第二章 原核微生物

第二章原核微生物内容提要：本章介绍了细菌、放线菌、蓝细菌等原核微生物的形态、大小；细胞的结构、成分与功能以及它们的繁殖方式和菌落特征。按生物的系统发育和16srRNA分析，细胞生物可分为细菌、古菌和真核生物，细菌和古菌同属于原核微生物。细菌有基本形态和特殊形态，细菌细胞的大小以μm度量。G-菌与G+菌的细胞壁在结构和成分上的差异决定了革兰氏染色的结果；细菌中还存在着缺壁菌。细菌细胞膜是细胞代谢活动的中心，此外有些细菌还存在着细胞内膜系统。细胞质中核蛋白体是多肽和蛋白质合成的场所，某些细菌细胞质内含有各具不同功能的内含物。原核中的遗传物质为DNA，质粒也具有储存和传递遗传信息的功能。一些细菌有特殊结构，包括荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢、伴孢晶体、孢囊。细菌以裂殖方式繁殖，不同的细菌具有不同的菌落特征和液体培养特征。放线菌是分枝丝状的G+原核微生物，根据菌丝形态与功能可分为基内菌丝、气生菌丝与孢子丝，可形成分生孢子。放线菌有其独特的菌落特征。古菌的细胞壁、细胞膜、16SrRNA中核苷酸顺序等都与细菌中的不同，也与真核生物不同。目前古菌分为4个类群，生长在独特的生态环境。蓝细菌细胞内含有独特的内膜结构（内囊体）和特有的色素蛋白（藻胆蛋白），是能进行光合作用的原核微生物。枝原体为无细胞壁的最小的原核微生物。立克次氏体和衣原体都是专性细胞内寄生物，但它们的形态、大小、寄主各不相同。近代生物学把生物区分为细胞生物和非细胞生物两大类。细胞生物包括一切具有细胞形态的生物，按系统发育和16SrRNA分析它们分属于细菌（广义的，Bacteria，曾用Eubacteria）、古菌(Archaea，曾用Archaebacteria)和真核生物(Eukaryota)(图1·1)。非细胞生物包括病毒和亚病毒。图1·1细胞生物的系统发育树(Madiganetal.,2000)原核生物与真核生物的区别原核生物包括古菌和细菌，与真核生物的区别综合列于表1-1。主要差异有（1）、原核生物的遗传物质主要是以双螺旋DNA构成的一条染色体(chromosome)，仅形成一个核区，没有核膜包围，无核仁，称为原核(nucleoid)或拟核，无组蛋白与之相结合。真核生物的遗传物质以双螺旋DNA构成一条或一条以上的多条染色体群，形成一个真核(nucleolus)，有一核膜包围，膜上有孔，有核仁，明显有别于周围的细胞质，并有组蛋白与之相结合。而且各种细胞器如线粒体、叶绿体携带有自己的DNA，可自主复制。（2）、原核生物细胞的细胞质由细胞膜(cellmembrane)包围，并有细胞膜大量褶皱内陷入细胞质中形成中间体或称为间体(mesosome)。不含其他分化明显的细胞器(organelles)。真核生物细胞同样由细胞膜包围，但不内陷，内含多种细胞器，如主要进行呼吸能量代谢的线粒体（mitochondria）和光合作用的叶绿体(chloroplast)等。各种细胞器有各自的膜包围，细胞器膜与细胞膜之间无直接关系。（3）、原核生物和真核生物细胞的蛋白质合成都是在核蛋白体上进行，但大小不同，原核生物的核蛋白体为70S，而真核生物的核蛋白体为80S，其细胞器的核蛋白体也为70S。而且它们各自的亚单位构成也不一样，原核生物的核蛋白体是由50S和30S的两个亚单位构成，真核生物的核蛋白体是由60S和40S两个亚单位构成，各亚单位的构成上也有区别。古菌、细菌和真核生物三域原核生物中，古菌和细菌在细胞形态结构、生长繁殖、生理代谢、遗传物质存在方式等方面相类似，因而同属原核生物。但在分子生物学水平上，古菌和细菌之间有明显差别，主要表现见表1-1。从这些差异可见，古菌确是不仅在细胞化学组成上更是在分子生物学水平上不同于同属于原核生物的细菌和真核生物的另一类特殊生物类群。古菌(archaea)、细菌(bacteria)和真核生物(eucaryoutes)三域(urkingdoms)的概念是沃斯(Woese)及其同事1977年根据对代表性细菌类群的16SrRNA碱基序列进行广泛比较后提出的，认为生物界的发育并不是一个由简单的原核生物发育到较完全、较复杂的真核生物的过程，而是明显存在着三个发育不同的基因系统，即古菌、细菌和真核生物。并认为这三个基因系统几乎是同时从某一起点各自发育而来，这一起点即是至今仍不明确的一个原始祖先。这一生物界三域观念已被广泛接受。表1-1古细菌、细菌和真核生物三域特性差异比较项目古菌细菌真核生物细胞大小通常1μm通常1μm通常10μm核膜－－＋遗传物质染色体１条，环行染色体＋质粒１条，环行染色体＋质粒通常１条以上线行染色体＋细胞器DNA有丝分裂－－＋组蛋白－？＋细胞壁无或蛋白质亚单位，假胞壁质，无胞壁酸G＋或G－，总是含有胞壁酸，枝原体属中无细胞壁动物无，或有纤维素，几丁质等，无胞壁酸细胞膜含异戊二烯醚，甾醇，有分支的直链含脂肪酸脂，甾醇稀少，无分支直链含脂肪酸脂，甾醇普遍，无分支直链含DNA的细胞器－－线粒体和叶绿体内质网和高尔基体－－＋胞饮和阿米巴运动－－＋核糖体大小70S70S80S(细胞器中70S)核糖体亚基30S，50S30S，50S40S，60SRNA聚合酶亚基数9~12412~15tRNA共同臂上的胸腺嘧啶无一般有一般有内含子＋仅发现于tRNA和rRNA基因－＋延长因子能与白喉毒素反应不能与白喉毒素反应能与白喉毒素反应蛋白质或启动氨基酸甲硫氨酸N-甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸16(18)SrRNA的３位是否结合有AUCACCUCC片段有有无对氯霉素的敏感性不敏感敏感敏感对环己胺的敏感性敏感不敏感敏感对青霉素的敏感性不敏感除支原体外，敏感不敏感对茴香霉素的敏感性敏感不敏感敏感对diptheria毒素的敏感性敏感不敏感敏感对利福平霉素的敏感性不敏感敏感不敏感虽然从系统发育来看，细菌和古菌是二种不同的生物类群，但它们的细胞形态和结构却基本一致，同属原核生物(Procaryotes)，原核生物是指一大类细胞不具核膜，也无核仁，只有核区，称为原核的单细胞生物。本章介绍原核微生物的形态、结构和功能。第一节细菌一、细菌的形态和大小细菌的个体形态要借助于光学显微镜才能观察到。细菌的基本形态可分为球状、杆状和螺旋状三种，分别被称为球菌、杆菌和螺旋菌(图1.2)。球菌呈球形和近球形。球菌分裂后产生的新细胞常保持一定的排列方式，在分类鉴定上有重要意义。根据球菌细胞分裂面和分裂后的排列方式，又可分为单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌。杆菌细胞呈杆状或圆柱形。各种杆菌的长宽比例上差异很大，有的粗短，有的细长。短杆菌近似球状，长的杆菌近丝状。有的菌体两端平齐，如炭疽芽孢杆菌(Bacillusanthracis)，有的两端钝圆，如维氏固氮菌(Azotobactervinelandii)，还有的两端削尖，如梭杆菌属(Fusobacterium)。杆菌细胞常沿一个平面分裂，大多数菌体分散存在，但有的杆菌呈长短不同的链状，有的则呈栅状或“八”字形排列。细胞弯曲呈弧状或螺旋状。弯曲不足一圈的称弧菌，如霍乱弧菌(Vibriocholerae)。弯曲度大于一周的称为螺旋菌。螺旋菌的旋转圈数和螺距大小因种而异。有些螺旋状菌的菌体僵硬，借鞭毛运动，如迂回螺菌。有些螺旋状菌的菌体柔软，借轴丝收缩运动并称为螺旋体，如梅毒密螺旋体(Treponemapallidium)。细菌的形态除上述三种基本形态外，还有其他形态的细菌，如柄细菌属(Caulobacter)，细胞呈弧状或肾状并具有一根特征性的细柄，可附着于基质上。又如球衣菌属(Sphaerotilus),能形成衣鞘(sheath)，杆状的细胞呈链状排列在衣鞘内而成为丝状体，此外还有呈星状的星状菌属（Stella）、正方形的细菌等(图1.3)。图1.2细菌的基本形态(Madiganetal.,2000)图1.3特殊形态的细菌细菌的大小可以用测微尺在显微镜下进行测量，也可通过投影法或照相制成图片，再按放大倍数测算。表示细菌大小的常用单位是μm(微米)。球菌大小以其直径表示，多为0.5～1μm。杆菌和螺旋菌以其宽度与长度表示，杆菌的宽度一般为0.4～10μm，长度为宽度的一倍或几倍。但螺旋菌的长度是菌体两端点间的距离，而不是真正的长度，它的真正长度应按其螺旋的直径和圈数来计算。细菌的大小因菌种而异，见表1—2。细菌的形态、大小受多种因素的影响，一般处于幼龄阶段和生长条件适宜时，细菌形态正常、整齐、表现出特定的形态大小。在较老的培养物中，或不正常的条件下，细胞常出现异常形态大小。表1-2细菌的大小菌名直径或宽×长度(μm)乳链球菌(Streptococcuslactis)0.5-1金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)0.8-1最大八叠球菌(Sarcinamaxima)4-4.5大肠杆菌(Escherichiacoli)0.5×1-3伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)0.6-0.7×2-3枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)0.8-1.2×1.2-3炭疽芽孢杆菌(Bacillusanthracis)1-1.5×4-8德氏乳细菌(Lactobacteriumdelbruckii)0.4-0.7×2.8-7霍乱弧菌(Vibriocholerae)0.3-0.6×1-3迂回螺菌(Spirillumvolutans)1.5-2×10-20二、细菌细胞的构造与功能典型的细菌细胞构造可分为两部分：一是不变部分或称基本构造，包括细胞壁、细胞膜、细胞质和原核，为所有细菌细胞所共有；二是可变部分或称特殊构造，如荚膜、鞭毛、菌毛、芽孢和孢囊等，这些结构只在某些细菌种类中发现，具有某些特定功能。(一)、细胞壁细胞壁(Cellwall)是包围在细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧、略具弹性的结构，占细胞干重的10％—25%。细胞壁具有固定细胞外形和保护细胞的功能。失去细胞壁后，各种形态的细菌都变成球形。细菌在一定范围的高渗溶液中，原生质收缩，出现质壁分离现象。在低渗溶液中，细胞膨大，但不会改变形状或破裂，这些都与细胞壁具有一定坚韧性和弹性有关。细胞壁的化学组成也使细菌具有一定的抗原性、致病性以及对噬菌体的敏感性。有鞭毛的细菌失去细胞壁后，仍可保持有鞭毛，但不能运动，可见细胞壁的存在为鞭毛运动提供的力学支点，为鞭毛运动所必需的。细胞壁是多孔性的，可允许水及一些化学物质通过，但对大分子物质有阻拦作用。1884年丹麦人革兰氏(ChristianGram)发明了一种染色法，这种染色方法的基本步骤为：在一个已固定的细菌涂片上用结晶紫染色，再加媒染剂－碘液染色，然后用乙醇脱色，最后用复染液(沙黄或番红)复染。显微镜下菌体呈红色者为革兰氏染色反应阴性细菌(常以G-表示)，呈深紫色者为革兰氏染色反应阳性细菌(常以G+表示)。这一程序后称革兰氏染色法(Gramstaining)。通过这一简单染色可将所有细菌分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两大类。这两大类细菌在细胞结构、成分、形态、生理、生化、遗传、免疫、生态和药物敏感性等方面都呈现出明显差异，因此革兰氏染色有着十分重要的理论与实践意义。通过电镜观察以及细胞壁化学结构的分析表明革兰氏阳性细菌与阴性细菌的细胞壁在结构和化学组分上有显著的差异。表1-3革兰氏阳性细菌与革兰氏阴性细菌细胞壁的主要区别比较项目G+细菌G-细菌内壁层外壁层细胞壁厚度(nm)肽聚糖结构鞭毛结构肽聚糖成分磷壁酸脂多糖脂蛋白对青霉素、溶菌酶20~80多层，75%亚单位交联，网格紧密坚固基体上着生两个环占细胞壁干重的40~90%多数含有无无敏感2~38单层，30%亚单位交联，网格较疏松基体上着生四个环5%~10%无无无11%~22%有或无有不够敏感1、革兰氏阳性细菌细胞壁革兰氏阳性细菌只有一层厚约20～80nm的细胞壁。细胞壁的化学组成以肽聚糖(Peptidoglycan)为主，占细胞壁物质总量的40％～90%。另外还结合有磷壁质酸(teichoicacid)又称垣酸，是G+细菌细胞壁特有的成分。肽聚糖是除古菌外，凡有细胞壁的原核生物细