微生物学沈萍主编第三章

生物技术1101范晓欢201107004103•概述•原核微生物：是指一大类细胞核无和膜包裹，只有称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物。包括真细菌和古生菌两大类。•真细菌：细胞膜含有脂类，细胞壁特含有肽聚糖，DNA没有内含子。包括细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体。•本节以细菌为代表介绍原核微生物的结构和功能。一般构造：细胞壁、细胞膜、细胞质、原核•细菌特殊构造：纤毛、鞭毛、芽胞、荚膜等第一节原核微生物•一、原核微生物：细胞微小、细胞核无核膜包裹的原始单细胞生物•二、与真核微生物的区别：、基因组无核膜包裹的双链环状DNA组成；、缺乏有单位膜分隔，包围的细胞器；、核糖体为70S型。细菌的大小与重量•、细胞壁（cellwall）：是位于细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要有肽聚糖构成•、主要功能：1.固定细胞外形和提高机械强度，使其免受渗透压等外力的损伤。2.细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需，失去了细胞壁的原生质体，3.阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞。细胞壁(cellwall)革兰阳性菌革兰阴性菌革兰染色两类细菌细胞壁的共同组分为肽聚糖，但各有其特殊组分。革兰染色法：涂片风干固定结晶紫碘液95%乙醇复红1min1min脱色•古生菌细胞你没有真正的肽聚糖，是有多糖、糖蛋白或蛋白质构成的。•（1）、假肽聚糖细胞壁—甲烷杆菌属•（2）、独特多糖细胞壁—甲烷八叠球菌•（3）、硫酸化多糖细胞壁—革兰式阳性极端嗜盐古生菌—盐球菌属•（4）、糖蛋白细胞壁—盐杆菌属•（5）、蛋白质细胞壁—少数产甲烷菌由于细菌细胞微小又透明，一般先要经过染色才能作显微观察革兰氏染色法负染色：活菌抗酸性染色法芽孢染色法姬姆萨染色法荚膜染色法用美蓝或TTC等作活菌染色活菌死菌正染色用美蓝或TTC等作活菌染色细菌染色肽聚糖肽聚糖细胞质膜脂多糖和蛋白质细胞质膜周质空间磷壁酸的结构主要有甘油磷壁酸和核糖醇磷壁酸等五种类型。壁磷壁酸（teichoicacid）：与肽聚糖分子间发生共价结合，它的含量与培养基成分密切相关。膜磷壁酸（lipoteichoicacid）：由甘油酸链分子与细胞膜上的磷脂共价结合，它的含量与培养条件关系不大。外膜（outermembrane）：由脂多糖、磷脂和脂蛋白组成的膜。脂多糖（lipopolysaccharideLPS）：位于细胞壁最外层的类脂多糖类物质，由类脂A、核心多糖和O-特异侧链三部分组成。类脂A是革兰氏阴性菌内毒素的物质基础；核心多糖和O-特异侧链是菌体表面抗原特异性的决定因素。•LPS结构的多变,决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性；•LPS负电荷较强,与磷壁酸相似,也有吸附Mg2+、Ca2+等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用,对细胞膜结构稳定作用;•类脂A是革兰氏阴性细菌致病物质——内毒素的物质基础；•具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能；•许多噬菌体在细胞表面的吸附受体；项目革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌1、革兰氏染色反应能阻留结晶紫而染成紫色可经脱色而复染成红色2、肽聚糖层厚，层次多薄，一般单层3、磷壁酸多数含有无4、外膜无有5、脂多糖（LPS）无有6、类脂和脂蛋白含量低（仅抗酸性细菌含类脂）高7、鞭毛结构基体上着生两个环基体上着生四个环8、产毒素以外毒素为主以内毒素为主9、对机械力的抗性强弱10、细胞壁抗溶菌酶弱强11、对青霉素和磺胺敏感不敏感缺壁突变—L型细菌实验室或宿主体内形成人工去壁基本取尽—原生质体（G+）部分去掉—球状体（G-）在自然界长期进化中形成—支原体一、L型细菌•细菌在某些环境条件下(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变异型。•特点：、没有完整而坚韧的细胞壁,细胞呈多形态；、有些能通过细菌滤器,故又称“滤过型细菌”、对渗透敏感,在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直径在0.1mm左右）；二、原生质体•在人为条件下,用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的,圆球形、对渗透压变化敏感的细胞,一般由革兰氏阳性细菌形成。•特点：1、对环境条件变化敏感,低渗透压、振荡、离心甚至通气等都易引起其破裂；2、有的原生质体具有鞭毛,但不能运动,也不被相应噬菌体所感染3、在适宜条件(如高渗培养基)可生长繁殖,形成菌落,形成芽孢及恢复成有细胞壁的正常结构.4、比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质,是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料。球状体又称原质球，指还残留这部分细胞壁，一般由革兰氏阴性菌形成。肽聚糖三、球状体(Sphaeroplast)原生质体或球状体与L型细菌的重要区别是前两者无繁殖能力，而后者有正常的繁殖能力四、支原体（Mycoplasma）支原体是一类在长期进化过程中形成的、应自然生活条件的无细胞壁的原核生物。因它的细胞膜中含有一般原核生物没有的甾醇，所以即使缺乏细胞壁，其细胞膜仍然有较高的机械强度。C.Gram（革兰）于1884年发明的一种鉴别不同类型细菌的染色方法。六、革兰氏染色机制•1）用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染•2）用碘溶液进行媒染，其作用是提高染料和细胞间的相互作用从而使二者结合得更固•3）用乙醇或丙酮冲洗进行脱色。在经历脱色后仍将结晶紫保留在细胞内的为革兰氏阳性细菌，而革兰氏阴性细菌的结晶紫被洗掉，细胞呈无色。•4）用一种与结晶紫具有不同颜色的碱性染料对涂片进行复染。例如沙黄，它使原来无色的革兰氏阴性细菌最后呈现桃红到红色，而革兰氏阳性细菌继续保持深紫色1、细胞质膜(cytoplasmicmembrane)细胞质模式包围着细胞质一层半透性薄膜,由磷脂(20-30%)和蛋白质(50-70%)组成.与真核细胞的细胞质膜组成无太大的差别,它的结构与功能也能以液态镶嵌模型来解释.与真核细胞质膜最大的区别是:原核微生物细胞质膜一般不含胆固醇等甾醇.脂肪酸的饱和度与菌种是否耐高温有关，脂肪酸饱和度越高越能耐高温。细胞膜的生理功能•选择性地控制细胞膜内、外的营养物质和代谢产物的运送•维持细胞内正常的渗透压的屏障•合成细胞壁和糖被的各种成分的重要基地•膜上含有氧化磷酸化和光和磷酸化等能量代谢的酶类、是细胞产能的场所•是鞭毛基体的着生部位和便帽旋转的功能部位•膜上某些蛋白质受体与趋化性有关间体（mesosome或中体）•细胞质膜内褶而形成的囊状构造,其中充满着层状或管状的泡囊,多见于革兰氏阳性细菌.•青霉素酶分泌、DNA复制、分配以及细胞分裂有关.•“间体”仅是电镜制片时因脱水操作而引起的一种赝像.与真细菌和真核生物细胞质膜的不同:1、亲水头（甘油）与疏水尾（烃链）间由醚键而不是酯键相连。2、组成疏水尾的长链烃是异戊二烯的重复单位，它与亲水头通过醚键连接成甘油二醚或甘油四醚，而真细菌中是脂肪酸。3、古生菌细胞质膜中存在着独特的单分子层膜或双分子层复合膜。4、在甘油的3C分子上，可连接多种与真细菌质膜上不同的基团，如磷酸酯基、硫酸酯基以及多种糖基等。5、细胞质膜上含有多种独特脂类。如噬盐菌类中已发现有细菌红素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、番茄红素等。古生菌的细胞质膜古生菌与真细菌质膜的区别域疏水侧链甘油与侧链间的连键质膜形态加强膜强度的介质古生菌异戊二烯醚键ether双层膜或单层膜真细菌脂肪酸酯键ester双层膜真核生物脂肪酸酯键ester双层膜固醇细胞质（cytoplasm）和内含物（cytoplasmismatrix）•细胞质或细胞质基体是细胞质膜包围的除核区以外一切半透明、明胶、颗粒状物质的总称。•细胞质的主要成分为核糖体•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。贮藏物（reservematerials）•贮藏物是一类由不同化学成分累积而成的不溶性沉淀颗粒，•主要功能是贮存营养物。•糖原:大肠杆菌、芽孢杆菌和蓝细菌等•碳源及能源类聚β-羟丁酸（PHB）:固氮菌和肠杆菌等•硫粒:紫硫细菌、丝硫细菌等•贮藏物氮源类藻青素:蓝细菌•藻青蛋白:蓝细菌•磷源（异染粒）:迂回螺菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌异染粒（metachromaticgranules）•是普遍存在的贮藏物，主要成分是多聚偏磷酸盐。•异染粒大小和结构:大小为0.5—1μm，是多聚偏磷酸盐的聚合物，分子呈线状。•功能：贮存磷元素和能量，降低渗透压。•多聚偏磷酸盐对某些染料有特殊反应,产生与所用染料不同的颜色,因此得名异染颗粒.•例:异染粒遇甲基胺蓝变紫红色.•含异染粒的细菌种类:棒状杆菌和某些芽孢杆菌等.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。由含精氨酸和天冬氨酸残基(1:1)的分支多肽所构成,分子量在25000～125000.磁小体趋磁细菌细胞中含有的大小均匀、数目不等的Fe3O4颗粒，外有一层磷脂、蛋白或糖蛋白膜包裹•功能是导向作用，即借鞭毛游向。对该菌•最有利的泥、水界面微氧环境处生活•实用前景，包括生产磁性定向药物•或抗体，以及制造生物传感器等羧酶体（carboxysome）一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物其大小与噬菌体相仿，约10nm，内含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶，在自养细菌的CO2固定中起着关键作用。羧酶体羧酶体羧酶体气泡（gasvocuoles）气泡的功能：调节细胞比重，以使其漂浮在合适的水层中。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。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。核区（nuclearregionorarea）核区（nuclearregionorarea）也称核质体（nuclearbody）、原核（prokaryon）、拟核（nucleoid）或核基因组（genome）核质体是一个大型环状的双链DNA分子,长度为0.25-3mm.一般为单倍体.DNA分子与类组蛋白联合。细菌DNA：长度：一般为：1—3mm例：大肠杆菌的DNA长约1mm。生长迅速的细菌在核分裂之后细胞往往来不及分裂,所以细胞中常有2—4个核，而生长缓慢的细菌细胞中一般只有1—2个核，不在染色体复制时期一般是单倍体。功能：负载遗传信息。核区：由大型环状双链DNA纤丝不规则地折叠或缠绕而构成的无核膜、核仁的区域。特殊的休眠构造—芽孢芽孢概念:某些细菌在生长发育后期，可在细胞内形成一个圆形或椭圆形的抗逆性休眠体，这就是芽孢。每一个细胞只能形成一个芽孢，芽孢无繁殖功能。细菌芽孢的特点芽孢有极强的抗热、抗辐射、抗化学药物和抗静水压等的功能。如肉毒梭菌在100°C沸水中，能耐受5-9.5小时。芽孢的休眠能力也是惊人的，可以存活数百万年以上，在休眠期间，检测不出任何代谢活动。形态学特征：1.难以染色；2.高折光率化学特征：1.含有钙-吡啶二羧酸复合物，占干重的10%。2.有少量的酸溶性孢子蛋白（SASP），有助于保护DNA，且在萌发时提供能量和碳源。芽孢的形成（sporulation,sporogenesis）遇不良环境时开始形成，可分成七个阶段：1、DNA浓缩；2、细胞膜内陷形成前芽孢；3、前芽孢的双层隔膜形成；4、两层隔膜间填充芽孢肽聚糖，合成DPA，开始形成皮层；5、芽孢合成结束；6、皮层合成完成，芽孢成熟；7、芽孢囊裂解，芽孢游离。芽孢囊：产芽孢细菌的营养细胞外壳，成熟芽孢无此结构；核心外结构：孢外壁、芽孢衣和皮层；芽孢核心：芽孢壁、芽孢质膜、芽孢质和核区。芽孢的构造研究芽孢的意义芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。芽孢是细菌的休眠体,在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞，产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。整个生物界中抗逆性最强的生命体,是否能消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的重要指标。细胞你以外的构造糖被（glycocalyx）大）荚膜（macrocopsule)：粘液状物质具有一定外形，相对稳定地附着在细胞壁外，厚度：＞0.2µm。微荚膜（microcopsule)：粘液状物质较薄，与细胞表