方式。与芽胞相比，未形成芽胞而具有繁殖能力的菌体可称为繁殖体(vegetative form)。, 芽胞的大小、形状、位置等随菌种而异，有重要的鉴别意义。,3) 芽胞的功能,芽胞的抵抗力强，可在自然界中存在多年，是重要的传染源。但芽胞并不直接引起疾病，只有发芽成为繁殖体后，才能迅速大量繁殖而致病。芽胞抵抗力强，故应以杀灭芽胞作为可靠的灭菌指标。芽胞抵抗力强的原因： (1)芽胞含水量少，蛋白质受热后不易变性。 (2)芽胞具有多层致密的厚膜，理化因素不易透入。 (3)含有的DAP与钙结合的盐能提高芽胞中各种酶的稳定性。,4) 芽孢的耐热机制, 渗透调节皮层膨胀学说（P55),5) 研究细菌芽孢的意义 分类、菌种筛选与保存、灭菌指标、发酵生产。 6) 伴孢晶体（parasporal crystal）：少数芽孢杆菌（苏云金芽孢杆菌）在形成芽孢的同时会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱性的蛋白晶体（内毒素），可用作细菌杀虫剂。,三） 细胞壁以外的构造 1、糖被： 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,包裹在单个细胞上,包裹在细胞群上：菌胶团,在细胞壁上有固定层,松散，未固定在CW上：粘液层,（大）夹膜,微夹膜, 荚膜(capsule) ：某些细菌在其细胞壁外包绕一层粘液性物质，为疏水性多糖或蛋白质的多聚体，用理化方法去除后并不影响细胞的生命活动。,肺炎链球菌荚膜, 荚膜的化学组成,大多数细菌的荚膜是多糖，炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌等少数菌的荚膜为多肽。多糖分子组成和构成的多样化使其结构极为复杂，成为血清学分型的基础。荚膜的形成需要能量，与环境条件有密切关系。有荚膜的细菌形成粘液(M)或光滑(S)菌落，失去荚膜后其菌落边为粗糙型（R）型。,荚膜的功能,抗吞噬作用：荚膜具有抵抗宿主吞噬细胞的作用，因而荚膜是病原菌的重要毒力因子。粘附作用：荚膜多糖可使细菌彼此之间粘连，也可粘附于组织细胞或无生命物体表面，形成生物膜，是引起感染的重要因素。抗有害物质的损伤作用：荚膜处于细胞的最外层，有保护菌体避免和减少受有害物质的损伤作用。,研究荚膜的意义 1）菌种的鉴定； 2）工业(P58)：Sephadex（肠膜状明串珠菌） 黄原胶 （野油菜黄单杆菌）,2、鞭毛 (flagellum), 许多细菌在菌体上附有细长并呈波状弯曲的丝状物，称为鞭毛，是