复旦微生物学课件3-原核生物的形态、构造和功能（2）

1第一章原核生物的形态、构造和功能（2）2区分微生物研究范围、类别，比如放线菌与细菌、霉菌的区别。2重点掌握内容：各种细菌的基本特性，特点：壁、膜、质、内容物各种细胞的结构与功能：存在的合理性。难点：细胞壁的结构与功能鞭毛芽孢代表性原核微生物的拉丁学名和重要特点2第一节细菌•一、细菌的形态、结构及其功能•（一）形态和染色•（二）构造•1、细胞的一般构造•（1）细胞壁•1）G+细菌的细胞壁•2）G-细菌的细胞壁•3）革兰氏染色•4）特殊细菌的细胞壁:抗酸细菌•5）缺壁细菌：L型、原生质体，球状体、支原体•（2）细胞膜•（3）细胞质•（4）核区•2、细菌细胞的特殊构造34细胞膜：半透性薄膜,对所有有生命的细胞来说是必需的，对细菌亦然！(2）细胞膜细胞膜功能：维持细胞内部结构处于稳定且高度有序状态的物理屏障；细胞重要的代谢活动中心之一；结构特点符合经典的“液态镶嵌模型”理论细胞膜的基本成分：脂类50%（磷脂70%、胆固醇30%、糖脂10%）蛋白质42%糖类2～8%5原核生物细胞膜：蛋白质含量特别高，约占细菌细胞膜的50%～70%，比任何一种生物膜都高，而且种类也多。例如，原核生物的质膜上还含有与呼吸作用和光合作用有关的蛋白，而真核细胞则没有。一般无甾醇（仅支原体例外）；真核生物细胞膜：蛋白质含量低并普遍含有甾醇。•真细菌、古生菌、真核生物细胞膜的区别？P25/46③甾醇类物质由磷脂分子形成的双分子膜中加入甾醇类物质可以提高膜的稳定性、调节其流动性真核生物细胞膜中一般含有胆固醇等甾醇，含量为5%-25%。原核生物与真核生物的最大区别就是其细胞膜中一般不含甾醇，如胆固醇，但是一些菌含有hopanoid（藿烷类化合物或类何帕烷）5C环。甾醇的一般结构，4C环6③甾醇类物质Hopanoid藿烷类分子，其作用被认为也是稳定细胞膜的结构，也是石油和煤中常见的生物标志物。90%的化石燃料的前体物质是kerogen（油原，或称油母岩质）Kerogen中细菌特有的hopanoid类藿烷分子占有很高的比例Kerogen是由于细菌的活动而形成在地下沉积物中细菌特有的hopanoid类物质的含量高达1011-12吨，与目前地球上存在的活的生物（livingorganisms）体内含有的有机碳的含量总和相当。hopanoid被认为是地球上含量最丰富的生物分子7检测到Hopanoid藿烷类分子的原核生物：某些蓝细菌：念珠蓝细菌属、鱼腥藻蓝细菌属；非紫硫细菌属，甲基营养菌等8尚未检测到Hopanoid藿烷类分子的原核生物：某些蓝细菌：聚球蓝细菌属、螺旋蓝细菌属；紫硫细菌属，绿硫细菌属；古生菌等TheC30hopanoidsarebelievedtohaveverysimilarfunctionstothoseofsterolsinthemembranesofanimalsandplantsinthattheymodulatethefluidityofmembranesbyinteractingwiththeircomplexlipidcomponentstoincreasethedegreeoforderorrigidity.Theyareimportantinadjustingmembranepermeability,includingthediffusionofoxygen,andinadaptationtoextremeconditions.HopanoidshavebeenlocatedintheplasmamembraneandoutermembranesofGram-negativebacteria,andintheoutermembraneandthylakoidmembraneofcyanobacteria.Itisapparentthathopanoidsareessentialforgrowthinhopanoid-producingorganismsasinhibitionofhopanoidbiosynthesislimitstheirgrowthmarkedlyandselectivelyincomparisonwithotherbacteria.9作用：改善细菌的细胞膜的强度和刚度。存在于一些G-菌的细胞膜和外膜，以及蓝细菌的类囊体膜。产藿烷类似物的细菌生长时需要藿烷类似物，当抑制藿烷类似物合成时，会显著、选择性地抑制该菌的生长。（与其他细菌相比）支原体中的甾醇与一般细菌细胞膜中的hopanoid有何差别？缺乏细胞壁的原核生物——枝原体（Mycoplasma）则属例外。在其细胞膜上因含有甾醇而增强了坚韧性，故在一定程度上弥补了因缺壁而带来的不足。大多数支原体都是致病菌；有寄生性。支原体细胞膜中的甾醇(4C环)并非自己合成而主要来自真核生物；不应该是hopanoid(5C环);对真核生物有效的多烯类抗生素可作用于支原体而对原核生物无效；细菌细胞膜中的hopanoid是自己合成的，其中有些类型可以部分代替真核来源的甾醇支持支原体的生长；10原核生物都不含有甾醇吗？古生菌的细胞膜古生菌的质膜在本质上也是由磷脂组成，但它比细菌或真核生物具有更明显的多样性(p25)。亲水头（甘油）与疏水尾（异戊二烯多聚体）间是通过醚键而不是酯键连接的；形成甘油二醚或二甘油四醚。细胞膜的化学组分存在多样性：甘油分子C3位连接的基团更多样，磷酸酯基、硫酸酯基；独特脂质：细菌红素、番茄红素、胡萝卜素、视黄醛等古生菌的细胞质膜中存在着独特的二甘油四醚二植烷单分子层膜或单、双分子（甘油二醚植烷）层混合膜，而细菌或真核生物的细胞质膜都是双分子层。11植烷二植烷4）细胞膜的生理功能：①选择性地控制细胞内、外物质的运送；②维持细胞内正常渗透压；③合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地；④膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所；⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；不同种类细菌的膜在其结构和功能方面存在很大差异。这种差异非常巨大且具有特征性，因此膜化学可被用于对细菌进行鉴定。⑥膜上某些蛋白受体与趋化性有关。12•贮藏物：不溶性颗粒，贮存营养物碳：PHB、糖原等磷：异染粒-polyphosphate•磁小体(magnetosome)•核糖体：蛋白质合成的场所（每个细胞有5000-10000个）。•羧酶体：一些化能自养菌含有。•气泡：一些水生菌常含之。（3）细胞质和内含物细胞内含物：细胞质中的颗粒状物质(真核生物中有多种细胞器、淀粉、糖原等储藏物)13Ⅰ.聚-β-羟丁酸（poly-β-hydroxybutyrate,PHB）例如，巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）在含乙酸或丁酸的培养基中生长时，细胞内贮藏的PHB可达其干重的60%。PHB是类脂性质的碳源类贮藏物功能:贮存碳源、能源和降低渗透压14①储藏物在含碳源丰富的培养基中形成。PHB于1925年被发现，至今已发现60属以上的细菌能合成并贮藏。PHB无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。聚-β-羟丁酸PHB不溶于水，易被脂溶性染料（如苏丹黑或尼罗蓝）着色。15•极端嗜盐古菌生物塑料-聚羟基脂肪酸酯（PHA）类似于聚-β-羟丁酸的储藏物生物可降解塑料嗜盐古菌胞内的PHA嗜盐古菌产生的PHA，在性质（HB：HV=4:1）和生产过程（底物廉价--非相关碳源，后提取简易）上具有细菌没有的优势；16Ⅱ.异染粒（metachromaticgranule）一般在含磷丰富的环境下形成，无机偏磷酸的聚合物。功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。用美蓝或甲苯胺蓝染色成红色17①储藏物在暗视野显微镜下看到的迂回螺菌(Spirillumvolutans)异染粒（迂回体）Ⅲ.藻青素（cyanophycin）一种内源性氮源贮藏物，同时还兼有贮存能源的作用。通常存在于蓝细菌中。18①储藏物由含精氨酸和天冬氨酸残基（1:1）的分支多肽所构成，相对分子质量为25000～125000。Ⅳ.硫粒（sulfurglobule）一些化能自养菌通过氧化一些还原性的硫化物如H2S，硫代硫酸盐等产能。环境中硫素丰富时，胞内以折光性很强的硫粒形式积累硫元素。环境中还原性硫缺乏时硫粒被细菌重新利用。19①储藏物微生物储藏物的特点及生理功能：不同微生物其储藏性内含物不同，为分类鉴定的依据之一（例如厌气性梭状芽胞杆菌只含PHB，大肠杆菌只储藏糖原，但有些光合细菌二者兼有）微生物合理利用营养物质的一种调节方式当环境中缺乏氮源而碳源丰富时，细胞内就储藏较多的碳源类内含物，甚至达到细胞干重的50%，如果把这样的细胞移入有氮的培养基时，这些储藏物将被作为碳源和能源而用于合成反应。储藏物以多聚体的形式存在，有利于维持细胞内环境的平衡，避免不适合的pH，渗透压等的危害。（例如羟基丁酸分子呈酸性，而当其聚合成聚-β-羟丁酸（PHB）就成为中性脂肪酸了，这样便能维持细胞内中性环境，避免菌体内酸性增高。）储藏物在细菌细胞中大量积累，是重要的自然资源。20①储藏物②磁小体（magnetosome）趋磁细菌细胞中含有大小均匀、数目不等的Fe3O4颗粒，外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜包裹。21磁小体的功能：导向作用，借鞭毛游向对该菌最有利环境处生活（某些水生细菌）。22实用前景：生产磁性定向药物或抗体，以及制造生物传感器等。23指原核生物所特有的无核膜包裹、无固定形态的原始细胞核。24（4）核区，拟核，核质体，原核，核基因组功能：负载遗传信息。化学成分：环状双链DNA分子，一般不含蛋白质，长0.25～3.00mm生长缓慢的细菌，一般1个细胞里只有1～2个核；生长迅速的细菌，DNA复制先于分裂，细胞含有2～4个核细菌的染色体外遗传物质：质粒•质粒：染色体外小的DNA分子•数量不定，可以没有，或每个细胞有数百个•多为环状，能够独立复制•常带有某些重要功能基因，如抗生素合成基因、抗药基因等•易在细菌之间传递•是基因工程的重要工具252.细菌细胞的特殊构造26（1）糖被（2）鞭毛（3）菌毛（4）性毛（5）芽孢（6）伴孢晶体仅在部分细菌中才有的或在特殊环境条件下才形成的构造。•定义：位于细胞壁外的一层厚度不等胶粘物,可分为:–微荚膜(microcapsule)：单个细胞，固定–荚膜(capsule)：单个细胞，固定，可染色观察–粘液层(slimelayer)：单个细胞，不固定–菌胶团(zoogloea)：多个细胞•成分：其富含水分的含多糖、多肽或其复合物之胶状物。（1）糖被（glycocalyx）27粘液层(Slimelayer)•定义：某些细菌代谢中分泌的粘液状荚膜类物质分布在菌体周围。不固定在细胞壁上。菌体•分离：对细菌悬液进行震荡匀浆，很容易回收细菌粘液层粘液层物质。胞壁28菌胶团(Zoogloea)•定义：为动胶菌属等细菌所产生的一种大形胶粘状物。•菌胶团•本质：其实质为细菌群体的一个共同的荚膜。•菌体•功能：其具有粘附、吸附、•沉降、降解等功能。29糖被的主要功能（见教材p28）•保护：免受干旱损伤、抗宿主白细胞吞噬。•储藏：储藏营养物。•堆积与附着：堆积代谢产物，附着于各种物体表层。30（二）细胞的结构观察荚膜：荚膜染色，是负染色（又称背景染色）后可在光学显微镜清楚地观察到荚膜的存在。3131①概念：某些细菌体表的长丝状、波曲形的蛋白质附属物功能：运动。（2）鞭毛（flagella）32分类学意义：有无和着生方式单端、两端生、周生、端生丛毛（二）细胞的结构②观察和判断细菌鞭毛的方法电子显微镜直接观察长度：15～20μm；直径：0.01～0.02μm光学显微镜下观察：鞭毛染色显微镜下判断：细菌的运动性（悬滴法、水封片）培养特征判断：半固体穿刺、菌落（菌苔）形态3333细菌在琼脂平板上的菌落隆起形状细菌在琼脂平板上的菌落边缘形状34半固体穿刺培养丝状刺毛状念珠状扩展状树状假根状34（二）细胞的结构鞭毛丝钩型鞘基体细菌鞭毛着生于细胞膜上，但运动支点由细胞壁提供。