第一章微生物形态和细胞结构

第一章微生物的形态和细胞结构 第一节细菌细胞的一般性质第二节原核生物细胞的结构与功能第三节真核细胞与原核细胞的异同 除病毒外 微生物都具有细胞的结构 每个微生物细胞都具有生命活动的全部功能 细菌的一个细胞就是一个独立的个体 营养功能 生长功能 分化 信号传导 进化 微生物细胞 营养物质 能量 合成转化 废物 营养功能 生长功能 5 细菌 是一大类结构简单 种类繁多 主要以二分裂繁殖 一个细菌细胞壁横向分裂 形成两个子代细胞 和水生性较强的单细胞原核微生物 第一节细菌细胞的一般性质 有臭味 酸败味 水珠状 鼻涕状突起 粘 滑感觉 浑浊液体 基本形态 球状 球菌 杆状 杆菌 螺旋状 螺菌 弧菌 其中以杆状最为常见 球状次之 螺旋状较为少见 一 细菌形态及大小 一 个体形态和排列 1 球菌 coccus 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 由于细胞分裂的方向不同 球菌共有六种排列方式 1 球菌 单球菌 双球菌 链球菌 四联球菌 八叠球菌 葡萄球菌 尿素小球菌 肺炎双球菌 乳链球菌 四联微球菌 乳酪八叠球菌 金黄色葡萄球菌 1 球菌 10 长杆菌 1 杆菌的长短不同短杆菌球杆菌棒状杆菌 2 菌体某个部位是否膨大梭状杆菌无芽孢杆菌 3 芽孢有无芽孢杆菌 2 杆菌 bacillus 11 细胞呈杆状或圆柱形 一般其粗细 直径 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 杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化 一般不作为分类依据 杆菌细胞两端的形态特征 2 杆菌 3 螺旋菌 spirilla 细胞呈螺旋状或弧状的细菌 弧菌 vibrio 弯曲程度不满一圈的螺旋菌 常呈 C 状 如霍乱弧菌 螺菌 spirillium 螺旋在2 6圈的螺旋状细菌 如减小螺菌 螺旋体 spirochaeta 螺旋 6圈以上的螺旋状细菌 如梅毒密螺旋体 弧菌和螺菌除弯曲程度不同以外 弧菌往往偏端生或丛生鞭毛 而螺菌往往两端有鞭毛 4 形态特殊的细菌 柄细菌 Caulobacterium 菌体细胞呈杆状或梭状 具有特征性的细柄 可用于将细胞附着于基物上 柄杆菌Caulobactersp 鞘衣菌Sphaerotilusnatans 鞘细菌 sheathedbacterium 杆菌细胞呈链状排列 不分枝 且在细菌细胞外形成了一个共同的衣鞘 影响细菌形态的因素 外界环境因子 培养温度 培养时间 培养基成分 pH与浓度 幼龄细菌 老细菌 菌体形态正常 整齐 稳定 表现其特定的形态 形态不正常 梨形 有分枝 细丝状 有药物 抗菌素存在时 细菌细胞常出现不正常形态 1 范围 最小 与无细胞结构的病毒相仿 50nm 芬兰科学家EOKajander发现了一种能引起尿结石的纳米细菌 nanobacteria 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 二 细菌的大小 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磺细菌 sulfurbacterium 其大小一般在0 1 0 3mm 有些甚至可达到0 75mm 能够清楚地用肉眼看到 最大 肉眼可见 0 75mm 1 范围 nanobacteria 50nm 最大和最小细菌的个体大小悬殊 Thiomargaritanamibiensis 0 75mm 10亿 100亿倍 1 范围 一般细菌的大小范围 1 测量球菌 只测量其直径 d 0 5 2um 2 测量杆菌 只测量其长度和宽度 1 5umX0 5 lum 3 测量螺旋菌 表示方法与杆菌相同 长度只测量其两端的空间距离 0 3 1umX1 50um 通常用微米 um 作为测量单位 4 细菌大小的记载常是平均值或代表性数值 22 显微镜测微尺 显微照相后根据放大倍数进行测算 二 大小 1 测量方法 5 细菌细胞的重量每个细胞约为lx10 9 lx10 10mg 即每g细菌约含1 10万亿个细菌个体 二 大小 2 细菌大小测量结果的影响因素 个体差异 干燥 固定后的菌体会一般由于脱水而比活菌体缩短1 3 1 4 染色方法的影响 一般用负染色法观察的菌体较大 幼龄细菌一般比成熟的或老龄的细菌大 环境条件 如培养基中渗透压的改变也会导致细胞大小的变化 糖类脂肪酸核苷酸氨基酸 多糖脂类核酸蛋白质 单体 多聚体 三 细胞中的有机单体和多聚体 一 碳水化合物和多糖 二 脂肪酸和类脂 三 核苷酸和核酸 四 氨基酸和蛋白质 特殊构造 部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造 一般构造 一般细菌都有的构造 细菌细胞的模式构造 第二节原核生物细胞的结构与功能 1 细胞壁 cellwall 1 细胞壁的功能 2 G 菌和G 菌的区别 3 革兰氏染色反应 4 细胞壁缺陷细菌 细胞壁 cellwall 厚度 10 80nm占细胞干重的10 25 1 细胞壁 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 细胞壁成分 细菌细胞壁主要成分是 低等真菌的细胞壁主要成分以 为主 高等真菌的细胞壁的主要成分以 为主 肽聚糖 纤维素 几丁质 植物的细胞壁的主要成分以 为主 纤维素 1 细胞壁的主要功能 a 维持细胞外形和提高机械强度 b 鞭毛生长和运动的支点 c 阻止大分子有害物质 抗生素和酶 进入细胞 D 与细菌的抗原性 致病性和对噬菌体的敏感性密切相关 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细菌 G 和革兰氏阴性细菌 G 肽聚糖 壁膜间隙 质膜 脂多糖 2 G 菌与G 菌的主要区别 脂蛋白 孔蛋白 O 特异侧链 结合蛋白 磷脂 脂磷壁酸 在结构上的区别 壁磷壁酸 按结合部位划分 磷壁酸 b膜磷壁酸 a壁磷壁酸 与肽聚糖分子间共价结合 并延伸到肽聚糖分子表面 带有负电荷 含量随培养基成分而改变 用稀酸或稀碱可以提取 又称脂磷壁酸 跨越肽聚糖层 与细胞膜上的磷酯共价结合 含量与培养条件关系不大 45 热酚水提取 脂多糖 O 特异侧链 核心多糖 类脂A 脂多糖的化学组成 脂多糖 a 带负电荷 增强细胞对金属离子的吸引 b 贮藏磷元素 c 增加细菌表面结构的稳定性 d 膜磷壁酸具有粘附作用 与致病性有关 e G 菌重要的特异表面抗原和噬菌体的特异性吸附受体 作为细菌分类 鉴定的依据 f 调节细胞内自溶素 autolysin 的活力 防止细胞因自溶而死亡 a 类脂A是G 菌的致病物质 内毒素的物质基础 b 具有与磷壁酸相类似的功能 c 多变的化学结构决定了G 菌表面抗原决定簇的多样性 d 噬菌体的吸附受体 e 具有部分选择屏障作用 磷壁酸的功能 脂多糖的功能 聚糖 N 乙酰葡糖胺 G N 乙酰胞壁酸 M 在成分上的区别 在成分上的区别 G 菌细胞壁肽聚糖含量高 特含磷壁酸 G 菌细胞壁肽聚糖含量低 特含脂多糖 短肽成分不同 G 菌含L 赖氨酸 G 菌特含二氨基庚二酸 在肽聚糖上的区别 交联方式不同 G 菌通过甘氨酸五肽使相邻单体的短肽相连 交联密度大 网状结构紧密 壁较坚固 G 菌则是两个单体的短肽直接相连 交联密度小 网状结构较疏松 肽链 肽桥 G 细菌和G 一系列生物学特性的比较 周质空间 periplasmicspace periplasm 又称壁膜间隙 在革兰氏阴性细菌中 一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间 宽约12 15nm 呈胶状 周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所 水解酶类 RNA酶 DNA内切酶 青霉素酶 磷酸化酶 合成酶类 肽聚糖合成酶 其他蛋白 结合蛋白和受体蛋白 质外酶 周质空间 4 革兰氏染色的机制 革兰氏染色的过程 革兰氏染色的机制 革兰氏染色过程 初染 媒染 脱色 复染 1min 1min 10 20S 1min 丹麦医生Gram 革兰 1884年创立的一种鉴别不同类型细菌的一套染色方法 革兰氏染色法 Gramstaining 1 碱性染料结晶紫使菌体染成紫色 2 用碘溶液进行媒染 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 G 菌细胞壁厚 肽聚糖含量高 网状结构层次多和交联度大 当乙醇脱色时 肽聚糖因脱水而孔径缩小 故结晶紫 碘复合物被阻留在细胞内 细胞不能被酒精脱色 仍呈紫色 实际是紫色加红色 4 G 菌肽聚糖层薄 交联松散 当乙醇脱色不能使其结构收缩 因其含脂量高 乙醇将脂溶解 缝隙加大 结晶紫 碘复合物溶出细胞壁 酒精将细胞脱色 细胞无色 沙黄复染后呈红色 革兰氏染色的机制 1 G 细菌细胞壁的结构为一层 含有的特有成分是 c A 脂多糖B 脂蛋白C 磷壁酸D 核蛋白2 G 细菌细胞壁中的特有成分是 d A 肽聚糖B 磷壁酸C 脂蛋白D 脂多糖3 大肠杆菌 E coli 肽聚糖双糖亚单位交联间的肽间桥为 b A 氢键B 肽键C 甘氨酸五肽4 金黄色葡萄球菌 Staphylococcusaureus 肽聚糖双糖亚单位交联间的肽间桥为 b A 肽键B 甘氨酸五肽C 氢键 小结 肽聚糖 肽聚糖 磷壁酸 脂磷壁酸 细胞质膜 细胞质膜 NAM N 乙酰胞壁酸NAG N 乙酰葡萄糖胺 肽 脂多糖 类脂A O 特异性外链 脂蛋白 外膜 细胞壁的结构 G 细菌与G 细菌细胞壁构造的比较 革兰氏阳性细菌 G 革兰氏阴性细菌 G 为什么通过革兰氏染色G 呈紫色 G 呈红色 G 菌细胞壁中脂类物质含量较高 肽聚糖含量较低 因而乙醇处理后 溶解了脂类 增加了通透性 结晶紫和碘复合物易被乙醇提出 于是革兰氏阴性细菌细胞被脱色 当再用番红复染时 显现红色 G 菌由于细胞壁肽聚糖含量高 脂类含量低 乙醇处理中被脱水引起细胞壁肽聚糖层中孔径变小 通透性降低 结晶紫和碘复合物被保留在细胞内 保持紫色 查阅间体 缺壁突变 L型细菌实验室或宿主体内形成基本去尽 原生质体 G 人工去壁部分去除 球状体 G 在自然界长期进化中形成 支原体 缺壁细菌 6 细胞壁缺陷细菌 1 概念 2 成分与结构 3 功能 4 内膜结构 2 细胞质膜 cytoplasmicmembrane 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 1 概念 又称质膜 细胞膜或内膜 细胞膜液态镶嵌模型 2 成分与结构 1972年 辛格 J S Singer 和尼科尔森 G L Nicolson 提出的细胞膜液态镶嵌模型 膜的主体是脂质双分子层 脂质双分子层具有流动性 整合蛋白因其表面呈疏水性 故可 溶 于脂质双分子层的疏水性内层中 周边蛋白表面含有亲水基团 故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连 脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合 脂质双分子层犹如一 海洋 周边蛋白可在其上作 漂浮 运动 而整合蛋白则似 冰山 状沉浸在其中作横向移动 细胞膜的化学组成与结构模型 膜蛋白 具运输功能的整合蛋白 integralprotein 或内嵌蛋白 intrinsicprotein 具有酶促作用的蛋白 peripheralprotein 或膜外蛋白 extrinsicprotein 边缘 膜蛋白约占细菌细胞膜的50 70 比任何一种生物膜都高 而且种类也多 细胞膜是一个重要的代谢活动中心 糖脂 寡聚糖 五环类固醇 疏水 螺旋 磷脂 a 选择性控制细胞内外的物质运送与交换 b 具有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 脂多糖 肽聚糖 磷壁酸 和荚膜等大分子物质 的场所 d 进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地 e 许多酶和电子传递链组分的所在地 f 鞭毛的着生位点 并为其提供运动所需的能量 3 功能 4 内膜结构 间体类囊体载色体羧酶体气泡 许多原核生物类群演化出的一类由细胞膜内陷 折叠而形成的层状 管状或囊状的特殊结构 间体 mesosome 作业 由细胞质膜内陷而形成的囊状结构 其中充满着层状或管状的泡囊 一般位于细胞分裂的部位或附近 Bsubtilis的间体 1至几个 cell 在G 菌中常见 在G 菌中不明显 间体 间体的主要功能 a 深层的间体 促进细胞间隔的形成 与DNA的复制 分配及细胞分裂有关 b 表层的间体 与某些酶有关 如细胞色素氧化酶 细菌氧化磷酸化的中心 相当于真核生物的线粒体 间体 但近年来 有的学者提出不同观点 认为间体只是电镜制片时因脱水操作而引起的一种假象 类囊体 thylakoid 由细胞质膜内陷形成的片层状结构 内含叶绿素 胡萝卜素和藻胆色素等光合色素和光合作用酶系 原绿菌属 Prochloron 蓝细菌的类囊体 thylakoid 蓝细菌进行光合作用的场所 类囊体内 载色体 chromatophore 光合细菌进行光合作用的场所 紫硫光合细菌的载色体 chromatophore 也称为色素体 是光合细菌进行光合作用的部位 由单层的与细胞膜相连的内膜所围绕 主要化学成分是蛋白质和脂类 它们含有菌绿素 胡萝卜素等色素以及光合磷酸化所需的酶系和电子传递体 在绿硫菌科和红硫菌科中的细菌存在 载色体 A 红螺菌B 红假单胞菌C 红微菌D 红囊菌E 荚硫菌F 绿硫菌 不同形式的载色体 载色体 那不勒斯硫杆菌 Thiobacillusneapoliyanus 的羧酶体 羧酶体 羧酶体 carboxysome 又称为多角体 是自养细菌的一种多面体结构 由一层厚约3 5nm的蛋白膜包围 细菌固定二氧化碳的场所 气泡 gasvesicles 功能 调节细胞比重 以使其漂浮在合适的水层中 气泡吸收空气 空气中的氧气可供代谢需要 水生细菌 紫色 绿色光养细菌非光养细菌古细菌 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 气泡 气泡 1 原核 nucleoid 2 质粒 p1asmids 3 核区 neclearregion nuclearbody nucleoid 由大型环状双链DNA分子构成的无核膜核仁的区域 故又称原核 核质体 拟核或核基因组 如E Coli的细胞长1 3微米 DNA长1100微米 1 原核 功能 概念 是细菌生长发育 新陈代谢和遗传变异的控制中心 1 位于细胞质中 由一个染色体构成 主要为DNA 还有少量RNA和蛋白质 但无组蛋白 2 为双螺旋的大分子链构成的环形结构 3 细菌细胞活跃生长时 复制先于细胞分裂 细胞内往往有2 4个核区 低速生长时可见有1 2个核区 4 古细菌的染色体和细菌的染色体类似 是一个单个环状的DNA分子 大小通常小于大肠杆菌的DNA 特征 质粒的特点 可自我复制 稳定遗传 对生存不是必要的 复制与染色体分开 但同步进行 不同质粒携带不同遗传信息 无质粒细菌可通过接合 转化 转导等方式获得 不能自发产生 例 细菌抗药性因子 大肠杆菌F因子 质粒应用 基因工程 体外重组 2 质粒 概念 细菌染色体外的遗传物质 由共价闭合环状双链DNA分子组成 分子量约为106 108Da 携带1 100个基因 一个菌细胞可有一至数个质粒 1 概念 2 主要成分 3 功能 4 核糖体 5 内含物 4 细胞质及其内含物 细胞质功能 细胞质中含有丰富的酶系 是营养物质合成 转化 代谢的场所 是在细胞膜内除核区以外的细胞物质 细胞质是无色 透明 粘稠状物质 1 概念 主要成分为水 约占80 蛋白质 核酸 脂类 少量糖和无机盐 2 主要成分 3 功能 原核生物中含70S核糖体 由50S和30S两个亚单位组成 原核生物中核糖体游离于细胞质中或以多聚核糖体存在 真核生物中核糖体游离于细胞质中或结合于内质网上 核糖体大小为80S 古细菌的核糖体与细菌的核糖体 70S 同样大小 4 核糖体 是分散在细胞质中的颗粒状结构 由核糖体核酸 占60 和蛋白质 占40 组成 功能 是细胞合成蛋白质的机构 青霉素等抗生素通过作用于细菌核糖体的30S亚基而抑制细菌蛋白质的合成 而对人的80S核糖体不起作用 故可用青霉素治疗细菌引起的疾病 而对人体无害 气泡 羧基化体 绿色体 磁体 和各种储存物质 指细胞质内形状较大的颗粒状构造 可在光学显微镜下观察到 通称为内含体 贮藏颗粒的多少可随菌令及培养条件不同而改变 5 内含物 细菌细胞质中的内含体 糖被 细菌细胞的特殊构造 5糖被 glycocalyx 糖被的成分一般为多糖 少数是蛋白质或多肽 也有多糖与多肽复合型 概念 指某些细菌在一定营养条件下 在胞外形成的一层疏松透明的粘液状物质 糖被按其有无固定层次 层次厚薄又可细分为荚膜 大荚膜 层次厚 微荚膜 层次薄 粘液层 松散 无固定层次 和菌胶团 包裹在细胞群上 特殊结构 糖被功能 a保护作用保护菌体 抵抗干燥 免受杀菌物质伤害 防吞噬 b贮藏作用贮藏营养物质 作为营养吸收一些阳离子c与细菌的致病力 抗原性有关 肺炎球菌有荚膜能致病 无荚膜不能致病 d堆积细胞排出的废物 e信息识别作用 肺炎链球菌 鉴定菌种 提取葡聚糖 代血浆 胞外多糖 黄原胶用于石油开采 菌胶团用于处理污水 细菌糖被应用 6鞭毛 Flagella 1 定义由细胞内伸出的着生于细菌表面的蛋白质附属物 是一种细长而波曲的丝状结构 具有推动细菌运动功能 为细菌的 运动器官 是分类上重要特征之一 特殊结构 2 特征A 长度 为菌体的若干倍 最长可达70mm 直径为10 20nm 只有经特殊染色 使鞭毛加粗后 才能在光镜下观察到 B 成分 主要是蛋白质 另有少量的多糖或脂类 鞭毛蛋白占细胞蛋白的2 偏端单生 两端单生 周生鞭毛 如 荧光假单胞 如 鼠咬热螺旋体 偏端丛生 如 丁香假单胞 两端丛生 如 红色螺菌 如 大肠杆菌 根据鞭毛的数量和排列情况 细菌分为以下五种类型 3 鞭毛的着生方式 螺旋丝 一般构造钩型鞘 基体 外膜 外膜 细胞质膜 细胞质膜 细胞质膜 肽聚糖 肽聚糖 钩型鞘 螺旋丝 L 环 P 环 G 细菌鞭毛 G 细菌鞭毛 S 环 M 环 中空细丝 由鞭毛蛋白亚基螺旋排列而成连接鞭毛丝与基体的筒状弯曲部位由一个中心杆和套环组成 4 鞭毛的结构 帮助细菌运动 是细菌的运动器官 一般运动速度20 80um s 最高可达100um s 5 鞭毛生理功能 逆时针旋转向前运动顺时针旋转翻滚转向 鞭毛是通过旋转推动菌体高速前进的 6 鞭毛的运动机制 一个 或一对 环是转子 另一个 或一对 环是定子 两者通过彼此的相对转动 而带动鞭毛旋转进而推动菌体运动的 旋转论 鞭毛 特殊结构 如何观察鞭毛 鞭毛纤细而具刚韧性 直径仅20nm 长度达15 20 m 方法二 普通光学显微镜 银盐染色 方法一 电子显微镜 负染的方法 83 功能 附着物体表面菌毛比鞭毛更短 更细 且又直又硬 数量很多 不具有运动功能 但与菌的致病性 吸附等有关 7菌毛 pilus 特殊结构 菌毛 伞毛 纤毛 线毛或须毛 是一种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 细菌鞭毛和菌毛的比较 8性菌毛 sex pilus 与菌毛相同 比菌毛长 数量少 一至几根 一般是G 雄性菌株功能 向受体菌传递遗传物质 有的还是RNA嗜菌体特异吸附受体 特殊结构 9芽孢 endospore spore 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 枯草杆菌芽孢的超薄切片电镜照片 标尺 0 2 m 产芽孢的细菌多为杆菌 也有一些球菌 芽孢的有无 形态 大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标 特殊结构 芽孢的特性具有很强的抗热 抗干燥 抗辐射 抗化学药物能力 含水量低 壁厚而致密 通透性差 不易着色 新陈代谢几乎停止 处于休眠状态 一个芽孢萌发产生一个个体 芽孢的构造 芽孢衣 皮层 芽孢壁 芽孢膜 芽孢质 芽孢核区 胞外壁 核心 细菌芽孢构造的模式图 特殊结构 芽孢的形成过程 芽孢的形成过程 芽孢的实践意义 2 作为无菌标准 1 鉴定价值 不同菌类芽孢的大小 位置 形状不同 哪些细胞具有细胞壁 植物细胞细胞壁主要成分为 纤维素 细菌细胞壁主要成分为 肽聚糖 真菌细胞壁主要成分为 几丁质 病毒支原体 真核生物的核糖体 80S 原核生物的核糖体是怎样的 60S 40S 50S 30S 70S 原 请说出下面细菌菌体从内到外的结构 鞭毛 菌毛 拟核 细胞质 细胞质膜 细胞壁 荚膜 cytoplasm 细菌菌体结构模式 第一节细菌 2 细菌细胞的结构 拟核 细胞质 细胞膜 肽聚糖 荚摸 菌毛 细菌菌体的结构 从内到外 菌体 核区 核糖体 内含物 细胞膜 细胞壁 糖被 鞭毛 间体 芽孢 菌毛 性菌毛 一般 特殊 重点回顾 原核微生物细胞无细胞核 只有原核或拟核 真核微生物细胞的主要特征是有细胞核和细胞器及复杂的内膜系统 病毒属于非细胞类生物