2003 2 微生物生理学- 细胞结构 鞭毛荚膜VIP

第一章：微生物细胞结构第一章：微生物细胞结构 细胞的什么部位发生了什么过程？细胞的什么部位发生了什么过程？ 搞清楚搞清楚微生物细胞结构微生物细胞结构是学习微生物是学习微生物 生理学的生理学的基础基础 微生物微生物细胞结构细胞结构对微生物学家犹如对微生物学家犹如 人体解剖学人体解剖学对医生，对医生，基础之基础基础之基础 I 微生物细胞、细胞器：微生物细胞、细胞器： 物理结构：物理结构：大小、形状、构造等大小、形状、构造等; ; 生理功能：生理功能：各个结构在生命过程中的各个结构在生命过程中的作用作用; ; 结构组成：结构组成：鞭毛，荚膜，细胞壁，质膜，细胞核等鞭毛，荚膜，细胞壁，质膜，细胞核等; ; III 细胞结构与生物分类系统的关系：细胞结构与生物分类系统的关系： 微生物分类微生物分类与微生物细胞结构与微生物细胞结构 II 原核微生物与真核微生物细胞结构的异同原核微生物与真核微生物细胞结构的异同 本章内容本章内容 要求：对微生物的细胞结构要求：对微生物的细胞结构 “如数家珍”“如数家珍” 1.1 1.1 真核与原核微生物真核与原核微生物 真核生物细胞模型真核生物细胞模型 原核生物细胞模型原核生物细胞模型 遗传物质遗传物质：本质相同；核酸；碱基；本质相同；核酸；碱基； 细胞内同时具有细胞内同时具有DNA和和RNA：与病毒区别；与病毒区别； ATP：均是能量转换的枢纽物质均是能量转换的枢纽物质 ； 细胞内酶系统：细胞内酶系统：独立，完整；能量与合成代谢正常；独立，完整；能量与合成代谢正常； 细胞元素组成、生物大分子细胞元素组成、生物大分子：基本一致。基本一致。 原核原核微生物和微生物和真核真核微生物的微生物的共同之处共同之处 1 2 原核与真核生物主要原核与真核生物主要区别点区别点 染色体染色体 原核原核染色体染色体=双股双股环状环状DNA 真核真核染色体染色体=双股双股线状线状DNARNA碱性蛋白质碱性蛋白质(组蛋白组蛋白) 细胞核细胞核 原核原核：双股双股环状环状DNA分散于细胞质中，分散于细胞质中，无无 核膜包裹核膜包裹 显微镜下显微镜下细胞核细胞核无清晰边界无清晰边界； 真核：真核：双股双股线状线状DNARNA碱性蛋白质，有碱性蛋白质，有核膜包裹核膜包裹 显微镜下显微镜下细胞核细胞核边界清晰边界清晰，结构紧凑，结构紧凑； 原核微生物的细胞结构原核微生物的细胞结构-细菌细菌 细胞核无核膜包围：“一团乱麻”细胞核无核膜包围：“一团乱麻” 真核生物细胞模型真核生物细胞模型-真核真核 真 核 生 物 的 真 核 生 物 的 细 胞 核 细 胞 核 原核细胞与真核细胞原核细胞与真核细胞基本特征基本特征的比较的比较 特特 征征 原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞 细胞膜细胞膜 核膜核膜 染色体染色体 核仁核仁 线粒体线粒体 内质网内质网 高尔基体高尔基体 溶酶体溶酶体 核糖体核糖体 核外核外 DNADNA 细胞壁细胞壁 细胞骨架细胞骨架 细胞增殖（分细胞增殖（分 裂）方式裂）方式 有有（多功能性多功能性） 无无 由一个环状由一个环状 DNADNA 分子构成的单个染分子构成的单个染 色体，色体，DNADNA 不与或很少与蛋白质结不与或很少与蛋白质结 合合 无无 无无 无无 无无 无无 7070S S （包括（包括5050S S与与30S30S的大小亚单位）的大小亚单位） 细菌具有裸露的质粒细菌具有裸露的质粒 DNADNA 主要成分是氨基糖与壁酸主要成分是氨基糖与壁酸 无无 无丝分裂（直接分裂）无丝分裂（直接分裂） 有有 有有 2 2个染色体以上， 染色体由线状个染色体以上， 染色体由线状DNADNA 与蛋白质组成与蛋白质组成 有有 有有 有有 有有 有有 8080S S（包括（包括 6060S S 与与 40S40S 的大小亚单的大小亚单 位）位） 线粒体线粒体 DNADNA，叶绿体叶绿体 DNADNA 几丁质、多聚糖或者寡糖几丁质、多聚糖或者寡糖 有有 以有丝分裂（间接分裂）为主以有丝分裂（间接分裂）为主 3 特征特征 原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞 DNADNA 量（信息量）量（信息量） DNADNA 分子数分子数 DNADNA 分子结构分子结构 基因组数基因组数 基因数基因数 大量“多余”的“重大量“多余”的“重 复”的复”的 DNADNA 序列序列 基因中插入内含子基因中插入内含子 DNADNA 与组蛋白结合与组蛋白结合 DNADNA 与组蛋白以核小与组蛋白以核小 体及各级高级结构构成体及各级高级结构构成 染色质与染色体染色质与染色体 DNADNA 复制的明显周期复制的明显周期 性性 基因表达的调控基因表达的调控 转录与翻译的时空转录与翻译的时空 关系关系 转录后与翻译后大转录后与翻译后大 分子的加工与修饰分子的加工与修饰 细 胞 复 制 与 分 裂细 胞 复 制 与 分 裂 （DNADNA 传递与分配）传递与分配） 少少 1 1 环状环状 1 1n n 几千几千 不与或与少量类组蛋白结合不与或与少量类组蛋白结合 主要以操纵子方式主要以操纵子方式 转录与翻译同时同地进行转录与翻译同时同地进行 无丝分裂无丝分裂 多多 2 2 个以上个以上 线状线状 2 2n n，多多 n n 大于几万，十万大于几万，十万 十十 十十 与与 5 5 种组蛋白结合种组蛋白结合 十十 十十 复杂性，多层次性复杂性，多层次性 核内转录，细胞质内翻核内转录，细胞质内翻 译译; ;严格的阶段性与区域严格的阶段性与区域 性性 十十 有丝分裂，减数分裂有丝分裂，减数分裂 原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较 细胞结构细胞结构与与生物分类生物分类 4 生物的传统分类，生物的传统分类，依据：细胞形态、结构依据：细胞形态、结构 进化分类，进化分类，依据分子尺构建系统进化树依据分子尺构建系统进化树 海克尔分类，海克尔分类，依据：依据：细胞结构、细胞结构、分化程度分化程度 近代分类，近代分类，依据：依据：细胞细胞核膜核膜有无有无 三群分类，三群分类，依据：依据：细胞结构有无细胞结构有无+ +细胞核膜细胞核膜结构结构 三总界五界系统，三总界五界系统，依据：依据：细胞结构细胞结构进化进化营养方式营养方式 1.1.海克尔分类：海克尔分类：18861886 依据：依据：细胞结构、细胞结构、分化程度分化程度 原生生物原生生物：无无高度分化的组织、器官及系统高度分化的组织、器官及系统 a.a.非细胞生物：病毒非细胞生物：病毒 b.b.单细胞生物：细菌，酵母菌等单细胞生物：细菌，酵母菌等 c.c.简单的多细胞生物：丝状真菌简单的多细胞生物：丝状真菌 后生生物后生生物：有有明显高度分化的细胞明显高度分化的细胞、组织组织、器官及系统器官及系统 a.a.多细胞生物：动物；植物多细胞生物：动物；植物 三界系统三界系统 植植 物物 界界 动动 物物 界界 原生生物界原生生物界 1886年，海克尔（年，海克尔（E. H. Haeckel） 2.近代分类近代分类 依据：依据：细胞细胞核膜核膜有无（显微技术出现）有无（显微技术出现） 原核生物：原核生物：无无核膜：核膜： 细菌细菌 真核生物：真核生物：有有核膜：单细胞真菌；核膜：单细胞真菌； 丝状真菌；丝状真菌； 原生动物；原生动物； 粘菌；粘菌； 大型真菌；大型真菌； 植物；动物；植物；动物； 进化树进化树 五五 界界 系系 统统 1969年，魏特克（年，魏特克（R. H. Whittaker ） 发展方向 发 展 水 平 () 光合 植物界 () 吸收 真菌界 ()摄食 动物界 真 核 多 细 胞 真 核 单 细 胞 原 核 单 细 胞 红藻 绿藻 轮藻 褐藻 苔藓植物 种子植物 蕨类植物 眼虫 甲藻 金藻 卵菌 壶菌 粘菌 集胞菌 网粘菌 子囊菌 担子菌 接合菌 丝壶菌 根肿菌 孢子虫 刺孢虫 鞭毛虫 根足类 纤毛虫类 蓝藻 细菌 中生动物 扁形动 物 假腔动物 触手动物 软体动物 节 肢动物 环节动物 脊椎动物 棘皮动物 七颚 动 物 腔肠动 物 多孔动物 原生界 原核界 图12-1 1969年，魏特克（年，魏特克（R. H. Whittaker ） 后生生物 动物 原生动物 植物 真菌： 担子菌纲 子囊菌纲 真核生物藻：褐藻 红藻 藻菌纲 原生生物 绿藻 蓝细菌 细菌 原始的生 命形式 原核生物 图1-1 海克尔的分类系统海克尔的分类系统-近代分类系统比较近代分类系统比较 非细胞生物：病毒（分子生物，晶体）非细胞生物：病毒（分子生物，晶体） 原核生物：原核生物： 真核生物：真核生物： 3.三群分类三群分类 按按细胞结构有无细胞结构有无+ +细胞核膜细胞核膜结构结构 非细胞总界：非细胞总界：病毒病毒 原核总界：原核总界：细菌界：细菌界：无光合能力无光合能力 蓝细菌界：蓝细菌界：光能自养光能自养 真核总界：真核总界：植物界：植物界：光能自养光能自养（光合）（光合） 真菌界：真菌界：异养异养（跨膜吸收）（跨膜吸收） 动物界：动物界： 异养异养（摄食）（摄食） 4. 三总界五界系统三总界五界系统 陈世骧，陈世骧，19791979 依据：依据：细胞结构细胞结构进化进化营养方式营养方式 利用利用16S rRNA16S rRNA建立分子进化树的美国科学家建立分子进化树的美国科学家 Carl Woese Carl Woese 5.进化分类进化分类 16 S r RNA16 S r RNA系统发育树系统发育树 16S rRNA16S rRNA被普遍认为是一把好的谱系分析的被普遍认为是一把好的谱系分析的“分子尺”“分子尺” rRNA具有重要且恒定的生理功能；具有重要且恒定的生理功能； 在在16SrRNA分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中分子中，既含有高度保守的序列区域，又有中 度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距度保守和高度变化的序列区域，因而它适用于进化距 离不离不 同的各类生物亲缘关系的研究；同的各类生物亲缘关系的研究； 16SrRNA分子量大小适中，便于序列分析；分子量大小适中，便于序列分析； rRNA在细胞中含量大在细胞中含量大(约占细胞中约占细胞中RNA的的90%)，易于提取；，易于提取； 16 SrRNA普遍存在于真核生物和原核生物中普遍存在于真核生物和原核生物中(真核生物中其真核生物中其 同源分子是同源分子是18S rRNA)。因此它可以作为测量各类生物进化的。因此它可以作为测量各类生物进化的 工具。工具。 16S rRNA16S rRNA为什么被用来构建系统进化树？为什么被用来构建系统进化树？ 补充：补充：细菌、古生菌和真核生物的特征比较细菌、古生菌和真核生物的特征比较 很多古细菌生存在极端环境，厌氧极端环境，厌氧。 极端高温（极端高温（100以上） 极端低温极端低温 高盐高盐 强酸强酸 强碱强碱 其他：其他：沼泽、废水和土壤中； 三域之一三域之一-奇异的古生菌奇异的古生菌 古菌通常对其它生物无害，且未知有致病古菌。古菌通常对其它生物无害，且未知有致病古菌。 很多很多产甲烷产甲烷的古菌生存在动物的消化道中：的古菌生存在动物的消化道中： 如如 反刍动物、白蚁或者人类。反刍动物、白蚁或者人类。 代表性古细菌代表性古细菌 极端嗜热菌（极端嗜热菌（themophilesthemophiles） 能生长在能生长在90以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现以上的高温环境。如斯坦福大学科学家发现 的古细菌，最适生长温度为的古细菌，最适生长温度为100，80以下即失活以下即失活；德；德 国斯梯特（国斯梯特（K. Stetter）研究组在意大利海底发现的一族）研究组在意大利海底发现的一族 古细菌，能生活在古细菌，能生活在110以上以上高温中，最适生长温度为高温中，最适生长温度为 98，降至，降至84即停止生长；美国即停止生长；美国J. A. Baross发现一些从发现一些从 火山口中分离出的细菌可以生活在火山口中分离出的细菌可以生活在250的环境中。嗜热的环境中。嗜热 菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以菌的营养范围很广，多为异养菌，其中许多能将硫氧化以 取得能量。取得能量。 极端嗜盐菌（极端嗜盐菌（extremehalophilesextremehalophiles） 生活在高盐度环境中，盐度可达生活在高盐度环境中，盐度可达25%，如死海和盐湖中。，如死海和盐湖中。 代表性古细菌代表性古细菌 极端嗜酸菌（极端嗜酸菌（acidophilesacidophiles） 极端嗜碱菌（极端嗜碱菌（alkaliphilesalkaliphiles） 能生活在能生活在pH值值1以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生以下的环境中，往往也是嗜高温菌，生 活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢活在火山地区的酸性热水中，能氧化硫，硫酸作为代谢 产物排出体外。产物排出体外。 生活在盐碱湖或碱湖中，生活环境生活在盐碱湖或碱湖中，生活环境pH值值11.5以上，以上，最适最适 pH值值810 。 产甲烷菌（产甲烷菌（metnanogensmetnanogens） 严格厌氧的生物，能利用严格厌氧的生物，能利用CO2使使H2氧化，生成甲烷，同时氧化，生成甲烷，同时 释放能量。释放能量。 CO24H2CH42H2O能量能量 不影响微生物生存；具有不影响微生物生存；具有特定生理功能特定生理功能 1.2 1.2 细胞表面附着物细胞表面附着物 结构结构： 细菌：细菌：中空的圆筒中空的圆筒 真菌真菌：92型型 化学成分化学成分： 细菌：细菌：鞭毛蛋白（鞭毛蛋白（100）=鞭毛素（鞭毛素（H抗原抗原） 真菌：真菌：微管蛋白微管蛋白（70）脂类）脂类/糖（糖（30） 能源：能源： 细菌：细菌：鞭毛上鞭毛上无无ATP酶酶质子梯度供能质子梯度供能鞭毛运动鞭毛运动 真菌：真菌：鞭毛上鞭毛上有有ATP酶酶水解、放能水解、放能鞭毛运动鞭毛运动 鞭毛鞭毛 运动结构；少，细，长，弯；形成于运动结构；少，细，长，弯；形成于细胞质膜细胞质膜上。上。 1 单边毛单边毛 丛鞭毛丛鞭毛 双鞭毛双鞭毛 周鞭毛周鞭毛 细菌鞭毛着生位置细菌鞭毛着生位置 a. monotrichous b. amphitrichous c. lophotrichous d. peritrichous 细菌鞭毛显微图片细菌鞭毛显微图片 大肠杆菌的鞭毛大肠杆菌的鞭毛 革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌 的鞭毛构造的鞭毛构造 L环环 P环环 S环环 M环环 G- G+ 革兰氏阳性、阴性细菌的鞭毛着生位置显微结构革兰氏阳性、阴性细菌的鞭毛着生位置显微结构 鞭毛的建造过程鞭毛的建造过程 细菌鞭毛旋转细菌鞭毛旋转=”=”螺旋桨转动”螺旋桨转动” H + 膜 壁 H + 256个转一圈H + 细 菌 鞭 毛 转 动 的 能 量 来 源 及 鞭 毛 细 菌 鞭 毛 转 动 的 能 量 来 源 及 鞭 毛 与 细 胞 壁 和 质 膜 的 关 系 与 细 胞 壁 和 质 膜 的 关 系 鞭毛转动鞭毛转动 H+ H+ H+ H+ H+ H+ ETC 游动游动 孢子孢子 菌毛与伞毛菌毛与伞毛 G 细菌 细菌细胞表面的丝状结构；细胞表面的丝状结构； 菌毛：细、少，长；菌毛：细、少，长； 伞毛：粗、多，短：“刺猬”的毛伞毛：粗、多，短：“刺猬”的毛 2 F F菌毛菌毛：F F质粒质粒编码；中空，细菌编码；中空，细菌“有性生殖有性生殖”时的时的 “遗传物质通道遗传物质通道”。 “接合接合”：原核微生物基因重组的方式之一。：原核微生物基因重组的方式之一。 I-菌毛菌毛：噬菌体感染菌毛噬菌体感染菌毛，中空；，中空； 噬菌体噬菌体感染宿主细胞时的感染宿主细胞时的“落脚点落脚点”。 过程：噬菌体与过程：噬菌体与I I菌毛接触菌毛接触 I I- -菌毛收缩菌毛收缩 噬菌体与细胞表面接触噬菌体与细胞表面接触侵染发生侵染发生 两种重要的菌毛：两种重要的菌毛： 接合：准性生殖接合：准性生殖 细菌通过细菌通过F菌毛菌毛转移遗传物质，进行基因重组转移遗传物质，进行基因重组 短，直，粗，多；短，直，粗，多；“刺猬刺猬”； 功能：功能：“附着附着结构结构”； 使细菌的单个细胞相互附着，凝聚成使细菌的单个细胞相互附着，凝聚成“菌膜菌膜”。 伞毛伞毛 例例1. 静止液体培养基表面的菌膜：静止液体培养基表面的菌膜：“醋白花”“醋白花”。 例例2. 污水处理中的污水处理中的絮凝菌。絮凝菌。 醋酸菌形成的菌膜：醋酸菌形成的菌膜： 好氧菌好氧菌 糖被糖被 细菌表面细菌表面粘性物质粘性物质形成的形成的附加附加结构结构 非非必要结构；不同细菌的荚膜多糖成分不同。必要结构；不同细菌的荚膜多糖成分不同。 糖被类型糖被类型 3 化学成分化学成分 荚膜的负染显微照片荚膜的负染显微照片 肺炎球菌的荚膜肺炎球菌的荚膜 培养基培养基成分成分：糖：糖 培养培养条件条件：温度、通气，培养基中有无氮素等，：温度、通气，培养基中有无氮素等， 均影响荚膜的物质组成。均影响荚膜的物质组成。 影响荚膜形成的因素影响荚膜形成的因素 实例：钾细菌，在无氮培养基中，荚膜厚，培实例：钾细菌，在无氮培养基中，荚膜厚，培 养液粘度高。养液粘度高。 机理：机理：尚不清楚？尚不清楚？ 有荚膜的细菌菌落：钾细菌（硅酸盐细菌）有荚膜的细菌菌落：钾细菌（硅酸盐细菌） S S- -菌落菌落 R R- -菌落菌落 抗干燥：抗干燥： 荚膜，高度水化结构；荚膜菌抗干燥能力强。荚膜，高度水化结构；荚膜菌抗干燥能力强。 储藏营养