微生物生理学2016

Addyourcompanyslogan微生物生理学徐诚蛟2绪论12微生物的细胞化学和结构微生物的营养34微生物代谢概论微生物的产能代谢56微生物的合成代谢微生物的次级代谢78微生物的代谢调节微生物的生长、繁殖与环境910微生物的分化与发育目录第1章绪论4厨房抹布

（含有细菌、真菌菌丝和酵母菌）5微生物生理学是微生物学的一个主要分支学科，是一门研究在实验室和自然条件下微生物生理活动特点与规律的学科。

研究对象：微生物生命活动规律以及和周围环境之间的关系。研究范围：微生物细胞的重建方式与一般规律。微生物与周围环境之间的关系。微生物生理活动与人类的关系。1.1微生物生理学研究对象与范围6微生物生理学建立于19世纪中后期。尽管古代人民在和疾病作斗争、食品酿造和农业生产过程中，不自觉地利用了微生物，但由于它们形体小，肉眼难见，人们并不知道疾病、酿造和土壤中的物质转化是微生物活动的结果。1.2微生物生理学的发展7荷兰的吕文虎克才打开了微生物界的大门1676年819世纪中后期巴斯德、柯赫、维诺格拉德斯基和贝格林克等先驱者们的卓越工作，为微生物生理学奠定了坚实的科学基础。路易斯•巴斯德（1822-1895）9巴斯德打破了微生物自然发生说。免疫学和微生物发酵的研究等万面都有伟大的贡献，并揭露出在自然界存在有能在无氧条件下进行生活的微生物，他对酒“病”和蚕病的研究，挽救了当时法国的酿酒业和蚕丝业。他发明的巴斯德灭菌法，一直沿用至今。10柯赫是与巴斯德同时代的一位德国乡村医生。他首先证明动物炭疽病的病原是细菌，并发明了分离和培养纯菌的方法。他提出的著名的证病律，至今仍指导着动、植物病原的确定。罗伯特•柯赫(1843-1910)11微生物生理学进一步的发展应归功于俄国的微生物学家维诺格拉德斯基和荷兰的微生物学家贝格林克。维诺格拉德斯基发现了微生物的自养生活硫细菌 氧化H2S获得能量 利用CO2作为碳源而生长化能无机营养型的细菌生活方式。其后他又研究了铁细菌和硝化细菌，再次揭示和确定了这类自养细菌的特性。12贝格林克利用加富培养的方法，首先自土壤中分离出能固定空气中氮素的好氧固氮菌和蓝细菌（过去称为蓝绿藻）。其后，他又成功地自豆科植物根瘤中分离出根瘤菌（1888）。维诺格拉德斯基和贝格林克的开创性的工作，不仅推动了微生物生理学的发展，也为土壤微生物学莫定了墓础。13微生物生理学发展的一个重要转折点是德国布赫纳（Buchner）发现了酵母菌的无细胞制剂可将蔗糖转化成酒精。从此微生物生理学的研究进入了分子水平，并诞生了生物化学。此后，这两个学科紧密结合，共同发展。自1900－1960之间，许多重要的代谢途径，都是首先利用微生物作为研究对象而被阐明，然后在高等生物中得到证实。1676年

1864年

1897年微生物学微生物生理学生物化学14自60年代之后，由于雅可布和莫纳德研究诱导酶形成机制而建立的操纵子学说(1961)，则标志着微生物生理学朝向代谢调控研究的兴起，并进一步将微生物生理学、生物化学和遗传学结合在一起，形成了分子生物学。早在40年代，由于脉孢霉的遗传研究，提出了基因控制酶的学说，促使遗传学由形式遗传学进入生化遗传学阶段。151944.细菌的转化作用和转化物质的提纯等，第一次确定了DNA是遗传的物质基础。1947.细菌重组。1949.噬菌体重组。1952.细菌转导的相继发现。1953.Watson和Crick.

DNA分子双螺旋结构的建立。1955.基因细微结构的分析。1958.DNA复制机制。1964.DNA和RNA的分子杂交等重要成就，为建立分子遗传学打下了坚实的基础。161961.遗传密码的破译和蛋白质生物合成机制的阐明，是继发现DNA作为遗传物质之后，生物科学上最重要的一项成就。由于分子遗传学的迅速发展，使得人们有可能利用分子遗传学的技术，有目的地改造旧物种和创造新生物，这是当今兴起的一项崭新的DNA重组技术。17抗生素已成为现代化的大企业生产；微生物酶制剂已广泛用于农、工、医；微生物的其他产物，如有机酸、氨基酸、维生素等都在进行大量生产。在本世纪40年代后，微生物的应用有了重大的发展。181.3.1生物化学方面初级代谢的调节、次级代谢产物合成途径与次级代谢的调节、能量转换的基础；集中研究一些特殊类型生物的生理活动纤维素分解菌产甲烷细菌石油分解菌有机农药分解菌单细胞蛋白产生菌等人工合成大分子物质分解菌、共生菌、寄生菌等1.3微生物生理活动的研究191.3.2生物大分子结构与功能的研究

1)阐明微生物遗传信息传递与表达的方式和规律；研究膜结构与功能;2)继续发现与研究新的细胞结构与功能；3)研究极端环境条件下微生物抗性与敏感性的机理及其调节，从分子水平上阐明生命的本质。20

1.3.3细胞的重建、形态发生、分化过程与趋向性

1)重点是研究微生物组建成一个完整的有生物活性细胞结构过程；2)研究微生物形态发生与分化的分子机理；3)研究微生物的趋向性（趋化性、趋光性、趋磁性等）与运动的本质和生命与环境之间的本质联系等。

21微生物的生产已构成了一项庞大的发酵工业。为了有效地进行微生物的生产，需要掌握微生物生理学的知识和技术。20世纪80年代是生命科学兴起的时代，今后微生物生理学必将有更广泛而深入的发展，有待于善于思考和勤于工作的研究者们去开发。22总结

第1章绪论

1.1微生物生理学研究对象与范围

1.2微生物生理学的发展

1.3微生物生理学研究内容第2章微生物的细胞

化学和结构24微生物界是一大群微小的生物，其中包括非细胞形态的类病毒和病毒，以及具有细胞结构的细菌、真菌、藻类和原生动物。类病毒和病毒结构简单，不能营独立生活，只有寄生在寄主的细胞内才能繁殖。因此，通常认为细胞是组成生命的基本单位，能独立生长和繁殖，是一个高度有组织的生命系统。25根据细胞中贮存的遗传信息的结构，通常将生物分成为两大类型：原核生物和真核生物。原核生物细胞中的遗传信息虽然和真核生物的相同，都是贮存在DNA大分子中，但原核生物的DNA却不像真核生物那样为膜包围成为一个明确的细胞核。此外，原核生物细胞中也缺少由膜包围的其他细胞器（如线粒体和叶绿体）和沟通并协调细胞内部生命活动的内质网络。近年来，用新发展核酸测序技术，分析了各类生物的16SrRNA序列，提出了被称为第三型生物的古细菌，与真细菌和真核生物并列。

26细胞结构使得生命系统与周围环境分开，以细胞质膜作为渗诱屏障，控制着物质的流入和流出细胞。27细胞质膜外围的坚实的细胞壁则保护细胞免于遭受渗透冲击而导致的细胞崩解。原生动物和少数细菌的细胞没有细胞壁，但它们的细胞质膜另有加固机制。其他的细胞外部结构，如细菌的荚膜，也起保护作用。有些细胞的表面有运动器官，用以找到适合它们生活的环境和避开不利的环境。28此外，非细胞的、原核的和真核的生物结构差异的研究，也为应用微生物学提供了理论基础。各种抗生素防治人类、其它动物和植物的各种传染病的作用机制，就是在研究不同生物细胞的结构和功能的基础上发展起来的。292.1.1生物元素

组成细胞的化学元素，称为生物元素。在自然界常见的90多种化学元素中，只有约20种元素参与生命活动，其中包括：2.1微生物细胞的化学组成组成细胞的有机化合物和水或以离子游离于细胞质中，或与有机酸化合成易被解离的盐类组成各种酶的辅基，它们在细胞中的含量甚微，通常称为微量元素。C、H、O、N、P、S、

Na、K、Mg、Mn、Ca、CI、Fe、Zn、Cu、Co、Ni、Mo、Se和W。30生物学元素表312.1.2研究方法

2.1.2.1细胞鲜重测定培养基中微生物过滤或离心收集菌体细胞洗净细胞表面培养基吸去细胞外水分称重得细胞的鲜重，以每升培养液中所含有的细胞鲜重（g/L）表示。由于细胞在收集过程中会聚集成团，细胞与细胞之间的水分难以除去，因此，用上述方法所测得的细胞鲜重往往比实际的重量要细胞之间的水可用加入同位素标记的蛋白质的方法，加以测量，因为蛋白质不能掺入细胞，只是溶于细胞外围的水中，测定细胞团的放射活性，可以推算出细胞外围的水量。高（一般约高出10%）。322.1.2.2干重测定

将一定重量的鲜细胞，在105℃高温下，或在低温（60℃）真空下干燥至恒重，测出细胞干重，通常以g/l或mg/ml表示。大肠杆菌在适合的培养条件下，每升培养液可产生25-30g干细胞。酵母菌可产生40g以上干细胞。近年来，采用高密度培养技术，可达到120g/L干酵母的产量。332.1.2.3含水量测定含水量，以鲜重的百分率表示。生活细胞中含有大量的水，约占鲜重的70%－90%。一般单细胞微生物，如细菌和酵母菌的含水量（分别为70%－80%和75%－85%）较丝状真菌细胞的含水量（85%－90%）低。休眠孢子的含水量都较低，细菌芽胞的含水量约为40%，曲霉的分生孢子的含水量只有20%，可见水和细饱的生理活性密切相关。342.1.2.4无机元素分析分析细胞中各种元素的含量，不仅能反映原生质的化学组成，也涉及细胞中的贮存物质。后者的含量，常因微生物和培养条件的不同而有变化，分析结果往往不易重复。C碳的含量（测燃烧时所放出的二氧化碳量）在各种微生物细胞中都比较恒定，大都占细胞干重的50%±5%。35N

通常所采用的Kjedahl（凯氏）定氮法，只能测出细胞中的氨态氮，测不出硝态氮或偶氮中的氮，也测不出嘌呤和嘧啶环中的氮。氮在单细胞微生物中的含量（8%－15%）高于在丝状真菌细胞中的含量(5%）。用同位素标记测定法比较精确，其测定值要比用Kjedahl法所测出的数值高。用同位素标记法测大肠杆菌的含氮量为154mgN/g（干细胞），即相当于细胞干重的15.4%。36H和O

氢和氧的含量由燃烧时所产生的水推算，氢约占细胞干重的10%，氧占20%。除上述的碳、氮、氢和氧四种元素外，其他矿质元素总共约占细胞干重的3%－5%，当将细菌细胞在550℃高温马福炉中焚化后，这些矿质元素以氧化物的形式残留于灰分中。P

在灰分中，磷的含量最高，约占灰分的50%，相当于细胞干重的3%其中，65%磷存在于核酸中，15%存在于磷脂中，20%在于可溶的小分子有机化合物（主要是磷酸脂类）中。37S

硫约占大肠杆菌细胞干重的1%，其中，75%半胱氨酸和蛋氨酸的形式存在于蛋自质中；其余的25%存在于酸溶部分中，主要是谷胱甘肽和含硫的辅酶（如辅酶A，硫胺素焦磷酸、硫辛酸和生物素等）。在硫细菌细胞中硫的含量往往甚高，有的硫细菌当氧化硫化氢时会在细胞中积累硫的颗粒。38在金属元素中，钠、钾、钙、镁和锰，或以离子游离于细胞中，或组成易被解离的有机盐类。钠的含量易随培养基中钠的浓度而波动。钠、钾与渗透调节有关。镁和锰是许多酶的激活剂，镁也是蓝细菌和光合细菌叶绿素的组成成分。铁通常结合在大分子中，如触酶和细胞色素血红素辅酶中含有铁，铁硫蛋白中也含有铁。此外，在铁细菌细胞外常沉积有大量的氢氧化铁。在硅藻的细胞壁中积累有大量的硅。39其他的生物元素在细胞中的含量则甚微，它们大多组成各种酶的辅基，如锌组成许多脱氢酶和核酸聚合酶的辅基，钼是固氮酶活性中的组成元素，硝酸还原酶中也含有钼，钴是维生素B12辅酶的成分，铜存在于细胞色素氧化酶中，谷胱甘肽过氧化物酶中含有硒。元素占细胞干重(%)C50O20N14H8P3S1K1Na1Ca0.5Mg0.5Fe0.5其它0.3表大肠杆菌细胞中主要元素大致含量40

2.1.2.5生物分子的分离由各种生物元素所组成的细胞有机化合物称为生物分子，以区别于非生物来源的有机化合物。103109小分子大分子超分子亚细胞结构结合装配蛋白质核酸多糖脂类细胞壁细胞质膜细胞核线粒体叶绿体等氨基酸核苷酸脂肪酸甘油及中间代谢产物41细胞中大量的蛋白质都是酶，它们或溶于细胞质中，或结合在膜上，催化着各种生化反应。有些多糖和脂类则以贮存物质颗粒存在于细胞中。小分子的分子量在500以下，主要的是一些组成生物大分子的单体，如氨基酸、核苷酸、脂肪酸和甘油等，此外，还有代谢中间产物，如丙酮酸、柠像酸、苹果酸等有机酸，维生素以及各种次级代谢产物（如抗生素、毒素和色素等），它们或分泌于细胞外，或存留在细胞中。42通常采用10%三氯醋酸在低温（0－4℃）下浸提细胞，小分子可溶于冷三氯醋酸中，少于20个氨基酸的碱性肽和少于20个核苷酸的寡核苷酸也溶于冷三氯醋酸中。细胞中的小分子的含量不高，以大肠杆菌细胞为例，小分子约占细胞干重的5%-6%，生物大分子不溶于冷三氯醋酸。用有机溶剂可自酸不溶的部分中抽提出脂类。在大肠杆菌细胞中，脂类约占细胞干重的10%-15%。在芽孢杆菌和某些细菌的细胞中。常含有大量的多聚B羟基丁酸。在分枝杆菌属细胞中，含有特殊的蜡脂，其量可达细胞干重的10%。用碱可自酸不溶的残渣中抽提出RNA，平均占细胞干重的10%。用热的稀三氯醋酸可抽提出DNA。余下的残渣仍含有蛋白质和多糖。用酚水抽提残渣，蛋白质溶于酚相，多糖溶于水相，但在酚一水界面仍含有一些蛋白质和多糖（肽聚塘）。43生物分子分离流程简图细胞上清液(小分子)沉淀(大分子)抽提液(脂类)残渣抽提液(RNA)残渣抽提液(DNA)残渣水相(多糖)界面(蛋白、肽聚糖)酚相(蛋白)10%三氯醋酸，0－4℃下浸提过液，5000g离心10min甲醇－乙醚(1:1)抽提0.5mol/LNaOH，37℃浸提40min，冷却后，加冷三氯醋酸5%三氯醋酸，80℃抽提30min44上节所述细胞化学组成的分析，只能说明细胞是由哪些物质组成的以及它们的大致含量，但不能提供细胞结构和功能的信息。为了进一步了解是哪些物质组成了什么亚细胞结构以及这些亚细胞结构的生理功能，需要将细胞破碎，分离出各种不同的亚细胞结构后，再加以研究。2.2细胞结构研究方法45研磨法

研磨法是最简便的方法，不需要特殊设备。1894年Buchner就是用这种方法，将酵母菌细胞放在研钵中，经研磨而将细胞破碎的。虽然这种方法破碎细胞的效率不高，至今丝状真菌细胞的破碎仍常采用此法，为了提高研磨的效率和避免研磨时产生热，可事先将菌丝体在液氮中快速冷冻后，再加以研磨。2.2.1细胞破碎46压榨法

这种方法的原理是利用高压破碎细胞。French压榨机，它的结钩是在一个耐高压的不锈钢筒，装配有可移动的密封活塞。钢筒下有一可调微孔的细管与外界相通。操作时，关闭微孔，风筒中加入浓细胞悬液，加高压使活塞下降，并保持最大压力。缓慢地打开微孔，当细胞悬液通过微孔时，由于高压的强烈剪切力，致使细胞破碎，流出收集备用。47为了避免高压产生热，在操作前可将压榨机预先冷却，并在冰浴中收集压榨液。French压榨机破碎G-细菌和G+杆菌的效果好，破碎G+球菌和细菌芽孢的效果差。

X－压榨机的结构与French压榨机的结构相似，不同的是它压榨的不是细胞悬液，而是冻结的细胞。细胞中的冰晶在高压下产生强烈的剪切力，使细胞破碎。因此，X－压榨机需要在低温下（-30℃）操作，设备昂贵，但破碎效率高。对G–和G+细菌都有效。48

弹道法

将细胞悬液与小玻璃珠混合后，装入细胞振荡磨中，高速往返振荡(2000-4000次/min)，在3-5min内就将细胞破碎，破碎效果好，价格比较便宜，也容易操作。为了降温，可在容器外围通入液体二氧化碳。49超声波法

超声波探头的高频振荡可造成溶液中形成“空穴”，即生成许多微小的气泡，它们在探头附近高速运动，产生强大的剪切力，足以破碎悬浮的细胞。这种方法破碎的效率虽高，但缺点是在处理的过程中，所有的细胞不能同步破碎，有的先破了，有的后破。因此，先破的细胞仍继续遭受剪切力而形成更小的碎片。50而且在处理时会产生高温和泡沫，容易使蛋白变性和酶失活。为了降温需在冰浴中处理细胞悬液和采用不连续脉冲电源超声波发生器。操作时要注意保护耳朵，不要在塑料容器内处理细胞悬液，因为塑料器皿会吸收超声波的能量。以上所介绍的四种方法，都是应用机械力量使细胞破碎。其中任何一种方法都不适用于所有的微生物。破碎效率比较：

X-压榨机＞振荡磨＞French压榨机＞超声波＞研磨。各种微生物对破碎的抗性：酵母菌＞丝状真菌＞G+球菌＞G+杆菌＞G-杆菌＞嗜盐菌＞支原体。51

渗透冲击

这种方法是在高渗溶液中将细胞壁酶解，形成原生质体或球质体。由于酶分解了细胞壁的坚实组分，细胞变得对渗透压敏感。因此，当原生质体或球质体转入低渗溶液中时，就会遭受渗透冲击而崩解。这种方法比较温和，但细胞壁却遭破坏。分离细胞器和自细胞中分离酶时，常采用这种方法。52细菌细胞的破碎

组成真细菌细胞壁的坚实成分是肽聚糖，它可被溶菌酶分解。革兰氏阳性细菌

细胞壁的成分主要是肽聚糖，用溶菌酶处理，容易获得原生质体。处理方法是将革兰氏阳性细菌细胞悬浮在pH中性的高渗蔗糖溶液中，加入1.0mg/ml溶菌酶，于室温下处理10min，就可形成失去细胞壁的原生质体。53革兰氏阴性细菌

细胞壁成分比较复杂，在肽聚糖层外，还有脂多糖的外层，溶菌酶不能透过外层，因而不能分解细胞壁内部的肽聚糖层。通常采用反复冰冻－融化，或用EDTA处理，破坏脂多糖层，使溶菌酶进入内部，分解肽聚糖。因为溶菌酶不能分解脂多糖，所形成的原生质体外仍残留有细胞壁的表层，这样的原生质体，通常称为球质体。一般采用以下的方法制备革兰氏阴性细菌的球质体。54离心收集细胞悬浮于5－10倍体积的以10mmol/LTris－醋酸缓冲液（pH7.8）配成的0.75mol/L蔗糖的冷溶液中。加入溶菌酶至最终浓度为0.lmg/ml，置冰上保持2min。然后在8－10min内缓慢加入2倍体积的冷的1.5mol/LEDTA溶液，并随时轻微搅匀，细胞将转变为对渗透敏感的球质体。55原生质体和球质体的形成，受一系列因素的影响，特别是收获细胞的时间至关重要。一般在对数生长中期所收获的细菌最适合制备原生质体和球质体。

低渗崩解用相差显微镜检查原生质体或球质体形成的情况。当大多数细胞已转变成原生质体或球质体时，离心收集原生质体或球质体，并快速加入5－10倍体积的蒸馏水或稀缓冲液，使之崩解。降低粘度当原生质体或球质体崩解时，会放出DNA，使裂解液变得粘稠，可用超声波作瞬时处理，打断DNA，以降低粘度，或加入DNA酶将DNA分解。56酵母菌和丝状真菌原生质体制备酵母菌和丝状真菌的原生质体的原理同上。但采用不同的酶分解细胞壁。因为各类真菌的细胞壁的化学组成不同，所采用的酶也不一样。蜗牛酶原生质体再生的能力差，因为蜗牛酶中混有脂酶和蛋白酶，容易破坏细胞质膜的结构。几丁质酶和β-葡萄糖苷酶原生质体再生能力强。纤维素酶分解藻类的细胞壁，能制备出较满意的藻原生质体。57差速离心差速离心法可将形状、大小不同的颗粒，在不同的离心力下分开。将细胞裂解液先在低速下离心一定时间，大颗粒沉下，中、小颗粒悬浮在“上清夜”中。将这种“上清液”在加高转速的情况下离心，得到中等颗粒的沉淀，小颗粒仍悬浮在上清液中，再加高转速离心小颗粒也沉出。这样逐步加高转速离心，就可将具有不同沉降速度的各种亚细胞结构的颗粒分开。2.2.2亚细胞结构的分离58差速离心分离啤酒酵母的各种亚细胞结构酵母菌细胞破裂液完整细胞上清液细胞质膜上清液线粒体上清液核蛋白体上清液(可溶性小分子)1200g，离心15min5000g，离心15min10000g，离心15min100000g，离心15min细胞壁细胞壁完整细胞重新悬浮自然沉降59

区带离心

区带离心所采用的介质是不同浓度梯度的蔗糖溶液，可以防止离心时形成上下对流，因此在一次高速离心下，就可以将颗粒大小不同的物质，按它们的沉降速度不同，分成一些区带，颗粒大小不同的物质会聚集成一区带。分离真细菌细胞的亚细胞结构时，将细胞破裂液铺加一层于事先作好的含有不同浓度梯度的蔗糖溶液的离心管的最上层，在100000g下离心1-4h，即可将颗粒大小不同的亚细胞结构分成不同的区带。60所用蔗糖浓度，在离心管的最下层是45%（W/V），然后小心地沿离心管加入一层40%蔗糖溶液（每层加5ml）。如此依次加入不同浓度梯度的蔗糖溶液介质，所用的离心管为透明塑料管，可清楚看到不同浓度蔗糖溶液的界面。45%40%35%25%30%在上样离心之前要避免振动此离心管。应采用甩平转头。离心后，分别吸出各个区带，或将离心管底部穿刺一个小孔，分别收集各个区带。静化处理后可进行电镜观察。61平衡密度梯度离心

这种离心方法可将浮力密度相同而大小不同的颗粒分开，在分离各种膜结构时，常采用此法。因为来自同一种膜的碎片，在形状、大小上可能相差很大，但它们的密度是相同的。通常采用蔗糖密度梯度分离密度小于1.3g/ml的颗粒；用CsCl分离密度较大的颗粒，离心要达到每种颗粒都移动到与其周围介质的密度等同的地方，形成区带。这往往需要高离心力和长时间的离心，才能达到平衡。62细胞表面附属物是指细胞壁外面的亚细胞结构，包括作为运动器官的鞭毛或纤毛，起固着作用的菌毛，起接合作用的性毛以及起保护作用的荚膜和粘液层。并非所有的细胞都有表面附属物，这些表面附属物也不是细胞生命所必需，失去它们，细胞仍可生活，但在生理活动上会有影响。2.3表面附属物63有些微生物细胞表而有鞭毛或纤毛作为运动器官。原核细胞的鞭毛和真核细胞的鞭毛，在细微结构和化学组成上不同，它们的运动方式也各异。只有细菌才有菌毛和性毛。2.3.1鞭毛、菌毛和性毛642.3.1.1细菌的鞭毛

有些细菌（不是全部）的表面有鞭毛，或极生（单毛或束毛)，或周生。细菌的鞭毛纤细，直径12－18nm，呈波浪形，需要用特殊方法染色后，才能在光学显微镜下看到。鞭毛多生长于对数生产期的细胞，老龄细胞常失去鞭毛。易受振荡脱落，可再生。

结构细菌鞭毛由鞭毛丝、鞭毛钩和基体三部分组成。6566鞭毛丝

鞭毛丝是鞭毛的主体，其长度和波形，因不同菌种而异。组成鞭毛丝的成分是鞭毛蛋白。在酸性条件，或以去污剂处理时，鞭毛丝可解聚成许多亚单位。鞭毛丝大多由一种鞭毛蛋白亚单位组成。但也有两种鞭毛蛋白亚单位组成的。鞭毛蛋白具有抗原特异性称为H抗原。67鞭毛钩鞭毛钩呈弯头状，直径17nm，长约900nm，约占鞭毛干重的1%，由它连接鞭毛丝和基体。鞭毛钩是由一种蛋白亚单位组成的，亚单位的分子量因不同菌种而异。基体

基体固着在细胞质膜上，穿过细胞壁与鞭毛钩连结。基体的构造复杂，革兰氏阴性菌（以大肠杆菌为代表）的鞭毛基体由4个环和1个中轴所组成，M环位于细胞质膜中，壁外层的脂多糖层中。

S环固定在细胞壁上，

P环位于细胞壁的肽聚糖层中，

L环则位于细胞壁外层的脂多糖层。68细菌鞭毛的超微结构69放大一百万倍的大肠杆菌的横切面绘制图70鞭毛功能

细菌的鞭毛是运动器官，其运动的方式是螺旋转动。每前进一段后，就翻腾转向一次。当鞭毛逆时针转动时，细菌就作直线跑动，顺时针转动时，细菌就翻腾转向。71细菌的运动有趋化性，它总是朝向营养物质浓度高的地方运动（即朝向正刺激物游动），而背向不利生长的物质（即负刺激物）。原因是刺激物会影响翻腾的频率，当朝向正刺激物游动时，翻腾的频率小，而前进（跑）的时间长。当避开负刺激物时，翻腾的频率大，而前进的时间短。722.3.1.1细菌的菌毛

有些细菌表面着生有纤细的菌毛，菌毛较鞭毛细，短而直，由许多蛋白质亚基排列而成。菌毛并非运动器官，其功能可能是用以附着在基物上，与致病性有关。有菌毛的细菌，在液体静止培养时会形成菌膜。

73鞭毛和菌毛普遍变形杆菌的长鞭毛和大量的短菌毛在电镜照片中清晰可见74细菌的性毛性毛主要存在于某些革兰氏阴性菌的表面，它的功能是使细菌接合。性毛在形态上与鞭毛和菌毛都不同。性毛的主要功能是在细胞接合时起桥梁作用。752.3.1.2真核微生物的鞭毛和纤毛

某些低等的水生真菌和藻类的游动孢子和配子以及许多原生动物细胞表面有鞭毛，单极生或双极生。鞭毛和纤毛是运动器官，二者内部结构也相似，只不过鞭毛长，纤毛短。鞭毛和纤毛主要由鞭杆和基体所组成。鞭杆和基体之间有一过渡区。鞭杆伸出细胞之外，基体则埋在原生质膜中。鞭杆外包围着一层单位膜，此膜与细胞质膜相连。细菌鞭毛则没有膜包围。从鞭杆的横切面看，中央有一对微管，由中央鞘包着；外围环绕有9对二联体。微管的这种排列，称为9+2型。7677功能

真核细胞的鞭毛或纤毛的功能是运动，但和细菌鞭毛的运动方式完全不同。它们是以波浪形摆动（鞭打）以推动细胞前进，而不是像细菌鞭毛那样转动。真核细胞鞭毛摆动需要能量，能量来自ATP的分解，每摆动一次要消耗1分子ATP。关于纤毛和鞭毛运动的机制，目前一般都接受Stair于1974年所提出的“滑动微管模式”假说。7879许多微生物在细胞壁外围有荚膜和粘液层。荚膜和粘液层可自细胞上除去而不影响其生命。在形态上它们可以分为三类：

①大荚膜在光学显微镜下可见，有明确的外界面。因为组成这些荚膜的物质不易被染色，通常是用黑墨水负染后观察；②微荚膜在光学显微镜下看不见，但用免疫学的方法可以测出它们的存在。③粘液层它积累在微生物细胞的表面而没有特定的形态结构。产生荚膜的微生物也时常产生粘液层，其组成成分不同于荚膜。2.3.2荚膜和粘液层80细菌的荚膜81荚膜和粘液层的产生，决定于微生物的菌系和营养环境，有荚膜的微生物也可能发生突变，成为没有荚膜的变种。前者在固体培养基上形成粘的光滑菌落。而没有荚膜的菌系形成粗糙的菌落。提取荚膜和粘液层的方法：1.离心培养物；2.稀酸或稀碱提取荚膜。82

化学组成

水是荚膜和粘液层的主要组分。某些芽孢杆菌的荚膜，主要是由多聚谷氨酸组成的，有的还连接有多糖。谷氨酸或D-型或L-型。某些链球菌具有微荚膜，其中含有蛋白质，有抗原性，被称为M抗原。最常见的荚膜和粘液层的有机成分是多糖。1.同多糖，即由一种单糖聚合而成的多糖。2.杂多糖，由多种单糖聚合而成的多糖。荚膜和粘液层与细胞壁之间是如何连接的，大多不明。有人认为是离子键，有些细菌中发现可能以共价键，和细胞壁中的成分结合。83功能

荚膜和粘液层似乎并非细菌生活所必需，但却有保护作用。具有粘液的细菌可以免遭脱水而死亡。有荚膜的细菌在寄主体内可免遭吞噬细胞的消化，因此在致病性上有重要作用。由于突变失去荚膜后，也失去了致病性。炭疽杆菌感染小鼠脾组织涂片，菌体有荚膜84细胞壁通常由两类物质组成一类形成细胞壁的坚实骨架，另一类是胞壁间质。除去间质，不会导致细胞变形，但除去骨架，则细胞将变为球形。在适合的条件下，失去细胞壁的细胞仍能存活，并能再生细胞壁。不同微生物的细胞壁的结构和化学组成各异，是分类鉴定的一个重要指标。

2.4细胞壁

85真细菌细胞壁的骨架物质都是肽聚糖，因组成间质的物质的不同，而区分成革兰氏阳性和阴性菌。前者含磷壁酸，后者含脂多糖和脂蛋白。古细菌细胞壁不含肽聚塘，但其中的某些产甲烷细菌的细胞壁中有类似肽聚搪的物质，被称为假肽聚糖，而某些嗜盐细菌和嗜热嗜酸细菌以及另外的一些产甲烷菌的细胞壁则是由蛋白质或糖蛋白所组成。真核微生物真菌和藻的细胞壁大多由各种多糖所组成，其成分各异。86细菌细胞壁的生物化学研究是近30年来微生物生理学领域中重大进展。不仅了阐明了细胞的细胞壁分子结构，发现在肽聚糖和磷壁酸，也阐明了某些抗生素的作用机理，并对细胞的特异性抗原的性质，有了深入的了解。肽聚糖几乎所有细菌细胞壁中都有肽聚糖，它是由N－乙酰胞壁酸和N－乙酰氨基葡萄糖。以β－1，

4糖苷键交替连接起来的多聚体。由于在N－乙酰胞壁酸上连续有短肽链，而被称为肽聚糖。2.4.1真细菌的细胞壁87

G+细菌的细胞壁革兰氏阳性细菌细胞璧平均厚度约为13-35nm

，最厚的可达80nm。88肽聚糖结构N-乙酰胞壁酸N-乙酰葡萄糖胺肽链五甘氨酸肽桥89组成连接在N－乙酰胞壁酸上的短肽链的氨基酸的特点L-丙D-谷DAD-丙二氨基庚二酸L-赖氨酸D-鸟氨酸L-二氨基丁酸，等DA是指二氨基酸L-丝D-谷氨酰胺90磷壁酸

除肽聚糖外，G+细胞壁的另一主要成分是磷壁酸。用稀酸或碱可将细胞璧中的磷壁酸抽提出来。其量约占细胞壁干重的50%。磷壁酸可分为三种：核糖醇磷壁酸、甘油磷壁酸和脂磷壁酸（膜磷壁酸）。磷壁酸可以以共价键与肽聚糖相连接。核糖醇磷壁酸、甘油磷壁酸可以结合高浓度的二价阳离子，尤其是Mg2+，这有利于细胞壁中的酶活性和保持细胞膜完整。甘油磷壁酸91脂磷壁酸源于原生质膜，并垂直伸向细胞壁外，它是由磷壁酸和糖脂组成的大分子化合物。具有抗原特异性，其抗体能引起细胞壁或完整的细胞团聚，因此推测脂磷壁酸会穿过细胞壁之外，才有可能接受受体。壁醛酸

当某些革兰氏阳性细菌生长在限量磷酸盐的培养基中时，往往不能合成磷壁酸，而代之以壁醛酸。它是由糖醛酸和氨基己糖交替连接而形成的酸性杂多糖，分子结构中不含磷壁酸。92磷壁酸的主要生理功能一通过分子上的大量负电荷浓缩细胞周围的Mg2+，以提高细胞膜上一些合成酶的活性。二贮藏元素。三调节细胞内自溶素（autolysin）的活力，借以防止细胞因自溶而死亡。四作为噬菌体的特异性吸附受体。五赋予G+细菌特异的表面抗原，因而可用于菌种鉴定。六

增强某些致病菌对宿主细胞的粘连，避免被白细胞吞噬，并有抗补体作用。93G-细菌的细胞壁

革兰氏阴性细菌的细胞壁一般都较薄。但是，革兰氏阴性细菌细胞壁的结构却比较复杂。在电子显微镜下观察细菌的超薄切片，可看到细胞壁呈现出多层结构，可区分为外层和内层。细胞壁外层的外侧由脂多糖组成；内侧则由磷脂组成。外层中镶嵌着蛋白质。内层由肽聚糖组成，但含量较少，仅有几层。细胞壁的外层和内层之间由脂蛋白以共价键连接起来。

94G-细菌的细胞壁95脂多糖（LPS）

脂多糖位于革兰氏阴性细菌细胞壁的最外侧，它由O－抗原寡糖，核心寡糖和脂A三部分组成。1.O－抗原寡糖是由4或5种单糖所组成的几个重复单位的聚合体。糖的种类和排列因不同菌而异，具有抗原特异性，称O－抗原。这样的重复单位聚合成为长链，伸向细胞壁外。2.核心寡糖组成核心寡糖的糖类主要由己糖、庚糖、辛糖酸及磷酸和乙醇胺组成。3.脂A脂A的基本结构是二个氨基葡萄糖组成的二糖。脂A有毒性，是一种内毒素。

O－抗原寡糖核心寡糖脂A9697脂蛋白脂蛋白的脂部分构成细胞壁外层的内侧，与之共价结合的蛋白，则可能以其另一端与细胞壁内层的肽聚糖分子共价结合。肽聚糖

G-细菌细胞壁内含肽聚糖不多，只有少数几层，一般只占细胞干重的5%－10%，其仅位细胞壁外层之内，细胞质膜之外。综上所述，G-细胞壁的外层也是双分子层组成的，形如细胞质膜的磷脂双层结构，其中也镶嵌着各种蛋白质。G-细菌细胞壁的外层也具有选择渗透作用，只允许分子量600－1000之间的分子自由通过。各种溶质运输的蛋白及各种水解酶类都位于细胞壁与细胞质膜之间的周质空间，而G＋细胞所产生的水解酶类，大多都分泌出细胞壁外。982.4.2古细菌的细胞壁嗜热菌的生境a.黄石国家公园的间歇喷泉b.黄石国家公园中的硫火山口99古细菌是近年来被建立起来的一类特殊的细菌。根据化学组成可将古细菌的细胞壁分为两大类：一类是由假肽聚糖或酸性杂多糖组成的；假肽聚糖与肽聚糖结构十分相似，是由N－乙酰氨基葡萄糖与N－乙酰塔罗糖醛酸交替以β－1，3键连接成为多糖链。因此对溶菌酶不敏感，因为短肽链中没的D－丙氨酸，所以对干扰D－丙氨酸的抗生素，青霉素和万古霉素不敏感。100另一类是由六角形规则排列的蛋白质或糖蛋白的亚单位组成。古细菌并没有共同的细胞壁成分。古细菌大多生活在极端环境下，而细胞壁又直接暴露在环境中，因此研究其细胞壁的组成和结构具的重要意义。独特多糖细胞壁

甲烷八叠球菌(Methanosarcina)的细胞壁含有独特的多糖，并可染成革兰氏阳性。这种多糖含半乳糖胺、葡糖醛酸、葡萄糖和乙酸，不含磷酸和硫酸。硫酸化多糖细胞壁

极端嗜盐古生菌——盐球菌属(Halococcus)的细胞壁是由硫酸化多糖组成的。其中含葡萄糖、甘露糖、半乳糖和它们的氨基糖，以及糖醛酸和乙酸。101糖蛋白(glycoprotein)极端嗜盐的另一属古生菌——盐杆菌属(Halobacterium)的细胞壁是由糖蛋白组成的，其中包括葡萄糖、葡糖胺、甘露糖、核糖和阿拉伯糖，而它的蛋白部分则由大量酸性氨基酸尤其是天冬氨酸组成。这种带强负电荷的细胞壁可以平衡环境中高浓度的Na+，从而使其能很好地生活在20%～25%高盐溶液中。蛋白质细胞壁少数产甲烷菌的细胞壁是由蛋白质组成的。但有的是由几种不同蛋白组成，如甲烷球菌(Methanococcus)和甲烷微菌(Methanomicrobium)，而另一些则由同种蛋白的许多亚基组成，例如甲烷螺菌属(Methanospirillum)。102真菌细胞壁的主要成分是多糖，此外也含有少量蛋白质和脂类。2.4.3真菌的细胞壁葡聚糖和甘露聚糖纤维素组成细胞壁骨架几丁质和葡聚糖1032.4.3.1酵母菌细胞壁

厚约70nm，主要成分是葡聚糖、甘露聚糖蛋白质和几丁质，三者共占细胞壁干重的90%以上。此外还含有少量的脂类。甘露糖蛋白几丁质麦角甾醇104葡聚糖

由D－葡萄吡喃糖以α，1→6键连接，支链点有1→2、1→3、1→4连接的。随着微生物种类和生长条件的不同，其结构也有差别啤酒酵母菌细胞壁葡聚糖β-1，3-葡聚糖葡聚糖β-1，6-葡聚糖形成长而扭曲的链，一侧是亲水的，另一侧是疏水的，两条相对形成双螺旋结构次要的，呈网状不易溶解稀酸处理细胞壁易被溶解105甘露聚糖蛋白质

它是甘露聚糖和蛋白质共价结合形成的复合物，甘露聚糖占90%，蛋白质占10%。甘露聚糖蛋白质位于细胞壁外侧，形成网状，具有抗原性。几丁质

几丁质多存在于酵母菌细胞壁的芽痕的周围。几丁质是许多N－乙酰氨基葡萄糖以β-1，4键连接起来的直线多聚体，没有分枝。大多数酵母菌只在出芽时才开始合成几丁质。1062.4.3.2丝状真菌的细胞壁

不同分类地位的丝状真菌的细胞壁化学组成不尽相同，可作为分类鉴定的指标。担子菌和半知菌，如黑曲霉，它的细胞壁多糖，除几丁质外，主要是α-1，3-葡聚糖。在子囊菌中，研究较多的是粗糙脉孢霉，它的细胞壁的主要成分也是几丁质和葡聚糖，但葡聚糖主要是以β-键连接的。107在多数藻类中，其细胞壁的结构骨架都是由纤维素组成的，纤维素的微纤丝在细胞中是成层排列的。有些是以木聚糖和甘露聚糖作为骨架的。藻类细胞壁的间质多糖大多是杂多糖，此外，也可能含有少量的蛋白质和脂类。有些藻的细胞壁中可沉积有硅和碳酸钙。硅化作用在硅藻中很普遍，硅约占细胞干重的50%以上。2.4.4藻类的细胞壁108原生质膜也称细胞质膜，它紧位于细胞壁之内，约占细胞干重的10%。细胞质膜是十分重要的亚细胞结构，如遭破坏，细胞将死亡。细菌的质膜起着与真核细胞中存在于细胞器上的某些相同功能。在微生物中，原生质膜的主要功能是：

①选择性吸收营养物质和排出代谢产物（所有生物细胞的细胞质膜都有此功能）；

②作为原核生物产生能量的场所（在真核生物中，此功能由线粒体完成）；2.5原生质膜组成109

③作为合成某些亚细胞结构（如细菌的细胞壁和荚膜等表面附属物）的物质的场所。由此看来，细胞质膜无疑是一个代谢活动十分活跃的亚细胞结构。原生质膜功能的多样化，取决于组成原生质膜各种组分的空间排列有序，但对这方面的了解，目前还相差甚远。110已报道的被分析过原生质膜成分的微生物并不多，而且限于那些容易制备成原生质体的微生物。用平衡密度梯度离心法，可自破碎的原生质体悬液中分离出原生质膜碎片，经洗涤纯化后，可用于研究其化学组成。组成原生质膜的主要物质是脂类和蛋白质，其中蛋白质占50%-65%。2.5.1化学组成1112.5.1.1脂类真细菌

1.磷脂，甘油-3-磷酸的衍生物；

2.糖脂，糖基二脂酰甘油或脂酰化糖；

3.鞘脂，鞘氨醇代替甘油分子形成磷脂；

4.其它脂类，微量非极性脂类。如泛醌（CoQ）和萘醌（MK），等等。

古细菌其原生质膜中含有特殊脂类。

真核微生物原生质膜中所含的脂类只在啤酒酵母菌中被仔细研究过。酵母菌的原生质膜中含有两种主要的脂类：甘油磷脂和甾醇。摩尔比为5：1。1122.5.1.2蛋白质

蛋白质是组成微生物原生质膜的另一重要成分。从功能来看，膜蛋白主要可分为两大类：运输蛋白决定物质的跨膜运输；酶蛋白有关细胞壁、荚膜和细胞质膜合成的酶类，以及一些水解酶类，如脂酶、蛋白酶和肽酶等。在膜蛋白中，研究得比较深入的是H+-ATP酶和嗜盐菌紫膜中的细菌视紫红蛋白，前者兼有ATP的水解和ATP合成的双重作用，是水解还是合成，取决于细胞的生理状态，后者是光驱动的质子泵，它与H+-ATP酶配合，进行光合磷酸化作用。113ATP复合酶（H+-ATP酶）114细菌视紫红蛋白

这种蛋白是嗜盐菌紫膜中所特有的，每分子蛋白上有一分子视黄醛与多肽链的一个赖氨酸结合在一起，而成为具有紫红色的蛋白质。每分子细菌视紫红蛋白有7段a-螺旋结构组成。115当照光时，视黄醛放出H+至细胞膜外，失去H+的视黄醛又自细胞质内获得H+

，在光下又被排出，如此反复进行，而造成膜内外的质子密度梯度。迫使外部H+通过膜中的H+－ATP酶回到细胞质内，在此过程中合成了ATP。因此可以把细菌视紫红质看作是光驱动的质子泵，配合上H+－ATP酶，构成了一个最简单的光合磷酸化体系。116基因组是生物贮存遗传信息的场所。在非细胞形态的噬菌体和病毒中，遗传信息贮存在DNA或RNA大分子中，而细胞微生物的遗传信息则几乎仅存在DNA中。染色体是贮存生物遗传信息的主要场所，除染色体外，在有些微生物中还有些次要的遗传性状贮存在独立于染色体之外的DNA分子中，这些DNA分子较小，呈环状，能独立进行复制，因此也应列入基因组中，为了区别于染色体，称这类基因组为质粒。2.6基因组117腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶118

细菌染色体

细菌生活所必需的全部遗传信息都贮存在染色体中。一般每个细菌细胞只含一个染色体，它是一个高度折叠的环状DNA大分子，游离于细胞质中一定的区域，虽然役有膜包围，但与细胞质膜有一定联系。如，大肠杆菌染色体是一团具有许多环状结构超卷曲的DNA大分子。在生活细胞中依赖DNA回旋酶的作用使环状DNA分子组成超螺旋结构。细菌的染色体是主要的基因组，大约共携带有5000个基因，分别编码各种细胞蛋白质及rRNA和tRNA。2.6.1原核生物的基因组119正在进行生长的细胞中的拟核，并不呈现致密的球形，而有突出物伸入细胞质中在光学显微镜下，在生长的芽孢杆菌细胞的拟核120

质粒质粒是独立于染色体之外的基因组，也是环状DNA分子并能独立进行复制。质粒DNA比染色体DNA分子小，携带的基因数目也少。不同的质粒携带有不同的基因，但其产物并非细胞生命所必需，失去质粒的细胞在正常条件下仍可存活。自细胞中分离出的质粒DNA大多呈超螺旋构型，即环状的双螺旋DNA分子自身扭曲成再次螺旋的结构，这种超螺旋构型的DNA称为共价闭合环状双螺旋DNA(cccDNA)，这种构型可能就是存在于细胞中的形式。121目前自然界中被发现的质粒种类越来越多，质粒的表型也有很多，如产生某些抗生素，产生性毛，产生细菌素，产生内毒素，降解复杂的有机化合物，固定氮素和诱发植物癌肿等。122插入序列和转座子质粒可通过一些插入序列整合到染色体上。插入序列（简称IS）是一个具有特殊碱基序列的一小段DNA片断，大约有1000个左右碱基对。其特点是两端的碱基排列是逆向重复的序列。所谓转座子实际上就是编码有特定基因的插入序列，所携带的基因大多是抗生素－抗性基因。123转座酶基因其他基因转座子插入序列插入序列124基因组染色体质粒主要；携带生活所必须的全部基因次要；携带非生活所必须基因独立进行自我复制插入序列转座子最简单的转座子125真核生物的基因组与原核生物基因组的显著区别，是前者被双层单位膜所包围，形成定型细胞核。核膜上有小孔，可允许较大的分子通过。核外膜与内质网膜连接。真核生物的染色体是由线形DNA分子和组蛋白组成的。在每个细胞核中不只一个染色体。此外，细胞核中还含有l个或几个核仁，核仁中富含RNA，它是合成rRNA的场所。2.6.2真核微生物的基因组126127核小体组成真核生物染色体的基本单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白所组成的颗粒。在核小体之间由DNA相连，形成串珠状，此时称为染色质，充满在核中。此外，真核生物基因组除染色体外，也有环状质粒的存在，但只有啤酒酵母菌的2µm质粒被公认。组蛋白核小体128核蛋白体又称核糖体，它是细胞合成蛋白质的场所。作为一种细胞器，核蛋白体不像细胞核、线粒体和叶绿体那样由膜包围，2.7核蛋白体而是游离于细胞质中（原核生物）或附着在内质网膜上(真核生物)。核蛋白体是由核糖核酸（RNA）(60%)和蛋白质组成的颗粒(40%)。129在一个细菌中通常含有约10000个核蛋白体，这个数目会随细菌生长速度而变化，生长越快的细胞中核蛋白体的数目也越多。从细菌和蓝细菌中分离出的核蛋白体的沉降系数是70s

，由大小二个亚单位所组成。小亚单位的沉降系数为30s，大亚单位的沉降系数为50s。

2.7.1原核生物的核蛋白体130真核生物的核蛋白体较原核生物的大，其沉降系数一般为80s，由40s和60s两个亚单位组成。在真核细胞中除细胞质中有许多核蛋白体外，在线粒体和叶绿体中还有它们自己的核蛋白体。这些细胞器中的核蛋白体具有原核生物核蛋白体的性质，大多是70s的。2.7.2真核生物的核蛋白体131

核蛋白体的组成核蛋白体原核生物真核生物蛋白质S值rRNA蛋白质S值rRNA小亚基21种30S16S33种40S18S大亚基34种50S23S5S49种60S28S5.8S5S核蛋白体70S80S132133除细胞质膜包围着细胞外，在细胞质内也存在着膜系统。一般来说，原核生物细胞的内膜系统远不如真核细胞的内膜系统那么发达，而且也缺少由膜所包围的细胞器。但在许多原核生物细胞中也有程度不同的内膜结构。从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。2.8细胞内膜系统

134蛋白质分选与运输细胞内合成的蛋白质、脂类等物质之所以能够定向的转运到特定的细胞器取决于两个方面：其一是蛋白质中包含特殊的信号序列（signalequence）。其二是细胞器上具特定的信号识别装置（分选受体，sortingreceptor）。细胞内膜系统之间的物质传递常常通过膜泡运输方式进行。各类运输泡之所能够被准确地运到靶细胞器，主要取决于膜的表面识别特征。135在原核生物的细菌和蓝细菌中已发现了三种类型的内膜结沟。它们分别是间体、光合膜和其他内膜系统。2.8.1.1间体

大多数革兰氏阳性细菌和某些革兰氏阴性细菌中都有间体。间体是由细胞质膜内陷形成的一种袋囊，其中充满着管状的或层状的泡囊。2.8.1原核生物的细胞内膜系统136间体的生理功能尽管有许多猜测，但还是都缺少令人信服的直接证据。一个似乎有理的说法是可能与隔膜形成有关。可以想象间体涉及到细胞壁多聚体的合成或是调控形成细胞壁所必需的酶的活性。此外，也有人认为间体与控制细胞分裂有关。1372.8.1.2光合膜在光合细菌和蓝细菌中有能进行光合作用的膜结构。形态有的呈泡囊状，有的呈管状，有的呈片层状，大多与质膜相连。外围没有膜包围，而是分散在细胞质中。运动外硫红螺菌1382.8.1.3其他内膜系统在硝化细菌和甲烷氧化菌中有很明显的内膜系统。它们在细胞中的排列不同于真核细胞中的内质网，有二种类型的排列方式。第l型是盘状泡囊成束地平行排列在细胞中央，第2型是双层膜沿细胞的边缘平行排列。这些内膜似乎与氧化气体取得能量有关。海洋硝化囊菌139真核生物有比较发达的内膜系统，并组成各种细胞器。除已讲过的细胞核外，真核生物的细胞器还有内质网，高尔基体，线粒体和叶绿体。这些细胞器各自执行其特殊的生理功能。2.8.2.1内质网

真核细胞中有内膜组成的网状结构，称为内质网，内质网沟通着细胞的各个部分，它与细胞质膜、细胞核、线粒体等都有联系。

2.8.2真核生物的细胞内膜系统140有两种形式的内质网：一种是粗糙型的，其上附着许多核蛋白体，另一种是光滑型的，没有核蛋白体附着。141核蛋白体合成的蛋白质通过内质网渠道被运输至细胞质膜上或分泌于细胞之外。此外，许多酶都与内质网有联系，为酶的活性提供了大的表面积。142最早发现于1855年，1889年，Golgi用银染法，在猫头鹰的神经细胞内观察到了清晰的结构，因此定名为高尔基体。20世纪50年代以后才正确认识它的存在和结构。1432.8.2.2高尔基体与粗糙型内质网紧密相连，通常高尔基体是由4到8个扁平的膜袋（称为高尔基体）堆叠而成的。由核蛋白体所合成的蛋白质首先转移到高尔基体中。高尔基体具有合成的活性，在那里可将脂类和多糖结合到蛋白质上形成脂蛋白、糖蛋白和各种多糖的衍生物，由高尔基体形成分泌泡囊，移动到细胞质膜处，再释放出其中的内含物。高尔基体（膜袋）外周管分泌泡囊1442.8.2.3线粒体是真核生物产生能量的细胞器。内外膜和脊都是脂蛋白组成的。蛋白质含量与脂类相当，主要是一些结构蛋白和酶类。线粒体有自身的基因组，一般是一个环状的DNA分子，称为线粒体DNA（mtDNA）。线粒体也能以一分为二的方式进行直接分裂。但不能独立生活。1452.8.2.4叶绿体光合真核生物的细胞器，它也由双层单位膜包围，功能是依靠其中的光合色素（叶绿素）将光能转变为化学能（ATP）。叶绿体类囊体膜中含有光合色素。叶绿素和类胡萝卜素。光合生物利用化学能和还原力将CO2和H2O还原成碳水化合物。1462.8.2.5溶酶体许多真核细胞中都有溶酶体。为小球形，其中含有许多水解酶类，消化进入细胞的大分子化合物。溶酶体只有一层单位膜所包围，不致分解细胞其他结构，但生长后可释放水解酶，造成细胞自溶。147真核细胞中生化合成、分泌和内吞作用的动态网络

内膜系统中的结构是不断变化的，其各自的位置是处于流动状态。正是这种流动状态，将细胞的合成活动、分泌活动和内吞活动连成了一种网络结构，在各内膜结构之间常常看到一些小泡来回穿梭，这些小泡分别是从内质网、高尔基体和细胞质膜上产生的，这就使内膜系统的结构处于一个动态平衡。1482.8.2.6微体是一类具有特殊生理功能的小型细胞器，是由一层单位膜包围而成的圆形小体，其直径一般比溶酶体还要小些。按照微体的生化功能可区分为过氧化物小体（排除H2O2对细胞的毒害）和乙醛酸小体（及时回补三羧酸中间产物的消耗）。2.8.2.7液泡在真核微生物细胞中，有各种由一层单位膜所包围的液泡。酵母菌液泡有溶质，用以维持细胞的渗透压。149总结

了解微生物细胞的化学组成及细胞结构的研究方法，掌握各类微生物细胞壁的结构和生物膜系统。

真、原核微生物细胞的异同点

微生物细胞的表面结构及附着物

微生物的细胞壁

微生物的细胞膜

微生物原生质内的亚细胞结构第3章微生物的营养151微生物为了生存，需要不断地自外界吸取各种营养物质，从中获得能量、合成新的细胞物质，维持细胞内一定的pH及离子组成。不同微生物对营养需要不同，构成不同的营养类型。微生物所吸收的水、碳、氮化合物、生长因子、矿质元素及氧，都有着不同的生理作用。小分子营养物质和大分子营养物质有着不同的运输过程及机理。第3章微生物的营养

152以光作能源，以无机化合物作供氢体，还原二氧化碳，合成细胞物质。从无机化合物氧化中取得能量，以二氧化碳作为碳源。能量来自光，需要有机物作供氢体还原二氧化碳，合成细胞物质。能量来自有机化合物氧化所产生的化学能，以有机化合物作为碳源。光能自养型

化能自养型

光能异养型

化能异养型

根据微生物所利用的碳源和能源

3.1微生物的营养类型

153化能异养型微生物又可分为腐生的和寄生的两类。腐生是利用无生命的有机物（包括动植物的残体）作为营养物质。寄生是生活在其他生物体内，从寄主体内吸取营养物质，进行生长繁殖，离开寄主便不能生存。在腐生和寄生微生物之间，又存在有中间类型的兼性腐生微生物或兼性寄生微生物。有些细菌并不是某型营养的专性菌，外界条件改变时，可由自养型变为异养型，或由光能型变为化能型。例如氢细菌(Hydrogenomonas)在只有无机物的环境中，利用氧化氢所获得的能量还原CO2合成细胞物质。而当有机物存在时，能直接利用有机物进行异养代谢。2.16NO3-+7.24H2+0.8CO2→0.16C5H7O2N+N2+5.6H2O+2.16OH-

154微生物细胞的化学分析表明，它们也是由碳、氢、氧、氮、硫、钾、钠、钙、镁、氯、铁、锰、钴、锌、钼、钨、镍等元素组成，这些构成生物体的元素称为生物元素。为了维持微生物体的正常生命活动，必须供给营养物质，满足微生物需要的生物元素。根据微生物对这些元素的需要量不同，可以区分为大量元素和微量元素。3.2微生物的营养物质155这些生物元素以无机盐或有机化合物的形式构成各种细胞物质，存在于细胞中。此外还有水，这也是微生物生存的不可缺少的物质。大量元素10-4mol/L微量元素碳、氮、氢、氧、磷、硫、钾、镁、钙、铁。锌、锰、钠、氯、铝、硒、钴、铜、钨、镍、硼等156凡能供给微生物碳素，构成细胞和代谢产物中碳架来源的物质，都是微生物营养的碳源。对化能异养微生物来说碳源还兼有能源的作用，所以碳源不仅是最基本的营养要素，而且需要量大。从简单的碳素化合物到复杂的有机碳化合物都可以被不同的微生物利用。自养微生物以二氧化碳作为唯一碳源，合成各种细胞物质。二氧化碳是一个彻底氧化了的物质，当被还原成为有机碳化合物时，需要能量。不同的自养微生物有不同的能源来源。二氧化碳只作为碳源。

3.2.1碳源157化能异养微生物

以有机碳素化合物作为碳源和能源。几乎各种有机碳素化合物，都可被不同的微生物所利用，包括不含氧的碳氢化合物如石蜡，而作为异养微生物主要的碳源有：单糖、寡糖（由两种或几种单糖组成的糖）、多糖、有机酸、醇、脂类、芳香化合物以及烃类等。氨基酸也能作为碳源。以氨基酸作碳源是不经济的。但有些厌氧梭菌不能利用碳水化合物，只能利用氨基酸作为碳源、氮源、能源而生长。158不同微生物对各种碳源利用能力不同。一般地说，糖类是最好的碳源，其中单糖利用率高于多糖，己糖高于戊糖。几乎所有微生物都能利用葡萄糖和果糖。醇类中的甘露醇、甘油利用率较高，低浓度乙醇可被某些酵母菌和醋酸菌利用。有机酸类可以作为碳源，但是它们不易透过细胞（特别是酮酸），故较难以利用。脂类因其不溶于水，也较难以被利用。某些微生物将脂类水解为甘油和脂肪酸再利用。烃类和芳香族化合物只在有氧的情况下，被某些微生物利用。

含有单糖的培养基要注意灭菌方法，高压加热灭菌容易破坏其结构。工业生产中所供给的碳源大多数来自植物体如山芋粉、玉米粉、麸皮、米糠、糖蜜、野生植物淀粉等，甚至造纸厂的亚硫酸废液、发酵废液等。159凡能提供氮素构成微生物细胞的原生质成分或代谢产物中氮素来源的营养物质，称为氮源。分子态氮、无机氮素化合物及有机氮素化合物都可被不同的微生物利用。氮源一般不提供能量，某些微生物例外。分子态氮只有固氮微生物可以利用，它们通过体内的固氮酶系将分子态氮还原成氨，进而合成有机含氮化合物。但当无机氮或有机氮化合物存在时，固氮酶合成受到阻抑，它们不再固定分子态氮，而直接利用环境中的含氮化合物。

3.2.2

氮源

160绝大多数微生物都能利用铵盐和硝酸盐。有机含氮化合物包括尿素、胺、酰胺、嘌呤、嘧啶、氨基酸、肽和蛋白质等，均可被不同的微生物利用。工业生产中利用的有机氮源是来自动物、植物及微生物体。例如蛋白胨、牛肉膏、鱼粉、血粉、水解蛋白、明胶、干酪素以及各种饼粕粉（黄豆饼、花生饼、棉子饼等）、玉米浆、酵母膏、石油酵母、发酵废液及菌丝体都是良好的氮源。161碳氮比（C/N）农业中微生物培养中有机物中碳的总含量与氮的总含量的比叫做碳氮比微生物发酵中培养基的碳源与氮源比例5C↓1N+5C↓1C25C：1N=需加入氮量=(主材料总碳量÷碳氮比-主材料总氮量)÷待加入物质含氮量162生物不能合成一种或几种微量的有机化合物，必须由外源供给，才能进行生长这类有机化合物称为生长因子。它们包括维生素类、氨基酸类嘌呤和嘧啶类以及脂肪酸和其他膜成分等。有的微生物需要全部的生长因子，有的需要几种，而有的则自身可合成生长因子。微生物对生长因子的需要会随着环境条件改变而变化，培养基的pH值和培养温度，化学组成等因素都会影响微生物对生长因子的需要量。3.2.3生长因子163矿质元素在微生物生命活动中起着重要作用。其中大量元素参与细胞结构物质的组成、能量转移、原生质胶体状态的维持以及控制细胞渗透作用等。微量元素多是酶的活性基组分，或是酶的激活剂，浓度为0.1mg/L或更少就能满足需要量，过量会产生毒害作用。3.2.4矿质元素164在微生物体内70%－90%是水。它是维持微生物生命活动不可缺少的物质。首先，水是原生质的重要成分，使原生质保持溶胶状态，保证代谢活动的正常进行。当含水量减少时，原生质便由溶胶变为凝胶，生命活动大大减缓，如细菌芽孢。如果原生质失水过多，引起原生质胶体破坏，导致菌体死亡。其次，水也是物质代谢的原料，例如一些加水反应过程，没有水将不能进行。3.2.5水165第三，水的介电常数高，又是极性分子，所以是良好的溶剂，不仅可以溶解无机盐，也能溶解一些不能解离的有机化合物。这些物质只有呈溶解状态才能被微生物吸收、利用。第四，水的比热高，并有较高的导热性，能有效地吸收代谢过程中所放出的热能，使温度不致骤然上升。有利于散热，便于调节温度。166微生物对水分的吸收或排出决定于水的活度。水活度用aw表示，是指在一定的温度和压力下，溶液的蒸汽压和纯水蒸汽压之比：在常温常压下，纯水的aw为1.00。当溶质溶解在水中以后，使溶液分子之间的引力增加，冰点下降，沸点上升，蒸汽压下降，aw变小。所以说溶液浓度与水活度成反比，溶质越多aw值越小，反之，aw越大。aw167而同一浓度的不同物质，由于其分子量不同，或在水中解离度不同，表现出aw大小不同。每一种微生物都有其最适和最低的aw值。从整体来说细菌比酵母菌、霉菌要求更高的aw值（0.99-0.93）。一般地说，必须满足微生物所要求的水活度，才能正常地进行生命活动。168氧也是好氧性微生物不可缺少的营养物质之一，它参与某些物质代谢中的加氧反应。特别重要的作用在于氧是物质有氧降解中最终的电子受体，从这个过程中，产生出微生物进行生命活动所需要的能量。根据微生物对氧的需求，可将其分为，专性好氧微生物；专性厌氧微生物；耐氧厌氧微生物；兼性厌氧微生物；微好氧微生物。3.2.6氧169专性厌氧专性好氧耐氧厌氧微好氧兼性厌氧170营养物质必须是溶质或溶解（气体）状态才能吸收。目前认为营养物质跨膜运输有四种运输机制：被动运输、促进扩散、主动运输及基团转移。3.3小分子营养物质的吸收

微生物细胞具有极大的表面积，可以很快地、大量地从外界吸收营养物质，满足自身代谢的需要。由于微生物细胞结构简单，没有专门的吸收、分泌器官。171被动运输是物质运输的一种最简单的形式。这种形式不需要能量，是以物质在细胞内外的浓度差为动力，即基于分子的热运动而进行的物质运输过程。当外界的营养物质的浓度高于细胞内该物质的浓度时，通过扩散作用使物质进入细胞内。这种运输形式也称为单纯扩散。3.3.1被动运输172这是一个可逆的过程，运输的速率随浓度差降低而减缓，直至细胞内外物质浓度达到动态平衡为止。通过被动运输进入细胞内的物质，主要是一些脂溶性小分子物质，气体（如氧）、水及某些离子。离子不同，扩散速度也不同，一般一价离子＞二价离子＞三价离子。173促进扩散与被动运输相似，也是顺浓度梯度，将外界物质运入细胞内，不需要能量。与被动运输不同的是，这种形式需要一种存在于膜上的载体蛋白参与运输。这种载体蛋白也被称为“渗透酶”，它与其他酶类不同，不显示催化活性，被运送的物质不发生化学变化。3.3.2促进扩散174这种载体蛋白通过热扩散自由地在膜上来回运动，在膜的外表面与被运物质特异地结合，形成复合物向膜内扩散，并将被运物释放到膜内，载体蛋白又恢复到原来状态，继续不断的把胞外高浓度的物质，运输到膜内。175但如同某些酶的合成一样，可以被诱导和被阻遏。这种形式较无载体蛋白的运输速率快，并表现出当增加被运输物质浓度时，能增大运输速度，而达到一定水平后会出现饱和点。载体蛋白具有高度的特异性，被运物质的光学异构体或结构类似物，都表现出不同的运输速度和不同的亲和性常数。176主动运输是营养物质逆浓度差和膜电位差运送到细胞膜内的过程。通过主动运输可以使细胞内累积的溶质浓度比细胞外溶质浓度大几百到几千倍。主动运输过程不仅像促进扩散一样需要载体蛋白，而且还需要能量。主动运输的能量来源有两种方式：一种是质子动力型，另一种方式是ATP动力型。

3.3.3主动运输

177细菌、古生菌和真核微生物具有结合蛋白转运系统或ATP结合性盒型转运蛋白，这类转运蛋白常常是由两个疏水跨膜域组成并与胞内的两个核苷酸结合域形成复合物。核苷酸结合域结合ATP，ATP水解促使物质吸收。转运蛋白核苷酸结合域溶质结合蛋白