细菌的生理与遗传变异

第二章 细菌的生理与遗传变异,吴爱武,细菌的生理,细菌的化学组成,细菌的化学组成： 水、无机盐、蛋白质、 糖类、脂类、核酸 肽聚糖、磷壁酸,细菌的物理性状,细菌的物理性状： 细菌为半透明体，浊度与数量成正比 体积小、表面积大、代谢旺盛、繁殖快 带电荷：在中性或弱酸性环境中带负电荷 半透性 细菌体内压力大,细菌的新陈代谢与能量转换,细菌的新陈代谢： 分解代谢、合成代谢、中间代谢细菌的能量代谢（生物氧化）： 呼吸 发酵 有氧呼吸 厌氧呼吸,细菌的分解代谢产物,细菌的分解代谢产物： 糖的分解 蛋白质 氨基酸的分解细菌常见的生化反应：,细菌的合成代谢产物,热原质（pyrogen）：化学成分：脂多糖特点：耐高温,未按批准工艺灭菌：降低灭菌温度，缩短灭菌时间，增加灭菌柜装载量，影响了灭菌效果。,细菌的合成代谢产物,毒素和侵袭性酶类：外毒素（exotoxin）： 活的革兰阳性菌合成分泌 化学成分为蛋白质，不耐热 毒性强，对组织有选择性作用 抗原性强，可脱毒为类毒素。,细菌的合成代谢产物,内毒素（endotoxin）： 革兰阴性菌死亡后释放 化学成分为脂多糖，耐热 毒性作用大致相似（发热、白细胞反应、 内毒素血症、DIC） 抗原性弱，不可脱毒为类毒素,细菌的合成代谢产物,侵袭性酶类： 透明质酸酶 血浆凝固酶 卵磷脂酶,血浆凝固酶试验玻片法结果,血浆凝固酶试验试管法结果,细菌的合成代谢产物,色素抗生素维生素细菌素,细菌的生长繁殖,细菌生长繁殖的条件细菌繁殖的规律,细菌生长的条件： 1.充足的营养物质 基本营养物质：水、无机盐、蛋白质、糖类等 营养要求高的细菌 营养要求一般的细菌,细菌生长的条件：2.必要的气体环境根据细菌对氧的需要程度，细菌分为： 专性需氧菌 微需氧菌 兼性厌氧菌 专性厌氧菌,细菌生长的条件：3.合适的温度 病原微生物的最适生长温度：3537。 根据最适生长温度不同细菌可分成： 嗜冷菌 嗜温菌 嗜热菌,细菌生长条件：4.适宜的酸碱度 嗜酸性细菌最适生长pH可低至3.0 嗜碱性细菌最适生长pH可高至10.0 病原性细菌最适pH为7.07.6 个别细菌如霍乱弧菌pH在8.49.2生长最佳,细菌的个体生长,细菌以二分裂法进行无性繁殖,多数细菌分裂一代需2030min,细菌群体生长繁殖-生长曲线图,延缓期:：准备阶段对数期： 细菌形态、染色性生理活性典型，对外界因素敏感稳定期：合成代谢产物衰亡期：细菌形态改变呈多形态的衰退形,细菌的遗传与变异,一、细菌变异的现象二、细菌遗传变异的物质基础三、细菌变异的机制,细菌的遗传变异,细菌变异的现象形态结构变异 L型菌、鞭毛 、荚膜、芽胞变异等 毒力变异 毒力减弱-疫苗制备 毒力增强-细菌战 耐药性变异 临床治疗中严重问题 菌落变异 从光滑型（S） 粗糙型（R） 抗原性变异 与细菌鉴定有关,基因型变异（genotypic variation）表型变异（phenotypic variation ）,细菌变异的种类,细菌遗传变异的物质基础,染色体 质粒 噬菌体 转座子 整合子和基因盒,细菌染色体 细菌染色体为一环状双股DNA链，呈超螺旋形式缠绕成团，构成核质，内含细菌主要的遗传信息。革兰阳性菌核质连接在中介体上革兰阴性菌核质连接在细胞膜某一点上目前，已完成约80种细菌全基因序列测定，对深入研究细菌致病机制及进化有重要意义。,质粒 plasmid,质粒为细菌染色体外的遗传物质，环状双股DNA。质粒携带有遗传信息，控制某些特定的遗传性状，可独立复制，与细菌的遗传变异有关。,质粒特征：自我复制-可与染色体同步/不同步可转移性-可以各种方式转移到其它菌可自行丢失及消除-不影响细菌存活决定细菌某些生物学性状相容性与不相容性-几种质粒可存在于同一菌体内，称质粒相容性。而两种结构相似密切相关的质粒不能稳定共存于同一宿主菌称质粒不相容性。,质粒种类：致育质粒-(fertility plasmid)F质粒， 产生性菌毛-F+毒力质粒- (virulence plasmid) Vi质粒， 产生相应毒素耐药质粒- (resistance plasmid) R质粒细菌素质粒-Col质粒，产生细菌素代谢质粒-编码产生相关酶，如脲酶、枸橼酸盐 利用酶等,噬菌体（bacteriophage, phage）,噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。具有病毒的特性：个体微小，可以通过细菌滤器没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成专性细胞内寄生的微生物严格的宿主特异性分布极广,形态个体小，需用电子显微镜观察蝌蚪形、微球形和丝形,噬菌体的生物学性状,电镜下见噬菌体40000,电镜下见噬菌体与宿主菌细胞膜表面接合40000,大肠埃希菌T2噬菌体,蝌蚪形噬菌体结构模式图,头部：内含DNA/RNA尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾丝、尾刺等。尾丝是吸附宿主细胞表面特殊受体部位。,头部,尾部,尾鞘收缩,尾丝与受体菌表面结合,特异性,特异性,特异性！,噬菌体的种类及生活周期,毒性噬菌体-溶菌周期,温和性噬菌体-溶原周期,毒性噬菌体(virulent phage)能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。,毒性噬菌体,溶菌周期（复制周期）增殖过程吸附穿入生物合成组装、成熟与释放,复制周期吸附,吸附方式：非特异性吸附-可逆特异性吸附-受体,复制周期穿入,穿入形式： 吞饮-无包膜病毒 融合-有包膜病毒,复制周期脱壳,脱壳：细胞内无完整病毒体,复制周期中最重要的阶段隐蔽期：用一切血清学方法和电镜检查均 不能查见处于生物合成阶段的病 毒颗粒,复制周期 生物合成,组装成熟,DNA病毒在核内RNA病毒在浆内,不同方式 释放,复制周期-组装、成熟、释放,复制周期-组装、成熟、释放,溶细胞型细胞裂解,毒性噬菌体从细胞内释放方式,毒性噬菌体释放溶解宿主菌！,毒性噬菌体溶菌现象观察,液体培养基：使浑浊菌液变为澄清.固体培养基：菌膜表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成的，称为噬斑（plaque）若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。,噬斑,温和噬菌体,温和噬菌体(temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体(lysogenic phage)。,病毒基因与细胞基因整合,温和噬菌体从细胞内释放方式,温和性噬菌体释放基因与细胞基因整合,温和噬菌体,前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage）溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）,温和噬菌体的溶原性周期,phage,前噬菌体,溶原菌,溶原性噬菌体,溶原状态十分稳定，能经历许多代在某些条件如紫外线、X线、致癌剂、突变剂等作用下，可中断溶原状态进入溶菌性状态。故溶原性噬菌体具有溶菌性及溶原性二个周期。,温和噬菌体,转座子（ transposon, Tn）,概念：是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的特异性的独立的DNA片段。,意义：改变遗传物质的核苷酸序列；影响插入点附近基因的表达（失活）；直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组。均能造成细菌性状的变异,转座子（ transposon, Tn）,转座子（ transposon, Tn）,种类： 插入序列 复合转座子,插入序列（ insertion sequence,IS）结构较简单，长度小于2Kb。只带有自身 插入所需要的酶基因，不带有任何与插入无关的基因。插入后与插入点附近的序列共同起作用。如在有些质粒和染色体上，有一些相同的IS，因此质粒就可以经同源性重组插入到染色体中，形成高频重组株（Hfr)。,复合转座子（ complex Tn）结构较复杂，分子量大（2kb以上），除了含有与转位有关的基因外，还至少携带1个决定细菌遗传性状有关的基因（如耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基因等）。其中以带有耐药性基因的Tn研究的最多，当Tn插入时，一方面可引起插入基因的失活、另一方面带入了耐药基因使细菌获得了耐药性。,复合转座子的结构,IS-与转座子插入有关,中心序列-携带有特殊基因（如耐药基因等）,- 转 座 子 携带的耐药/毒素基因- Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素） Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Tn5 Tn6 Km （卡那霉素）Ble（博来霉素） Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素基因） Tn971、551 Em（红霉素）-,常见转座子种类,整合子与基因盒,整合子（integron）：是细菌基因组中大小为8003900bp的可移动的DNA片段，常以环形结构独立存在。特点：含有位点特异性重组系统，能识别并捕获外源基因，尤其是抗生素耐药基因，并通过整合子的位点特异性基因重组机制，将多种耐药基因组装在一起，使细菌耐药基因发生扩散。,整合子与基因盒的结构,5-conserved segment,gene cassette 2,gene cassette 1,细菌的变异机制,基因突变基因的转移与重组,基因突变概念突变 mutation 指细菌遗传物质的结构突然发生的稳定性的改变，可遗传子代。根据涉及基因的多少分为小突变及大突变二种。野生型（wild type)突变型 (mutant),基因突变,小突变的几种类型：沉默突变错义突变中性突变无义突变,基因突变,基因突变的规律：突变率 细菌自发突变率低 约为106109 ，在一些突变剂诱导下突变率可大大提高。突变与选择 细菌突变随机产生，不受环境因素的影响，但在一定条件下被选择出来。,基因突变,突变与选择证明实验影印培养 replica plating (Lederberg 1952),证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用,回复突变野生型（自然环境下的表型株）突变型（发生了基因突变的菌株）,突变,回复突变,野生型,突变型,基因的转移与重组,二个细菌间部分遗传基因，可以发生转移（gene transfer)和重组 (recombination)，使受体菌获得新的遗传性状。细菌基因转移和重组的方式：转化 （transformation)；接合 (conjugation)；转导 (transduction)；溶原性转换 (lysogenic conversion)；原生质体融合（protoplast fusion),转化 transformation,概念：供体菌游离的DNA片段直接被受体菌摄取，使受体菌获得新的性状小鼠体内肺炎球菌转化经典试验,有荚膜肺炎链球菌（活菌）IIIS,无荚膜肺炎链球菌（活菌）IIR,有荚膜肺炎链球菌（死菌）IIIS,IIR活菌+IIIS死菌或IIR活菌+提取的IIIS DNA,分离出IIIS型有荚膜的活菌,小鼠体内肺炎链球菌转化试验Griffith(1928),分离出IIIS,接合 conjugation,概念 供体菌通过性菌毛将遗传物质（质粒）传递给受体菌（通过接合传递的质粒有F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒）,细菌接合示意图 扫描电镜15000,接合,F因子的传递 F因子经接合传递后在受体菌中可有三种存在方式：, F质粒在受体菌中单独存在，使F- 菌转变为F+ 菌，长出性菌毛。,F质粒基因经接合传递后,与染色体重组,形成高频重组株 （high frequency recombinant, Hfr）。 Hfr的细菌，其染色体上带有F质粒基因，因此，也可产生性菌毛。,形成高频重组株：F质粒基因与细菌染色体整合，并使细菌长出性菌毛,高频重组株Hfr,Hfr 中的F质粒有时也可从Hfr 中脱离下来，终止其Hfr状态，这些从染色体上脱离下来 的F质粒可以带有染色体上邻近的一些基因，这种质粒称为F质粒,带有F质粒、 Hfr、F质粒的细菌均是 F+阳性菌，有性菌毛，可与F- 菌接合, R质粒的传递 目前，临床上多重耐药菌株的出现与R质粒通过接合传递密切有关。,R质粒组成： 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF) RTF类似F因子，可编码产生性菌毛并以接合方 式转移。 耐药决定因子（r决定因子） r决定因子两端的IS可与RTF相连；且可有多个Tn 连接排列是造成多重耐药的原因,R质粒组成示意图,转导 transduction,概念 以噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质转移到受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状。噬菌体种类 毒性噬菌体温和噬菌体溶原噬菌体的溶原期与裂解期交替进行，此时温和噬菌体起转导载体作用,普遍性转导示意图,正常,偏离,gal,bio,噬菌体DNA,局限性转导示意图,溶原性转换 lysogenic conversion,概念：温和噬菌体以前噬菌体形式存在于细菌染色体中，并导致细菌基因型发生改变，使溶原性细菌获得了新的性状。,溶原性转换,溶原性转换（lyso