1章-原核微生物(08-09-1)-2.ppt

第二节细菌细胞结构与功能,一、细胞壁二、细胞膜三、细胞质四、核区与质粒五、壁外结构六、细菌的芽孢,二、细胞膜,1、概念2、成分与结构3、功能,1、细胞质膜的概念,细胞质膜（cytoplasmicmembrane），又称细胞膜，简称原质膜（plasmamembrane），是围绕细胞质外的双层膜结构，使细胞具有选择吸收性能，控制物质的吸收与排放，也是许多生化反应的重要部位。,细胞膜是磷脂及蛋白质2类物质所组成的双分子层：,2、成分与结构,1）磷脂细胞膜分为内、外两层，是主要由磷脂排列而成的双分子层。组成细胞膜的磷脂分子分为亲水（极性）和疏水（非极性）两个部分。极性部分排于膜的表面，非极必性部分排于膜的内层，从而使膜对于大分子或高电荷的分子成为一个选择渗透屏障，它们不易通过磷脂双分子的疏水性内层。,双极性膜脂分子,乙醇胺,甘油,脂肪酸,极性、亲水端,长、非极性、疏水脂肪酸链,2）蛋白质构成细胞膜的原生质，根据与膜的相对位置分为：整合蛋白是埋藏于膜内或贯穿膜的两则，是与膜结合紧密、并与物质运输、能量代谢和信号接收有关的蛋白质。外周蛋白是通过电荷相互作用，疏松附着于膜表面的一类蛋白质，膜中的脂类和蛋白质互相相对运动。,磷脂,糖脂,寡聚糖,整合蛋白,整合蛋白,周缘蛋白,疏水性螺旋,3、细胞膜的功能,1）能选择性地控制细胞内、外营养物质和代谢产物质的运输；2）是维持细胞内正常的渗透压屏障；3）是合成细胞壁和糖被有关成分的重要场所；4）参与产能代谢，细菌中的电子传递链和ATP合成酶均位于细胞膜；5）提供鞭毛的着生位点，并可为鞭毛转动提供能量。,间体间体（mesosome）是质膜向内伸展至细胞质中主要的单位膜结构，常常同核质相联系，位于细胞分裂处。间体的功能可能参与呼吸作用、同DNA的复制和细胞的分裂有关。也可能与青霉素酶等某些酶的分泌有关。,间体,1、细胞质概念2、细胞质的主要成分3、核糖体4、贮藏性颗粒,三、细胞质及其内含物,1、概念,细胞质指除核以外，质膜以内的原生质。是细胞膜包围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。,细胞内含物是指细胞质内所有形态较大的颗粒状结构，称为细胞内含物。,2、细胞质的主要成分,细菌细胞质是含水的、含有细胞功能所需的各种分子、RNA和蛋白质的混合物。细胞质的主要成分是核糖体。,3、核糖体(ribosome),细菌核糖体为70S核糖体，由30S和50S两个亚单位构成大的亚基组成，核糖体的亚基是由蛋白质和RNAs组成的复合物，是细胞中合成蛋白质的场所。,原核微生物核糖体的结构,细菌核糖体的结构模型,70SRibosomeDuringTranslation,细菌80%-90%的核糖体串连在mRNA上以多聚核糖体的形式存在，是合成蛋白质的场所已证明抗生素对人类是非常有用的，因为抑制细菌蛋白质合成的抗生素，对真核生物蛋白质合成无效果，这样就有了选择毒性。,Alleucaryoticandprocaryoticcellscontainribosomes,whichfunctionasthesitesofproteinsynthesis.RibosomesarecomposedoftwosubunitsProcaryoticribosomesarecalled70Sribosomes,andthoseofeucaryoticcellsareknownas80Sribosomes,Ribosomes,TheletterSreferstoSvedbergunits,whichindicatetherelativerateofsedimentationduringultra-high-speedcentrifugation,4、细胞内含物,1）贮藏物是外围由单层膜所包围的、通常较大的、经染色后可在光学显微镜下观察到的颗粒。作用是在营养物质过剩时积累，而营养物质不足供生长的需要，因而称为贮藏物。贮藏物根据其内所存贮的物质不同，相应的名称各异。主要有以下几种：,聚-羟基丁酸颗粒,核糖体,间体,原生质膜,核区,胞壁,（1）聚-羟丁酸（PHB）颗粒这是一种细菌所特有的折射的、单层膜包围的、大小变化很大的类脂颗粒，用亲脂染料苏丹黑染色后，在显微镜下清晰可见。细菌在C多、N缺的时候形成，相反则降解为生长提供C源。,（2）异染粒(metachromaticgranule)细菌细胞内能由碱性染料染色后发生颜色改变的一种颗粒，为一种多聚磷酸盐颗粒，与脂类和蛋白质相结合的多聚磷酸偏盐。具有贮藏磷元素的作用，常在核酸合成受阻时产生、累积。（3）元素硫颗粒(sulfurgranule)是硫细菌在环境中的H2S过量时的颗粒状的硫存贮物。当环境中的H2S不足时硫颗粒又被氧化成硫酸，同时放出能量，这是硫源与能源的贮藏物。,胞内元素硫颗粒(一种紫色硫细菌),多角体,多聚磷酸盐颗粒（异染粒）,类囊体,（4）多糖（淀粉或糖原，glycogengranule）多糖颗粒可用碘处理后，在显微镜下观察到红棕色的颗粒。是一些细菌体内在C过多、N不足时形成的类似支链淀粉的细菌淀粉，为C源的贮存物,2）磁小体(megnetosome),1975年由RPBlakemore在趋磁细菌中发现,主要成分是Fe3O4外被一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜,是单磁畴晶体,无毒,大小20-100nm,每个细胞有2-20颗,形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体等,实用前景：生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器,3）羧酶体（carboxysome）,存在于一些自养细菌内的多角形或六角形内含物,大小约10nm（与噬菌体相仿）,内含1，5二磷酸核酮糖羧化酶,在自养细菌的CO2固定中起关键作用,4）气泡（gasvocuoles）,是许多光合型、无鞭毛水生菌中充满气体的泡囊状内含物,大小为0.21.0um75nm,内由数排柱形小空泡组成，外有2nm厚的蛋白膜包裹,每个细胞中含几个或数百个气泡,功能：调节细胞比重以使细菌漂浮在最适水层中获取光能、O2，和营养物质,蓝细菌细胞结构图,多糖颗粒,藻胆蛋白体（侧面观）,藻胆蛋白体（正面观）,蓝藻颗粒体,核区,细胞壁,原生质膜,多聚磷酸盐颗粒,脂肪滴,羧酶体,核糖体,气泡,类囊体,多个雪茄状的汽泡形成泡囊。图上可见横、纵切面,蓝细菌冰冻蚀刻切片图,细菌细胞质中的内含物,四、核区与质粒,1、核区(nucleoid)2、质粒(p1asmids),1、核区(nuclearregion),核区是细菌细胞中央遗传物质分布的区域，相当于真核生物的细胞核。别名类核(nucleoid),核当体(nuclearequivalent）,染色质体（chromatinicbody)，核质体(nuclearbody)，也称为细菌染色体（bacterialchromosome）。核区无核膜和核仁，是一个共价闭合环状的、高度缠绕的DNA分子，中央还有RNA及类似组蛋白的支架蛋白质。细菌无典型的染色体结构，核区中的DNA常称为染色体DNA。,ProkaryoticCell(Bacillusmegaterium),ElectronMicrographofNucleoidDNA,细菌DNA的特点：1、是一个很长的共价闭合环状的的双链，经反复折叠形成高度缠绕的致密结构，称为超螺旋结构；2、与一些非真正的组蛋白的碱性蛋白质结合；3、约有1%的碱基被甲基化，甲基化的碱基中最多是腺嘌呤，胞嘧啶次之，甲基化可保护DNA不受自身的限制性内切酶的作用。功能：核区是细菌的遗传物质，排列于DNA上的基因，先转录为mRNA，再在核糖体上合成蛋白质与酶。,2、质粒(plasmid）,1）概念某些细菌的细胞内含有除染色体外的小分子环状DNA，称作质粒。其上携带的基因对细菌正常生活并非必需，但在某些情况下对细胞有利，如抗生素抗性质粒。,质粒常以不同大小的环状双螺旋存在，它可以独立存在与复制，也可整合到染色体上。,2）质粒的特性与生理功能（1）能独立于染色体存在并复制；很多能在细胞之间传递；多数会自行或经特定处理后消失；有的能整合到染色体中，与其一起复制。（2）质粒携带着决定细菌某些遗传特性的基因，如接合或致育、抗药、产毒、致病、降解樟脑和二甲苯等毒物、固氮、产生抗菌素和色素等次生代谢产物和芽孢等方面发挥作用；（3）质粒是很好的基因载体，基因工程中已广泛应用,3）质粒的类型（了解）（1）致育因子(fertilityfactor,F因子)又称F质粒，一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株(相当于雌性)。F质粒整合到宿主细胞染色体上的菌株称为高频重组菌株（highfrequencerecombination,简称Hfr),由于F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。F质粒在大肠杆菌的接合作用(conjugation)中起主要作用。当Hfr菌株上的F因子通过重组回复成自主状态时，有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，而成为携带某一染色体基因的F因子，例如F-lac、F-gal、F-pro等。因此将这些携带不同基因的F因子统称为F，带有这些F因子的菌株也常用F表示。,（2）抗性因子(resistancefactor，R因子)另一类普遍而重要的质粒，主要包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。带有抗药性因子的细菌有时对于几种抗生素或其它药物呈现抗性。例如R1质粒(94kb)可使宿主对下列五种药物具有抗性：氯霉素(Chlorampenicol，Cm)、链霉素(Streptomycin，Sm)、磺胺(Sulfonamide，Su)、氨苄青霉素(Ampicillin，Ap)、卡那霉素(Kanamycin，Km)。并且负责这些抗性的基因是成簇地存在于R1抗性质粒上。,许多R质粒能使宿主细胞对许多金属离子呈现抗性，包括碲(Te6+)、砷(As3+)、汞(Hg2+)、镍(Ni2+)、钴(Co2+)、银(Ag+)、镉(Cd2+)等。在肠道细菌中发现的R质粒，约有25是抗汞离子的，而铜绿假单胞菌中约占75。,（3）Col质粒（4）毒性质粒(virulenceplasmid)（5）代谢质粒(metabolicplasmid)（6）隐秘质粒(crypticplasmid),基本结构完,以下为特殊结构,1、糖被(capsule)2、鞭毛(flagellum)3、菌毛(pili)4、性丝或性菌毛(sexpili)5、菌鞘6、芽孢7、伴孢晶体,五、特殊结构（壁外结构）,1、糖被(glycocalyx)及其类型1）糖被的概念2）荚膜的类型3）荚膜的功能,糖被某些细菌细胞壁外的一层含有水的多糖粘液性胶状物质。根据糖被的形状和厚度的不同，将荚膜分为四类：（大）荚膜（capsule）：粘液状物质具有一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，厚度：0.2m。微荚膜（microcopsule)：粘液状物质较薄，厚度：0.2m，与细胞表面牢固结合。粘液层(slimelayer)：粘液物质没有明显的边缘，比荚膜松散,可向周围环境中扩散,增大黏性。菌胶团(zoogloea)：包裹在细胞群体上的胶状物质。,荚膜的观察：,荧光显微镜特殊染色,荧光显微镜下的荚膜,负染色,荚膜与菌落形态光滑（Smooth,S-)型菌落产荚膜的细菌在固体培养基上形成的菌落表面湿润、有光泽、呈粘液状，称S-型菌落。粗糙（Rough,R-)型菌落不产荚膜的细菌形成的菌落表面干燥、粗糙、称R-型菌落。,荚膜的形成条件（1）荚膜的形成是微生物的遗传特征之一，是“种”的特征。但不是细菌的必要结构，失去荚膜的菌株照样能够生活。（2）荚膜的形成与组成明显受培养基成分和培养条件的影响（与环境密切相关）。如肠膜明串珠菌(Leuconostomesenterondes)以蔗糖为碳源时合成葡聚糖成分的荚膜。,Chemicalcompositionofsomebacterialcapsules.,荚膜的生理功能,1、荚膜富含水分，可保护细胞免于干燥；2、能抵御吞噬细胞的吞噬；3、为主要表面抗原（K抗原），是有些病原菌的毒力因子；4、能保护菌体免受噬菌体和其他物质（溶菌酶和补体）的侵害；5、是某些病原菌必须的粘附因子；6、贮藏养料，是细胞外碳源和能源的储备物质,荚膜与生产实践的关系应用荚膜也可以成为有价值的材料：1）代血浆Leucomostocmesenteroides的葡聚糖荚膜已用于生产代血浆的主要成分右旋糖酐和葡聚糖凝胶制剂；2）食品添加剂从野菜黄单胞菌（Xanthomonascampestris）荚膜提取黄原胶，它是优良的食品添加剂，又是石油开采中优良的压浆剂；3）细菌活性多糖药品与保健品4）污水处理用产菌胶团的菌进行污水处理等；5）细菌鉴定通过荚膜的血清学反应进行细菌鉴定(荚膜膨胀试验)。危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。,2、鞭毛(flagellum),1）概念2）类型3）结构4）功能,1）鞭毛概念（flagellum）,鞭毛是一端生于菌体细胞壁、另一端游离的、细长的波形纤丝状物。细胞壁上着生的鞭毛数量1-数百根，鞭毛长3-20um，直径10-20nm，鞭毛是细菌细胞的运动器官。,Salmonellawithaperitrichousarrangementofflagella,TransmissionElectronMicrographofEscherichiacoliO157:H7,2）鞭毛菌类型,（3）双极生（两端生）鞭毛,（4）周毛菌,（1）单极生（一端生）鞭毛,（2）丛毛菌,单生鞭毛、丛生鞭毛、对生鞭毛、周生鞭毛,BacterialFlagellarArrangements,3）鞭毛结构,（1）鞭毛丝（2）鞭毛钩（3）鞭毛基体（4）G+和G-菌基本的异同,有鞘的极生鞭毛,鞭毛丝,（1）鞭毛丝(filament)鞭毛丝为伸于细胞壁之外的纤丝状部分，呈波形，由数条鞭毛蛋白（flagellin）亚基并排螺旋状排列围成的一个中空贺柱体,鞭毛丝的动态形成,（2）鞭毛钩(hook),鞭毛钩鞭毛钩为靠近细胞表面的连接鞭毛丝与基体的部分，短而弯曲，由单一的蛋白质组成,基体是埋在细胞壁与细胞膜中部分，由10-13种不同的蛋白质亚基组成，基体包括：L环和P环、S环和M环两对同心环及穿过环中央的小杆构成。,（3）鞭毛基体(basalbody),L环和P环分别位于细胞壁的脂多糖层和肽聚糖层S环与M环则分别仅次于细胞膜表面和细胞膜内，G+菌中只有S和M一对环组成。,鞭毛蛋白,鞭毛结构图,鞭毛丝,鞭毛钩,L环,P环,M环,S环,小杆,（4）G+和G-菌基体本的异同,G+的S和M环,G-的S和M环,鞭毛丝,鞭毛钩,L环,P环,S环,M环,M环,S环,小杆,4）功能,（1）运动性（2）抗原性（3）细菌鉴定的重要依据,（1）鞭毛的运动,鞭毛具有推动细菌运动的功能，当其基体的一个（或一对）环与另一个（或一对）环通过彼此相对转动时，使鞭毛旋转而使菌体细胞运动。另外，有弹性的鞭毛蛋白分子通过一张一弛产生的波浪运动也能使菌体运动。,注意：有的菌虽无鞭毛也能运动。,鞭毛反时针转动时，细胞就向前运动,鞭毛顺时针转动时，细胞则滚动。,BacterialChemotaxis,Themovementofaprocaryoticflagellumresultsfromrotationofitsbasalbodyandissimilartothemovementoftheshaftofanelectricmotor.Bacterialcellscanalterthespeedanddirectionofrotationofflagellaandthusarecapableofvariouspatternsofmotility.,（2）抗原性细菌的鞭毛是由多个蛋白质亚基构成，具有很强的抗原性，当侵入机体后能刺激机体产生免疫应答，并能与应答产生物发生反应。（3）细菌鉴定的依据有鞭毛的细菌，其不同属间、同一属的不同种之间在鞭毛的数量、鞭毛的类型方面都存在很大的差异，是属种鉴定的重要依据。,3、菌毛(pili),菌毛革兰氏阳性细菌及部分革兰氏阴性菌体表面上着生的非鞭毛的细毛状物。它是中空的管状结构，比鞭毛细短、而直，数量多，周身分布。为特殊的蛋白质，长度几微米。菌毛与菌体的运动无关，运动与不运动的细菌均可能着生菌毛。菌毛的产生受染色体基因决定的控制。,ElectronMicrographofEscherichiacoliwithPili,菌毛的功能1、实现菌体细胞的粘附能力，尤其是具致病性的病原菌，当其突变后不再形成菌毛时，其致病性将消失；2、通过菌毛可与其它不同种类的菌体缠集在一起，在液体表面形成菌膜可能获得有利的物质；3、是某些细菌的抗原，即菌毛抗原。,AdhesiveTipofBacterialPiliBindingtoHostCellReceptors,BacteriaAlteringtheAdhesiveTipsofTheirPiliBygeneticallyalteringtheadhesivetipsoftheirpili,certainbacteriaareableto:1)adheretoandcolonizedifferentcelltypeswithdifferentreceptors,and2)evadeantibodiesmadeagainstthepreviouspili.,BacterialAdherencewithPili,Table.Somepropertiesofpiliandfimbriae,4、性毛(pilus,复数pili),性丝是只存在于大肠杆菌等肠道杆菌雄株菌体表面的丝状结构，数量110根以内，较菌毛长、而宽，性丝的产生与菌毛的一样是为基因决定的。当与异性菌株相结合时，是雄的性丝末端与雌性菌株接合，雄菌的DNA通过性丝转移到雌菌中。抗药性和毒力等遗传特性可通过此方式转移。,Fimbriaecanbeevenlydistributedovertheentiresurfaceofthecell.Theycannumberanywherefromafewtoseveralhundredpercell.Fimbriaeallowacelltoadheretosurfacesincludingthesurfacesofothercells.,Piliareusuallylongerthanfimbriaeandnumberonlyoneortwopercell.PilifunctiontojoinbacterialcellspriortothetransferofDNAfromonecelltoanother.,Fpilus,ElectronMicrographofEscherichiacoliwithaConjugationPilus,5、菌鞘（sheath）,菌鞘是有的水生细菌的细胞排列成丝状体，外套有长的管状物，称为菌鞘。一般将有鞘的细菌称为鞘细菌。,菌鞘的成分是由菌体所分泌的蛋白质、多糖及脂类物质组成。特点是溥、透明，只有在细胞游出鞘空、经染色后才能通过显微镜观察到。,菌鞘,固着器菌鞘的一端有固着器（holdfast），它能将菌体附着于固体基质上吸取养分，在低营养的水中，可使鞘细菌附在固体上随水漂流吸收营养。,菌鞘还有保护菌体的作用，能抵御原生动物等的捕食或者蛭弧菌等的寄生。,固着器,6、细菌的芽孢,1）概念2）形态3）结构4）形成过程5）生理特性6）伴孢晶体,1）概念,芽孢（endospore，spore）是少数属（如杆菌属和梭菌属等）的细菌到生长后期，在细胞内形成壁厚、折光性与具抗逆性强的内生孢子。芽孢内含水量仅为营养细胞的10%-30%，外由细菌的DNA和外部多层蛋白质及肽聚糖等包围而构成，具有很强的抗干燥、抗热、抗消毒剂、抗酸及抗辐射等的能力。产生芽胞的都是革兰阳性菌。,芽孢着生的不同位置示意图,中生芽孢,侧生,端生,膨大芽孢端生,芽孢形状球形、孵圆形，只有2种类型。芽孢着生的位置细胞的中部（中生）、细胞的一端（端生）、细胞的一侧（侧生）,2）芽孢的形态,ElectronMicrographofClostridiumbotulinum,细胞内芽孢的数量在一个细胞中多只为有一个芽孢，但一个细胞内也有的形成2个芽孢。,3）芽孢的结构：芽孢的结构由外向内主要分为：1、芽孢外壁（exosporium)是芽孢最外面的保护层，主要由蛋白质、脂类和糖类组成；2、芽孢衣（sporecoat)主要为角蛋白组成；,、皮层（cortex)由芽孢所特有的肽聚糖组成的、非常厚的一层结构。皮层中所含有的吡啶二羧酸与其中的钙离子接合生成的吡啶二羧酸钙盐使芽孢的抗热性极度增大。芽孢核心通常由核心的壁、核糖体与DNA组成，含水量极低，仅为营养细胞的10%-30%，也是耐高温的重要因素之一。4、核心（core)核心为芽孢的中心部分，含核质、核糖体和一些酶类，由核心壁所包围。,芽孢结构图,芽孢外壁,芽孢衣,皮层,芽孢壁,核区,核糖体,4、芽孢形成过程（sporegenesisphases）细菌常在对数期不形成芽孢，只有是由于必须的营养物质不足生长停止的情况下产生。芽孢杆菌是在C与N源不足的情况下会形成芽孢。细菌将形成芽孢，形成的过程大致分为以下7个阶段：阶段I：轴丝形成未完成分裂的两个细胞