第2章 微生物的形态与结构

第二章微生物的形态与结构2.1微生物的基本类型2.2原核微生物：细菌2.3真核微生物：真菌2.4非细胞生物：病毒第二章微生物的形态与结构2.1微生物的基本类型传统的生物界分为:•动物•植物•微生物根据显微镜或电镜观察到的结构进行分类•无细胞结构病毒及亚病毒拟病毒类病毒朊病毒•有细胞结构原核细菌放线菌蓝细菌真核酵母菌霉菌藻类原生动物动物植物以细胞结构对微生物分类原核细胞和真核细胞的电镜图•原核和真核的定义主要根据细胞核是否完整独立，是否有核膜包裹。原核生物细胞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。原核细胞结构示意图真核细胞结构示意图原核细胞和真核细胞的主要区别：表2-1①细胞核的区别。②有无细胞器的区别。③核糖体的明显区别。原核生物的核糖体为70S，而真核生物的核糖体为80S。MicrobialworldOrganisms(living)Infectiousagents(non-living)Prokaryotes(unicellular)eukaryotesvirusesviroidsprionsEubacteriaArchaeaAlgae(unicellularormulticellular)Fungi(unicellularormulticellular)Protozoa(unicellular)Othermulticellularorganisms2.2原核微生物：细菌细菌的概念：细菌:即单细胞、原核生物,单个细菌均能独立生长繁殖。2.2.1细菌的形态、大小和排列P142.2原核微生物：细菌细菌的基本外形:①球状球菌直径一般0.5-1.0um②直杆状杆菌宽0.4-1.0um③弯杆状弧菌或螺旋菌④分枝丝状放线菌细菌的基本形态(Madiganetal.,2000)2.2原核微生物：细菌细菌的分裂细菌细胞的裂殖，↑示正在分裂，↑↑示已经分裂细菌的分裂细菌的分裂与细菌菌体的排列•有些种类的细菌细胞，在横隔壁形成后不久便相互分开，呈单个游离状态；而有的却数个细胞相连呈短链状或多个排列成长链状。尤其是球菌，因分裂面的不同，使分裂后排列成单球菌、双球菌、链球菌、四联球菌、八叠球菌和葡萄球菌等。细菌的分裂和排列示意图细菌菌体的排列细菌菌体的排列菌落的电镜图细菌菌体的排列——链球菌葡萄球菌细菌的基本外形:①球状球菌单球菌，双球菌，链球菌，四联球菌，八叠球菌，葡萄球菌②直杆状杆菌长杆菌，短杆菌，球杆菌，梭菌③弯杆状弧菌或螺旋菌另外，有些细菌会呈现畸形和衰颓形2.2原核微生物：细菌细菌的形状和大小细菌的大小:①球状球菌直径一般0.5~1.0um②直杆状杆菌宽0.4~1.0um③弯杆状弧菌或螺旋菌每克湿的细菌团大约含有1万亿到10万亿个细菌细胞。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)1.5~2×10~202.2.2细菌细胞的结构与功能2.2.2.1细菌细胞的基本结构•细胞壁•细胞膜•细胞质•细胞核细菌细胞的结构细菌细胞的基本结构——1、细菌细胞壁•定义是一层包围在细胞表面，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%•功能固定细胞外形，保护细胞细菌菌体染色时，染料即附着在细胞壁上。•分类–革兰氏阳性菌(G+)–革兰氏阴性菌(G-)革兰氏染色过程•制片：挑菌、涂片、干燥、固定•初染：结晶紫染色液染色1min。•媒染：滴加卢哥氏碘液，媒染1min。•脱色：将玻片倾斜，滴加95%乙醇脱色20—25s•复染：滴加蕃红复染1min。•镜检：镜检时先用低倍镜，再用高倍镜，最后用油镜观察，并判断菌体的革兰氏染色反应结果。菌体蓝紫色为革兰氏阳性，菌体红色为革兰氏阴性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G＋细菌G－细菌革兰氏阴性细菌与革兰氏阳性细菌细胞壁比较图(引自Prescottetal.,2002)革兰氏阳性细菌的细胞壁革兰氏阴性细菌的细胞壁革兰氏阳性菌和阴性菌的染色原理——二者细胞壁结构的差异细胞壁结构与革兰氏染色的关系•现在大多认为，在染色过程中，细胞内形成了一种不溶性的结晶紫-碘的复合物，这种复合物可被乙醇(或丙酮)从G-细菌细胞内抽提出来，但不能从G+菌中抽提出来。这是由于G+菌细胞壁较厚，肽聚糖含量高，脂质含量低甚或没有，经乙醇处理后引起脱水，结果肽聚糖孔径变小，渗透性降低，结晶紫-碘复合物不能外流，于是保留初染的紫色。而G-细菌细胞壁肽聚糖层较薄，含量较少，而且脂质含量高，经乙醇处理后，脂质被溶解，渗透性增高，结果结晶紫-碘复合物外渗，细胞被番红复染成红色。革兰氏染色G+G-革兰氏染色结果•革兰氏染色的意义：可简单快捷地将微生物区分为两大类，是最常用的细菌染色法。•革兰氏染色的操作其他细菌染色法细菌细胞的基本结构——2、细胞质膜细胞膜的作用•控制细胞内外营养物质和代谢产物的运送与交换，维持细胞内正常渗透压的屏障作用•合成细胞壁各组分（脂多糖、肽聚糖、磷壁酸）和荚膜的场所•进行氧化磷酸化或光合磷酸化的产能基地•膜上有某些蛋白质能接受光、电及化学物质等产生的刺激信号并发生构象变化，引起细胞内一系列的代谢变化和产生相应的反应细胞膜的结构示意图P22图2－9细胞膜的结构示意图细胞膜的选择性透性细菌细胞的基本结构——3、细胞质•细胞质中的核糖体、间体（P22）和内含物2.2原核微生物：细菌•内含物P23很多细菌在营养物质丰富的时候，其细胞内聚合各种不同的贮藏颗粒，当营养缺乏时，它们又能被分解利用。这种贮藏颗粒可在光学显微镜下观察到，通称为内含物(cytoplasmicinclusions)。贮藏颗粒的多少可随菌龄及培养条件不同而改变。其中PHB可以用来制作可降解塑料。细菌细胞的基本结构——3、细胞质细菌细胞的基本结构——4、细菌细胞核–位于细胞质内，无核膜，无核仁，仅为一核区，称为拟核（Nucleoid）或原核(Protonucleus)–只有一条染色体(Chromosome)，主要为DNA，还有少量RNA和蛋白质，但无组蛋白–染色体为双螺旋的大分子链构成的环形结构。静止期呈球形或不规则的棒状或哑铃形–DNA总长0.25~3mm,E.coliDNA长1mm,MW为3x109Da,约5x106bp,至少含5x103个基因特别值得一提的：①细菌如大肠杆菌的ＤＮＡ双链长１mm，需折叠于核区。②细菌还有一个或几个含ＤＮＡ的质粒。质粒也是遗传信息的储存、传递者。在遗传变异和基因工程中有重要作用。细菌细胞的基本结构——4、细菌细胞核细胞核外DNA——质粒质粒(Plasmid)为染色体外存在的一种能自我复制的小环状DNA分子–较染色体小，约（2~100)x106D–每个菌体可含1~数个质粒–不同质粒之间可重组，质粒与染色体也可重组–质粒对菌体生存并不是必需的，但携带有编码某些特性的基因，其存在可使细菌细胞具有某些特性质粒的起源质粒的起源,人们认为质粒可能是来源于某种感染细菌的病毒粒子,进入细胞后与细胞形成共生关系(与线粒体相似)细菌细胞的特殊结构P23所谓特殊结构，指一部分细菌才具有的结构。•鞭毛和菌毛•荚膜•芽孢•·········细菌细胞的特殊结构——鞭毛•定义某些细菌在细胞表面伸出细长、波浪形弯曲、毛发状的附属丝状物即为鞭毛。•特征•长度常为菌体的若干倍，最长可达70um，直径为10~20nm。只有染色后才能在光镜下观察到。•鞭毛的功能主要是运动，鞭毛旋转推动菌体运动。细菌细胞的特殊结构——鞭毛细菌细胞的特殊结构——鞭毛鞭毛旋转方向与微生物运动方向间的关系鞭毛结构示意图鞭毛的功能与应用•鞭毛的功能主要是运动，鞭毛旋转推动菌体运动•鞭毛的主要成分是蛋白质，另有少量多糖或脂类•鞭毛蛋白是一种抗原物质，鞭毛抗原又称H抗原（菌体抗原称O抗原）。•由于各细菌的鞭毛蛋白的氨基酸组成不同,因而抗原性质各不相同，通过血清学反应可进行分类鉴定。如致病性大肠杆菌O157：H7。鞭毛和菌毛的电镜图细菌的菌毛细菌细胞的特殊结构——糖被•定义某些细菌在一定的营养条件下向细胞外分泌的一层粘性物质。P26•荚膜(Macrocapsule)——有一定外形，厚约200nm，粘性较大，稳定。•粘液层(Slimelayer)——较疏松，无明显形状，可悬浮于基质中，增加培养液黏度。细菌细胞的特殊结构——荚膜细菌细胞的特殊结构——荚膜•荚膜的主要成分因菌种而异，大多为多糖、多肽或蛋白质，也含有一些其它成分。•产荚膜的细菌菌落通常光滑透明，称光滑型(S型)菌落，不产荚膜细菌菌落表面粗糙，称粗糙型(R型)菌落。在固体食品表面或液体食品中常因为某些腐败菌产荚膜而使食品变粘稠。细菌细胞的特殊结构——荚膜荚膜的主要作用是作为细胞外碳源和能源性贮藏物质，并能保护细胞免受干燥的影响，同时能增强某些病原菌的致病能力，使之抵抗宿主吞噬细胞的吞噬。例如能引起肺炎的肺炎双球菌Ⅲ型，如果失去了荚膜，则成为非致病菌。细菌荚膜的应用•有些产荚膜细菌，如肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)则可用于葡聚糖的工业生产，葡聚糖已被用来治疗失血性休克的血浆代用品。野油菜黄单胞菌（Xanthomonascampestris）的粘液层的胞外多糖—黄原胶已被用于石油开采中的钻井液添加剂以及印染和食品等工业中。•产荚膜细菌，常常给生产带来麻烦。牛奶、蜜糖、面包及其它含糖液变得“粘胶状”就是由于受了某些产荚膜细菌的污染。•有些细菌能借助荚膜牢固地粘附在牙齿表面引起龋齿。微生物细胞的特殊结构——芽孢P26细菌芽孢（Spore)•定义芽孢时某些细菌在其生活史的一定阶段于营养细胞内形成的一个圆形或椭圆形或圆柱形结构，也称内生孢子（Endospore)。•特性抵抗力非常强成熟芽孢的结构示意图芽孢具有极强的抵抗力•芽孢一旦形成，则对各种恶劣环境条件均具有很强的抵抗能力。•芽孢具有极强的抗热、抗干燥、抗辐射、抗化学药物和抗静水压等不良环境的能力。一般芽孢在普通条件下可保持活力数年至数十年之久，肉毒梭状芽孢杆菌在pH7.0的100℃水中煮8h后才能致死，即使在180℃的干热中仍可存活10min。芽孢抗性强的例子极多。微生物细胞的特殊结构——芽孢•芽孢没有繁殖意义，因为一个细胞内一般只形成一个芽孢，而一个芽孢也只产生一个营养细胞。•芽孢仅仅是芽孢细菌生活史中的一环，是细菌的休眠体。芽孢的形成过程1.轴丝形成2.隔膜形成3.前芽孢形成4.皮层形成5.芽孢衣形成6.芽孢成熟7.芽孢释放(P28图2-14)芽孢的显微镜观察芽孢的着生位置、大小、形状因种而异，可作鉴定依据。芽孢有较厚的壁。有较强的折光性，不易染色。一般一个细胞仅有一个芽孢.芽孢有比较厚的壁和高度的折光性，在光学显微镜下观察芽孢为一透明小体，由于普通碱性染料不易使芽孢着色，通常采用特殊的芽孢染色法以便于观察。芽孢染色后的显微图片芽孢在细胞中的形成位置微生物细胞的特殊结构——芽孢芽孢在食品科学中的重要意义：1、细菌分类2、