细菌的形态与结构

第一篇细 菌学,广义：包括：细菌、支原体、衣原体、立克次体等。特点：有细胞壁、原始核质、二分裂方式繁殖和对抗生素敏感等。狭义：专指广义中的细菌。,细菌(bacterium),原核生物界(prokaryotae)的一类单细胞微生物。一、细菌的大小与形态二、 细菌的结构三、细菌形态与结构检查法四、细菌的理化性状与新陈代谢五、细菌的生长繁殖与培养六、细菌的分类和命名,一、 细菌的大小与形态,观察细菌常用光学显微镜，其大小用测微尺在显微镜下进行测量，以微米(m)为单位。不同种类的细菌大小不一，同一种细菌也因菌龄和环境因素的影响而有差异。细菌按其外形，主要有,球菌杆菌螺形菌,球菌：双球菌、四联球菌、八叠球菌、链球菌、葡萄球菌杆菌：分枝杆菌、棒状杆菌、球杆菌螺形菌：弧菌、螺菌,球菌(coccus),呈球形或近似球形，直径0.81.2 m。据细菌分裂平面和排列方式分：双球菌(diplococcus)链球菌(streptococcus) 四联(tetrad)及八叠球菌(sarcina)葡萄球菌(staphylococcus),双球菌(diplococcus),Electron Micrograph (SEM) of Neisseria gonorrhoeae,Streptococcus pneumoniae (SEM),双球菌(diplococcus),cocci in pairs (arrows),球菌(coccus),脑膜炎奈瑟菌,双球菌(diplococcus),链球菌(streptococcus),Streptococcus pyogenes (SEM, x8,750),链球菌(streptococcus),球菌(coccus),链球菌(streptococcus),Streptococcus pyogenesgram-positive (purple) cocci in chains (arrows),四联(tetrad),球菌(coccus),四联球菌(tetrad),八叠球菌(sarcina),Methanosarcina mazei SEM 20,000,球菌(coccus),八叠球菌(sarcina),葡萄球菌(staphylococcus),Staphylococcus aureus (SEM, x3,025),葡萄球菌(staphylococcus),Gram Stain of Staphylococcus aureusgram-positive (purple) cocci in clusters,球菌(coccus),葡萄球菌(streptococcus),杆菌(bacillus),杆形大小、长短与粗细差异较大。菌体两端多呈钝圆形，少数平齐(如炭疽芽胞杆菌，呈竹节样)。有的菌体较短(如球杆菌)。有的末端膨大呈棒状(白喉棒状杆菌)。多数呈分散排列(炭疽芽胞杆菌呈链状)。,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,杆菌(bacillus),杆菌(bacillus),杆菌的形态多样,分支杆菌,双歧杆菌,分支杆菌,Pseudomonas aeruginosa (SEM) 绿脓杆菌,Corynebacterium diphtheriae 白喉杆菌,螺形菌(spiral bactrium),据菌体的弯曲分为两类：弧菌(vibrio)：菌体只有一个弯曲，“curved or comma-shaped rod”。如霍乱弧菌。螺菌 (spirillum)：菌体有数个弯曲较僵硬，如鼠咬热螺菌；也有菌体弯曲呈弧形或螺旋形的螺杆菌，如幽门螺杆菌。,Spiral Forms,弧菌(Vibrio),Vibrio cholerae , SEM，2050霍乱弧菌,弧菌(Vibrio),A vibrio appears as a curved bacillus (arrows).,螺菌(spirillum),Helicobacter pylori SEM幽门螺杆菌,螺形菌(spiral bacterium),弧菌,螺菌,螺杆菌,The three common types of bacterial morphology,coccusbacillusspiral bactrium,细菌的形态不是永远不变的,二、细菌结构,革兰阳性细菌的细胞结构示意图,Morphology of a Gram-Positive Bacterium.,基本结构,（一）细胞壁(cell wall),两类细菌细胞壁的共同组分为肽聚糖，但各有其特殊组分。,革兰染色法： 涂片 风干 固定 结晶紫 碘液 95%乙醇 复红,G+菌(appear purple),Gram Stain of Staphylococcus aureusgram-positive (purple) cocci in clusters,G-菌(appear pink),Gram Stain of Escherichia coli,白喉杆菌细胞膜（M）和细胞壁（W）,淋病奈瑟菌的肽聚糖层,细菌细胞壁的电镜观察,（G+）,（G-）,细胞壁的组分,G+菌和G-菌的共同组分：肽聚糖(peptidoglycan)G+菌细胞壁的特殊组分：磷壁酸，某些特殊的表面蛋白（M蛋白、A蛋白等）G-菌细胞壁的特殊组分：外膜,细胞壁( Cell Wall),位于菌细胞的最外层，包绕在细胞膜的周围。组成较复杂， 并随不同细菌而异。 用革兰染色法可将细菌分为两大类，即革兰阳性菌和革兰阴性菌,肽聚糖（peptidoglycan） 革兰阳性菌 聚糖骨架、四肽侧链、五肽交联桥 三维立体结构，坚固 1550层革兰阴性菌 聚糖骨架、四肽侧链 二维平面结构，疏松 12层,N-乙酰葡糖胺,N-乙酰胞壁酸,1，4糖苷键,共有组分,溶菌酶作用位点,青霉素作用位点,特殊组分,革兰阳性菌磷壁酸(teichoic acid) 磷壁醛酸特殊蛋白： A蛋白、M蛋白,Wall teichoic acid,(LTA),革兰阴性菌外膜（outer membrane）脂蛋白脂质双层脂多糖LPS,LIPID BILAYER,脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）,（1）脂质A（lipid A） 为一种糖磷脂，由D-氨基葡萄糖双糖组成的基本骨架，不同细菌骨架一致。内毒素毒性与生物学活性成分 无种属特异性（2）核心多糖（core polysaccharide）位于脂质A的外层有属特异性，同一属细菌相同 （3）特异多糖（specific polysaccharide）最外层，由数个至数十个低聚糖（35个单糖）重复单位所构成的多糖链。是革兰阴性菌的菌体抗原（O抗原），具有种特异性 缺失，细菌变为粗糙型,1. 肽聚糖(peptidoglycan),又称黏肽(mucopeptide)，是细菌细胞壁的主要化学成分。为原核细胞所特有的物质。,G+菌,聚糖骨架,四肽侧链,五肽交联桥,G-菌,聚糖骨架,四肽侧链,1. 肽聚糖(peptidoglycan),G+菌肽聚糖聚糖骨架、四肽侧链、五肽交联桥,（L丙-D谷-L赖-D丙）,（5个甘氨酸）,Peptidoglycan Structure (S. aureus, G+),三维立体网状结构,Peptidoglycan Structure (S. aureus, G+),三维立体网状结构,G-菌肽聚糖聚糖骨架、四肽侧链,1. 肽聚糖(peptidoglycan),Peptidoglycan Structure(Escherichia coli, G-),二维平面网状结构,2. 革兰阳性菌细胞壁特殊组分,G+菌细胞壁的特殊组分,磷壁酸,表面蛋白,膜磷壁酸(脂磷壁酸),壁磷壁酸,A族链球菌的M蛋白，金葡菌的A蛋白等。与致病性和抗原性有关,参与调节离子通过黏肽层。可能与某些酶活性有关。参与黏附，与致病性有关。Ag性强，与血清型分型有关。,The Gram-Positive Envelope.,The Gram-Positive Envelope.,G-菌细胞壁的特殊组分,肽聚糖结构少（12层）。其外为外膜（ G-菌细胞壁主要成分），由内到外依次为：脂蛋白(lipoprotein)：脂质双层：其中外膜蛋白功能包括：物质交换、通透性屏障作用、有的为噬菌体、细菌素和性菌毛的受体。脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)：,脂多糖(lipopolysaccharide, LPS),G-菌的内毒素。由三部分组成：脂类A (lipid A)：糖磷脂，是内毒素的毒性部分和主要成分。无种属特异性。核心多糖(core polysaccharide)：属特异性。寡糖重复单位(oligosaccharide repeat unit)：即G-菌的菌体Ag (O Ag)，位于LPS的最外层，种或型特异性。,A Chemical Model of E. coli Outer Membrane and Associated Structure,LPS Structure,LPS Structure,The Gram-Negative Envelope.,The Gram-Negative Envelope.,3. 革兰阴性菌细胞壁特殊组分,脂蛋白,外膜,脂多糖,LPS,脂质双层,3.革兰阴性菌细胞壁特殊组分,脂质A,核心多糖,寡聚重复单位,脂多糖(lipopolysaccharid,LPS),（属特异性）,（种特异性）,膜磷壁酸,壁磷壁酸,肽聚糖,细胞壁,磷脂,蛋白质,细胞膜,脂多糖,孔蛋白,脂质双层,脂蛋白,营养结合蛋白,肽聚糖,载体蛋白,周质间隙,外膜,细胞膜,革兰阳性菌细胞 壁结构模式图,革兰阴性菌细胞壁结构模式图,A comparison of the envelopes of gram-positive and gram-negative cells.,革兰阳性菌与阴性菌细胞壁结构比较,G+菌和G-菌的细胞壁结构区别,维持菌体固有的形态保护细菌抵抗低渗环境（G+菌是正常人体液渗透压的35倍，G-略高于人体）参与菌体内外的物质交换菌体表面带有多种抗原分子，可诱发机体的免疫应答。,4. 细胞壁的功能,作用于细胞壁的抗菌药：主要杀伤G+菌,破坏细胞壁：溶菌酶1，4糖苷键 对静止期及生长繁殖的细菌均有效干扰细胞壁合成：青霉素类与先锋霉素类结构中含内酰胺环，与细菌细胞壁四肽侧链末端D-丙氨酸相似，可取代之，影响四肽侧链与五肽桥的联结。 仅对生长繁殖期细菌有效。,细菌细胞壁缺陷型或L型(bacterial L form)：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。最早在Lister 研究所发现,5. 细菌细胞壁缺陷型（细菌L型）,G+细胞壁缺失后，原生质仅被一层细胞膜包住原生质体(protoplast)。G-肽聚糖层受损后尚有外膜保护原生质球(spheroplast)。,5. （细菌L型） L forms arise naturally from a mutation in the wall-forming genes, or they can be induced artificially by treatment with a chemical such as lysozyme or penicillin that disrupts the cell wall,呈高度多形性，大小不一。着色不匀，无论其原为G+或G-，形成L型大多染成革兰阴性。,细菌L型的形态和染色性,蜡样芽胞杆菌L型的镜下形态（多形性）,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。,细菌L型的培养特性和菌落形态,丝状菌落,颗粒型菌落,油煎蛋样菌落（典型L型菌落）,L型细菌的返祖及研究意义,L型细菌在去除抑制或破坏细胞壁的药物后，能重新合成肽聚糖，恢复原菌形态特征。意义：L型细菌仍有致病性，与某些慢性和反复再发感染有关：如尿路感染、骨髓炎、心内膜炎、结核病、慢性金葡菌感染等。临床遇到症状明显而常规培养阴性时应考虑细菌L型感染的可能。,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。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。细菌细胞膜可形成一种特有的结构，称为中介体。,（二）细胞膜 (cell membrane),基本结构,中介体：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，故亦称为线粒体(chondroid)。,中介体(mesosome),Plasma Membrane Structure,Mesosome Structure,nucleoid (pink), mesosome (orange/red), inclusion body (aqua), plasma membrane (blue), cell wall (orange) TEM X30,500,Bacteria dividing,This ultrathin section shows forming cross walls and membrane septum as well as cell wall, plasma membrane, four nucleoids, and mesosome. TEM X33,600,成分： 无色透明胶状物，由水、蛋白质、脂类、核酸及少量无机盐组成 功能： 细菌新陈代谢的场所,基本结构,（三）细胞质 (cytoplasm),细胞器不完善：核糖体(ribosome)蛋白质合成场所。 细菌70S （链霉素、红霉素）；哺乳类80S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，可自我复制、可遗传、可转移、可丢失，并非细菌生命活动所必须。胞浆颗粒：多为贮藏的营养物质。其中有一种主要成分是RNA和多偏磷酸盐的颗粒，嗜碱性强，亚甲蓝染色时着色较深呈紫色，称异染颗粒(metachromatic granule)。常见于白喉棒状杆菌，位于菌体两端，又称极体(polar body)，有助于鉴定。,基本结构,（三）细胞质 (cytoplasm),蛋白质合成场所；某些抗生素作用部位,核蛋白体（ribosome）,A model of a procaryotic ribosome, showing the small (30S) and large (50S) subunits, both separate and joined.,50S,30S,核糖体(Ribosome),糖原颗粒,Inclusion Bodies,白喉杆菌异染颗粒,Metachromatic Granules (volutin),基本结构,（四）核质 (nuclear material),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。,The Nucleoid,electron-transparent nuclear region (n) packed with DNA fibrils,The Bacterial Nucleoid,Fluorescent staining highlights thechromosomes of the bacterial pathogen Salmonella enteriditis.,细菌的特殊结构,指某些细菌具有的结构。包括：荚膜鞭毛菌毛 芽胞,特殊结构,（一）荚膜 (capsule),荚膜：某些细菌在其细胞壁外包绕一层黏液性物质，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。,荚膜(capsule),名词：荚膜、微荚膜(microcapsule)、黏液层(slime layers)化学组成： 多糖（多数），多肽或糖蛋白复合物（少数）。经特殊染色法染色后，可通过光镜观察。,厚薄,荚膜,微荚膜,约20nm,20nm,洗脱难易,荚膜,黏液层,不易,易,Bacterial Capsules,Staining revealsthe microscopic appearance of a large, well-developed capsule.,Bacterial Capsules,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，受遗传控制及环境影响（体内营养丰富易形成）。有荚膜的细菌形成粘液(M)或光滑(S)菌落， 失去荚膜后其菌落变为粗糙型（R）型。,1. 荚膜的化学组成与形成,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。细菌的鉴别与分型,2. 荚膜的功能,特殊结构,（二）鞭毛 (flagellum),为菌体上附有细长并呈波状弯曲的丝状物，是细菌的运动器官。需用电镜观察，或经特殊染色法使鞭毛增粗后才能在光镜下看到化学成分为蛋白质有抗原性,0708004.mov 0708005.mov0708010.mov,鞭毛菌分类,单毛菌,双毛菌,丛毛菌,周毛菌,形态（数目及分布）：有鉴别意义,Flagellar Distribution,Monotrichous polar(EM),Monotrichous polar(Pseudomonas) (LM),Flagellar Distribution,AmphitrichousEM,single flagellum at each pole (arrows), LM,Flagellar Distribution,LophotrichousLM,LophotrichousEM,Flagellar Distribution,peritrichous flagellaEM,peritrichous flagellaLM,1.鞭毛的结构（基础小体、钩状体、丝状体）,运动器官：有利于摄取营养 及逃避不良环境有抗原性,2. 鞭毛的功能,菌毛：菌体表面的一种比鞭毛更细、更短而直硬的丝状物，见于多数G（-）菌和少数G（+），与细菌的运动无关分普通菌毛、性菌毛两种普通光镜下看不到，须用电镜观察。菌毛蛋白具有抗原性。,特殊结构,（三）菌毛 (filus/fimbriae),遍布菌细胞表面，每菌可达数百根。功能：是细菌的粘附结构，能与宿主细胞表面的特异性受体结合，是细菌感染的第一步。故与细菌的致病性密切相关。,1. 普通菌毛(ordinary pilus),普通菌毛与细菌的致病性有关,大肠埃希菌的菌毛,椰毒假单胞菌的菌毛（）末端各有一顶球（）,Adhesion Between Fimbriae and Epithelial Cells,A row of E. coli cells tightly adheres bytheir fimbriae to the surface of intestinal cells (12,000).,仅见于少数革兰阴性菌。数量少，1-4根；比普通菌毛长而粗，中空管状。由致育因子（F）编码，又称F菌毛。功能： 1.与细菌变异有关： 介导结合(conjugation)过程（ F+菌质粒F-菌） 2.是某些噬菌体吸附于菌细胞的受体。,2. 性菌毛(sex pilus),The long sex pilus,接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。,芽胞：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。产生芽胞的都是革兰阳性菌。,特殊结构,（四）芽胞 (spore),endospore,Clostridium botulinum肉毒杆菌EM,Clostridium botulinumLM, 600,Examples of Endospore Location and Size,(a) Central spore. (b) Subterminal spore. (c) Terminal spore. (d) Terminal spore with swollen sporangium.,Examples of Endospore Location and Size,Endospore Structure.,Bacillus anthracis endospore (151,000). Note the following structures: exosporium, EX; spore coat, SC; cortex, CX; core wall, CW; and the protoplast or core with its nucleoid, N, and ribosome