微生物细胞的结构与功能第三章

第三章微生物细胞的结构与功能第一节真核微生物与原核微生物第二节细胞表面的附着物一、丝状结构鞭毛Flagellum(Flagella)菌毛Pilus革兰氏阴性菌伞毛Fimbria1.鞭毛长度一般为15～20μm,直径0.01～0.02μm1)组成基体basalbody钩形鞘hook鞭毛丝filamenta.基体：4个盘状物，即4环L-环:与脂多糖层相联系P-环:与肽聚糖层联系S-环:与细胞膜表面相联系,16个亚基,不运动，轴封作用M-环:与细胞膜相联系,16个亚基.1个质子进入细胞转1/16圈,256个质子/圈不同的微生物其鞭毛蛋白质氨基酸组成不同细菌鞭毛与真核微生物鞭毛的比较细菌鞭毛真核微生物鞭毛1.由3～8根平行的蛋白纤维左向9对微管两根中心微管组成螺旋排列成中空的丝状体，无鞘外有鞘2.直径为12nm，长度为4-5μm直径为200，长度为2003.具抗原性无抗原性4.完全由蛋白质组成70%蛋白质，20%脂类,10%糖少量核酸5.不存在半胱氨酸由普通氨基酸组成6.制备的鞭毛不出现ATP酶活性制备的鞭毛有ATP酶活性近年的研究表明cAMP和cGMP也参与纤毛和鞭毛运动的调控。细胞外Ｋ+浓度下降或Ｃａ2+浓度升高都可使细胞膜发生超极化,从而导致细胞内cAMP浓度上升,鞭毛拍击频率增加,细胞向前运动。当cAMP浓度下降时,细胞膜去极化,细胞向后游动。2）鞭毛马达的结构与功能鞭毛马达：Flagellarmotor大肠杆菌或伤寒沙门氏菌的鞭毛组装和运行需约50余种蛋白质中，只有5种与鞭毛的力矩产生密切相关即FliG、FliM和FliN、MotA、MotB(鞭毛马达)FliG,FliM,FliN,切换复合体C环切换复合体的功能：a：切换鞭毛运动方向；CW/COW(clookwisc,CW；counterclockwise,CCW)b：参与鞭毛组装,构成转子(rotor)c：与(MotA/MotB)（定子）构成马达(motor)3）引起马达切换的主要因素a.化学因素:趋化反应，胞内代谢物水平胞内pH等；b.物理因素:温度、外力等；c.随机或自发因素。Na+驱动的鞭毛马达（有些细菌，碱杆菌，弧菌）H+驱动（大多数细菌）K+驱动(溶原弧菌)Li+驱动速度Na+H+300mM,50mMNa+：300mM,1,700r/sNa+：50mM,600r/s对细菌鞭毛驱动马达分子机器的了解将有助于认识生物的能量转化细胞运动这类生命基本问题2.菌毛（pilus）大肠杆菌的菌毛两种菌：F-菌毛(fertilitypilus),I-菌毛(infectivepilus)F-菌毛：φ8.5nm,长2.0μm中空，易弯曲的丝状体，是遗传物质的通道I-菌毛：长2μm以下，中空的丝状体，是噬菌体感染宿主细胞的受体部位，亦称感染菌毛.噬菌体吸附到I-菌毛后，通过I-菌毛的收缩，使噬菌体与细胞表面接融后再感染宿主细胞。3.伞毛（fimbria）是一类更短、更直的，类似毛发状的丝状体结构；数量较菌毛多，长度较菌毛短，生理作用也不同。大肠杆菌的伞毛的生理作用引起细菌的聚集静止培养：菌膜氧气不足：伞毛菌生长迅速（较非伞毛菌）稳定期：伞毛菌增加，非伞毛菌下降，附着到其他固体表面上，非伞毛菌则不。二、荚膜与粘液层荚膜微荚膜：厚0.2μm以下，与细菌表面牢固结合；大荚膜：厚0.2μm以上，与细菌表面松驰结合,可制备;荚膜的作用：1.抗干燥作用；2.起贮存物质作用。C/N高时产荚膜，C/N低时利用荚膜3.保护作用，不受原生动物或噬菌体的侵害；4.避免或减少氧向细胞内扩散（对好氧固氮菌）粘液层：组成：多糖（表面多糖，胞外多糖）、多肽蛋白质、脂类。S-层蛋白的研究S-层蛋白(surface-layerprotein)位于细胞外壳最外层的一类表面结构.生物圈中有S-层的生物体普遍存在尤其在古细菌和真细菌中，S-层是最常见的表面结构之一,对细菌细胞的生存及完整性有着很重要的作用。S-层是由蛋白质或糖蛋白亚基组成的单分子晶体点阵，它们形成有孔的网络结构覆盖在细胞表面。它们具有独特的结构以及理化性质，还承担了很重要的生物学功能。S-层是由蛋白质亚单位组成的单分子晶状结构，其厚度为5-20nm革兰氏阳性(G+)菌与肽聚糖层相连革兰氏阴性(G-)菌与外膜相连古生菌直接与细胞膜相连S-层蛋白的组成一般具有高含量的酸性和疏水性氨基酸，其中疏水性氨基酸可占40-60%,S-层蛋白的糖基化现象普遍存在.含大量谷氨酸(Glu)和天冬氨酸(Asp)赖氨酸的含量较高，占10%极少有含硫氨基酸S-层蛋白多为酸性，等电点在4-6之间,少数呈碱性。约20%的氨基酸是以α-螺旋形式约40%的氨基酸采取β折叠形式无规折叠和β转角含量在5%到45%之间变化分子量不同来源的S-层蛋白，其分子量差异较大40-20kDa440-1645个氨基酸乳杆菌440-465个氨基酸残基含有由30个氨基酸组成的信号肽克立次氏体1612-1645个氨基酸残含32个氨基酸残基组成的信号肽炭疽芽胞杆菌苏云芽胞杆菌非常相似814-862个氨基酸组成信号肽由29个氨基酸组成S-层蛋白的基因（40多个）近十年，许多不同来源的S-层基因已被克隆和测序发现N末端有限区域内存在一段高度保守的序列该区域对S-层亚单位与细胞壁的锚定致关重要中部和C端部分(包括自我组装加工必需的结构域和暴露于孔中和S-层表面上的结构域)只发现有极低的序列同一性(约20%)。但是不同芽胞杆菌的S-层蛋白的整个中部和相应的C末端部分观察到保守的4-6氨基酸的序列以相对恒定的距离出现。S-层基因一般有很强的启动子嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)S-层基因启动子的效率是编码乳酸脱氢酶基因启动子的两倍(后者在细菌中被认为是最强的启动子之一)表面展示的研究微生物细胞表面展示(surfacedisplay)指通过遗传操作的手段将外源大分子定位表达在微生物细胞的表面,以达到一定的研究和应用目的。多数情况下,表面展示是以构建融合蛋白的方式实现的,即以一定的方式将外源蛋白与菌体的某一表面蛋白相融合，借助后者的表面识别和定位功能将前者携带并定位在细胞的表面。将外源蛋白固定在微生物细胞的表面可以直接用重组微生物进行后续的操作,免去了产物的提取,纯化和重新折叠等一系列的操作。自80年代兴起以来，表面展示工作取得了许多令人瞩目的成绩。表面展示的应用Bingle等(2001)利用无致病性的G-细菌—新月柄杆菌的S-层蛋白RsaA作为载体,在细胞表面成功展示了铜绿假单胞菌的表面抗原。另外，还在新月柄杆菌的S-层蛋白上尝试了多个融合位点，结果表明有11个位点具有表面展示的能力。六聚组氨酸由六个组氨酸组成的单位。它最引人注意的功能是能够有效的吸附一些重金属离子。通过每个组氨酸残基提供一个电子，与一些二价金属离子如镍、镉、铜、锌形成配位键，从而在这些金属离子的周围形成稳定的配位环。Qiagen公司利用六聚组氨酸能吸附镍离子的特点，特别开发出了一个蛋白质纯化系统——Ni-NTA。将六聚组氨酸的接头融合在待纯化蛋白的C-端、N-端,甚至是一些融合蛋白的融合头上。Sousa等利用大肠杆菌的外膜蛋白LamB将多聚组氨酸肽展示在了大肠杆菌的表面。许朝晖利用大肠矸菌的外膜蛋OmpC展示了多个六聚组氨酸肽。Samuelson等报道用葡萄球菌的表面结合蛋白表达多聚组氨酸肽。重组细胞吸附镍、镉离子的能力均大大地提高第三节细胞壁细胞壁的组成1.由微纤维组成的网状结构物质，固定外形增加硬度2.填充在网状结构表面的基质成分，增加坚固性。原生质体与球质体的比较特点革兰氏阳性革兰氏阴性残存壁物质不存在存在与胞壁有关的特性完全丧失不完全丧失间体挤出原生质体挤在壁膜之间停止药物处理细胞壁不能恢复可以恢复三、细胞壁的组成1.肽聚糖（peptidoglycen，亦称胞壁质murein）主要是阳性菌2.磷壁质(teichoicouitl，磷壁酸)革兰氏阳性细胞壁和细胞膜中的含有磷酸基的线性多聚体，共价健与肽聚糖连接成一个整体。磷壁质分为两类：甘油型磷壁质核糖醇磷壁质3.糖醛酸磷壁质（teichuroseacid）4.脂多糖：G-、外膜上，多糖-脂类复合物5.蛋白质：结构蛋白、载体蛋白、酶蛋白一、藻类的细胞壁二、真菌细胞壁1.具CW的真核微生物是真菌和藻类。真菌细胞壁主要成分是多糖，另有少量的蛋白质和脂类;多糖构成CW中的微纤维和无定形基质。微纤维类似钢筋，β－1，4键连接，使CW坚韧；基质类似混凝土填充其中；低等真菌的细胞壁的主要成分以纤维素为主；酵母的细胞壁的主要成分以葡聚糖为主；高等陆生真菌的细胞壁的主要成分以几丁质为主。1.酵母菌细胞壁结构酵母菌细胞壁的厚度为25～70nm，重量约占细胞干重的25%，主要成分为葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和少量几丁质、少量脂质。它们在细胞壁上自外至内的分布次序是甘露聚糖、蛋白质、葡聚糖。葡糖酸酶甘露聚糖酶蔗糖酶碱性磷酸酶酯酶酵母菌CW中几丁质很少，在形成芽体时合成。不同种属CW差异较大，如：裂殖酵母含葡聚糖和较多几丁质；点滴酵母CW葡聚糖为主，少量甘露聚糖。2.丝状真菌细胞壁结构有内到外A，几丁质（甲壳质）微纤维(18nm)；B，不连续蛋白质层(9nm)；C，糖蛋白层(49nm)；D，不定形葡聚糖层(87nm)。AD由纤维素微纤丝呈层状排列构成骨架结构，其余为间质多糖（杂多糖），还含有少量的蛋白质和脂类。杂多糖包括：褐藻酸、岩藻素和琼脂等。3、藻类的细胞壁成分古菌的分布古菌常被发现生活于各种极端自然环境下，如大洋底部的高压热溢口、热泉、盐碱湖等。在我们这个星球上，古菌代表着生命的极限，确定了生物圈的范围。热网菌（Pyrodictium）能够在高达113℃的温度下生长。隐蔽热网菌Pyrodictiumoccultum1977年，地质学家对大陆漂移学说产生了浓厚的兴趣，根据学说，太平洋板块和南美板块应该有一条断裂带，他们制造了一个名叫阿尔文号的潜水艇，来到了赤道附近的加拉帕戈斯群岛，当下潜到2500深的海底的时候，他们被眼前的景象惊呆了：数十个高约2-5米的柱状物正向海水中喷着黑色的烟雾，阿尔文号仿佛穿梭在“海底工厂”之中。更让他们惊讶的是这些黑烟囱周围还生活着大量奇形怪状的生物，它们生存的密度很高，俨然是一个庞大而有序的生物群落。黑烟囱是由海底地壳的裂缝制造的，大量溶解了地底金属元素和硫化物的液体从裂缝中喷出之后，一遇到冰冷的海水就形成了浓密的黑色烟雾，这些喷发口在科学上被称为海底热液口。如今已经发现了140多处这样的喷口场。黑烟囱附近的生物量往往是附近深海环境中生物量的数万倍。海底热液高达300-400oC，而海底的平均温度只有2摄氏度，其温度跨度之大也可以想象。隐蔽热网菌就生活在这里。古菌还广泛分布于各种自然环境中，土壤、海水、沼泽地中均生活着古菌。很多产甲烷的古菌生存在动物的消化道中，如反刍动物、白蚁或者人类。古菌通常对其它生物无害，且未知有致病古菌。古菌的分布古细菌概念1977年由CarlWoese和GeorgeFox提出的，原因是它们在16SrRNA的系统发生树上和其它原核生物的区别。这两组原核生物起初被定为古细菌(Archaebacteria)和真细菌(Eubacteria)两个界或亚界。Woese认为它们是两支根本不同的生物，于是重新命名其为古菌(Archaea)和细菌(Bacteria)，这两支和真核生物(Eukarya)一起构成了生物的三域系统。古菌还具有一些其它特征。与大多数细菌不同，它们的细胞壁缺少肽聚糖。而且，绝大多数细菌和真核生物的细胞膜中的脂类主要由甘油酯组成，而古菌的膜脂由甘油醚构成。这些区别也许是对超高温环境的适应。嗜高温产水细杆菌Aquifexpyrophilius(95℃自养生长)具有复杂的被膜质膜(4nm)、肽聚糖(20nm)外膜(4nm)和表面蛋白(4nm)表面蛋白为六角形晶格革兰氏阴性嗜高温菌具有类似鞘的外层结构包围着；类似鞘的外层结构由六角形排列的外膜蛋白组成，其功能尚不清楚，可能具有孔蛋白(Porin)