微生物细胞的结构与功能

第三章微生物细胞的结构与功能1.§1原核微生物

细菌虽小，但结构复杂，可分为根本结构和特殊结构。根本结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核、质粒、核糖体及内含物。特殊结构包括糖被、鞭毛和芽孢。2.Figure1.Schematicdiagramofatypicalprocaryoticcell.Minimally,aprocaryoteiscomposedofacellwallandplasmamembranethatsurroundsitscytoplasmcontainingachromosome,ribosomes,enzymes,severalclassesofRNA,andsmallmolecules(precursors).

3.一、细胞壁cellwall㈠细菌壁的功能①

保护细胞，免受外界因素的损伤②

维持细胞形态。③

是鞭毛运动的支点④

起分子筛的作用此外，与细菌的抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性有关。G＋与Gˉ细菌cw的模式结构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%。4.〔二〕细胞壁的化学组成主要成分：肽聚糖由N—乙酰氨基葡萄糖〔G〕N—乙酰胞壁酸〔M〕短肽〔常是4—5个氨基酸〕构成。此外，磷壁酸、脂多糖、脂蛋白5.革兰氏阳性菌肽聚糖单体肽聚糖是由N—乙酰胞壁酸〔NAM〕和N—乙酰葡糖胺〔NAG〕以及短肽链〔主要是四肽〕组成的亚单位聚合而成的大分子聚合物。细胞壁的根本骨架——肽聚糖〔共有成分〕肽聚糖网格状结构6.细胞壁的结构

①由G与M重复交联构成骨架，短肽结在M上，相邻短肽交叉相联形成多层网状结构②短肽连结方式及组成成分依不同种类的细菌而异在金黄色葡萄球菌中，短肽间通过一条由甘氨酸组成的短肽〔五肽、肽桥〕相连的。N—乙酰葡糖胺通过β-1，4-糖苷键与N—乙酰胞壁酸相连。肽聚糖中任何键的断裂，都有可能使肽聚糖对细菌的保护作用丧失。7.步骤：结果:

阳性菌——紫色

阴性菌——红色结晶紫初染碘液媒染乙醇脱色番红复染涂片固定由丹麦医生HansChristianGram于1884年创立。〔三〕革兰氏染色法〔GramStain〕8.Figure1-AGramstainofGram+Staphylococcuscells.Figure2-GramstainofGram-E.colicellsFigure9.G＋与Gˉ细胞壁G＋与Gˉ细菌cw的模式结构★共有组分—肽聚糖★特有组分—G＋磷壁酸Gˉ脂多糖10.细胞壁cellwall:11.GramPositive12.G＋菌细胞壁〔1〕肽聚糖〔2〕磷壁酸主要成分为甘油磷壁酸或核糖醇磷壁酸，分：壁磷壁酸：分布于肽聚糖分子间，含量10%-50%膜磷壁酸：跨越肽聚糖层与细胞膜交联功能：①使细胞壁形成负电荷环境，加强质膜对二价离子尤其是镁离子的吸收。②贮藏磷元素③增强某些致病菌对宿主细胞的粘连、防止被白细胞吞噬及抗补体作用④赋予细胞以外表抗原⑤作为噬菌体吸附受体⑥能调节细胞内自溶素的活力，防止细胞自溶13.根据结合部位的不同分为：壁磷壁酸:含量多，通过共价键与肽聚糖分子结合,并延伸到肽聚糖分子外表,带有负电荷。膜磷壁酸:与菌细胞原生质膜的脂类结合。14.GramNegative15.

Gˉ菌细胞壁

〔1〕肽聚糖仅由1-2层肽聚糖网状分子组成的薄层，短肽之间直接相连，没有肽桥，因而疏松、机械强度较差。

〔2〕外膜位于最外层，有脂多糖、磷脂和脂蛋白组成。

脂多糖：最外层，由类脂A、核心多糖和O-特异侧链三局部组成。其主要功能：①类脂A是革兰氏阴性细菌内毒素的物质根底；②有吸附阳离子的作用；③决定抗原的多样性；④作噬菌体的吸附受体；⑤具选择性屏障功能。

〔3〕外膜蛋白镶嵌在脂多糖和磷脂层上，其中有孔蛋白、脂蛋白〔使外膜层牢固地与肽聚糖连接〕。

〔4〕周质空间〔壁膜间隙〕含有许多周质蛋白〔水解酶、合成酶、结合蛋白等。16.革兰氏染色机理：主要是由于二者细胞壁化学成分的差异造成的。G〔+〕与G〔-〕细胞壁成分比较：成分G〔+〕G〔-〕肽聚糖高30—95%低5—20％磷壁酸高<50％０脂多糖１～4%11—22%脂类无<2%较高10—20%蛋白质无<10%较高60%17.〔五〕古生菌的细胞壁〔六〕缺壁细菌L型细菌：指那些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菌株。原生质体：指在人为条件下，用溶菌霉除尽原有壁或用青霉素抑制新生细胞合成后，仅有一层细胞膜包裹着的圆球形渗透敏感细胞。球状体：指还残留着局部细胞壁。支原体：是长期进化过程中形成，适应自然生活条件的无细胞壁的原核生物。18.二、细胞壁以内的构造----原生质体1、细胞质膜(Cellmembrane)①化学组成与结构组成：主蛋白质60—70%磷脂30—40%少量多糖结构：由具有高度定向性的磷脂双分子层镶嵌着可移动的膜蛋白构成。19.细胞质膜化学组成与结构20.A．具有高度的选择性B．是氧化代谢和能量产生的部位与呼吸有关的酶及电子传递体系均位于细胞膜上，故氧化代谢在膜上进行，产生的电子通过膜上的电子传递体系传递，偶联ATP的产生。C．是细胞壁和荚膜生物合成机构D．与细胞的运动有关，细胞鞭毛的基体位于细胞膜上，提供运动所需要的能量。E．间体与DNA复制和细胞分裂有关。②生理功能21.2、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。

细胞膜内除核质体外的一切半透明、胶状、颗粒状物质可总称为细胞质。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。22.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。23.颗粒状内含物24.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〕：25.②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。26.③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缺乏时,S氧化成硫酸盐，以提供被菌细胞生命活动所需能量：H2S→S→SO4-227.淀粉粒和肝糖:都是α-1,4或α-1,6糖苷键的葡萄糖聚合物。这些贮藏物通常较均匀地分布在细胞质内，颗粒较小。假设这类贮藏物大量存在时，用碘使对其染色，肝糖粒能被碘液染成红色，淀粉粒被碘成蓝色。脂肪粒：脂肪粒的折光性较强，它可被脂溶性染料染色；细胞生长旺盛时，脂肪粒增多，细胞遭破坏后，脂肪粒可游离出来。④肝糖、淀粉粒、脂肪滴28.⑤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，以使其漂浮在适宜的水层中，使无鞭毛菌在适宜的环境中生长。■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。29.3、核质体(nuclearbody;nucleoid)形状：球状、杆状或哑铃状。长度：1—3mm。生长迅速的细菌细胞中常有2—4个核。功能：贮藏和传递遗传信息。由大型环状双链DNA纤丝不规那么地折叠或缠绕而构成的无核膜、核仁的区域30.4、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.31.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。32.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33.质粒应用34.概念：某些细菌在生活史的某一阶段，在营养细胞内形成的内生孢子。呈圆形、椭圆形或圆柱形。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。5、芽胞(endospore，spore)芽胞芽胞囊35.

Figure.GramstainofBacillusanthracis,thecauseofanthrax36.芽孢形状：圆形、椭圆形、短柱形大小：Ø>菌体Ø?菌体着生位置：中生，一端生，极端生37.〔1〕Shape,locationandrelativesizetothesporeofparentcell38.★1、折光性强，不易着色。★2、耐热性强，任何营养细胞无法比较。★3、抵抗其它不良环境因子的能力强。对高温、枯燥、辐射、化学药物有强大的抵抗力★4、一个芽孢萌发只产生一个营养状态的细胞。〔2〕芽孢的特性39.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，离子化程度高。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：40.〔4〕芽孢抗热机制渗透调节皮层膨胀学说：芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差，皮层的离子强度很高，从而使皮层产生极高的渗透压去夺取芽孢核心的水分，结果皮层充分膨胀，而核心局部高度失水，因此具极强的耐热性。此外，具有厚而致密的不易渗透的壁；；含水量低；具有独特的抗热性强的吡啶二羧酸〔DPA〕；具有耐热性酶类41.轴丝形成

形成前芽孢

前芽孢隔膜形成

前芽孢发育成熟芽孢形成芽孢囊裂解

〔5〕芽孢的形成过程42.芽孢的本质即不是细菌生活周期的必经阶段，也不是细菌繁殖的一种形式，又不是对环境的消极反响，而是一种生命形式，一种独立的休眠体。43.6、伴胞晶体〔parasporalcrystal〕少数芽孢杆菌，如Bacillusthuringiensis〔苏云金芽孢杆菌〕在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一个菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体〔即δ内毒素〕称为伴胞晶体。它的干重可达芽孢囊的约30%，由18种氨基酸组成，大小约0.6＊2.0μm。伴胞晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目昆虫的幼虫有毒杀作用，因此可以用做生物农药。44.研究芽孢的意义：1、分类鉴定2、保存菌种3、别离菌种4、生物杀虫5、灭菌标准45.常见细菌举例：大肠埃希氏杆菌〔Escherichiacoli〕枯草芽孢杆菌〔Bacillussubtilis〕北京棒杆菌〔CorynebacteriunPekinensis〕熟记以下根本细菌学名：Bac.Thuringiensis苏云金芽孢杆菌Clostridiumacetobutylicum丙酮丁醇梭菌Streptococcuspneumoniae肺炎球菌Mycobacteriumtuberculosis结核杆菌Pseudomonasaeruginosa铜绿假单胞菌Salmonellatyphimurium鼠伤寒沙门氏菌Staphylococcusaureus金黄色葡萄球菌Lactobacilluslactis乳酸杆菌46.

三、细胞壁以外的构造

1、糖被(glycocalyx)及其类型：定义：是细菌细胞在其生命活动过程中在一定营养条件下向细胞外表分泌的一层胶状透明的粘性物质，位于细胞壁的外侧。(大〕荚膜：如果分泌的粘性物质与细胞壁结合紧密，有一定的外形和明显的边缘，那么称荚膜。微荚膜〔microcopsule)：粘液状物质较薄，厚度：＜0.2µm，与细胞外表牢固结合。粘液层(slimelayer)：假设与细胞壁结合较松散，无一定的外形和明显的边缘，那么称粘液层。菌胶团(zoogloea):通常一菌一膜，假设多个细胞存在于一个共同的荚膜内称菌胶团。47.化学成分：大量水分约90%以上多糖或多肽48.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外表湿润、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外表枯燥、粗糙、称R-型菌落。49.荚膜的生理功能①保护作用：抗枯燥，抗吞噬②菌体的贮藏物质：作碳源，能源③堆积代谢废物④与致病力有关，如S型肺炎双球菌毒力强50.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51.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。52.荚膜与生产实践的关系应用：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。危害：食品变质发粘；增强致病力；造成严重龋齿等。53.2、鞭毛〔flagellum〕1.概念：由细胞内生出的、在细胞外表着生的细长、波浪形丝状物。

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.54.鞭毛的着生方式55.Figure.Differentarrangementsofbacterialflagella56.鞭毛的化学组成及功能化学组成：主要为鞭毛蛋白，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。功能：运动器官57.1)从固体培养基上的菌落形态判断2)光学显微镜“栓菌试验〞、悬滴法3)光学显微镜特殊鞭毛染色4)电镜5)半固体穿刺培养鞭毛的观察58.鞭毛的结构由基体．鞭毛钩．鞭毛丝三局部组成：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局部，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：由假设干个盘状物即环组成。59.4.FlagellaStructure60.〔或线毛、菌毛、伞毛〕某些菌体外表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3、纤毛(pilus)与菌毛(fimbria〕61.外层：甘露聚糖〔约占30%〕内层：葡聚糖〔约占30-40%〕中间层：蛋白质〔含6-8%，多为酶类〕细胞壁(1)细胞壁结构：酵母细胞壁呈“三明治〞结构1、酵母细胞的细胞壁第二节真核微生物一、真菌细胞壁62.〔2〕壁外成分：有些菌壁外含有由多糖构成的类似荚膜的结构。包括异多糖、甘露聚糖和淀粉类物质。〔3〕细胞壁的少量组分—脂类和几丁质〔chitin)：为聚乙酰氨基葡萄糖几丁质并不是所有的酵母菌中都有，其含量也因种而异。裂殖酵母一般不含几丁质，酿酒酵母含1～2%，有的假菌丝酵母含量超过了2%。63.2、霉菌细胞壁成分-----由葡聚糖、蛋白质及几丁质组成。3、藻类的细胞壁厚10—20nm，主要由纤维素组成，其余为间质多糖〔主要为杂多糖及少量蛋白质和脂类〕。杂多糖在不同藻类中不同，在红藻即石花菜中的是琼脂。64.二、真菌的鞭毛65.三.细胞膜与原核生物的根本相同。但有的酵母菌如酿酒酵母中含有固醇类〔甾醇〕、VitD的前体----麦角固醇，这在原核生物是罕见的。66.四.细胞核核膜：核孔40～70nm，透性比任何生物膜都大。染色体:由DNA和组蛋白牢固结合而成，呈线状,数目因种而异。核仁：核内有一或几个区域rRNA含量很高，这一区域为核仁，是合成核糖体的场所。中心体:

在核膜外，由蛋白质亚基组成的细丝状结构，在细胞繁殖分裂中起作用。细胞核的功能:携带遗传信息，控制细胞的增殖和代谢。酵母细胞核是有双层膜结构的细胞器〔核膜包裹，轮廓清楚〕67.4.细胞质内质网：有糙面〔合成与运输胞外分泌蛋白〕、光面〔与脂类代谢、钙代谢有关〕内质网。核糖体：70S、80S，是合成蛋白质的场所。高尔基体：将内质网中合成的蛋白质接收过来并进一步加工再分泌到细胞外。溶酶体：由单层膜包裹、内含多种酸性水解酶的细胞器，在细胞内起消化作用。微体：含过氧化物酶体和过氧化氢酶。线粒体：能量产生部位。叶绿体：光合作用场所。其它：液泡、膜边体、几丁质酶体、氢化酶体。68.细胞质主要是溶胶状物质,在细胞质中含有各种功能不同的结构——细胞器：核糖体、线粒体、内质网、高尔基体等。〔1〕核糖体酵母菌的核糖体为80S，由60S和40S大小亚基构成。它游离在细胞质中或附着在内质网上。核糖体69.线粒体:1.双层单位膜包围的