微生物學(xué)：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? 是指一大類細胞核無核膜包裹，只有被稱作核區(qū)的裸露DNA的單細胞生物, 亦即廣義的細菌。原核微生物的主要類群： 根據(jù)形態(tài)特征：細菌（狹義）、放線菌、藍細菌、支原體、立克次氏體、衣原體和螺旋體。 根據(jù)生理生化和分子生物學(xué)特征：真細菌和古生菌 原核微生物分布: 大氣、水體、土壤、動植物體內(nèi)原核微生物種類和數(shù)量 : 種類繁雜, 數(shù)量巨大原核微生物對人類社會生活的影響： 1. 有害影響: 動植物致病菌,引起食物和物品腐爛變質(zhì)等。 2. 有益作用: 細菌發(fā)酵產(chǎn)品生產(chǎn), 農(nóng)業(yè)殺蟲菌劑、細菌肥料生產(chǎn)，細菌浸礦，微生態(tài)制劑，污水處理等。 第一節(jié) 細菌的形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能 狹義

2、細菌是指一類細胞細短、結(jié)構(gòu)簡單、胞壁堅韌、多以二分裂方式繁殖和水生性較強的原核生物。一、細菌的形態(tài)與大?。ㄒ唬┘毦男螒B(tài)細菌個體的基本形態(tài):球狀、桿狀和螺旋狀三大類型 (a)單球菌 (b)雙球菌 (c)四聯(lián)球菌 (d)八疊球菌 (e)葡萄球菌 (f)鏈球菌 各種不同形狀的球菌 各種不同形狀的桿菌 (a)球桿菌 (b)單桿菌 (c)雙桿菌 (d)鏈桿菌各種不同形狀的螺旋菌(a) 螺菌 (b)螺旋體 (c)弧菌 球菌桿菌螺旋型菌特殊形態(tài)的細菌（二） 細菌大小 多數(shù)細菌細胞的直徑約0.5m, 長度約0.55 m。 但已報道最小的納米細菌(nanobacteria)直徑甚至小于0.05 m； 最大的球

3、菌納米比亞嗜硫珠菌(Thiomargarita namibia)，其直徑大小可達100-750m。 細菌細胞的模式構(gòu)造二、細菌細胞的結(jié)構(gòu)與功能 (一) 細胞壁（cell wall） 細胞壁概念：是細胞最外的一層厚實、堅韌的外被，主要成分為肽聚糖，具有固定外形和保護細胞等多種功能。 細胞壁功能：固定細胞外形和提高機械強度，保護細胞免受外力的損傷；為細胞生長、分裂和鞭毛運動所必需；阻攔酶蛋白或抗生素等有害物質(zhì)進入細胞；賦予細菌特有的抗原性和致病性(如內(nèi)毒素)，并與細菌對抗生素和噬菌體的敏感性密切相關(guān)。革蘭氏陽性細菌和革蘭氏陰性細菌細胞壁的構(gòu)造 細胞壁類型:革蘭氏陽性細菌細胞壁、革蘭氏陰性細菌細胞壁

4、革蘭氏陽性細菌 革蘭氏陰性細菌 細胞膜 肽聚糖磷壁酸脂磷壁酸 肽聚糖 周質(zhì)空間 細胞膜 外膜 脂多糖 孔蛋白 磷脂 脂蛋白 膜蛋白 膜蛋白 1、革蘭氏陽性細菌的細胞壁結(jié)構(gòu)特點：細胞壁厚度大，2080 nm；化學(xué)組分 簡單， 一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。(1)肽聚糖：肽聚糖是由多糖鏈經(jīng)短肽相交聯(lián)而形成的網(wǎng)絡(luò)狀分子 ，是真細菌細胞壁特有的成分，構(gòu)成細菌細胞壁堅硬的骨架部分。 短肽交聯(lián) 多糖鏈n（M）（G）革蘭氏陽性細菌細胞壁肽聚糖的單體圖解左：簡化的單體分子間的連接；右：單體的分子構(gòu)造。箭頭示溶菌酶的水解位點表 肽聚糖分子中的四種主要肽橋類型類型 甲肽尾上連接點 肽橋 乙肽連接點 例 I 第

5、四氨基酸 -CO.NH-直接相連 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） 磷壁酸是結(jié)合在革蘭氏陽性細菌細胞壁上的一種酸性多糖，是革蘭氏陽性細菌所特有的成分之一。 甘油磷壁酸的結(jié)構(gòu)模式（左）及其單體（右）磷壁酸類型： 根據(jù)糖成分：甘油磷壁酸 核糖醇磷壁酸

6、根據(jù)與壁中結(jié)合分子類型及分布： 壁磷壁酸 脂磷壁酸 磷壁酸的主要生理作用：因帶負電荷，故可與環(huán)境中的Mg2+等陽離子結(jié)合，提高這些離子的濃度，以保證細胞膜上一些合成酶維持高活性的需要；對一些革蘭氏陽性致病菌(如A族鏈球菌)而言，可借此(主要為膜磷壁酸)與其宿主粘連；賦予革蘭氏陽性菌以特異的表面抗原；是某些噬菌體特異性吸附受體。2、革蘭氏陰性細菌細胞壁結(jié)構(gòu) 特點：肽聚糖層很?。▋H23nm），在肽聚 糖層外還有一個外膜，成分較復(fù)雜， 整個壁厚度較G+菌薄，機械強度較G+ 菌弱。(1)肽聚糖層：特點（以大腸桿菌為例）：肽聚糖層?。?3nm）四肽尾的第三個不是L-Lys，而是內(nèi)消旋二氨基庚二酸（MDA

7、P）沒有特殊的肽橋，其前后兩個單體間的聯(lián)系僅由前一肽尾的第4個氨基酸即D丙 氨酸的羧基與后一肽尾第3個氨基酸即M DAP的氨基直接連接。（因而只能形成較疏密、機械強度較差的肽聚糖網(wǎng)絡(luò)）(2)外膜：特點：a.是G-細菌細胞壁特有的結(jié)構(gòu)，位于壁的 最外層，特殊的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)b. 化學(xué)成分是脂多糖、磷脂和若干種外膜 蛋白功能：a. 控制細胞透性; b. 提高Mg2+濃度; c. 決定細胞壁抗原性; d. 類脂A是類毒素的主要成分G-菌外膜脂多糖(lipopolysaccharide，LPS) 沙門氏菌屬脂多糖中的類脂A結(jié)構(gòu) 脂蛋白(1ipoprotein)，主要是分子量為7200D的脂蛋白，其不帶脂

8、的一端與細胞壁內(nèi)壁層相連，帶脂的一端通過脂質(zhì)分子插入到外膜內(nèi)側(cè)磷脂層中，其作用是使細胞壁的外膜牢固地連接在由肽聚糖所組成的內(nèi)壁層上。外膜鑲嵌蛋白質(zhì)，例如在大腸桿菌細胞壁的外膜中的孔蛋白(porin)就是一種研究得較多的基質(zhì)蛋白，孔蛋白是一種三聚體結(jié)構(gòu)，每一個亞單位的分子量為36000D。由三聚體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的充水孔道橫跨外膜，可通過分子量小于800900D的親水性營養(yǎng)物質(zhì)，例如糖類(尤其是雙糖)、氨基酸、二肽、三肽、青霉素和無機離子等，它使外膜具有分子篩的功能。 3、革蘭氏染色 成 分 革蘭氏陽性細菌 革蘭氏陰性細菌革蘭氏染色反應(yīng)肽聚糖含量肽聚糖結(jié)構(gòu)細胞壁厚度及層次磷壁酸脂多糖與類脂質(zhì)脂蛋白質(zhì)對溶

9、菌酶對青霉素和磺胺與細胞膜的關(guān)系菌體呈紫色含量高，占細胞壁干重的3095%)多層,緊密20-80nm, 單層多數(shù)有,含量較高(50)一般無一般無敏感敏感不緊密經(jīng)脫色、復(fù)染后菌體呈紅色含量低，占細胞壁干重的520%1-2層,疏松10nm左右(其中外壁層約8nm),多層無含量較高（分布在外壁層）含量較高（分布在外壁層）不敏感不敏感緊密表 革蘭氏陽性細菌與陰性細菌細胞壁成分的比較4、細胞壁缺損幾類細胞壁缺損或無細胞壁的細菌類型： 原生質(zhì)體(protoplast)：指在人工條件下用溶菌酶除盡原有細胞壁或用青霉素抑制細胞壁的合成后，所留下的僅由細胞膜包裹著的細胞，常見于革蘭氏陽性菌；球狀體或原生質(zhì)球(s

10、phaeroplast)：指還殘留部分細胞壁的原生質(zhì)體，常見于革蘭氏陰性細菌；L型細菌：L型細菌應(yīng)專指那些在實驗室中通過自發(fā)突變而形成的遺傳性穩(wěn)定的細胞壁缺陷菌株。1935年時，在英國李斯特(Lister)預(yù)防醫(yī)學(xué)研究所中發(fā)現(xiàn)一種由自發(fā)突變而形成的細胞壁缺損的細菌念珠狀鏈桿菌(Streptobacillus moniliformis)，它的細胞膨大，對滲透壓十分敏感，在固體培養(yǎng)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”，故稱L型細菌。(二) 細胞質(zhì)膜（cytoplasmic membrane）特點:1.原核微生物的細胞膜一般不含膽固醇等甾醇（支原體除外），這一點與真

11、核生物明顯不同。多烯類抗生素因可破壞含甾醇的細胞質(zhì)膜，故可抑制支原體和真核生物，但對其他的原核生物則無抑制作用。2. 很多革蘭氏陽性細菌可由細胞質(zhì)膜內(nèi)褶而形成囊狀構(gòu)造-間體（mesosome） ，其中充滿著層狀或管狀的泡囊。間體與某些酶如青霉素酶的分泌有關(guān)，還可能與DNA的復(fù)制、分配以及與細胞分裂有關(guān)。Bacillus fastidiosus間體（mesosome）（三）細胞質(zhì)和內(nèi)含物 細胞質(zhì)（cytoplasm）:是細胞質(zhì)膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠體狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱。原核微生物的細胞質(zhì)是不流動的，這一點與真核生物明顯不同。細胞質(zhì)組成:水分，約80核糖體（由50S大亞基和30S小亞基

12、組成）各種化合物：如基質(zhì)成分、中間代謝物、營養(yǎng)物和大 分子等細胞內(nèi)含物（inclusion body）：如類囊體、羧酶體、氣泡或伴孢晶體等。（細胞質(zhì)內(nèi)形狀較大的顆粒 狀構(gòu)造稱為內(nèi)含物，包括各種儲藏物和羧酶體、 氣泡等。） 聚-羥丁酸（poly-b-hydroxybutyrate， PHB）： 細胞質(zhì)內(nèi)屬于類脂性質(zhì)的碳 源類貯藏物，具有貯藏能量、碳源和降低細胞內(nèi)滲透壓等作用。作為生物聚合物具有具有良好應(yīng)用前景。聚磷酸顆粒（polyphosphate granules，PP）：因可被美藍或甲苯胺藍染色成紅紫色又被稱作異染粒（metachromatic granules）。成分為正磷酸單體酯鍵相連的

13、線性聚合物，具有貯藏磷元素、能量和降低細胞滲透壓等作用。趨磁水生螺菌(Acuaspirillum magnetotacticum)電鏡照片磁細菌在磁場中做波狀遷移鏈狀排列的磁性顆粒分離的磁小體磁小體(magnetosome): 成分為F3O4,外有一層磷脂、蛋白質(zhì)或糖蛋白包裹， 具導(dǎo)向功能。羧酶體（carboxysome）存在于一些自養(yǎng)細菌胞內(nèi)的多角形或六角形內(nèi)含物，內(nèi)含1，5二磷酸核酮糖羧化酶，是自養(yǎng)細菌固定二氧化碳的場所 。存在于硫桿菌屬（Thiobacillus）、貝日阿托氏菌屬（Beggiatoa）、硝化細菌和一些藍細菌中。圖示硫桿菌的羧酶體羧酶體氣泡（gas vacuoles）：泡囊

14、狀內(nèi)含物，內(nèi)中充滿氣體，內(nèi)有數(shù)排柱形小空泡，外為蛋白質(zhì)膜包裹。具有調(diào)節(jié)細胞比重，使其漂浮在水中，借以獲取光能、氧和營養(yǎng)物質(zhì)。主要存在于多種藍細菌中。(四) 核區(qū)（nuclear region） 核區(qū)又稱原核（prokaryon）或擬核（nucleoid），指原核生物所特有的無核膜結(jié)構(gòu)、無固定形態(tài)的原始細胞核。 (六) 糖被（glycocalyx） 糖被是某些細菌在一定營養(yǎng)條件下向胞外分泌出厚度不定的膠粘狀物質(zhì)包被于細胞壁的外表，此稱為糖被。（c）（d）（a）粘液層SEM照片（b）莢膜熒光顯微鏡照片，粘液層（c）和莢膜（d）示意圖（a）（b）糖被類型：包裹在單個細胞壁上 有固定層的糖被 莢膜（c

15、apsule） 微莢膜（microcapsule） 呈松散狀態(tài)、未固定的的糖被 粘液層（slime layer）包裹幾個細胞或一群細胞 菌膠團 （zoogloca） 糖被的主要成分：多糖、多肽或蛋白質(zhì)，尤以多糖居多。 糖被的功能：保護作用：其上大量極性基團可保護菌體免受干旱損傷或防止噬菌體的吸附和裂解；一些動物致病菌的莢膜還可保護它們免受宿主白細胞的吞噬，例如肺炎克雷伯氏菌( Klebsiella pneumoniae)的莢膜既可使其粘附于人體呼吸道并定植，又可防止白細胞的吞噬；貯藏碳源和能源養(yǎng)料，以備營養(yǎng)缺乏時重新利用；作為透性屏障或(和)離子交換系統(tǒng)，可保護細菌免受重金屬離子的毒害；表面附

16、著作用，例如引起齲齒的唾液鏈球菌(Streptococcus salivarius)會分泌一種己糖基轉(zhuǎn)移酶，使蔗糖轉(zhuǎn)變成果聚糖，從而使細菌牢牢粘附于牙齒表面，可腐蝕牙表琺瑯質(zhì)層并引起齲齒；細菌間的信息識別作用;堆積代謝廢物。(六) 鞭毛(flagellum, 復(fù)flagella) 生長在某些細菌體表的長絲狀、波狀彎曲的蛋白質(zhì)附屬物稱為鞭毛，其數(shù)目為一至數(shù)十條，具有運動功能。鞭毛的長約1520mm，直徑為0.010.02mm。細菌鞭毛(flagellum)電鏡照片（引自“ Foundations of Microbiology）1、鞭毛在細胞表面的著生方式：一端生：一根，一束兩端生：兩端各生一根

17、鞭毛，兩端各生一束鞭毛周生側(cè)生G-細菌鞭毛的一般結(jié)構(gòu)2、鞭毛的一般結(jié)構(gòu)G+細菌鞭毛結(jié)構(gòu)特點： 革蘭氏陽性細菌的鞭毛結(jié)構(gòu)較為簡單，如枯草芽孢桿菌鞭毛的基體僅有S和M兩個環(huán)，而鞭毛絲和鉤形鞘則與革蘭氏陰性菌相同。3、鞭毛運動的機制 “旋轉(zhuǎn)論(rotation theory)” 4、鞭毛的功能 與細菌運動有關(guān)，是原核生物實現(xiàn)其趨向性(taxis)的有效方式。 (七) 菌毛(fimbria) 和性毛(pili) 1、菌毛(fimbria)，是一種長在細菌體表的纖細、中空、短直、數(shù)量較多的蛋白質(zhì)類附屬物，具有使菌體附著于物體表面的功能。比鞭毛簡單，無基體等構(gòu)造，直接著生于細胞質(zhì)膜上。直徑一般3-10nm

18、，每菌有250 300條。多存于G- 致病菌中，參與菌 體吸附于宿主粘膜 上皮細胞上。 大腸桿菌菌毛（fimbria） (引自“Foundations of Microbiology”)大腸桿菌性毛（pili）電鏡照片(引自“ Foundations of Microbiology)2、性毛又稱性菌毛 (pilus)，長度比菌毛長，數(shù)量少，每個細胞僅一至少數(shù)幾根，其構(gòu)造和成分與菌毛相同。 功能：參與細菌結(jié)合作用，傳遞遺傳物質(zhì)。(八) 特殊的休眠構(gòu)造芽孢 某些細菌在其生長發(fā)育后期，在細胞內(nèi)形成一個圓形或橢圓形、厚壁、含水量極低、抗逆性極強的休眠構(gòu)造，稱為芽孢或內(nèi)生孢子(spore，Endospo

19、re)。主要種類：芽孢桿菌屬和羧菌屬 1、芽孢特點（1）芽孢是休眠構(gòu)造而不是繁殖構(gòu)造（2）芽孢抗逆性極強（3）芽孢休眠能力極強2、細菌芽孢構(gòu)造的模式圖3、細菌芽孢形成過程4、芽孢耐熱的分子機制：（1）滲透調(diào)節(jié)皮層膨脹學(xué)說（2）吡啶二羧酸鈣（DPA）學(xué)說5. 伴孢晶體 少數(shù)芽孢桿菌，例如蘇云金芽孢桿菌在形成芽孢的同時，會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形的堿溶性蛋白晶體內(nèi)毒素，稱為伴孢晶體。它的干重可達芽孢囊重的30%左右，由18種氨基酸組成。伴孢晶體對200多種昆蟲尤其是鱗翅目的幼蟲有毒殺作用，因而產(chǎn)伴孢晶體的細菌可制成有利于環(huán)境保護的生物農(nóng)藥細菌殺蟲劑。6、細菌其它休眠構(gòu)造-孢囊 孢囊是固氮菌尤其是棕色固氮菌等少數(shù)細菌在缺乏營養(yǎng)的條件下，由營養(yǎng)