第二章 原核微生物的形态、结构及功能

第二章原核微生物的

形态、结构及功能谷氨酸棒杆菌白喉棒杆菌分枝杆菌所包括类群：细菌域：细菌、放线菌、蓝细菌、支原体、立克次氏体、衣原体古菌域：如产甲烷菌、嗜热嗜酸菌、极端嗜盐菌原核微生物：指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作核区的裸露DNA的原始单细胞生物。本章主要内容第一节细菌的形态、结构与功能第二节放线菌的形态、结构与功能第三节其他原核微生物第一节细菌细菌是单细胞原核微生物，个体微小，形态简单，以二等分裂方式繁殖。在自然界中，细菌分布最广、数量最多，包括真细菌和古生菌两大类。本节主要内容细菌的形态和大小细菌的结构与功能细菌的繁殖细菌的培养特征一、细菌的形态和大小（一）细菌的个体形态三种基本形态:球状、杆状和螺旋状；各种细菌通常保持其各自特定的形态，可作为分类和鉴定的依据。根据分裂的方向和分裂后新细胞的排列不同，可将其分为：1、球菌（Coccus）：

单菌体呈球状或椭圆形。单球菌双球菌链球菌四联球菌八叠球菌葡萄球菌链球菌双球菌四联球菌葡萄球菌1）根据杆菌的个体差异可分为：长杆菌短杆菌球杆菌分枝杆菌梭状杆菌棒状杆菌球杆菌2、杆菌（Bacillus）：细胞呈杆状或圆柱状，菌体一般平直，也有稍弯曲者。2）根据分裂后菌体的排列方式分为：单杆菌、双杆菌、链杆菌。白喉棒杆菌谷氨酸棒杆菌分枝杆菌短杆菌3、螺旋菌（Spirilla）：螺旋菌弧菌螺旋体菌体弯曲或呈螺旋状。根据弯曲的程度分为：弧菌(vibrio)、螺菌(spirillum)、螺旋体(spirochaeta)柄细菌、肾形菌、臂微菌、网格硫细菌、贝日阿托氏菌(丝状)、具有子实体的粘细菌、三角形、方形等特殊形态的细菌。4、细菌的特殊形态

5、影响细菌形态的因素培养时间、培养温度、培养基成分、浓度、pH值等环境条件对细菌形态都有明显的影响。一般处于幼龄阶段和生长条件适宜时，细菌形态正常、整齐，表现出特定的形态。在较老的培养物中，或不正常的条件下，细胞常出现不正常形态，尤其是杆菌，有的细胞膨大，有的出现梨形，有的产生分枝，有时菌体显著伸长以至呈丝状等异常形态。若将它们转移到新鲜培养基中或适宜的培养条件下又可恢复原来的形态。（二）细菌的大小1、细菌大小的计量单位：微米2、表示方法球菌：直径，0.2～1.25μm4、影响大小的因素：环境因素、营养条件、菌龄。例：一般幼龄菌比老龄菌大。3、大小测定：利用光学显微镜和测微尺螺旋菌：宽度×长度，其长度以其两端点之间的距离记，0.3～1.0μm×50μm杆菌：宽度×长度，0.2～1.25μm×0.3～8.0μm二、细菌的结构与功能细菌的结构包括：特殊结构：鞭毛、菌毛、荚膜、芽孢基本结构：细胞壁、细胞膜、细胞质、原核（核物质）细菌染色法死菌活菌：用美兰或TTC等作活菌染色正染色负染色：简单染色鉴别染色革兰氏染色法抗酸染色法芽孢染色法荚膜染色法等革兰氏染色法（GramStain）革兰氏染色法是细菌细胞的复合染色法，由丹麦医生HansChristianGram于1884年创立。①基本步骤：

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2～3min

②结果：革兰氏阳性菌（G+）——紫色；

革兰氏阴性菌（G-）——红色。

③意义：将所有的细菌分成G+、G-两大类。因此它是分类、鉴定菌种的重要指标。革兰氏阳性革兰氏阴性G+Staphylococcuscells.G-E.colicells细菌的基本结构（一）细胞壁（Cellwall）定义：是位于细胞最外一层厚实、坚韧的外被，主要成分为肽聚糖。功能：①固定细胞外形和提高机械强度；②为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；③阻拦大分子有害物质进入细胞；④赋予细菌特定的抗原性以及对抗生素和噬菌体的敏感性。特点：厚度大（20～80nm），化学组分简单，一般只含90%肽聚糖(peptidoglycan)和10%磷壁酸（teichoicacid）。1、革兰氏阳性（G+）菌的细胞壁(1)肽聚糖25～40层，由肽与聚糖两部分组成三维立体网状结构，交联度高，网状结构坚韧致密。肽聚糖单体组成单位：

双糖单位：N-乙酰葡萄糖胺（NAG），N-乙酰胞壁酸（NAM），二者以β-1,4糖苷键相连，呈长链的骨架状。

四肽侧链：由四个氨基酸分子连接而成，如L-Ala，D-Glu，L-1ys，D-Ala，并连接在NAM上；

肽桥：如金黄色葡萄球菌由5个甘氨酸组成。革兰氏阳性菌肽聚糖立体结构革兰氏阳性细菌肽聚糖单体溶菌酶和青霉素的作用青霉素作用点溶菌酶作用点N-乙酰葡糖胺N-乙酰胞壁酸青霉素与转肽酶结合，而使该酶失活，抑制了侧链末端的丙氨酸与五肽桥的连接，破坏了细菌细胞壁的完整性（即抑制肽聚糖的合成）。因此，Penicillium仅对正在生长着的细菌。溶菌酶可切断NAM和NAG之间的-1，4糖苷键，引起细菌裂解。革兰氏阳性菌肽聚糖在溶菌酶和青霉素的作用下，会遭到破坏，从而使细胞壁发生破裂。磷壁酸（teichoicacid）：革兰氏阳性细菌细胞壁上特有的化学成分，是多聚甘油磷酸和多聚核醇磷酸的衍生物，属一种酸性多糖。按照在细胞壁上的结合部位分为壁磷壁酸和膜磷壁酸。（2）磷壁酸磷壁酸功能：A：因带有负中荷，可以附环境中的Mg2+等阳离子，提高这些离子的浓度，以提高细胞膜上一些合成酶的活力；B：增强某些G+致病菌与其宿主间粘连C：赋予G+细菌以特异的表面抗原；D：作为某些噬菌体的特异性吸附受体；特点：G-菌细胞壁较薄，10～15nm，化学组成和结构较G+复杂。分为内壁层和外壁层。2、革兰氏阴性菌的细胞壁（1）肽聚糖层——内壁层与G+差别——无肽桥，L-Lys被二氨基庚二酸（DAP）取代，并直接与相邻的四肽侧链的D－Ala连接，交联度低（仅25%），网状结构比较疏松，不如G+坚韧紧密。

（2）外膜（外壁层）(outermembrane)

位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层，由脂多糖、磷脂和蛋白质组成。脂多糖的功能：脂多糖由类脂A、核心多糖和O-特异性多糖三部分组成。B：具有吸Mg2+、Ca2+等离子以提高它们在细胞表面的浓度；C：决定了G-细菌细胞表面抗原的多样性；E：具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能。D：是许多噬菌体在细菌细胞表面的吸附受体。A：类脂A是G-细菌致病物质的基础；外膜蛋白质

包括：脂蛋白和孔蛋白。脂蛋白（lipoprotein）是一种通过共价键使外膜层牢固地连接在肽聚糖内壁层上的蛋白，分子量约为7200。孔蛋白（porins）是由三个相同分子量（36000）蛋白亚基组成的一种三聚体跨膜蛋白，中间有一直径约1nm的孔道，通过孔的开、闭，可对进入外膜层的物质进行选择。（3）周质空间（periplasmicspace）又称壁膜间隙，指位于G-细菌外膜层和细胞膜之间的狭窄间隙。其内含有多种蛋白质，是进出细胞物质的重要中转站和反应场所。

一般认为革兰氏阳性菌无周质空间。革兰氏阳性、阴性细菌细胞壁结构膜式图革兰氏染色的机理机理：目前认为革兰氏染色是基于细菌细胞壁在化学组分和结构上的不同。经过初染和媒染后，在细菌的细胞膜或细胞质上染上了结晶紫-碘的大分子复合物。G+细菌由于细胞壁较厚、肽聚糖含量较高、肽聚糖结构较紧密，故用95%乙醇脱色时，肽聚糖网孔会因脱水反而明显收缩，加上G+细菌的细胞壁基本上不含脂类，乙醇处理时不能在壁上溶出缝隙。因此，结晶紫-碘的复合物仍被牢牢阻留在细胞壁以内，使菌体呈现紫色。反之，G-细菌的细胞壁较薄，肽聚糖含量较低，其结构疏松，用乙醇处理时，肽聚糖网孔不易收缩。同时，由于G-细菌的细胞壁脂类含量较高，当乙醇将脂类溶解后，细胞壁上就会出现较大缝隙而使透性增大，所以结晶紫-碘的复合物就会被溶出细胞壁。这时再用番红等红色染液进行复染，就可使G-细菌的细胞呈现复染的红色，而G+细菌则仍呈紫色。3、古生菌的细胞壁古生菌：又称古细菌或古菌，是一个在进化途径上很早就与真细菌和真核生物相互独立的生物类群，主要包括一些独特生态类型的原核生物，如产甲烷菌及大多数嗜极菌，包括极端嗜盐菌、嗜热菌和热原体属等。古生菌细胞壁成分的多样性：假肽聚糖、糖蛋白、蛋白质、独特多糖等等。真细菌革兰氏阳性菌的肽聚糖古细菌甲烷杆菌属中的假肽聚糖N-乙酰塔罗糖胺糖醛酸N-乙酰葡糖胺4、缺壁细菌(二)细胞膜（Cellmembrane）2、组成：占细胞干重的10%，其中脂类20～30%，蛋白质50～70%，糖类1.5～10%，并有微量的金属离子和核酸。3、结构：单位膜结构，由磷脂双分子层和蛋白质组成。磷脂双分子层：磷脂主要是甘油磷脂，由含氮碱基、磷酸、甘油、脂肪酸组成。为两性物质，其中亲水性朝外，亲油性的疏水部分朝内。磷脂膜通常呈液态，其流动性的高低取决于饱和和不饱和脂肪酸的含量。

蛋白质：镶嵌在磷脂中，根据所处位置不同可分为内嵌蛋白和外周蛋白两类。1、定义：又称细胞质膜，原生质膜或质膜，是细胞壁以内包围着细胞质的一层柔软而具弹性的半透性薄膜。

磷脂的分子结构POOOOCH2CHCH2OOCCOOHR细胞膜的结构4、细胞膜的功能B、维持细胞内正常渗透压的功能；A、选择性的控制细胞内外的营养物质和代谢产物的运送。C、含有合成细胞膜脂类分子及细胞壁上各种化合物的酶类，参与细胞膜及细胞壁的合成；D、细胞膜上含有呼吸酶系和ATP合成酶；是原核生物细胞产生能量的主要场所；E、是鞭毛基体的着生部位，并可提供鞭毛旋转运动的能量；F、膜上某些蛋白受体与趋化性有关。5、间体（中体，mesosome）功能：细胞呼吸作用的中心，相当于高等生物的线粒体。与细胞壁合成、核质分裂、芽孢形成等有关。定义：又称中间体，是一种由细胞膜内陷折叠形成的不规则层状、管状或囊状结构，在G+细菌中较为明显。6、古生菌细胞膜的独特性：1）其磷脂的亲水头仍由甘油组成，但疏水尾却由长链烃组成，一般是由异戊二烯的重复单位；2）亲水头与疏水尾之间由特殊的醚键连接，而在其他原核生物中通过酯键连接；3）古生菌细胞膜中存在独特的单分子或单双分子层混合膜；4）甘油分子的C3位上，可连接多种与真细菌和真核生物细胞膜不同的基团；5）细胞膜上有多种独特脂类。（三）细胞质及内含物细胞质（cytoplasm）：是细胞膜内除核区外的无色，透明，黏稠的胶状物质和一些内含物。贮藏物：碳源：聚-β-羟丁酸、糖原和淀粉粒磷源：异染粒其他：磁小体、羧酶体、气泡、质粒聚-β-羟丁酸（PHB）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，因其具有无毒、可塑和易降解等特点，可用于合成可降解性塑料和餐盒等。紫硫细菌中硫颗粒磁细菌中磁小体漂浮在水面的藻青菌(气泡作用)（四）核区（原核、核质体,nucleararea）功能：携带细菌等原核生物绝大多数的遗传信息，是细菌生长发育、新陈代谢和遗传变异的控制中心。核区是原核生物所特有的无核膜包裹、无固定形态的原始细胞核。化学成分是一个大型的环状双链DNA分子。（一）糖被（glycocalyx）1、定义：是包被于某些细胞壁外的一层厚度不定的透明胶状物质。成分一般为多糖，少数是蛋白质或多肽，也有多糖与多肽复合型的。

根据糖被的形状和厚度的不同，将糖被分为荚膜或大荚膜、微荚膜、粘液层、菌胶团。细菌的特殊结构荚膜（capsule）粘液层（slimelayer）菌胶团（zoogloea）2、荚膜功能：

B：贮藏养料A：保护作用C：作为透性屏障和离子交换系统D：表面附着作用E：细菌间的识别作用F：堆积代谢废物应用：鉴定菌种提取葡聚糖提取黄原胶用产菌胶团的菌进行污水处理等3、荚膜与生产实践的关系危害：在食品工业中产荚膜细菌可引起面包、牛奶、酒类和饮料等食品的黏性及发酵工业提取困难。1、定义：生长在某些细菌表面的长丝状、波曲型的蛋白质附属物，具有运动的功能。光学显微镜下所见到的鞭毛电镜下的鞭毛（二）鞭毛（flagellum）2、观察鞭毛的方法：电子显微镜直接观察半固体穿刺培养光学显微镜观察（鞭毛染色）从固体培养基上的菌落形态判断3、结构：由基体、鞭毛钩和鞭毛丝三部分组成。革兰氏阳性菌与阴性菌鞭毛构造的区别4、鞭毛的生理功能是运动，这是原核生物实现其趋性的最有效方式。正趋性：负趋性：生物向着高浓度方向运动趋化性趋光性趋氧性趋磁性运动方向趋性：生物体对其环境中的不同物理、化学或生物因子作有方向性的应答运动称为趋性。环境因子性质弧菌、螺菌类普遍着生鞭毛在杆菌中，假单胞菌都长有端生鞭毛，其余的有周生鞭毛或不长鞭毛球菌一般无鞭毛，仅个别属如Planococcus(动球菌属)才长有鞭毛5、鞭毛的种类端生丛毛菌单端鞭毛菌周毛菌鞭毛的不同旋转方式鞭毛的种类（三）菌毛（fimbria）

菌毛是一种长在细菌体表的纤细、中空、短直且数量较多的蛋白类附属物，具有使菌体附着于物体表面上的功能。（四）性毛（pilus）性毛又称性菌毛，构造和成分与菌毛相同，但比菌毛长，且每个细胞仅一至少数几根，具有向雌性菌株（受体菌）传递遗传物质的作用。（五）芽孢（Spore）1、定义：某些细菌在一定的生长阶段，可在细胞内形成一个圆形，椭圆形或圆柱形高度折光、厚壁、含水量低、抗逆性强的休眠构造，称为芽孢或内生孢子（endospore）。炭疽杆菌芽孢杆菌营养细胞：菌体在形成芽孢之前叫营养细胞或繁殖细胞。芽孢囊：含有芽孢的营养细胞叫芽孢囊。

产生芽孢的多为杆菌，主要是好氧芽孢杆菌属和厌氧性梭状芽孢杆菌属，球菌中除芽孢微球菌属外均不产生芽孢，螺旋菌中只有少数能产芽孢。2、芽孢的特性：含水量低、壁厚而致密，通透性差，不易着色。新陈代谢几乎停止，处于休眠状态。一个芽孢萌发产生一个个体。具有很强的抗热、抗干燥、抗辐射、抗化学药物能力。3、芽孢的耐热机制：渗透调节皮层膨胀学