微生物学：第二章 原核微生物

1、第二章 原核微生物什么是原核微生物? 是指一大类细胞核无核膜包裹，只有被称作核区的裸露DNA的单细胞生物, 亦即广义的细菌。原核微生物的主要类群： 根据形态特征：细菌（狭义）、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体、衣原体和螺旋体。 根据生理生化和分子生物学特征：真细菌和古生菌 原核微生物分布: 大气、水体、土壤、动植物体内原核微生物种类和数量 : 种类繁杂, 数量巨大原核微生物对人类社会生活的影响： 1. 有害影响: 动植物致病菌,引起食物和物品腐烂变质等。 2. 有益作用: 细菌发酵产品生产, 农业杀虫菌剂、细菌肥料生产，细菌浸矿，微生态制剂，污水处理等。 第一节 细菌的形态、结构与功能 狭义

2、细菌是指一类细胞细短、结构简单、胞壁坚韧、多以二分裂方式繁殖和水生性较强的原核生物。一、细菌的形态与大小（一）细菌的形态细菌个体的基本形态:球状、杆状和螺旋状三大类型 (a)单球菌 (b)双球菌 (c)四联球菌 (d)八叠球菌 (e)葡萄球菌 (f)链球菌 各种不同形状的球菌 各种不同形状的杆菌 (a)球杆菌 (b)单杆菌 (c)双杆菌 (d)链杆菌各种不同形状的螺旋菌(a) 螺菌 (b)螺旋体 (c)弧菌 球菌杆菌螺旋型菌特殊形态的细菌（二） 细菌大小 多数细菌细胞的直径约0.5m, 长度约0.55 m。 但已报道最小的纳米细菌(nanobacteria)直径甚至小于0.05 m； 最大的球

3、菌纳米比亚嗜硫珠菌(Thiomargarita namibia)，其直径大小可达100-750m。 细菌细胞的模式构造二、细菌细胞的结构与功能 (一) 细胞壁（cell wall） 细胞壁概念：是细胞最外的一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖，具有固定外形和保护细胞等多种功能。 细胞壁功能：固定细胞外形和提高机械强度，保护细胞免受外力的损伤；为细胞生长、分裂和鞭毛运动所必需；阻拦酶蛋白或抗生素等有害物质进入细胞；赋予细菌特有的抗原性和致病性(如内毒素)，并与细菌对抗生素和噬菌体的敏感性密切相关。革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌细胞壁的构造 细胞壁类型:革兰氏阳性细菌细胞壁、革兰氏阴性细菌细胞壁

4、革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌 细胞膜 肽聚糖磷壁酸脂磷壁酸 肽聚糖 周质空间 细胞膜 外膜 脂多糖 孔蛋白 磷脂 脂蛋白 膜蛋白 膜蛋白 1、革兰氏阳性细菌的细胞壁结构特点：细胞壁厚度大，2080 nm；化学组分 简单， 一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。(1)肽聚糖：肽聚糖是由多糖链经短肽相交联而形成的网络状分子 ，是真细菌细胞壁特有的成分，构成细菌细胞壁坚硬的骨架部分。 短肽交联 多糖链n（M）（G）革兰氏阳性细菌细胞壁肽聚糖的单体图解左：简化的单体分子间的连接；右：单体的分子构造。箭头示溶菌酶的水解位点表 肽聚糖分子中的四种主要肽桥类型类型 甲肽尾上连接点 肽桥 乙肽连接点 例 I 第

5、四氨基酸 -CO.NH-直接相连 第三氨基酸 E. coli (G-)II 第四氨基酸 -(Gly)5 第三氨基酸 Staphylococcus aureus (G+)III 第四氨基酸 -(肽尾)12- 第三氨基酸 Micrococcus luteus (G+) IV 第四氨基酸 -D-Lys- 第二氨基酸 Corynebacterium poinsettiae(G+) （2）磷壁酸（teichoic acid） 磷壁酸是结合在革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖，是革兰氏阳性细菌所特有的成分之一。 甘油磷壁酸的结构模式（左）及其单体（右）磷壁酸类型： 根据糖成分：甘油磷壁酸 核糖醇磷壁酸

6、根据与壁中结合分子类型及分布： 壁磷壁酸 脂磷壁酸 磷壁酸的主要生理作用：因带负电荷，故可与环境中的Mg2+等阳离子结合，提高这些离子的浓度，以保证细胞膜上一些合成酶维持高活性的需要；对一些革兰氏阳性致病菌(如A族链球菌)而言，可借此(主要为膜磷壁酸)与其宿主粘连；赋予革兰氏阳性菌以特异的表面抗原；是某些噬菌体特异性吸附受体。2、革兰氏阴性细菌细胞壁结构 特点：肽聚糖层很薄（仅23nm），在肽聚 糖层外还有一个外膜，成分较复杂， 整个壁厚度较G+菌薄，机械强度较G+ 菌弱。(1)肽聚糖层：特点（以大肠杆菌为例）：肽聚糖层薄（23nm）四肽尾的第三个不是L-Lys，而是内消旋二氨基庚二酸（MDA

7、P）没有特殊的肽桥，其前后两个单体间的联系仅由前一肽尾的第4个氨基酸即D丙 氨酸的羧基与后一肽尾第3个氨基酸即M DAP的氨基直接连接。（因而只能形成较疏密、机械强度较差的肽聚糖网络）(2)外膜：特点：a.是G-细菌细胞壁特有的结构，位于壁的 最外层，特殊的脂质双层结构b. 化学成分是脂多糖、磷脂和若干种外膜 蛋白功能：a. 控制细胞透性; b. 提高Mg2+浓度; c. 决定细胞壁抗原性; d. 类脂A是类毒素的主要成分G-菌外膜脂多糖(lipopolysaccharide，LPS) 沙门氏菌属脂多糖中的类脂A结构 脂蛋白(1ipoprotein)，主要是分子量为7200D的脂蛋白，其不带脂

8、的一端与细胞壁内壁层相连，带脂的一端通过脂质分子插入到外膜内侧磷脂层中，其作用是使细胞壁的外膜牢固地连接在由肽聚糖所组成的内壁层上。外膜镶嵌蛋白质，例如在大肠杆菌细胞壁的外膜中的孔蛋白(porin)就是一种研究得较多的基质蛋白，孔蛋白是一种三聚体结构，每一个亚单位的分子量为36000D。由三聚体结构构成的充水孔道横跨外膜，可通过分子量小于800900D的亲水性营养物质，例如糖类(尤其是双糖)、氨基酸、二肽、三肽、青霉素和无机离子等，它使外膜具有分子筛的功能。 3、革兰氏染色 成 分 革兰氏阳性细菌 革兰氏阴性细菌革兰氏染色反应肽聚糖含量肽聚糖结构细胞壁厚度及层次磷壁酸脂多糖与类脂质脂蛋白质对溶

9、菌酶对青霉素和磺胺与细胞膜的关系菌体呈紫色含量高，占细胞壁干重的3095%)多层,紧密20-80nm, 单层多数有,含量较高(50)一般无一般无敏感敏感不紧密经脱色、复染后菌体呈红色含量低，占细胞壁干重的520%1-2层,疏松10nm左右(其中外壁层约8nm),多层无含量较高（分布在外壁层）含量较高（分布在外壁层）不敏感不敏感紧密表 革兰氏阳性细菌与阴性细菌细胞壁成分的比较4、细胞壁缺损几类细胞壁缺损或无细胞壁的细菌类型： 原生质体(protoplast)：指在人工条件下用溶菌酶除尽原有细胞壁或用青霉素抑制细胞壁的合成后，所留下的仅由细胞膜包裹着的细胞，常见于革兰氏阳性菌；球状体或原生质球(s

10、phaeroplast)：指还残留部分细胞壁的原生质体，常见于革兰氏阴性细菌；L型细菌：L型细菌应专指那些在实验室中通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷菌株。1935年时，在英国李斯特(Lister)预防医学研究所中发现一种由自发突变而形成的细胞壁缺损的细菌念珠状链杆菌(Streptobacillus moniliformis)，它的细胞膨大，对渗透压十分敏感，在固体培养基上形成“油煎蛋”似的小菌落。由于Lister研究所的第一字母是“L”，故称L型细菌。(二) 细胞质膜（cytoplasmic membrane）特点:1.原核微生物的细胞膜一般不含胆固醇等甾醇（支原体除外），这一点与真

11、核生物明显不同。多烯类抗生素因可破坏含甾醇的细胞质膜，故可抑制支原体和真核生物，但对其他的原核生物则无抑制作用。2. 很多革兰氏阳性细菌可由细胞质膜内褶而形成囊状构造-间体（mesosome） ，其中充满着层状或管状的泡囊。间体与某些酶如青霉素酶的分泌有关，还可能与DNA的复制、分配以及与细胞分裂有关。Bacillus fastidiosus间体（mesosome）（三）细胞质和内含物 细胞质（cytoplasm）:是细胞质膜包围的除核区外的一切半透明、胶体状、颗粒状物质的总称。原核微生物的细胞质是不流动的，这一点与真核生物明显不同。细胞质组成:水分，约80核糖体（由50S大亚基和30S小亚基

12、组成）各种化合物：如基质成分、中间代谢物、营养物和大 分子等细胞内含物（inclusion body）：如类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等。（细胞质内形状较大的颗粒 状构造称为内含物，包括各种储藏物和羧酶体、 气泡等。） 聚-羟丁酸（poly-b-hydroxybutyrate， PHB）： 细胞质内属于类脂性质的碳 源类贮藏物，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压等作用。作为生物聚合物具有具有良好应用前景。聚磷酸颗粒（polyphosphate granules，PP）：因可被美蓝或甲苯胺蓝染色成红紫色又被称作异染粒（metachromatic granules）。成分为正磷酸单体酯键相连的

13、线性聚合物，具有贮藏磷元素、能量和降低细胞渗透压等作用。趋磁水生螺菌(Acuaspirillum magnetotacticum)电镜照片磁细菌在磁场中做波状迁移链状排列的磁性颗粒分离的磁小体磁小体(magnetosome): 成分为F3O4,外有一层磷脂、蛋白质或糖蛋白包裹， 具导向功能。羧酶体（carboxysome）存在于一些自养细菌胞内的多角形或六角形内含物，内含1，5二磷酸核酮糖羧化酶，是自养细菌固定二氧化碳的场所 。存在于硫杆菌属（Thiobacillus）、贝日阿托氏菌属（Beggiatoa）、硝化细菌和一些蓝细菌中。图示硫杆菌的羧酶体羧酶体气泡（gas vacuoles）：泡囊

14、状内含物，内中充满气体，内有数排柱形小空泡，外为蛋白质膜包裹。具有调节细胞比重，使其漂浮在水中，借以获取光能、氧和营养物质。主要存在于多种蓝细菌中。(四) 核区（nuclear region） 核区又称原核（prokaryon）或拟核（nucleoid），指原核生物所特有的无核膜结构、无固定形态的原始细胞核。 (六) 糖被（glycocalyx） 糖被是某些细菌在一定营养条件下向胞外分泌出厚度不定的胶粘状物质包被于细胞壁的外表，此称为糖被。（c）（d）（a）粘液层SEM照片（b）荚膜荧光显微镜照片，粘液层（c）和荚膜（d）示意图（a）（b）糖被类型：包裹在单个细胞壁上 有固定层的糖被 荚膜（c

15、apsule） 微荚膜（microcapsule） 呈松散状态、未固定的的糖被 粘液层（slime layer）包裹几个细胞或一群细胞 菌胶团 （zoogloca） 糖被的主要成分：多糖、多肽或蛋白质，尤以多糖居多。 糖被的功能：保护作用：其上大量极性基团可保护菌体免受干旱损伤或防止噬菌体的吸附和裂解；一些动物致病菌的荚膜还可保护它们免受宿主白细胞的吞噬，例如肺炎克雷伯氏菌( Klebsiella pneumoniae)的荚膜既可使其粘附于人体呼吸道并定植，又可防止白细胞的吞噬；贮藏碳源和能源养料，以备营养缺乏时重新利用；作为透性屏障或(和)离子交换系统，可保护细菌免受重金属离子的毒害；表面附

16、着作用，例如引起龋齿的唾液链球菌(Streptococcus salivarius)会分泌一种己糖基转移酶，使蔗糖转变成果聚糖，从而使细菌牢牢粘附于牙齿表面，可腐蚀牙表珐琅质层并引起龋齿；细菌间的信息识别作用;堆积代谢废物。(六) 鞭毛(flagellum, 复flagella) 生长在某些细菌体表的长丝状、波状弯曲的蛋白质附属物称为鞭毛，其数目为一至数十条，具有运动功能。鞭毛的长约1520mm，直径为0.010.02mm。细菌鞭毛(flagellum)电镜照片（引自“ Foundations of Microbiology）1、鞭毛在细胞表面的着生方式：一端生：一根，一束两端生：两端各生一根

17、鞭毛，两端各生一束鞭毛周生侧生G-细菌鞭毛的一般结构2、鞭毛的一般结构G+细菌鞭毛结构特点： 革兰氏阳性细菌的鞭毛结构较为简单，如枯草芽孢杆菌鞭毛的基体仅有S和M两个环，而鞭毛丝和钩形鞘则与革兰氏阴性菌相同。3、鞭毛运动的机制 “旋转论(rotation theory)” 4、鞭毛的功能 与细菌运动有关，是原核生物实现其趋向性(taxis)的有效方式。 (七) 菌毛(fimbria) 和性毛(pili) 1、菌毛(fimbria)，是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直、数量较多的蛋白质类附属物，具有使菌体附着于物体表面的功能。比鞭毛简单，无基体等构造，直接着生于细胞质膜上。直径一般3-10nm

18、，每菌有250 300条。多存于G- 致病菌中，参与菌 体吸附于宿主粘膜 上皮细胞上。 大肠杆菌菌毛（fimbria） (引自“Foundations of Microbiology”)大肠杆菌性毛（pili）电镜照片(引自“ Foundations of Microbiology)2、性毛又称性菌毛 (pilus)，长度比菌毛长，数量少，每个细胞仅一至少数几根，其构造和成分与菌毛相同。 功能：参与细菌结合作用，传递遗传物质。(八) 特殊的休眠构造芽孢 某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠构造，称为芽孢或内生孢子(spore，Endospo

19、re)。主要种类：芽孢杆菌属和羧菌属 1、芽孢特点（1）芽孢是休眠构造而不是繁殖构造（2）芽孢抗逆性极强（3）芽孢休眠能力极强2、细菌芽孢构造的模式图3、细菌芽孢形成过程4、芽孢耐热的分子机制：（1）渗透调节皮层膨胀学说（2）吡啶二羧酸钙（DPA）学说5. 伴孢晶体 少数芽孢杆菌，例如苏云金芽孢杆菌在形成芽孢的同时，会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体内毒素，称为伴孢晶体。它的干重可达芽孢囊重的30%左右，由18种氨基酸组成。伴孢晶体对200多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用，因而产伴孢晶体的细菌可制成有利于环境保护的生物农药细菌杀虫剂。6、细菌其它休眠构造-孢囊 孢囊是固氮菌尤其是棕色固氮菌等少数细菌在缺乏营养的条件下，由营养