第一章 细胞结构和功能

任课教师：卢伟东联系电话系地址：生物楼B305普通微生物学第一章微生物细胞的结构和功能第一节细胞的化学性质第二节原核生物细胞的结构与功能第三节真核细胞与原核细胞结构的异同营养方面生长能力分化信号传递进化

微生物的每个细胞都是一部完整、独立存在的复杂“机器”和“编码装置”，并有一套由遗传成分编码的程序，控制着性状的代代相传。

微生物细胞是一个能够进行复杂化学反应的系统，同任何非生物的化学反应系统有本质区别，表现在下列诸方面：1、微生物细胞壁的组成和肽聚糖的结构。2、革兰氏染色的原理和步骤；G+和G-菌的细胞壁有什么主要区别？3、细胞质膜的主要功能是什么？4、原核细胞和真核细胞的主要区别是什么？5、什么是芽孢，芽孢的结构是什么？6、芽孢和孢囊的区别是什么？7、鞭毛由哪三个部分组成？重点和难点：第一节细胞的化学性质

有机物无机物大分子有机物：蛋白质、核酸、脂类、碳水化合物小分子有机物：氨基酸、核苷酸、辅酶等占细胞干物重的99%。小分子无机物和离子糖类脂肪酸核苷酸氨基酸多糖脂类核酸蛋白质单体多聚体大量元素微量元素第二节原核生物细胞的结构与功能

细胞壁细胞质细胞质膜原生质体基本结构特殊结构鞭毛芽孢荚膜细胞结构原核微生物:一大类细胞核无核膜包裹，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群。一般结构：一般细菌都有的构造特殊结构：部分细菌具有的或一般细菌在特殊环境下才有的（一）细胞壁（cellwall）细胞壁的功能:

b.鞭毛运动的支点c.细胞壁的化学成分与细菌的抗原性、致病性及对噬菌体的敏感性有关a.保护作用

细胞壁是位于细胞表面，内侧紧贴细胞膜的一层较为坚韧，略具弹性的细胞结构。约占干重的10－25%。不同细菌细胞壁的化学组成和结构不同，通过革兰氏染色法可将所有的细菌分为革兰氏阳性（G+）细菌和革兰氏阴性（G-）细菌。

G+细胞壁结构肽聚糖细胞膜壁膜间隙肽聚糖：又称粘肽、胞壁质或粘质复合物，由氨基糖和氨基酸组成，氨基糖为NAM和NAG，二者或通过β-1,4糖苷建相连或通过间桥而交替相连形成长链，是真细菌细胞壁中的特有成分，为细胞壁的基本骨架。脂多糖外膜壁膜间隙和肽聚糖细胞膜肽聚糖层孔道蛋白整合蛋白布氏脂蛋白磷脂G-细胞壁结构

G-菌也有肽聚糖，仅占细胞壁干重的5-10%。肽聚糖结构与G+菌相同，但组成有异：短肽尾的３号位上L-Lys往往被其他二氨酸取代.(2)革兰氏阴性细菌的细胞壁成分G-细菌细胞壁的组成和结构比G+菌更复杂。主要成份为：脂多糖、磷脂、脂蛋白、肽聚糖。革兰氏阳性菌（G+）和G-细胞壁模式图

G+菌细胞壁化学组成以肽聚糖(peptidoglycan)为主。这是原核微生物所特有的成份，占细胞壁物质总量的40-90%。二者结构的比较两者细胞壁成分的比较：成分占细胞壁干重的%G+G-

肽聚糖含量很高（50~90%），层厚含量很低（~10%），层薄磷壁酸多数含有，含量较低（一般~10%，<50%)无类脂质一般无含量较高（~20%）蛋白质无含量较高G-和G+肽聚糖单体差别：四肽尾的第3个氨基酸不是L-lys，而是被内消旋二氨基二酸（m-DAP）所代替没有特殊的肽桥，其前后两个单体间的连接仅通过甲四肽尾的第4个氨基酸-D-Ala的羧基与乙四肽尾的第3个氨基酸-m-DAP的氨基直接相连。N-乙酰葡糖胺N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸代替NAM，无胞壁酸β-1,3糖苷键连接不被溶菌酶水解3个L-氨基酸形成肽尾，没有D-氨基酸肽桥由L-glu一个氨基酸组成古生菌假肽聚糖β-1,3糖苷键不被溶菌酶水解N-乙酰葡糖胺和N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸交替连接而成，连在后一氨基糖上的肽尾由L-glu、L-ala和L-lys三个L型氨基酸组成，肽桥则由L-glu一个氨基酸组成。古菌的细胞壁—假肽聚糖1884年，丹麦医生革兰发明革兰氏染色技术（Gramstain）HansChristiamGram1用碱性染料结晶紫对菌液涂片进行初染1min2用碘溶液进行媒染1min

，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牢固。3用乙醇或丙酮冲洗进行脱色20-30s

。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5min

。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步骤：涂片固定；结晶紫初染1min；碘液媒染1min；

95%乙醇脱色0.5min；番红复染2min。结果:

阳性菌——紫色；阴性菌——红色。革兰氏染色的机制：

细菌的不同显色反应是由于细胞壁对乙醇的通透性和抗脱色能力的差异，主要是肽聚糖层厚度和结构决定的。革兰氏染色的机制：

简而言之，不同细菌的染色差异（G+或G-）是由于细胞壁化学成分的差异而引起了物理特性（脱色能力）的不同。具体而言：通过初染和媒染后，在细胞膜内形成了不溶于水的结晶紫与碘的复合物。G+菌由于细胞壁厚，肽聚糖网层次多而交联紧密，并且不含类脂，故以乙醇脱色时不会溶出缝隙，反而使肽聚糖网孔收缩，使染料滞留在细胞壁内而使其染上紫色；反之，G-菌由于细胞壁薄，外膜层类脂含量高，肽聚糖层薄和交联度差，当遇到乙醇时，以类脂为主的的外膜迅速溶解，这时薄而松散的肽聚糖网不能阻挡结晶紫与碘的复合物的溶出，故细胞退成无色。再经沙黄等红色染料复染时，就使G-菌呈现红色，而G+菌仍保留紫色或紫红色。细菌细胞壁的多样性

并非所有细菌都表现稳定的革兰氏染色特性，某些细胞具有革兰氏染色可变性不同生长时期对古细菌的革兰氏染色反应研究较少无壁细菌(二）壁膜间隙含三类蛋白质水解酶：催化食物的初步降解;结合蛋白：启动物质转运过程;化学受体：在趋化性中起作用 。质膜的结构和化学成分磷脂双分子层蛋白质边缘蛋白：占膜蛋白的20-30%，溶于水；整合蛋白：占膜蛋白的70-80%，不溶于水；五环类固醇物：无固醇，支原体质膜中含有。（三）细胞质膜和内膜系统液态镶嵌模型(fluidmosaicmodel)1972年，辛格（J.S.Singer）和尼科尔森（G.L.Nicolson）①膜的主体是脂质双分子层；②脂质双分子层具有流动性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂质双分子层的疏水性内层中；④周边蛋白表面含有亲水基团，故可通过静电引力与脂质双分子层表面的极性头相连；⑤脂质分子间或脂质与蛋白质分子间无共价结合；⑥脂质双分子层犹如一“海洋”，周边蛋白可在其上作“漂浮”运动，而整合蛋白则似“冰山”状沉浸在其中作横向移动。质膜的功能①选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；②是维持细胞内正常渗透压的屏障；③质膜在细胞壁的合成中起作用，合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地；④呼吸和磷酸化，膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所；⑤是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；内含体（inclusionbody）气泡（gasvacuole）磁体（magnetosome）羧酶体（carboxysome）贮藏物（reservematerial）许多光合细菌和水生细菌、盐杆菌常含有气泡

功能：调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能、O2和营养物质水生螺菌属和嗜胆球菌属等趋磁细菌中含有磁小体。成分为Fe3O4，形状为平截八面体、平行六面体或六棱柱体羧酶体又称羧化体，是存在于一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物作用：在自养细菌的CO2固定中起着关键作用碳源及能源类氮源类磷源（异染粒）：糖原：大肠杆菌、克雷伯氏菌、芽孢杆菌和蓝细菌等聚β-羟丁酸（PHB）：固氮菌、产碱菌和肠杆菌等硫粒：紫硫细菌、丝硫细菌、贝氏硫杆菌等藻青素：蓝细菌藻青蛋白：蓝细菌迂回螺菌、白喉棒杆菌、结核分枝杆菌贮藏物类脂性质的碳源类贮藏物功能:贮存碳源、能源和降低渗透压。应用：它无毒、可塑、易降解，被认为是生产医用塑料、生物降解塑料的良好原料。聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)细胞的特殊结构芽孢和孢囊鞭毛糖被（荚膜和粘液层）芽孢的类型肉梭菌丁酸梭菌枯草杆菌（1）顶端芽孢（2）近端芽孢（3）中生芽孢

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。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、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。芽孢的结构拟核核糖体芽孢衣皮层孢外壁芽孢核区芽孢质芽孢膜核心芽孢壁（2）细菌芽孢的特点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最重要的指标。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来保藏。产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。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。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）（4）芽孢的耐热机制芽孢与母细胞相比不论化学组成、细微结构、生理功能等方面都完全不同渗透调节皮层膨胀学说芽孢衣对多价阳离子和水分的透性很差皮层的离子强度很高，产生极高的渗透压夺取芽孢核心的水分，结果造成皮层的充分膨胀。核心部分的细胞质却变得高度失水，因此，具极强的耐热性。（3）芽孢的形成与芽孢的萌发过程细菌的胞囊是固氮菌（Azotobacter）尤其是棕色固氮菌（A.vinelandii）等少数细菌在缺乏营养的条件下，由营养细胞的外壁加厚、细胞失水而形成的一种抗干旱但不抗热的圆形休眠体。没有繁殖功能。糖被（glycocalyx）（1)概念

包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质。糖被按其有无固定层次、层次厚薄又可细分为荚膜（capsule或macrocapsule，大荚膜）、微荚膜(microcapsule)、粘液层(s