《原核生物结构》课件

原核生物结构探索微观世界的基础生命形式了解细菌和古菌的结构特征揭示原核生物的独特适应机制课程概述原核生物的定义单细胞无核膜生物原核与真核区别结构复杂度与组织方式不同主要类型细菌和古菌两大领域原核生物的基本特征单细胞结构独立完成生命活动的基本单位无细胞核DNA直接暴露于细胞质中无膜包围细胞器缺乏线粒体、叶绿体等复杂结构原核生物的大小和形态微小尺寸直径0.1-5.0微米球形(球菌)葡萄球菌、链球菌杆状(杆菌)大肠杆菌、枯草杆菌螺旋形(螺旋菌)螺旋体、弯曲菌细胞壁主要功能提供细胞形态支撑防止渗透性破裂抵抗外界压力细菌vs古菌细菌:肽聚糖结构古菌:假肽聚糖或蛋白质化学成分完全不同细菌细胞壁1主要成分肽聚糖(交联的糖肽网络)2革兰氏阳性菌肽聚糖层厚3革兰氏阴性菌肽聚糖层薄,有外膜革兰氏阳性菌细胞壁结构特点多层肽聚糖,厚度20-80nm抗生素敏感性易被青霉素等抑制代表菌种葡萄球菌、链球菌、枯草杆菌革兰氏阴性菌细胞壁1外膜含脂多糖(LPS)2周质空间含酶和运输蛋白3薄肽聚糖层仅2-3nm厚古菌细胞壁多样化结构无统一的肽聚糖组成假肽聚糖不含D-氨基酸和糖胺S-层蛋白晶格排列的糖蛋白网络细胞膜选择性屏障控制物质进出细胞能量转换呼吸链和ATP合成磷脂双层亲水头部,疏水尾部3蛋白质锚定酶和转运蛋白定位细菌细胞膜组成成分磷脂(60-70%)蛋白质(20-30%)少量糖脂功能特点磷脂双分子层结构含电子传递链组分膜内折叠形成嵴古菌细胞膜醚键连接不同于细菌的酯键单层膜结构某些极端嗜热古菌特有环状脂质提高膜稳定性细胞质基质组成水(70-80%)离子和无机盐有机小分子重要功能代谢反应场所RNA和蛋白质合成能量转换细胞质结构核糖体储藏颗粒内膜系统核区（核样体）原核生物染色体环状分子闭合的DNA双链高度压缩超螺旋结构核蛋白HU和H-NS协助折叠单一染色体大肠杆菌约4.6Mb质粒小型环状DNA独立于染色体自主复制含复制起点特殊功能抗生素抗性、毒力因子可转移性通过接合作用传递核糖体70S总体大小真核生物为80S50S大亚基催化肽键形成30S小亚基mRNA解码10000每个细胞平均数量高生长率时更多内膜系统内膜褶皱紫色光合细菌:类囊体硝化细菌:内陷膜蓝细菌:类囊体膜功能意义增加膜表面积光合作用色素定位酶分区与分离储存颗粒多聚磷酸盐糖原多羟基丁酸酯(PHB)硫颗粒脂滴气囊水生环境适应在蓝细菌中常见浮力调节控制水柱中位置光合增强移动至最佳光照深度内道孢子强抵抗力耐热、耐干燥、耐辐射多层保护结构外壳、皮层、内膜代谢休眠降低水含量至15%可复苏适宜条件下发芽荚膜鞭毛主动运动趋化性反应蛋白质结构鞭毛蛋白组装旋转机制质子动力驱动细菌鞭毛的结构鞭毛丝由鞭毛蛋白构成的外部纤维钩部连接鞭毛丝与基体的弯曲结构基体穿透细胞壁和膜的旋转马达C环位于细胞质内的调控组件古菌鞭毛结构特点称为"鞭毛丝"无中空通道蛋白质构成不同组装方式基部添加亚基类似Ⅳ型菌毛不同于细菌鞭毛菌毛（线毛）结构特点比鞭毛短,直径更细粘附功能定植宿主表面基因交换细菌接合过程性菌毛特殊菌毛类型由F质粒编码DNA传递通道细菌"性行为"水平基因转移抗性基因传播原核生物的遗传物质DNA形式环状双链DNA裸露于细胞质无组蛋白包装与真核对比无内含子基因密集排列多顺反子结构辅助遗传元件质粒转座子噬菌体DNA原核生物基因组1-8Mb基因组大小最小仅0.5Mb85%编码区比例真核生物<5%3000+平均基因数大肠杆菌约4300个原核生物的转录1启动Sigma因子识别启动子2延伸RNA聚合酶移动合成mRNA3终止终止序列或Rho因子原核生物的翻译转录-翻译偶联mRNA合成同时进行翻译70S核糖体结合识别SD序列多核糖体形式提高翻译效率3快速过程约每秒添加20个氨基酸原核生物的生长和繁殖时间(小时)细菌数量(对数值)群体感应信号分子释放AHL、肽类自诱导物细胞密度增加信号浓度累积基因表达改变群体行为启动生物膜初始黏附细胞定位表面胞外基质形成多糖、蛋白质、DNA三维结构发展水通道形成成熟与扩散细胞脱离形成新膜原核生物的代谢多样性光能自养型利用光能合成有机物化能自养型氧化无机物获能异养型分解有机物获能混合营养型多种能量来源化能自养型原核生物能量来源氧化无机物如NH₃、H₂S碳源固定CO₂生态位热泉、深海热液口光能自养型原核生物氧发生型主要是蓝细菌光系统Ⅰ+Ⅱ释放O₂非氧发生型紫色硫细菌绿色硫细菌不产生氧气异养型原核生物腐生型分解死亡生物质共生型与宿主互利关系寄生型利用宿主资源极端环境中的原核生物嗜热菌最适温度>80°C热稳定酶系如热球菌属嗜盐菌适应30%盐浓度盐湖和盐田中生存如盐杆菌属嗜酸/嗜碱菌pH0-4或pH9-11特殊的膜脂组成如硫酸杆菌属原核生物的共生关系病原性原核生物粘附定植通过特异性粘附因子毒素产生内毒素和外毒素侵入组织侵袭酶促进扩散免疫逃避荚膜抵抗吞噬抗生素与耐药性抗生素作用抑制细菌关键生命过程耐药性发展突变或基因获得耐药基因传播质粒和转座子介导超级细菌出现多重耐药性菌株原核生物在生物技术中的应用基因克隆外源基因表达蛋白质生产药物和酶制剂发酵工业食品和有机酸生产原核生物在环境保护中的应用生物修复降解石油污染清除重金属转化有毒化合物废水处理活性污泥法厌氧消化硝化和反硝化原核生物在农业中的应用生物固氮根瘤菌增加土壤肥力生物农药苏云金芽孢杆菌防治害虫生长促进产生植物激素促进生长古菌的特殊之处遗传特点转录和翻译机制近似真核生物细胞结构独特的膜脂和细胞壁组成极端环境适应热泉、盐湖、酸性环境进化地位与真核生物关系更近产甲烷古菌能量代谢厌氧条件下产生CH₄碳来源CO₂、乙酸、甲醇、甲胺生态贡献碳循环关键参与者嗜热古菌嗜盐古菌适应机制高浓度K+离子积累特殊的渗透保护剂酸性蛋白质表面代表类群盐杆菌属盐球菌属盐湖古菌属生态意义盐湖生态系统主要成员形成特色红色景观盐产业指示生物原核生物的进化135亿年前最早生命迹象出现230亿年前原始细菌和古菌分化320亿年前真核生物起源(内共生)410亿年前多细胞生物出现内共生理论线粒体起源来自α-变形菌叶绿体起源来自蓝细菌证据相似的DNA序列和蛋白质合成水平基因转移转化作用裸DNA摄取转导作用噬菌体介导接合作用细胞直接接触膜泡转移外膜泡携带DNA原核生物的分类系统传统分类形态学特征生理生化特性G+C含量分子分类16SrRNA序列全基因组比较蛋白质编码基因16SrRNA分析1500+核苷酸长度保守区与变异区交替97%同种相似度种间鉴定的标准阈值90%同属相似度较高级分类的参考值宏基因组学在原核生物研究中的应用环境样品采集土壤、水体、沉积物总DNA提取不依赖培养方法高通量测序获取全部微生物基因组生物信息分析物种和功能注释原核生物与地球生物化学循环氮循环碳循环硫循环磷循环其他元素循环原核生物与人类健康肠道菌群营养吸收与免疫调节皮肤微生物组抵御病原体入侵口