第一章原核微生物的形态构造和功能

1、轻工业微生物与利用东北林业大学材料学院第一章 原核生物的形态构造和功能原核微生物:即广义的细菌，是指一大类细胞核无核膜包裹，只有称作核区（nuclear region)的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌和古生菌两大类。真细菌包括：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体等六大类。 细菌是一类细胞细短、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。第一节细 菌Bacteria细菌的存在？Where? When?1.培养：2.可观察的形态：群体（菌落，菌苔） 个体（显微镜）Anywhere? Anytime?适宜生长的环境条件: 温度，湿度，pH，营养How to f

2、ind and detect? 球状(Coccus)杆状(Rod)螺旋状(Spirillum)基本形态一、 细菌的形态 (The morphology of Bacteria) 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。单球菌双球菌链球菌四联球菌八联球菌葡萄球菌1. 球菌单球菌：细胞沿一个平面进行分裂，分裂后子细胞分开单独 存在。 Eg.尿素微球菌链球菌：如果子细胞排列成链状，就是。 Eg.乳链球菌双球菌：如果子细胞成双成对排列，就是。Eg.肺炎双球菌球菌形态四联球菌：细胞沿两个互相垂直的平面进行分裂，分裂后子细胞连在一起成“田”字则称。 Eg

3、. 四联微球菌八叠球菌：如果沿三个互相垂直的平面进行分裂，八个子细胞叠成一个立方体，称八叠球菌。 Eg. 尿素八叠球菌葡萄球菌：如果细胞分裂方向不定，子细胞不规则的集在一起，象一串串葡萄，称。Eg. 金黄色葡萄球菌球菌形态分裂行为与球菌形态关系球菌形态金黄色葡萄球菌的扫描电镜照片金黄色葡萄球菌感染炎症球菌与疾病肺炎双球菌球菌与疾病细胞体夹膜双球菌吞噬细胞菌体侵入肺部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。2. 杆菌 杆菌有的笔直,有的弯曲,杆菌两端的情况在分类上很重要。杆菌两端：有的象刀切一样整齐(eg.炭疽杆菌）；有的是钝圆(eg.枯草

4、杆菌)；有的是尖的(eg.鼠疫巴斯德氏菌）。杆菌形态Note: 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。球杆菌链状杆菌双杆菌单杆菌杆菌形态杆状细菌的排列方式与形态杆菌与疾病1、结核分枝杆菌Picture 12、炭疽杆菌3、破伤风梭菌Picture 2Picture 3螺旋状的细菌，称为螺旋菌。3. 螺旋菌弧菌：菌体只有一个弯曲，其程度不足一圈，形似 C 字或逗号，鞭毛偏端生。螺旋菌：菌体回转如螺旋，螺旋数目2-6环。鞭毛二端生。细胞壁坚韧，菌体较硬。螺旋体：螺旋数目大于6环，菌体柔软，无鞭毛，大多数是致病菌。螺旋菌形态1、霍乱弧菌2、梅毒螺旋体螺旋菌与疾病Pic

5、ture 1Picture 21）柄杆菌（prosthecate bacteria）细胞上有柄(stalk),菌丝(hyphae),附器(appendages)等细胞质伸出物，细胞呈杆状或梭状，并有特征性的细柄。4. 特殊形态2) 星形细菌（star-shaped bacteria ）（Stella）特殊形态细菌3) 方形细菌（square-ahaped bacteria）（Haloarcula）特殊形态细菌畸形：细胞在理化因素的刺激下，细胞发育受到阻碍，从而形态异常。衰颓型：培养时间过长，营养贫乏或自身代谢产物浓度过高等原因使细胞异常。异常形态正常形态：短杆状畸形：丝状、纺锤状、链锁状温度变

6、化正常形态：杆状衰颓型：分枝状过熟奶酪杆菌醋酸杆菌4）异常形态Question 1 :The following statement is True or False? * 细菌的形态是固定不变的，通常为球状、杆状、螺旋状，故可以作为细菌分类鉴定的依据！细胞大小表示：直径长, 单位：微米细菌大小测量: 显微测微尺 二、 细菌的大小 The size of Bacteria亚细胞结构的量度表示：单位：纳米一般细菌的大小范围：0.5 1 mm (直径)0.21 mm(直径)1 80 mm(长度)0.31 mm (直径) 1 50 mm(长度)(长度是菌体两端点之间的距离，而非实际长度)细菌大小费氏

7、刺尾鱼菌(Epulopiscium fishelsoni)(0.6 mm 0.08 mm )体积比大肠杆菌大106倍（1985年发现）个别大型细菌费氏刺尾鱼菌草履虫德国Schulz等1997年在纳米比亚海岸的海底沉积物中发现的一种硫磺细菌(sulfur bacterium)，以H2S为生。个别大型细菌纳米比亚嗜硫珠菌 Thiomargarita namibiensis细胞直径可达 0.31 mm(迄今发现最大的细菌！)（nanobacteria）（50 nm）最大和最小细菌的个体大小悬殊：（Thiomargarita namibiensis）（0.31 mm）10亿 100 亿倍细菌大小比较细

8、菌大小比较Question 2 : (1)The following statement is True or False： 细菌的大小是固定不变的，故可以作为细菌分类鉴定的依据！ 链球菌、葡萄球菌是否属于多细胞生物？（2）若干大型细菌的发现对微生物的界定有何影响？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三、细菌细胞的结构细菌细胞的结构(立体图）细菌细胞结构 细胞壁是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。1. 细胞壁（Cell wall）细菌细胞结构细菌超薄切片电镜照片 （示细胞壁与细胞膜）Cell wallCell wal

9、l分离获得纯细胞壁1）细胞壁的功能：（1）固定细胞外形和提高机械强度; （2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需;（3）渗透屏障，阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质 （分子量大于800）进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、 消化酶和青霉素等有害物质的损伤;（4）细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的 敏感性的物质基础;细菌细胞结构2）革兰氏染色与细胞壁：细菌染色法死菌正染色革兰氏染色法抗酸性染色法芽孢染色法姬姆萨染色法鉴别染色法简单染色法活菌负染色：荚膜染色法等用美蓝或TTC（氧化三苯基四氮唑）等作活菌染色细菌细胞结构C. Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。（

10、1）革兰氏染色细菌细胞结构1、结晶紫对菌液涂片进行初染;2、用碘溶液进行媒染，染料和细胞间的结合得更牢。3、用乙醇或丙酮进行冲洗脱色。4、用与结晶紫具有不同颜色的碱性染料复染。例如沙黄。革兰氏染色步骤：细菌细胞结构Left: 单菌染色结果(G+或 G-)Right: 混合菌染色结果(G+和 G-)细菌细胞结构革兰氏染色结果及细菌分类革兰氏染色阴性GG肽聚糖 胞壁酸 细胞膜 膜蛋白 外膜 孔蛋白 脂类 周质空间 肽聚糖 细菌细胞结构G+和 G- 细胞壁结构比较（立体模型） 细菌细胞结构G+和 G- 细胞壁结构比较 (平面模型)特点: (1)厚度大(2080nm); (2)化学组分简单: 一般只含

11、肽聚糖 (peptidoglycan) 90%和磷壁酸(teichoic acid) 10% 。（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁细菌细胞结构又称粘肽(mucopeptide)、胞壁质(murein)或粘质复合物(mucocomplex)，是真细菌细胞壁中的特有成分。A、肽聚糖 (peptidoglycan) 肽聚糖肽聚糖四肽尾肽桥N-乙酰葡糖胺N-乙酰胞壁酸厚约2080nm，由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上细菌细胞结构厚约2080nm，由40层左右的网格状分子交织成的网套覆盖在整个细胞上革兰氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分，主要分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。磷壁酸壁磷壁酸：膜磷壁酸

12、（脂磷壁酸）：跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的称。与肽聚糖分子进行共价结合的称。B、磷壁酸细菌细胞结构由甘油磷酸链分子与细胞膜上的磷脂进行共价结合后形成。其含量与培养条件关系不大。与肽聚糖分子间进行共价结合，含量会随培养基成分而改变，一般占细胞壁重量的10%，有时可接近50%。细菌细胞结构膜磷壁酸；脂磷壁酸壁磷壁酸磷壁酸的主要生理功能：1、通过分子上大量的负电荷浓缩细胞周围的Mg2+，提高细胞膜上需Mg2+的合成酶的活性；2、贮藏磷元素；6、增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；5、革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础；4、噬菌体的特异性吸附受体；3、能调节细胞内自溶

13、素(autolysin)的活力，防止细胞因自溶而死亡。可作为细菌分类、鉴定的依据细菌细胞结构分子结构（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁细菌细胞结构GG肽聚糖 胞壁酸 细胞膜 膜蛋白 外膜 孔蛋白 脂类 周质空间 肽聚糖 埋藏在外膜层之内，是仅由12层肽聚糖网状分子组成的薄层(23nm)，含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较G+细菌弱。A 肽聚糖G- Cell WallG-细菌肽聚糖单体结构与G+细菌基本相同，差别仅在于：四肽尾的第三个氨基酸分子是内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)。（只在原核微生物细胞壁上发现）没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套。G- Cell Wa

14、llG- Cell Wall没有特殊的肽桥，只形成较为疏稀、机械强度较差的肽聚糖网套内消旋二氨基庚二酸(m-DAP)大肠杆菌, G-大肠杆菌 GG+和G-两种肽聚糖结合方式的比较G- Cell Wall 是G-细菌细胞壁所特有的结构，位于G-细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干种蛋白质组成的膜，有时也称为外壁。B、外膜 (outer membrane)G- Cell Wall外膜肽聚糖脂多糖脂蛋白磷脂 脂多糖（lipopolysaccharide, LPS） 位于G-细胞壁最外层的一层较厚（810nm）的类脂多糖类物质。类脂A核心多糖(core polysaccharide)O-特异侧

15、链或称O-多糖或O-抗原（O-specific side chain）脂多糖G- Cell Wall脂多糖LPS的结构与主要功能LPS O-特异侧链结构的多变，决定了G-细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；如： 沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达2107种。 这种多变性是革兰氏阴性细菌躲避宿主免疫系统攻击，保持感染成功的重要手段。G- Cell WallLPS（核心多糖）负电荷较强，与磷壁酸相似，也有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用，对细胞膜结构起稳定作用。G- Cell WallLPS（类脂A)是G-细菌致病物质内毒素的物质基础G- Cell Wall具有控

16、制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；G- Cell Wall 外膜蛋白(outer membrane protein) 嵌合在LPS和磷脂层外膜上的蛋白。有20余种，但多数功能尚不清楚。G- Cell Wall 是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1 nm的孔道，通过孔的开、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。非特异性孔蛋白特异性孔蛋白可通过分子量小于800900的任何亲水性分子只容许一种或少数几种相关物质通过，如维生素B12和核苷酸等。孔蛋白（porins）G- Cell Wall 是一种通过共价键使外膜层牢固地连

17、接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。脂蛋白(lipoprotein)G- Cell Wall内层：脂蛋白 又称壁膜间隙。G+和G-细菌中均有，一般指其细胞壁与细胞膜之间的狭窄空间（宽约1215nm），呈胶状。C、周质空间(periplasmic space, periplasm)G- Cell Wall周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmic proteins）水解酶类合成酶类结合蛋白受体蛋白G- Cell Wall3) 革兰氏阳性和阴性细菌的比较革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌G+与G- 细菌比较革兰氏阳性和阴性细菌的比较GGG

18、+与G- 细菌比较革兰氏染色的原理分析G+与G- 细菌比较Question 3 :The following statement is True or False? 在细菌等原核微生物中，常有少量D型氨基酸参与其蛋白质的生物合成！N-乙酰葡萄糖胺存在于细菌和真菌的细胞壁中！革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌细胞壁中均含有L-赖氨酸！思考题 :* 当选择某一产品（如蛋白质）的生产菌时，从细胞壁角度考虑，应选择那一种细菌为好？4）细胞壁缺陷细菌：缺壁细菌人工去壁实验室或宿主体内形成在自然界长期进化中形成缺壁突变L型细菌 基本去尽原生质体(G+)部分去除球状体(G-)支原体Cell Wall Deficie

19、nt bacteria（1）L 型细菌（L-form of bacteria） 细菌在某些环境条件下（实验室或宿主体内）通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型。 英国李斯特（Lister）预防研究所首先于1935年发现而得名。Cell Wall Deficient bacteriaL型细菌特点没有完整而坚韧的细胞壁，细胞呈多形态有些能通过细菌滤器，故又称“滤过型细菌”对渗透敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）Cell Wall Deficient bacteria（2）原生质体(protoplast) 在人为条件下，用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的，圆球形、对渗透压变化敏感的细胞，一般由G+细菌形成。Cell Wall Deficient bacteria原生质体 特 点 ：对环境条件变化敏感，低渗透压、振荡、离心甚至通气等都易引起其破裂；有的原生质体具有鞭毛，但不能运动，也不被相应噬菌体所感染；在适宜条件（如高渗培养基）可生长繁殖、形成菌落，形成芽孢。及恢复成有细胞壁的正常结构；比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质，是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料；Cell Wall Deficient bacteria（3）球状体(sphaeroplas