第二章 微生物的形态和构造1(beijing)

第二章原核微生物的形态和构造

一原核微生物

二放线菌第一节细菌—Bacteria定义：细菌是原核生物中的一大类群，细胞个体微小、结构简单、细胞壁坚韧、以二等分裂方式繁殖和水生性较强的单细胞原核微生物。生存环境：温暖潮湿、富含有机物的地方，都有大量细菌活动。有特殊的臭味或酸败味，发粘、发滑。应用：工业上生产各种氨基酸、核苷酸、酶制剂、乙醇、丙酮、丁醇、有机酸、抗生素等；农业上用作杀虫菌剂、细菌肥料的生产和在沼气发酵、饲料青贮等方面的应用；医药上如各种菌苗、类毒素、代血浆和许多医用酶类的生产等；以及细菌在环保和国防上的应用等，都是利用有益细菌活动的例子。危害：人、动物、植物的传染病、食物和工农业产品腐烂变质。一、细菌细胞的形态与排列状态⊕

菌体呈球形或近似球形,以典型的二分裂殖方式繁殖,分裂后产生的新细胞常保持一定的空间排列方式.根据细胞分裂的方向及分裂后的各子细胞的空间排列状态不同,可将球菌分为以下几种:单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌、葡萄球菌等。

球菌(coccus)及其排列状态单球菌：细胞分裂沿一个平面进行，新个体分散而单独存在.如尿素微球菌(Micrococcusureae)双球菌：细胞沿一个平面分裂，新个体成对排列.如肺炎双球菌(Diplococcuspneumoniae)球菌(coccus)脑膜炎奈瑟菌双球菌(diplococcus)肺炎链球菌链球菌：细胞沿一个平面进行分裂，新个体不但可保持成对的样子，并可连成链状.如：乳链球菌（Streptococcuslactis）无乳链球菌（Streptococcusagalactiae)溶血链球菌（Streptococcushemolyticus)链球菌(streptococcus)球菌(coccus)四联球菌：细胞分裂是沿两个相垂直的平面进行，分裂后每四个细胞特征性地连在一起，呈田字形.如四联微球菌（Micrococcustetragenus）球菌(coccus)四联球菌(tetrad)八叠球菌：细胞按三个互相垂直的平面进行分裂后，每八个球菌特征性地连在一起成立方体形.如藤黄八叠球菌（Sarcinaureae)球菌(coccus)八叠球菌(sarcina)葡萄球菌：细胞无定向分裂，多个新个体形成一个不规则的群体，犹如一串葡萄。如：金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus)白色葡萄球菌（Staphylcoccusalbus)球菌(coccus)葡萄球菌(streptococcus)杆菌(bacillus)及其排列状态杆菌是细菌中种类最多的类型,因菌种不同,菌体细胞的长短、粗细等都有所差异。杆菌的形态：短杆状、长杆状、棒杆状、梭状杆状、月亮状、竹节状等；按杆菌细胞繁殖后的排列方式则有链状、栅状、“八”字状等。短杆菌长杆菌梭状芽孢杆菌Scanningelectronmicrographsillustratingexternalfeaturesoftherod-shapedbacteriumE.coli.杆菌端部特征BacillusmegabacteriumLegionellapneumophila(causesLegionnairesDisease)(causesanthrax),BacillusanthracisRod-ShapedBacterium,hemorrhagicE.coli,strain0157:H7螺旋菌(spirilla)螺旋状的细菌称为螺旋菌。

根据其弯曲情况分为：

弧菌（vibrio)：螺旋不满一圈，菌体呈弧形或逗号形

例：霍乱弧菌、逗号弧菌

螺旋菌(spirillum)：螺旋满2—6环，螺旋状

例：干酪螺菌

螺旋体(spirochaeta)：旋转周数在6环以上，菌体柔软。

例：梅毒密螺旋体Vibriocholerae▼影响细菌形态的因素培养时间、培养温度、培养基成分、浓度、pH值▼细菌特殊形态柄细菌、肾形菌、臂微菌、网格硫细菌、贝日阿托氏菌(丝状)、具有子实体的粘细菌等是特殊形态的细菌。二、细菌的大小(1)长度单位：微米(μm)(2)表示：球菌：直径杆菌：宽×长

螺菌：宽、长、螺距通常球菌直径：0.2—1.5

μm，

杆菌:长1—5μm,宽0.5—1μm。例如：E.coli：平均长度：2μm；宽度0.5μm1500个大肠杆菌头尾相接等于3mm;109个大肠杆菌重1mg.⊕细菌大小范围细菌大小举例菌名直径或宽×长/（μm×μm）乳链球菌金黄色葡萄球菌大肠杆菌枯草芽孢杆菌霍乱弧菌0.5~10.8~10.5×(1~3)(0.8~1.2)×(

1.2~3)(0.2~0.6)×(1~3)三、细菌细胞结构一般构造：如细胞壁、细胞膜、细胞质、核质体、核糖体等，是所有细菌都有的构造特殊构造：主要有鞭毛、菌毛、性菌毛、荚膜和芽孢等，并非所有细菌都有的构造（一）细胞壁cellwall:细胞壁的观察方法：①染色②质壁分离

③电镜观察机械破裂细胞，分离得到纯的细胞壁细胞壁是位于菌体的外层，内侧紧贴细胞膜的一层无色透明，坚韧而有弹性的结构。细胞壁约占细胞干重的10%—25%。1.证实细胞壁的方法2.细胞壁的功能:固定细胞外形和提高机械强度为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需阻拦有害物质进入细胞细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础。1）革兰氏染色与细胞壁：

（1）革兰氏染色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。3.细胞壁的化学组成和结构革兰阳性菌革兰阴性菌革兰染色两类细菌细胞壁的共同组分为肽聚糖，但各有其特殊组分。1)革兰染色法：涂片风干固定结晶紫碘液95%乙醇复红1min1min脱色1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（1）革兰氏染色细菌的基本结构

BasicalStructureofBacterium

细胞壁cellwall

1.化学组分聚糖骨架肽聚糖peptidoglycan四肽侧链G+菌五肽交联桥磷壁酸teichoicacid

肽聚糖peptidoglycan

脂多糖lipopolysaccharide,LPSG-菌脂质双层：内有OMP外膜脂蛋白

1、细胞壁肽聚糖外膜外膜蛋白周质空间1、细胞壁

（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁特点：厚度大（20~80nm）化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。G+菌肽聚糖结构1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁A、肽聚糖厚约20~80nm，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。双糖单位原核生物所特有的已糖1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（2）革兰氏阳性细菌的细胞壁A、肽聚糖由四个氨基酸分子按L型与D型交替方式连接而成双糖单位中的β-1,4-糖苷键很容易被溶菌酶(lysozyme)所水解，从而引起细菌因肽聚糖细胞壁的“散架”而死亡。1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁A、肽聚糖埋藏在外膜层之内，是仅由1~2层肽聚糖网状分子组成的薄层(2~3nm)，含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。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革兰阴性菌细胞壁结构1、细胞壁

（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁A、肽聚糖埋藏在外膜层之内，是仅由1~2层肽聚糖网状分子组成的薄层(2~3nm)，含量约占细胞壁总重的10%，故对机械强度的抵抗力较革兰氏阳性菌弱。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1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁B、外膜(outermembrane)位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，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。1、细胞壁4）革兰氏染色与细胞壁：

（3）革兰氏阴性细菌的细胞壁B、外膜(outermembrane)脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚（8~10nm）的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖(corepolysaccharide)和O-特异侧链（O-specificsidechain，或称O-多糖或O-抗原）三部分组成。脂多糖结构模式图2.化学组分的作用及意义肽聚糖：①其立体构型使细胞壁坚固；是维持细菌形态的基础成分；②是青霉素作用的靶分子;③有致病作用。磷壁酸：①具有免疫原性；②具有致病性，以脂磷壁酸（lipoteichoicacid,LTA)为主。3.G+菌与G-菌细胞壁的区别

细胞壁革兰阳性菌革兰阴性菌

强度较坚韧较疏松厚度21~80nm10~15nm肽聚糖层可达50层1~2层肽聚糖量50%~80%5%~80%糖类量约45%15%~20%脂类量1%~4%11~22%磷壁酸﹢﹣外膜﹣﹢革兰氏染色的机制﹙7﹚细胞壁缺损型细菌①原生质体protoplast②球形体spheroplast③L型细菌L-form4支原体★原生质体的特点：1、无细胞壁，为圆球形2、对环境敏感：渗透压，震荡，离心，易溶菌3、有鞭毛，而不能运动4、不被噬菌体感染（因为失去吸附位点）﹙二﹚细胞膜(cytoplasticmembrane）1）概念：细胞膜是紧贴细胞壁内侧包围细胞质的一层柔软，富有弹性的半透明薄膜。2）观察分离方法：（1)质壁分离(2)选择性染色(3)电镜技术(4)溶菌酶处理1972年Singer和Nicolson提出的细胞膜液态镶嵌模型3）细胞膜的结构与化学组成细胞膜液态镶嵌模型认为：膜是由球形蛋白与磷脂按照二维排列方式构成的流体镶嵌式，流动的脂类双分子层构成了膜的连续体，而蛋白质象孤岛一样无规则地漂流在磷脂类的海洋当中。4）细胞膜的功能：a)

控制细胞内外物质（营养物质和代谢废物）的运送、交换；

b)

维持细胞内正常渗透压的渗透屏障作用；

c)

合成细胞壁（LPS、肽聚糖、磷壁酸）和糖被等各成分的场所；

d)

产能基地；

f)

提供鞭毛的着生点并提供鞭毛运动所需能量。

5)间体(mesosome)：细胞膜内褶形成的一种管状、层状或串状物，一般位于细胞分裂的部位或附近。

间体的功能：(1)参与隔膜形成（2）与核分裂有关（3）类似线粒体功能(三)细胞质(cytoplast)及其内含物(inclusin)

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。

细胞膜内除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称为细胞质。其主要成分有：核糖体、贮藏物、各种酶类、中间代谢物及质粒等,少数细菌还存在有伴胞晶体或气泡等。细胞质内形状较大的颗粒状构造为内含物，包括各种贮藏物和气泡、羧酶体等。⒈核糖体（ribosome)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。细菌的核糖体沉降系数为：70s，由50s大亚基和30s小亚基构成。功能：是细胞合成蛋白质的机构。2.颗粒状内含物概念：是普遍存在的贮藏物，大小为0.5—1μm

，主要成分是多聚偏磷酸盐的聚合物，分子呈线状，嗜碱性强，用美兰染色时着色较深，呈紫红色，与菌体其他部位不同，故称异染粒。功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。

含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等.

①异染粒（metachromaticgranule）：②聚-β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutirate，PHB）：聚β－羟丁酸颗粒是许多细菌细胞质内常含有的碳源类储藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如苏丹黑)着色。功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。许多好氧菌和光合厌氧菌都含有聚β－羟丁酸颗粒。③硫粒:是硫元素的贮藏体功能：a.好氧硫细菌的能源b.厌氧硫细菌的电子供体形成：当环境中H2S含量高时，在体内积累S；当H2S不足时,S氧化成硫酸盐，以提供被菌细胞生命活动所需能量：H2S→S→SO42-气泡

由蛋白质膜构成的充满气体的泡状物。有些细菌细胞质中含有几个或多个气泡。常见于光合细菌和水生细菌。气泡的功能：■调节细胞比重，加大菌体的浮力,借气泡漂浮能力，以使其漂浮在合适的水层中，使无鞭毛菌在合适的环境中生长。■气泡吸收空气，空气中的氧气可供代谢需要。例：许多光合细菌和水生细菌、盐杆菌常含有气泡。3.质粒(plasmids)细菌染色体外的共价闭合环状双链DNA分子．分子量约为２—100×106D.携带1—100个基因,一个菌细胞可有一至数十个质粒。Structureofabacteriumhighlightingthebacterialplasmid.质粒的特点：1、可以在细胞质中独立于染色体之外（即以游离状态）存在，也可以插入到染色体上以附加体的形式存在；2、在细胞分裂时，可以不依赖于细菌染色体而独立进行自我复制，也可以插入到细菌染色体中与染色体一道进行复制；3、质粒可以通过转化、转导、或接合作用而由一个细胞转移到另一个细胞，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；4、质粒对于细胞生存并不是必要的。质粒的种类1、大肠杆菌的F因子2、细菌抗药质粒（R因子）3、大肠杆菌素质粒（Col因子）4、降解质粒5、Vi质粒质粒应用：4.核区原核生物所特有的无核膜结构、无固体形态的原始细胞核。细胞的特殊结构鞭毛荚膜芽孢菌毛性菌毛﹙一﹚鞭毛（flagellum）1.概念：某些微生物表面由细胞内生出的细长、波曲的结构。

鞭毛的长度：一般为15—20µm，最长可达70µm。鞭毛的直径：为0.01—0.02µm.2.观察和判断细菌鞭毛的方法：

1)从固体培养基上的菌落形态判断2)光学显微镜（悬滴法）3)光学显微镜特殊鞭毛染色4)电镜5)半固体穿刺培养3.鞭毛的着生方式4.鞭毛的结构由鞭毛丝．鞭毛钩．基体三部分组成：鞭毛丝：中空螺旋状、丝状结构，球蛋白亚基螺旋排列。鞭毛钩：又称钩形鞘，是连接鞭毛丝和基体的一个弯曲筒状部分，蛋白质亚基组成。G–菌：L环、P环、S环、M环G+菌：S环，M环基体：由若干个盘状物即环组成。鞭毛5.鞭毛的化学组成鞭毛蛋白，3万~6万Dolton，不同种由不同球蛋白分子亚基构成，有些含多糖、类脂等，为极好抗原。6.鞭毛运动与细菌的趋避性运动趋避性运动：化学趋避性运动氧趋避性运动光趋避性运动（或线毛、菌毛、伞毛）某些菌体表面存在的短而多的附属物。纤毛比鞭毛更短、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．吸附等有关多糖\多肽\其他物质

﹙二﹚纤毛(pilus)与菌毛(fimbria）Figure.Fimbriae(commonpili)onthesurfaceofbacterialcells.(三）荚膜包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质[叫做糖被（glycocalyx）]按其有无固体层次、层次厚薄又可细分为：荚膜：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：＞0.2µm。微荚膜（microcopsule)：粘液状物质较薄，厚度：＜0.2µm，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：荧光显微镜负染色特殊染色荧光显微镜下的荚膜荚膜的生理功能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。如：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；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；用产菌胶团的菌进行污水处理等；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。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。概念：某些细菌生长到一定阶段或在一定环境条件下，细胞的正常生长和分裂停止，细胞内细胞质浓缩，逐步行成一个圆形、椭圆形或圆柱形的，对不良环境有较强抵抗力的特殊结构，称为芽胞。芽胞成熟后可自行从芽胞囊中释放出来。因芽胞的形成都是在细胞内，故又称内生孢子。﹙四﹚芽胞(endospore，spore)芽胞芽胞囊

Figure.GramstainofBacillusanthracis,thecauseofanthrax1、Shape,locationandrelativesizetothesporeofparentcell在杆菌中能形成芽孢的种类较多，在球菌和螺旋菌中只有少数菌种可形成芽孢。产生芽孢的几个属：(Bacillus)芽孢杆菌属(Clostridium)梭状芽孢杆菌属(Sporosarcina)芽孢八叠球菌属2、能形成芽孢的细菌种类芽孢的结构芽孢的外壁层厚而致密，主要成分为脂蛋白，通透性差,不易着色。核心含有大量的DNA、RNA、蛋白质酶等物质，还含有2,6—吡啶二羧酸（DPA）,DPA是芽孢特有的成分。一般以DPA—Ca的形式存在。皮层主要含芽孢肽聚糖、DPA—Ca，皮层体积大，比较致密。芽孢平均含水量低,约40%.3、芽孢的组成和结构芽孢有多层结构，主要包括孢外壁、芽孢衣、皮层和核心：★1、对