第三章 微生物的结构与功能

第三章微生物细胞的结构与功能生命科学学院馬匯泉第一节原核微生物一般构造：一般细菌都有的构造特殊构造：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的构造原核微生物是指一大类细胞微小、细胞核无核膜（只有称为核区的裸露DNA）的原始单细胞生物。与真核微生物的区别：①基因组由无核膜包裹的双链环状DNA组成。②缺乏由单位膜分隔、包围的细胞器。③核糖体为70S型。第一节原核微生物第一节原核微生物一、细胞壁

细胞壁（cellwall）是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要由肽聚糖构成。（三）细胞的结构一、细胞壁证实细胞壁存在的方法：（1）细菌超薄切片的电镜直接观察；（2）质、壁分离与适当的染色，可以在光学显微镜下看到细胞壁；（3）机械法破裂细胞后，分离得到纯的细胞壁；（4）制备原生质体，观察细胞形态的变化；（三）细胞的结构一、细胞壁细胞壁的功能：（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；一、细胞壁1、革兰氏阳性菌的细胞壁特点：厚度大（20~80nm）

化学组分简单，一般只含90%肽聚糖和10%磷壁酸。一、细胞壁1、革兰氏阳性细菌的细胞壁肽聚糖(peptidoglycan)磷壁酸（teichoicacid）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。结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖一、细胞壁1、革兰氏阳性细菌的细胞壁（1）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一、细胞壁

1、革兰氏阳性菌的细胞壁（1）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。一、细胞壁

1、革兰氏阳性细菌的细胞壁（1）肽聚糖目前所知的肽聚糖已超过100种，在这一“肽聚糖的多样性”中，主要的变化发生在肽桥上。跨越肽聚糖层并与细胞膜相交联的膜磷壁酸（又称脂磷壁酸），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。可用45%热酚水提取，也可用热水从脱脂的冻干细菌中提取。一、细胞壁1、革兰氏阳性菌的细胞壁（2）磷壁酸革兰氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分，主要成分为甘油磷酸或核糖醇磷酸。壁磷壁酸，它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%。用稀酸或稀碱可以提取。一、细胞壁

1、革兰氏阳性菌的细胞壁（2）磷壁酸主要生理功能：细胞壁形成负电荷环境，增强细胞膜对二价阳离子的吸收；贮藏磷元素；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；革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础；噬菌体的特异性吸附受体；能调节细胞内自溶素(autolysin)的活力，防止细胞因自溶而死亡。可作为细菌分类、鉴定的依据一、细胞壁2、革兰氏阴性菌的细胞壁肽聚糖外膜外膜蛋白周质空间一、细胞壁2、革兰氏阴性菌的细胞壁（1）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一、细胞壁2、革兰氏阴性菌的细胞壁（2）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。一、细胞壁2、革兰氏阴性细菌的细胞壁（2）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。

2、革兰氏阴性菌的细胞壁（2）外膜(outermembrane)脂多糖的主要功能LPS结构的多变，决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；根据LPS抗原性的测定，沙门氏菌属(Salmonella)的抗原型多达2107种，一般都源自O-特异侧链种类的变化。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。也可依此用灵敏的血清学方法对病原菌进行鉴定，在传染病的诊断中有其重要意义。2、革兰氏阴性菌的细胞壁（2）外膜(outermembrane)脂多糖的主要功能LPS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。2、革兰氏阴性菌的细胞壁（2）外膜(outermembrane)脂多糖的主要功能类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质——内毒素的物质基础；2、革兰氏阴性菌的细胞壁（2）外膜(outermembrane)脂多糖的主要功能具有控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；一、细胞壁2、革兰氏阴性菌的细胞壁（3）外膜蛋白(outermembraneprotein)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。一、细胞壁2、革兰氏阴性细菌的细胞壁（3）外膜蛋白(outermembraneprotein)孔蛋白（porins）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1nm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800~900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。一、细胞壁2、革兰氏阴性菌的细胞壁（3）外膜蛋白(outermembraneprotein)脂蛋白(lipoprotein)是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。（4）周质空间（periplasmicspace）又称壁膜间隙。在革兰氏阴性细菌中，一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间（宽约12~15nm），呈胶状。在周质空间中，存在着多种周质蛋白（periplasmicproteins），包括：①水解酶类，例如蛋白酶、核酸酶等；②合成酶类，例如肽聚糖合成酶；③结合蛋白（具有运送营养物质的作用）；④受体蛋白（与细胞的趋化性相关）。一、细胞壁5.缺壁细菌（1）L型细菌（L-formofbacteria）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。因英国李斯德（Lister）预防研究所首先发现而得名（1935年，念珠状链杆菌Streptobacillusmoniliformis）大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌、链球菌、分枝杆菌和霍乱弧菌等20多种细菌中均有发现，被认为可能与针对细胞壁的抗菌治疗有关。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）；一、细胞壁

6、革兰氏染色的机制（1）用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染（2）用碘溶液进行媒染（3）用乙醇冲洗进行脱色（4）用复红对涂片进行复染。它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色成份占细胞壁干重的%革兰氏阳性细菌革兰氏阴性细菌肽聚糖含量很高（50~90）含量很低（~10）磷壁酸含量较高（＜50）无类脂质一般无（＜2）含量较高（~20）蛋白质无含量较高一、细胞壁G+和G-主要由于其细胞壁化学成分的差异而引起物理特性（脱色能力）的不同，并决定了染色反应的不同通过结晶紫初染和碘液媒染后，在细胞壁内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物。G+由于其细胞壁较厚，肽聚糖网层次多和交联致密，故遇乙醇或丙酮作脱色处理时，因失水而使网孔收缩，能把结晶紫与碘复合物牢牢地留在壁内。G-细胞壁薄，外膜层的类脂含量高，肽聚糖层薄和交联度差，遇到脱色剂后，以类脂为主的外膜被溶解，薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘复合物的溶出，因此，被脱色成无色。革兰氏染色的机制4、特殊的休眠构造——芽孢

某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。二、细胞壁以内的构造——原生质体二、细胞壁以内的构造——原生质体4、特殊的休眠构造——芽孢细菌芽孢的特点整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。常规加压蒸汽灭菌的条件：121℃，15min以上115℃，30min以上芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）（1）产芽孢细菌的种类能产芽孢的细菌属不多，最主要的是属于革兰氏阳性杆菌的两个属——好氧性的芽孢杆菌属和厌氧性的梭菌属。球菌中只有芽孢八叠球菌属产生芽孢。螺菌中的孢螺菌属也产芽孢。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。（2）芽孢的构造4、特殊的休眠构造——芽孢（3）芽孢的形成①DNA浓缩，束状染色质形成；②细胞膜内陷，细胞发生不对称分裂，小体积部分即为前芽孢（forespore）；③前芽孢的双层隔膜形成，芽孢的抗辐射性提高；④两层隔膜间充填芽孢肽聚糖后，合成DPA，累积钙离子，开始形成皮层，再经脱水，使折光率增高；⑤芽孢衣合成结束；⑥皮层合成完成，芽孢成熟，抗热性出现；⑦芽孢囊裂解，芽孢游离外出。4、特殊的休眠构造——芽孢（4）芽孢萌发由休眠状态的芽孢变成营养状态细菌的过程，称为芽孢的萌发，包括活化(activation)、出芽(germination)和生长(outgrowth)三个具体阶段。芽孢衣中富含半胱氨酸的蛋白质的三维空间结构发生可逆性变化，从而使芽孢的透性增加，随之促进与发芽有关的蛋白酶活动。接着，芽孢衣上的蛋白质逐步降解，外界阳离子不断进入皮层，于是皮层发生膨胀、溶解和消失。接着外界的水分不断进入芽孢的核心部位，使核心膨胀、各种酶类活化，并开始合成细胞壁。4、特殊的休眠构造——芽孢（5）芽孢的耐热机制芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同