第一章 微生物細胞

第一章微生物細胞生命三域

CarlWoeseetal根據(jù)16SrDNA序列的分析提出

自然界的生命分為三域：古菌

細菌真核生物細菌細胞結(jié)構(gòu)模式圖第一節(jié)原核生物細胞的結(jié)構(gòu)

基本構(gòu)造

細胞壁(Cellwall)細胞膜(Cellmembrane)細胞核(Cellnucleus)細胞質(zhì)(Cytoplasm)

特殊構(gòu)造

間體(mesosome)莢膜(Capsule)鞭毛(Flagella)菌毛(fimbriae)芽孢(Spore)胞囊(Cyst)構(gòu)造一、細菌細胞壁是包圍在細胞表面，內(nèi)側(cè)緊貼細胞膜的一層較為堅韌、略具彈性的結(jié)構(gòu)，占細胞干重的10%－25%定義

1、固定細胞外形；2、為鞭毛運動提供支點；3、保護細胞免受外力的損傷;4、為正常細胞的分裂所必需；5、阻擋有害物質(zhì)進入；6、與細菌的抗原性、致病性和對噬菌體的敏感性有關(guān)。

功能

分類

革蘭氏陽性菌(G+)

革蘭氏陰性菌(G-)肽聚糖磷壁酸肽聚糖脂多糖脂蛋白類脂蛋白質(zhì)

外壁層

內(nèi)壁層

革蘭氏染色與細菌細胞壁革蘭氏染色(Gramstaining)過程

固定碘液媒染乙醇脫色結(jié)晶紫染色番紅復染菌體涂片結(jié)果判斷

菌體呈紫色者為革蘭氏陽性菌——G+菌體呈紅色者為革蘭氏陰性菌——G-

革蘭氏染色法ProceduresofGramStaining革蘭氏染色的原理：G+菌的細胞壁肽聚糖含量高、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)緊密，含脂量低，用酒精脫色時，肽聚糖層收縮，網(wǎng)格孔徑縮小，阻止了結(jié)晶紫－碘的復合物逸出，當復染時染不上蕃紅的紅色，菌體仍為結(jié)晶紫的紫色，此為G+反應。G-菌的細胞壁肽聚糖層薄，含脂量高，用酒精脫色時由于細胞壁中的脂類物質(zhì)溶于酒精，使細胞通透性增加，使得初染時進入細胞中的結(jié)晶紫－碘的復合物逸出，當再用蕃紅復染時菌體就染上蕃紅的紅色，此為G-反應。1).革蘭氏陽性菌的細胞壁成分A.肽聚糖的分子結(jié)構(gòu)雙糖單位：N-乙酰葡糖胺、N-乙酰胞壁酸四肽尾（四肽側(cè)鏈）：L-Ala、D-Glu、L-Lys、D-Ala肽橋（肽間橋）：甘氨酸五肽肽聚糖單體：肽聚糖是由組成肽聚糖的單體聚合而成的大分子網(wǎng)狀化合物。磷壁酸又名垣酸，是大多數(shù)G+菌所特有的成分，約占細胞壁成分的10%。B.磷壁酸磷壁酸壁磷壁酸膜磷壁酸磷壁酸的主要功能：1、帶負電荷，可與環(huán)境中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；3、賦予革蘭氏陽性菌特異的表面抗原；4、提供某些噬菌體特異的吸附受體。2、保證革蘭氏陽性致病菌（如A族鏈球菌）與其宿主間的粘連（主要為膜磷壁酸）；5、調(diào)節(jié)細胞自溶素活力,防止細胞因自溶而死亡。2).革蘭氏陰性的細胞壁成分

G-細胞壁的組成和結(jié)構(gòu)比G+更復雜。分為內(nèi)壁層和外壁層兩部分。

肽聚糖脂多糖脂蛋白類脂蛋白質(zhì)

孔蛋白外壁蛋白

外壁層

G-內(nèi)壁層G-有肽聚糖，僅占細胞壁干重的5-10%。肽聚糖結(jié)構(gòu)與G+基本相同，但短肽尾中的３號位上L-Lys被二氨基庚二氨酸取代，亞單位間通過肽鍵相連。G+菌與G-菌肽聚糖單體的異同：

其區(qū)別為:1、四肽上的第三個氨基酸不同,G+菌為賴氨酸；G-菌為內(nèi)消旋二氨基庚二酸（DAP)。2、肽間橋不同：G+菌為甘氨酸五肽；G-菌為肽鍵。①①②②G-G+外壁層是G－細菌細胞壁所特有的結(jié)構(gòu)，它位于壁的最外層，化學成分為脂多糖、磷脂和若干種外膜蛋白。自內(nèi)到外，外膜結(jié)構(gòu)由脂蛋白、脂質(zhì)雙層和脂多糖組成。脂多糖（LPS)分子結(jié)構(gòu)由三部分組成：

類脂A：2個N－乙酰葡糖胺及5個長鏈脂肪酸

3個2－酮－3－脫氧辛糖酸（KDO）內(nèi)核心區(qū)

核心多糖區(qū)

2個L－甘油－D－甘露庚糖（Hep）外核心區(qū):5個己糖（Hex）,包括葡糖胺、半乳糖、葡萄糖

O－側(cè)鏈:多個4Hex單位,內(nèi)含半乳糖、鼠李糖、甘露糖、阿比可糖(Abq)

LPS類脂A是G-細菌的毒性中心1、是革蘭氏陰性細菌致病物質(zhì)—內(nèi)毒素的物質(zhì)基礎(chǔ)；

2、與磷壁酸相似，也有吸附Mg2+和Ca2+等陽離子以提高這些離子在細胞表面濃度的作用；

3、由于LPS結(jié)構(gòu)的變化，決定了革蘭氏陰性細菌細胞表面抗原決定簇的多樣性；4、是許多噬菌體在細胞表面的吸附受體。5、具有控制某些物質(zhì)進出細胞的部分選擇性屏障功能脂多糖的功能脂多糖要維持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要足量Ca2+的存在。如果用螯合劑去除Ca2+，LPS就解體。這時，G-細菌的內(nèi)壁層肽聚糖就暴露出來，因而就可被溶菌酶所水解。脂多糖LPS含有三種特殊的糖

Hep(L-甘油-D-甘露庚糖)

KDO

（2－酮－3－脫氧辛糖酸）

Abq(阿比可糖)LPS組成O側(cè)鏈的糖類不同決定了不同細菌的抗原特異性，可用血清學方法加以鑒定。在非致病的G-細菌中脂多糖沒有O側(cè)鏈。脂多糖LPS的毒性部分在類脂A。G+菌與G-菌細胞壁的比較特性G+細菌G-細菌結(jié)構(gòu)一層，厚度為20-80nm肽聚糖網(wǎng)格結(jié)構(gòu)緊密二層，內(nèi)層2-3nm，外層8nm,肽聚糖位于內(nèi)層，網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)疏松。化學組成肽聚糖磷壁酸脂蛋白脂多糖蛋白質(zhì)脂類對青霉素對溶菌酶層數(shù)多，交聯(lián)度高，占壁干重的40-90%+或---+或--敏感敏感層數(shù)少，交聯(lián)度低，只占5-10%-++++不敏感不敏感細胞壁缺陷型細菌

原生質(zhì)體(Protoplast)

在革蘭氏陽性菌培養(yǎng)物中加入溶菌酶或通過青霉素阻止其細胞壁的正常合成而獲得的完全缺壁細胞即為原生質(zhì)體。

特征

對環(huán)境條件很敏感，特別脆弱；

保留有鞭毛，但不運動，不被相應的噬菌體感染；

適宜條件下可生長，可形成芽孢，可繁殖，形成菌落及形成細胞壁，生物活性不變；

更易導入外源遺傳物質(zhì)，是研究遺傳規(guī)律和進行原生質(zhì)體育種的良好實驗材料。1

原生質(zhì)球(Spheroplast)

細胞壁未全部去除的細菌細胞，呈圓球形，可人為地通過溶菌酶或青霉素處理革蘭氏陰性菌而獲得。

特征

細胞壁肽聚糖已被除去，但外壁層中的脂多糖、脂蛋白仍保留，對外界環(huán)境有一定抗性。

2細胞壁缺陷型細菌

L-型細菌

(L-formofBacteria)

細菌在某種環(huán)境條件下因基因突變而產(chǎn)生的無壁類型。多形態(tài)，有的可通過細菌濾器而又稱濾過型細菌。由英國李斯特(Lister)醫(yī)學研究院發(fā)現(xiàn)而命名。

特征

沒有完整而堅韌的細胞壁，細胞呈多形態(tài)；

有些能通過細菌濾器，故又稱“濾過型細菌”；

對滲透敏感，在固體培養(yǎng)基上形成“油煎蛋”似的小菌落（直徑在0.1mm左右）3細胞壁缺陷型細菌原生質(zhì)體：用青霉素等抗生素或者溶菌酶處理G+菌而得到的去壁完整的球形體。原生質(zhì)球：用青霉素等抗生素或溶菌酶處理G-細菌而得到的去壁不完全的近球形體。L型細菌：某些細菌在特定環(huán)境條件下因基因突變而產(chǎn)生的無壁類型。在一定條件下L型細菌能發(fā)生回復突變而恢復為有壁的正常細菌。支原體：進化過程中形成的無壁的原核生物細胞壁缺陷型細菌二、細胞質(zhì)膜細胞膜是外側(cè)緊貼細胞壁而內(nèi)側(cè)包圍原生質(zhì)的一層柔軟而富有彈性、雙層分子結(jié)構(gòu)的單位膜，厚約8nm，占細胞干重的10%左右。脂類：占20～30%蛋白質(zhì)：占50～70%

（邊緣蛋白和整合蛋白）

化學組成

親水的極性端疏水的非極性端1.細胞膜的化學組成與結(jié)構(gòu)模型：a.磷脂b.液態(tài)鑲嵌模型

(fluidmosaicmodel)①膜的主體是脂質(zhì)雙分子層；②脂質(zhì)雙分子層具有流動性；③整合蛋白因其表面呈疏水性，故可“溶”于脂質(zhì)雙分子層的疏水性內(nèi)層中；④邊緣蛋白表面含有親水基團，故可通過靜電引力與脂質(zhì)雙分子層表面的極性頭相連；⑤脂質(zhì)分子間或脂質(zhì)與蛋白質(zhì)分子間無共價結(jié)合；⑥脂質(zhì)雙分子層猶如一“海洋”，周邊蛋白可在其上作“漂浮”運動，而整合蛋白則似“冰山”狀沉浸在其中作橫向移動。C、甾醇類物質(zhì)由磷脂分子形成的雙分子膜中加入甾醇類物質(zhì)可以提高膜的穩(wěn)定性真核生物細胞膜中一般含有膽固醇等甾醇，含量為5%-25%。原核生物與真核生物的最大區(qū)別就是其細胞膜中一般不含膽固醇，而是含有hopanoid（五環(huán)類固醇）。甾醇的一般結(jié)構(gòu)2細胞質(zhì)膜的功能

控制細胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的運送與交換；維持細胞內(nèi)正常滲透壓的屏障作用；合成細胞壁各組分和莢膜的場所；進行氧化磷酸化或光合磷酸化的產(chǎn)能基地；膜上有某些蛋白質(zhì)能接受光、電及化學物質(zhì)等產(chǎn)生的刺激信號并發(fā)生構(gòu)象變化，引起細胞內(nèi)一系列的代謝變化和產(chǎn)生相應的反應；鞭毛著生點并為其運動提供能量三、周質(zhì)空間周質(zhì)空間（Periplasmicspace）

也稱壁膜空間，位于細胞壁和細胞膜之間的狹小空間，內(nèi)含質(zhì)外酶，包括水解酶、結(jié)合蛋白和化學受體。這些酶對細菌的營養(yǎng)吸收、核酸代謝、趨化性、抗藥性等有重要作用。四、內(nèi)膜系統(tǒng)是細胞膜局部內(nèi)陷折疊而成，與細胞壁合成、核質(zhì)分裂、細胞呼吸和芽孢形成有關(guān)，功能與線粒體相似而又稱擬線粒體。

中間體1)、呼吸作用電子傳遞系統(tǒng)的中心，相當于高等生物的線粒體，間體上有細胞色素氧化酶，玻珀酸脫氫酶等呼吸酶系。2)、與合成細胞壁，特別是橫隔壁有關(guān)。3)、參與遺傳物質(zhì)的復制與核分裂有關(guān)。4)、間體一邊和膜相連，另一側(cè)和核物質(zhì)緊密接觸，起著向核運送營養(yǎng)物質(zhì)和能量的作用。5)、芽孢的形成也與間體有關(guān)。功能是藍細菌細胞中存在的囊狀體，光合作用場所，由單位膜組成。類囊體類囊體中含有葉綠素，胡羅卜素及輔助色素藻膽蛋白體，前兩者位于類囊體中，后者位于類囊體的外表面上。是一些不放氧的光合細菌的細胞膜多次折疊形成的片層狀、微管狀或囊狀結(jié)構(gòu)。含有菌綠素和類胡蘿卜素等光合色素及光合磷酸化所需的酶類和電子傳遞體，是光合作用的部位；主要化學成分是蛋白質(zhì)和脂類。載色體是自養(yǎng)細菌所特有的內(nèi)膜結(jié)構(gòu)。有以蛋白質(zhì)為主的單層包圍，厚3.5nm，內(nèi)含固定CO2所需的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶和5-磷酸核酮糖激酶，是自養(yǎng)細菌固定CO2的場所。羧酶體

五、細胞質(zhì)定義

組成細胞膜內(nèi)除細胞核外的所有物質(zhì)都為細胞質(zhì)。1.核糖體(Ribosome)2.氣泡(Gasvesicle)3.內(nèi)含物(Inclusion)4.質(zhì)粒（Plasmid）1核糖體細胞質(zhì)中核糖核蛋白的顆粒狀物質(zhì)由核糖核酸RNA(65%)和蛋白質(zhì)(35%)組成常以游離狀態(tài)或多聚核糖狀態(tài)分布于細胞質(zhì)中沉降系數(shù)70s，由50S和30S兩個亞基組成50S亞基由5SrRNA、23SrRNA和34種蛋白質(zhì)組成30S亞基由16SrRNA和21種蛋白質(zhì)組成。

蛋白質(zhì)的合成場所2氣泡

某些水生細菌如藍細菌、不放氧光合細菌和鹽細菌細胞內(nèi)儲存氣體的特殊結(jié)構(gòu)即為氣泡。由蛋白質(zhì)膜包裹。功能：調(diào)節(jié)細胞比重以使細胞漂浮在最適水層中獲取光能、O2和營養(yǎng)物質(zhì)3內(nèi)含物

磷素儲藏顆粒：細菌細胞中多聚偏磷酸鹽的顆粒,遇藍色染料染成紫紅色。在含磷豐富的環(huán)境下形成。功能:貯藏磷元素和能量，并可降低細胞的滲透壓異染顆粒（Metachromaticgranules)指細胞質(zhì)內(nèi)一些形狀較大的顆粒狀構(gòu)造。硫素儲藏顆粒很多真細菌在進行產(chǎn)能代謝或生物合成時,常涉及對還原性的硫化物如H2S,硫代硫酸鹽等的氧化。在環(huán)境中還原性硫素豐富時,常在細胞內(nèi)以折光性很強的硫粒的形式積累硫元素。當環(huán)境中環(huán)境中還原性硫缺乏時,可被細菌重新利用氮素儲藏顆粒藻青素cyanophycin(藻青蛋白)-藍細菌中內(nèi)源性氮素儲藏顆粒，同時兼有貯存能源的作用。由含精氨酸和天冬氨酸殘基（1:1）的分枝多肽所構(gòu)成，分子量在25000～125000。碳素儲藏顆粒Polyhydroxybutyricacid(PHB)①聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)：一種存在于許多細菌細胞質(zhì)中屬于類脂性質(zhì)的碳源類儲藏物，不溶于水，而溶于氯仿巨大芽孢桿菌（Bacillusmegaterium）在含乙酸或丁酸的培養(yǎng)基中生長時，細胞內(nèi)貯藏的PHB可達其干重的60%。功能：具有儲藏能量、碳源和降低細胞內(nèi)滲透壓的作用②多糖類貯藏物糖原粒淀粉粒在真細菌中多為糖原糖原粒較小，不染色需用電鏡觀察，用碘液染成紅褐色，可在光學顯微鏡下看到。有的細菌積累淀粉粒，用碘液染成深蘭色。儲藏物氮源類糖原：大腸桿菌、芽胞桿菌、藍細菌聚β-羥丁酸（PHB）：固氮菌硫粒：紫硫細菌、絲硫細菌碳源及能源類磷源（異染粒）：結(jié)核分枝桿菌、迂回螺菌藻青素：藍細菌藻青蛋白：藍細菌磁小體存在于水生細菌和趨磁細菌中，是細胞內(nèi)磁鐵礦Fe3O4的晶體顆粒，外有一層磷脂、蛋白質(zhì)或糖蛋白膜包裹。形狀：正方形、長方形和六棱柱體。磁小體功能：導向作用趨磁細菌功能：磁性定向藥物和抗體，及制造生物傳感器。4質(zhì)粒

1、質(zhì)?？刂萍毦哪骋贿z傳性狀；2、可作為基因轉(zhuǎn)移的載體。質(zhì)粒是獨立存在于細菌染色體外或附加在染色體上的遺傳物質(zhì)。質(zhì)粒的功能：質(zhì)粒通常不含有細胞初級代謝的遺傳信息,而含有關(guān)于次級代謝的遺傳信息質(zhì)粒的特點：

1、不親和性可以共存于同一細胞中的不同質(zhì)粒彼此是親和的，而不能共存于同一細胞的質(zhì)粒彼此不親和，質(zhì)粒的這種特性稱為不親和性。2、可消除性3、能自我復制，穩(wěn)定的遺傳4、沒有質(zhì)粒的細菌不能自發(fā)產(chǎn)生質(zhì)粒,但可以通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導或接合作用獲得質(zhì)粒5、質(zhì)?？梢詳y帶供體細胞的DNA轉(zhuǎn)移。細

菌

質(zhì)

粒性

狀1大腸桿菌中的F因子使宿主產(chǎn)生性纖毛，決定性別2大腸桿菌中的Col因子產(chǎn)生蛋白質(zhì)類殺菌素-大腸菌素3大腸桿菌中的Ent因子產(chǎn)生腸毒素4大腸桿菌中的Hty因子決定溶血素的產(chǎn)生5大腸桿菌中的RYB質(zhì)粒使宿主產(chǎn)生限制性內(nèi)切酶和甲基化酶6許多G-細菌中的R因子抗磺胺藥和多種抗生素7金黃色葡萄球菌中的P128因子抗Cd2+,Hg2+等重金屬離子8假單胞菌中的降解性質(zhì)粒降解某些復雜芳香族化合物9根癌病農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒能使感染植株發(fā)生根癌病質(zhì)粒的類型:六、糖被定義

分類包被于某些細菌細胞壁外的一層厚度不定的膠狀物質(zhì)。莢膜(Macrocapsule)：有一定外形，厚200nm，粘性較大，穩(wěn)定。粘液層(Slimelayer)：較疏松，無明顯形狀，可懸浮于基質(zhì)中，增加培養(yǎng)液黏度。菌膠團(zoogloea)

：有莢膜或粘液層的細菌相互連接成較大的群體一些細菌在生長過程中向細胞外分泌一種粘液性物質(zhì),當這種粘液很濃時,用特殊的染色方法染色后在顯微鏡下可見其結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)稱為莢膜,當粘液很稀時,用莢膜染色無法看到其構(gòu)造,故稱為粘液層。肺炎球菌莢膜糖被在壁上有固定層次松散，未固定在壁上：粘液層包裹在單個細胞上包裹在細胞群上：菌膠團層次厚：莢膜層次?。何⑶v膜組成：大多為多糖，有的還含有多肽、蛋白質(zhì)保護細菌免受干燥的影響；貯藏養(yǎng)料，以備營養(yǎng)缺乏時重新利用；與病原菌的毒性密切相關(guān)；能抵抗吞噬細胞的吞噬，抗噬菌體吸附；作為透性屏障或離子交換系統(tǒng)，可保護細菌免受重金屬離子的毒害表面附著作用細菌間的信息識別作用堆積代謝廢物功能益處：1)莢膜作為代血漿的生產(chǎn)原料。腸膜狀明串珠菌能用蔗糖合成大量的莢膜物質(zhì)——葡聚糖，葡聚糖是生產(chǎn)右旋糖酐的原料，而右旋糖酐是制作代血漿的主要成分。

2)莢膜作為石油鉆井液添加劑。野油菜黃單胞菌的粘液層可提取胞外多糖—黃原膠害處：①有莢膜的細菌致病性強②污染食品，導致粘性面包、粘性牛奶產(chǎn)生③影響制糖生產(chǎn)，增加糖液粘度，影響過濾速度，對生產(chǎn)造成損失。

莢膜的益處和害處S型菌落和R型菌落

S型菌落為產(chǎn)莢膜的細菌菌落，因其通常光滑透明而稱之S型。R型菌落為不產(chǎn)莢膜的細菌菌落，因其菌落表面較粗糙而稱之R型。

S型菌落R型菌落一些真細菌和古細菌的胞壁外面含有由同型蛋白或糖蛋白組成的晶格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覆蓋在細胞表層。在古菌中普遍存在，在缺乏肽聚糖層的G-古菌中作為細胞壁存在主要功能：保護性外被、細胞間彼此吸附和相互識別、分子篩、捕捉分子和離子、酶的支架和毒力因子。晶狀樣細胞表面層

S-層（crystallineSurfaceLayers）(S-Layers)六、鞭毛和菌毛生長在某些細菌體表的長絲狀、波曲的蛋白質(zhì)附屬物特征長度常為菌體的若干倍，最長可達70mm，直徑10～20nm。只有染色后才能在光鏡下觀察到。主要成分是蛋白質(zhì)，還有少量多糖或脂類。鞭毛蛋白是一種抗原物質(zhì)，鞭毛抗原又稱H抗原。由于各細菌的鞭毛蛋白氨基酸組成不同而抗原性質(zhì)不同，通過血清學反應進行分類鑒定。鞭毛的功能主要是運動。鞭毛