微生物学讲义

微生物学讲义第一章绪论一、微生物与人类的关系人类喝的酸奶、酒等发酵饮料，吃的面包、馒头甚至呼吸的新鲜空气都是微生物带来的恩惠；而我们所遭受的感冒和其它传染病等病魔的折磨，则是有害微生物侵蚀了身体所致，但服用或注射抗生素类药物后恢复健康，又要感谢微生物，因为这类药物是微生物的“奉献”。微生物是一把双刃剑：一方面给人类带来巨大的利益，如：许多微生物产品疫苗、维生素、酶制剂、酒和抗生素等重要产品，物质循环中的重要组成成员以及以基因工程为代表的生物技术也是微生物对人类做出的又一重大贡献；另一方面又“残忍”地给人类带来巨大灾难，如：1347年的瘟疫（鼠疫耶森氏菌）几乎毁灭整个欧洲，今天的艾滋病（AIDS）、癌症、SARS以及已被人类征服了的传染病（如肺结核、疟疾、霍乱等）也有“卷土重来”之势。随着环境污染和破坏日益严重，一些以前从未有过的新疾病（如军团病、埃博拉病毒病、疯牛病和SARS等）又给人类带来新的威胁。因此，你－未来的微生物学家或其他科学家任重而道远。正确地利用微生物的两面性来造福人类是我们学习和应用微生物学的目的，也是义不容辞的责任。1、什么是微生物？微生物是一切肉眼所看不到的或者看不清楚的形体微小的单细胞或个体结构简单的多细胞的甚至没有细胞结构的低等生物的总称。2、微生物的特点：形体微小μm－mm光镜下可见、大的肉眼可见（细胞型）nm电镜下可见（细胞器和非细胞型病毒）单细胞构造简单简单多细胞非细胞型（分子生物）原核类：细菌、放线菌、支原体、立克次氏体和蓝细菌等进化地位低等真核类：真菌（酵母菌和霉菌）、原生动物和显微藻类非细胞类：病毒、亚病毒（拟病毒、类病毒和朊病毒等）二、微生物科学1、研究对象及分类地位研究对象：无细胞结构不能独立生活的病毒、亚病毒，具原核细胞结构的古生菌和真细菌以及具真核细胞结构的真菌（酵母菌、霉菌和蕈xun菌）、单细胞藻类和原生动物等。分类地位：由于微生物的极其多样性以及独特的生物学特征（个体小，比表面积大、吸收多、转化快，生长旺盛、繁殖快，种类多、分布广，易变异、适应性强。），使其在整个生命科学中占有举足轻重的地位。无论是1969年魏塔克Whittaker提出的五界系统，还是1977年卡尔·伍斯KarlWoese（2003年格拉夫生物科学奖获得者）提出的三域系统，微生物都占据很大比例（3/5和2/3）。2、研究内容及分科研究内容：微生物学是研究微生物在一定条件下的形态结构，生理生化，遗传变异以及微生物的进化、分类和生态等生命活动规律及其应用的一门学科。分科：随着微生物学的不断发展，已形成了基础微生物学和应用微生物学两大学科，又可分为许多不同的分支学科，并还在不断地形成新的学科和研究领域。见p3图1－1三、微生物学的发展（一）史前期（1676年以前）人们在显微镜出现以前并不知道微生物，只是无形中利用了微生物，也不知道这些过程中有微生物存在。如我国的制曲酿酒工业——先用霉菌制曲，再用酵母菌发酵；农业上的轮作制、积肥沤粪等；医学上人痘（鼻苗法种痘）预防天花、用麦曲治疗腹泻等。（二）初创期（1676－1861）微生物的发现和形态学研究列文虎克Leeuwenhoek于1676年用自制的单式显微镜第一次发现并描述了微生物，随后人们主要热衷于寻找和描述微生物的形态及分门别类，而没有研究其生理活动及与人类实践活动的关系。（三）奠基期（1861－1897）微生物的生理活动研究以法国的巴斯德Pasteur和德国的柯赫Koch为代表的科学家将微生物的研究推进到生理学研究阶段，揭露了微生物是造成腐败发酵和人畜疾病的原因，并建立了分离、培养、接种和灭菌等一系列独特的微生物技术，从而奠定了微生物学的基础，同时开辟了医学和工业微生物学等分支学科。1、巴斯德主要贡献有三个方面①提出了生命只能来源于生命的胚种学说，认为只有活的微生物才是传染病、发酵和腐败的真正原因。用著名的曲颈瓶试验彻底否定了“自然发生”学说。②奠定了免疫学的基础。1877年巴斯德研究了鸡霍乱，发现将病原菌减毒可诱发免疫性，以预防鸡霍乱。其后他又研究了牛、羊炭疽病和狂犬病，并首次职称狂犬病疫苗，证实其免疫学说，为人类防病、治病作出了重大贡献。③证实发酵是由微生物引起的。巴斯德经过不断努力，终于分离到了许多引起发酵的微生物，并证实酒精发酵是由酵母菌引起的。此外，他还发现了乳酸发酵、醋酸发酵和丁酸发酵都是由不同的细菌引起的，为进一步研究微生物的生理生化奠定了基础。④其他方面：至今仍在沿用的巴斯德消毒法（60－65℃加热处理30ˊ，杀死有害微生物的一种消毒法），对蚕软化病提出隔离病原体防治传染、检查淘汰病蛾，逐渐消灭病害的理论。2、柯赫主要贡献有两方面⑴在微生物基本操作技术方面为微生物学的发展奠定了技术基础，主要包括①发明了明胶、琼脂固体培养基平板分离培养技术，一直沿用至今；②创立了悬滴培养法、显微摄影技术以及许多染色方法；③配置培养基。⑵在病原菌研究方面①具体证实了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；②发现了肺结核病的病原菌（于1911年获诺贝尔奖）；提出了证明某种微生物是否为某种疾病病原体的基本原则－柯赫法则：病原菌总是在患传染病的动物（生物）中存在，而不存在于健康个体中；这一微生物可以离开动物体，并被培养为纯种培养物；这种纯种培养物接种到敏感的健康动物体后，应出现该微生物所引起的特有病症；该微生物可以从患病的试验动物中重新分离出来，并可在实验室中再次培养，且它仍应与原始病原微生物相同。3、其他李斯特－消毒外科术，埃尔里赫、梅契尼科夫－免疫学，贝哲林克、维诺格拉德斯基－土壤微生物学，伊万诺夫斯基－病毒学，埃尔里赫－化疗法。（四）20世纪的微生物学1941年以前微生物学家主要研究感染疾病因子、免疫、寻找新的化学治疗剂以及微生物代谢等。直到40年代，许多生物学难以解决德理论和技术问题十分突出，特别是遗传学上的争论问题，才使得微生物学与生物学很快结合起来，成为整个生命科学发展德前沿。1、多学科交叉促进了微生物学的全面发展1941年的突变实验比德尔和塔特姆用粗糙脉胞菌分离出一系列生化突变株，将遗传学和生物化学紧密结合起来，不仅促进了微生物学的发展，形成了微生物遗传学和生理学，而且也推动了分子遗传学的形成；与此同时，微生物的其它分支学科也得到了迅速发展。还有60年代发展起微生物生态学、环境微生物学等；50年代微生物学全面进入分子研究水平，与发展起的分子生物学理论和技术以及其他学科汇合，使其发展成为生命科学领域内的一门前沿科学。2、促进许多重大理论问题的突破1941年的突变实验，提出了“一个基因一个酶”的假说；1943年鲁里亚、德尔波留克的涂布试验证明了突变的性质和来源（自发性）；长期争论而未能解决的“遗传的物质基础是什么？”的重大理论问题，也是以微生物为实验材料进行研究获得的结果证实：核酸是遗传的物质基础；DNA双螺旋结构的提出，基因的概念，基因组的测序，操从子学说，“中心法则”等理论的提出都与微生物学的研究息息相关。另外，源于微生物转化的理论和技术的转基因动植物的转化技术、DNA重组技术、遗传工程，使人类定向改变生物、根治疾病、美化环境的梦想成为现实。总之，20世纪的微生物学一方面在与其他学科的交叉和相互促进中获得迅猛发展，另一方面也为整个生命科学的发展作出了巨大贡献。3、我国微生物学的发展我国具有5000多年文明史的古国，是认识和利用微生物最早的国家之一。特别是在制酒、酱油和醋等微生物产品以及种痘等方面。但是微生物作为一门科学进行研究却比较落后。从本世纪初由一批从西方留学的科学家开始进行比较系统地研究。主要有伍连德－对鼠疫和霍乱病原等进行研究，并建立卫生防疫机构；汤飞凡及其助手张晓楼－医学细菌学、病毒学和免疫学，尤其是在世界上首次分离和确证了沙眼病原体；谢少文则第一次分离出立克次氏体；戴芳澜和俞大绂是我国真菌学和植物病理学的奠基人；陈华癸和张宪武开创了我国的农业微生物学；高尚荫创建了我国的病毒学和第一个微生物学专业。五、21世纪微生物学展望1、微生物基因组学研究将全面展开主要集中在基因组的序列分析、功能分析和比较分析，从本质上认识微生物自身以及利用和改造微生物，并带动分子微生物学等基础研究学科的发展。2、以了解微生物之间、微生物与其他生物、微生物与环境的相互作用为研究对象的微生物生态学、环境微生物学和细胞微生物学等，将在基因组信息的基础上获得长足进步，为人类的生存和健康发挥重要作用。3、与其他学科将更加广泛的交叉，相互促进发展。微生物基因组学是数、理、化、信息和计算机等多种学科交叉的结果；随着人类认识的加深和需求，将进一步向地质、海洋、大气和太空渗透，是更多的边缘学科得到发展。微生物学的研究技术和方法也将会在吸收其他学科的先进技术的基础上，向自动化、定向化和定量化发展。在21世纪微生物产业除了更广泛地利用和挖掘不同生境（尤其是极端环境）的自然资源微生物外，基因工程菌将形成一批强大的工业生产菌，生产外源基因表达的产物，特别是药物的生产将出现前所未有的新局面，人类将完全征服癌症、艾滋病以及其他疾病，为人类做出更大的贡献。思考题1．什么是微生物？微生物学的研究内容是什么？2．微生物学发展过程中的几位重要科学家及其贡献有哪些？3．病原菌学说的提出和证实都有哪些人？4．微生物有那些特点？第二章微生物细胞的结构与功能第一节原核微生物的细胞结构原核微生物是指细胞核无核膜包围，只有核区的裸露DNA的原始单细胞微生物，包括古生菌和真细菌两大类群。真细菌的细胞膜含由酯键连接的脂类，细胞壁中含特有的肽聚糖，DNA中一般没有内含子（近年来也有例外的发现）。包括细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体和衣原体等。一、真细菌细胞的构造细菌细胞是原核细胞，就是在细胞中没有细胞核结构。只有明显核区（拟核），外面无核膜包围。与有真正细胞核的真核细胞相比，其它结构成分也有差异，如原核细胞壁的主要成分是一类含有氨基酸的多糖，称为肽聚糖，而真核细胞壁主要由纤维素或甲壳质组成。细菌细胞的基本结构是一般细菌共有的结构，包括细胞壁、细胞质膜、拟核、细胞质。1、细胞壁：是位于细胞最外面的一层坚韧而略具弹性的结构层，主要由肽聚糖构成，有固定外形和保护细胞等多种功能。用一种称为革兰氏染色的方法，可将细菌分为革兰氏阳性菌（G＋菌）和革兰氏阴性菌（G－菌）两大类。真细菌的细胞膜含由酯键连接的脂类，细胞壁中含有特有的肽聚糖，DNA中一般没有内含子（近年也有例外发现）；古生菌的细胞壁无肽聚糖，由多糖、糖蛋白或蛋白质构成，且多含有酸或酸性氨基酸、多糖细胞壁。证明细胞壁存在的方法：质壁分离技术（蔗糖溶液），姬姆萨染色（壁绿色，质红色），制成原生质体，电子显微镜观察。革兰氏阳性菌细胞壁：化学组分简单，只由90％的肽聚糖和10％磷壁酸肽聚糖：分子由肽和聚糖两部分组成，肽有四肽尾（按L型和D型交替连接而成）和肽桥，聚糖则由N－乙酰葡萄糖胺（NAG）和N－乙酰胞壁酸（NAM）相互间隔通过β－1、4－糖苷键（溶菌酶水解）连接而成，呈长链骨架结构。磷壁酸：主要为甘油磷壁酸或核糖醇磷壁酸。分为壁磷酸和膜磷酸。壁磷酸与肽聚糖上的NAG共价连接，可用稀酸或稀碱提取；膜磷酸是甘油磷酸与膜上的磷脂共价结合，用45％的热酚或热水提取。主要生理功能：由于含有较多的负电荷而吸收Mg2＋，而提高一些合成酶的活性；储藏磷元素；增强某些致病菌对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用；赋予G＋菌以特异表面抗原；可为噬菌体的吸附位点。革兰氏阴性菌的细胞壁肽聚糖：1－2层为薄层，四肽尾的第三个氨基酸为内消旋的二氨基庚二酸（m－DAP），无肽桥，单体之间仅通过肽尾直接相连，故松散、机械强度较差。外膜：位于细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和脂蛋白等组成。脂多糖由类脂A、核心多糖和O－特异侧链三部分组成。其中类脂A是G－菌的致病物质－内毒素的物质基础；O－特异侧链种类极多，决定其表面抗原决定簇的多样性。外膜蛋白：是镶嵌在LPS和磷脂层外膜上的蛋白。有两种孔蛋白，限制或控制某些物质进入细胞，一种脂蛋白将外膜与肽聚糖内壁层上的蛋白牢固连接。缺壁细菌：在自然界长期进化和实验室菌种