不确定原理

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1 Chapter 3 microbial cell structure and function Procaryotic microorganism The era in which workers tended to look at bacteria as very small bags of enzymes has long passed. Howard J. Rogers

2 微生物世界原核微生物细菌细菌放线菌蓝细菌支原体立克次氏体衣原体微生物细胞形态的微生物非细胞形态的微生物真核微生物病毒类病毒朊病毒古菌 : 极端环境的微生物酵母真菌显微藻类原生动物

3 内容安排 : 内容 : 由外到内依次介绍微生物细胞的各种结构及其功能逻辑次序 : 先原核后真核, 先结构后功能病毒部分暂且按下不表, 后面安排专门一章介绍原核微生物 (prokaryotic cell): 细菌 (bacteria) 古生菌 (archaea) 寄生性细菌 (parasite bacteria) 真核微生物 (eucaryotic cell) 酵母 (yeast) 真菌 (fungi) 藻类 (alga) 原生动物 (protisit)

4 1. 原核微生物的结构和功能原核微生物 (prokaryotic cell): 指起源最早结构简单细胞分化程度低的微生物其突出的结构特征是无细胞核, 缺乏膜结构的细胞器, 含有 70s 核糖体多数以单细胞的形式存在, 也有多细胞的形式, 如放线菌 ; 原核微生物也有分化发育现象, 但细胞之间的分化程度较低 : 单细胞微生物如枯草芽孢杆菌的芽孢的形成 ; 多细胞微生物如放线菌的营养菌丝和气生菌丝孢子丝 ; 包括细菌和古生菌细菌 (bacteria): 也叫真细菌, 一般指存在于普通生境的微生物如常见的致病菌和肠道微生物工业发酵细菌及淡水土壤环境的微生物古生菌 (archaea): 指形态结构和细菌类似的原核微生物, 但在细胞的功能上类似真核卫生物一般分布在极端环境, 如酸碱环境, 高盐高热等环境

5 1.1 细菌的形态排列和大小 1.1 形态排列

6 1.1 细菌的形态排列和大小基本形态类型球状杆状丝状螺旋状

7 1.1 细胞的形态排列球菌 : 细胞个体呈球形或椭圆形, 不同种的球菌在细胞分裂时会形成不同的空间排列方式, 常被作为分类依据

8 1.1 细胞的形态排列杆菌 : 细胞呈杆状或圆柱形, 一般其粗细 ( 直径 ) 比较稳定, 而长度则常因培养时间培养条件不同而有较大变化杆状细菌的排列方式常因生长阶段和培养条件而发生变化, 一般不作为分类依据铜绿假单胞杆菌 (pseudomonas aeruginosa) 研究生物膜 (biofilm) 和抗生素外排泵的模式菌

9 三种重要的病原菌麻风分支杆菌 (Mycobacterium leprae) 炭疽杆菌 (Anthrax bacillus) 结核分枝杆菌 (Mycobacteria tuberculosis)

10 1.1 细胞的形态排列螺旋状 : 弧菌菌体只有一个弯曲, 其程度不足一圈, 形似 C 字或逗号, 鞭毛偏端生 : 霍乱弧菌 (Vibrio cholerae) 见下图螺旋菌菌体回转如螺旋, 螺旋数目和螺距大小因种而异鞭毛二端生细胞壁坚韧, 菌体较硬 ; 螺旋体菌菌体柔软, 细胞外鞘内具有用于运动的类似鞭毛的轴丝 : 梅毒密螺旋体 (Treponema pallidum) 霍乱弧菌 (Vibrio cholerae)

11 1.1 细胞的形态排列丝状细菌 : 链霉菌是丝状细菌, 有营养菌丝和气生菌丝, 气生菌丝会生成孢子丝菌丝由多个孢子成串排列构成和杆菌一般粗细, 有初步的分化发育现象, 是土壤中最多的原核微生物, 孢子丝的形态是重要的分类依据

12 1.1 细菌的形态排列存在大量不规则的形态的细菌, 右图形态学的生物学意义 : 球状细菌的形态及排列方式可做为分类学的依据 ; 杆状细菌的排列方式不作为分类的依据 ; 丝状细菌的形态可作为分类学依据细胞的形态是细胞与环境相互作用的结果, 其形态会在不同的环境中有不用的变化, 但是, 在确定的环境下有稳定的形态学特征!

13 1.2 细菌的大小一般细菌细胞是微米尺度的生物细胞的尺寸分为轴和径 : 短者为径, 长者为轴直径一般在 2 个微米以内, 而轴长有很大的变化球菌的轴 / 径比大约相等, 杆菌和弧菌螺旋菌及丝状细菌等的轴 / 径比大于 1 以上

14 1.2 细菌的大小 1. 细菌的尺度 0.5 ~ 1 mm ( 直径 ) 0.2~ 1μm( 直径 ) X 1~ 80 mm( 长度 ) 0.3~ 1 mm ( 直径 ) X 1~ 50 mm( 长度 ) ( 长度是菌体两端点之间的距离, 而非实际长度 )

15 1.2 细菌的大小 2 测量方法显微镜测微尺 Streptococcus agalactiae, the cause of Group B streptococcal infections; cocci arranged in chains; colorenhanced scanning electron micrograph ( 放大 4,800 倍 ) 显微照相后根据放大倍数进行测算

16 1.2 细菌的大小 ( 参见 P 32) 3 细菌大小测量结果的影响因素菌种造成的菌种差异, 菌种内部的个体差异 ; 干燥固定后的菌体会一般由于脱水而比活菌体缩短 1/3-1/4; 染色方法的影响, 一般用负染色法观察的菌体较大 ; 菌龄因素, 幼龄细菌一般比成熟的或老龄的细菌大 ; 环境条件, 如培养基中渗透压的改变也会导致细胞大小的变化

18 回忆 : 革兰氏染色 : 革兰氏染色主要是对细菌进行的鉴别染色根据细胞壁结构的不同, 将细菌分为革兰氏阳性细菌和阴性细菌固定初染媒染脱色复染观察

19 2.1 细胞壁细胞壁 (cell wall) 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

20 2.1 细胞壁证实细胞壁存在的方法 : 细菌超薄切片的电镜直接观察 ; 质壁分离与适当的染色, 可以在光学显微镜下看到细胞壁 ; 机械法破裂细胞后, 分离得到纯的细胞壁 ; 制备原生质体, 观察细胞形态的变化 ;

21 2.1.1 革兰氏阳性细菌的细胞壁肽聚糖 (peptidoglycan) 磷壁酸 (teichoic acid) 磷壁酸共价结合在肽聚糖或细胞膜上是革兰氏阳性细菌细胞壁上的一种酸性多糖, 是真细菌细胞壁中的特有成分

22 革兰氏阳性细胞壁肽聚糖的结构

23 革兰氏阳性细胞壁肽聚糖的微观结构

24 革兰氏阳性细胞壁肽聚糖的结构单元

25 肽聚糖的特点和功能 : N- 乙酰葡糖胺和 N- 乙酰胞壁酸形成骨架, N- 乙酰胞壁酸分子与四肽相连 ; 肽聚糖的多样性主要表现在肽桥的多样性 ; 形成立体网状的保护性外套, 具有刚性结构, 保护细胞免受渗透压和机械性的损伤 ; 其合成途径成为开发抗生素的作用靶点

26 ( 参见 P42) 磷壁酸主要生理功能 : 细胞壁形成负电荷环境, 增强细胞膜对二价阳离子的吸收 ; 贮藏磷元素 ; 增强某些致病菌对宿主细胞的粘连避免被白细胞吞噬以及抗补体的作用 ; 革兰氏阳性细菌特异表面抗原的物质基础 ; 噬菌体的特异性吸附受体 ; 可作为细菌分类鉴定的依据能调节细胞内自溶素 (autolysin) 的活力, 防止细胞因自溶而死亡

27 2.1.3 革兰氏阳性菌细胞壁的特点 : 厚度大 (20~80nm), 化学组分简单, 一般只含 90% 肽聚糖和 10% 磷壁酸 ; 不溶于脂溶性有机溶剂, 亲水性好 ; 肽聚糖的多样性主要取决于肽桥的多样性 ; 细胞壁强度大, 形成刚性鞘膜, 能耐受较大的渗透压和物理性损伤 ; 细胞壁的网孔大, 透过性好, 有利于营养物质的穿透 ; 抗生素等小分子物质容易通过细胞壁, 也容易被溶菌酶破坏 β-1,4- 糖苷键而解构革兰氏阳性菌细胞壁生物合成途径的组分及合成酶, 通常是开发新一代抗生素潜在的最佳靶点之一已知的抗生素如 β- 内酰胺类抗生素和万古霉素等都是作用于细胞壁革兰氏染色的机理 : 结晶紫结合到细胞壁后, 和碘结合成网状大分子, 当遇到乙醇或丙酮脱色时, 结晶紫 - 碘被滞留在细胞壁中, 当遇到沙黄时, 呈现出更深的紫红色

28 革兰氏阳性菌的细胞壁的合成枯草杆菌肽环丝氨酸万古霉素

30 2.1.4 革兰氏阴性菌的细胞壁结构外膜 (outer membrane) 位于革兰氏阴性细菌细胞壁外层, 由脂多糖磷脂和脂蛋白等若干种蛋白质组成的膜, 有时也称为外壁

脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚 (8~10nm) 的类脂多糖类物质, 由类脂 A 核心多糖 (core polysaccharide) 和 O- 特异侧链 (O-specific side chain, 或称 O- 多糖或 O- 抗原 ) 三部分组成其脂质成分与细胞膜的脂质不同 LPS 结构的多变,

31 脂多糖 (lipopolysaccharide, LPS) 位于革兰氏阴性细菌细胞壁最外层的一层较厚 (8~10nm) 的类脂多糖类物质, 由类脂 A 核心多糖 (core polysaccharide) 和 O- 特异侧链 (O-specific side chain, 或称 O- 多糖或 O- 抗原 ) 三部分组成其脂质成分与细胞膜的脂质不同 LPS 结构的多变, 决定了革兰氏阴性细菌细胞表面抗原决定簇的多样性 ; LPS 负电荷较强, 与磷壁酸相似, 也有吸附 Mg 2+ Ca 2+ 等阳离子以提高其在细胞表面浓度的作用, 对细胞膜结构起稳定作用 ; 类脂 A 是革兰氏阴性细菌致病物质内毒素 ; 具有控制某些物质进出细胞的部分选择性屏障功能 ; 许多噬菌体在细胞表面的吸附受体 ; 也是病原菌和宿主细胞表面细胞多糖相互作用的物质基础

34 拓展阅读

35 外膜蛋白 (outer membrane protein) 嵌合在 LPS 和磷脂层外膜上的蛋白已知的功能是负责物质转运分泌及感应环境变化细胞外膜上的五种类型的分泌系统, 如右图 : I 型分泌途径, 也叫 ABC 分泌途径, 枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) 中包含有 77 种 ABC 分泌蛋白 ; II 型分泌途径, 多见于植物动物的病原菌, 含有种蛋白组分 ; III 型分泌途径, 主要向寄生的宿主注入毒素 ; IV 型分泌途径, 在结合作用时从细胞外转入 DNA 片段 ; V 型分泌途径, 将蛋白自身转运到外膜

36 肽聚糖层

37 周质空间 (periplasmic space, periplasm) 又称壁膜间隙在革兰氏阴性细菌中, 一般指其外膜与细胞膜之间的狭窄空间 ( 宽约 12~15nm), 呈胶状在周质空间中, 存在着多种周质蛋白 (periplasmic proteins) 周质空间是进出细胞的物质的重要中转站和反应场所水解酶类 ; 合成酶类 ; 结合蛋白 ; 受体蛋白 ;

38 2.1.5 革兰氏阴性菌的细胞壁的结构特点革兰氏阴性菌的细胞壁有两层, 肽聚糖层和含有脂多糖的磷脂外膜构成 ; 含有大量的膜蛋白 ; 比起阳性菌的细胞壁, 整体上比较薄 ; 革兰氏阴性菌的细胞壁刚性低, 柔韧性好 ; 脂溶性好, 容易被有机溶剂破坏 ; 细胞壁通透性差, 不利于物质的透过, 同时也不利于抗生素等小分子透过 ; 脂多糖被称为内毒素, 在发酵后的破细胞产物中应予以除去革兰氏染色的机理 : 结晶紫结合到细胞壁后, 和碘结合成网状大分子, 当遇到乙醇或丙酮脱色时, 细胞壁被溶解, 结晶紫 - 碘释放, 当最后遇到沙黄时, 细胞呈现红色

40 两类细胞壁结构的比较和总结占细胞壁干重的比例 % 成分革兰氏阳性菌革兰氏阴性菌肽聚糖含量很高 (50-90) 含量低 (<10) 磷壁酸含量较高 (<50) 无类脂质一般无 (<2) 含量较高 ( 20) 蛋白质无含量较高产毒素外毒素为主内毒素为主细胞壁机械强度强弱对溶菌酶敏感不敏感对青霉素和磺胺敏感不敏感

41 2.1.6 特殊细菌的细胞壁细胞壁中含大量的分枝菌酸等蜡质 ( 结构参见 P46) 从染色反应结果看, 属于革兰氏阳性菌 ; 从结构看, 与革兰氏阴性菌相似, 故描述为特殊革兰氏阳性菌 : 结核分枝杆菌 ( Mycobacteria tuberculosis ) 麻风分枝杆菌 ( Mycobacterium leprae ) 结核分枝杆菌细胞壁结构模式图

古生菌的细胞壁古生菌的细胞壁比较多样化有些为革兰氏染色阳性一般含有杂多糖 (heteropolysaccharides), 含有伪胞壁质 (pseudomurein), 有 1-3 糖苷键连接的 N- 乙酰塔罗糖苷糖醛酸和 N- 乙酰葡糖胺形成的假肽聚糖, 肽桥是 L- 氨基酸有些为革兰氏染色阴性其细胞壁含有蛋白质层, 称为 S 层, 有的有两层, 每层厚度为 20-40nm,

42 古生菌的细胞壁古生菌的细胞壁比较多样化有些为革兰氏染色阳性一般含有杂多糖 (heteropolysaccharides), 含有伪胞壁质 (pseudomurein), 有 1-3 糖苷键连接的 N- 乙酰塔罗糖苷糖醛酸和 N- 乙酰葡糖胺形成的假肽聚糖, 肽桥是 L- 氨基酸有些为革兰氏染色阴性其细胞壁含有蛋白质层, 称为 S 层, 有的有两层, 每层厚度为 20-40nm, 有些含有糖蛋白层 Cell Envelopes of Archaea. Schematic representations and electron micrographs of (a) Methanobacterium formicicum, and (b) Thermoproteus tenax. CW, cell wall; SL, surface layer; CM, cell membrane or plasma membrane; CPL, cytoplasm.

43 古生菌的假肽聚糖和革兰氏阳性菌的肽聚糖 N- 乙酰塔罗糖苷糖醛酸 -N- 乙酰葡糖胺 N- 乙酰胞壁酸 -N- 乙酰葡糖胺

44 参见 P16 细胞壁的功能固定细胞外形和提高机械强度 ; 为细胞的生长分裂和鞭毛运动所必需 ; 渗透屏障, 阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质进入细胞, 保护细胞免受有害物质的损伤 ; 细菌特定的抗原性致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础 ;

缺壁细菌细胞壁缺陷细菌 : L 型细菌 (L-form of bacteria) 细菌在某些环境条件下 ( 实验室或宿主体内 ) 通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型 ( 因英国李斯德 (Lister) 预防研究所首先发现而得名,1935 年在念珠状链杆菌发现, 后来在大肠杆菌变形杆菌葡萄球菌

45 缺壁细菌细胞壁缺陷细菌 : L 型细菌 (L-form of bacteria) 细菌在某些环境条件下 ( 实验室或宿主体内 ) 通过自发突变而形成的遗传性稳定的细胞壁缺陷变异型 ( 因英国李斯德 (Lister) 预防研究所首先发现而得名,1935 年在念珠状链杆菌发现, 后来在大肠杆菌变形杆菌葡萄球菌链球菌分枝杆菌和霍乱弧菌等 20 多种细菌中均有发现 ) 特点没有完整而坚韧的细胞壁, 细胞呈多形态 ; 有些能通过细菌滤器, 故又称滤过型细菌 ; 对渗透敏感, 在固体培养基上形成油煎蛋似的小菌落 ( 直径在 0.1mm 左右 ) Joseph Lister(1827~1912) 外科手术消毒的创始人

46 缺壁细菌原生质体 (protoplast) 特点 : 在人为条件下, 用溶菌酶处理或在含青霉素的培养基中培养而抑制新生细胞壁合成而形成的仅由一层细胞膜包裹的, 圆球形对渗透压变化敏感的细胞, 一般由革兰氏阳性细菌形成对环境条件变化敏感, 低渗透压振荡离心甚至通气等都易引起其破裂 ; 有的原生质体具有鞭毛, 但不能运动, 也不被相应噬菌体所感染 ; 在适宜条件 ( 如高渗培养基 ) 可生长繁殖形成菌落, 形成芽孢及恢复成有细胞壁的正常结构比正常有细胞壁的细菌更易导入外源遗传物质, 是研究遗传规律和进行原生质体育种的良好实验材料

47 缺壁细菌球状体 (sphaeroplast), 又称原生质球采用上述同样方法, 针对革兰氏阴性细菌处理后而获得的残留部分细胞壁 ( 外壁层 ) 的球形体与原生质体相比, 它对外界环境具有一定的抗性, 可在普通培养基上生长

48 2.2 细胞膜 (membrane) 细胞质膜又称质膜细胞膜或内膜, 是紧贴在细胞壁内侧包围着细胞质的一层柔软脆弱富有弹性的半透性薄膜, 厚约 7~8nm, 由磷脂 ( 占 20%~30%) 和蛋白质 ( 占 50%~70%) 组成细菌细胞膜的流动镶嵌模型. 含有何帕烷类 hopanoids (red)

49 2.2 细胞膜 (membrane) 观察方法 : 质壁分离后结合鉴别性染色在光学显微镜下观察 ; 原生质体破裂 ; 超薄切片电镜观察 ; 电镜观察到的细胞质膜, 是在上下两暗色层之间夹着一浅色中间层动外硫红螺菌 Ectothiorhodospira mobilis 海洋硝化囊菌 Nitrocystis oceanus

50 2.2 细胞膜 (membrane) 极性头的甘油 3C 上, 不同种微生物具有不同的 R 基 : 磷脂酸磷脂酰甘油磷脂酰乙醇胺磷脂酰胆碱磷脂酰丝氨酸或磷脂酰肌醇等非极性尾则由长链脂肪酸通过酯键连接在甘油的 C1 和 C2 位上组成 3C 其链长和饱和度因细菌种类而异 ; 其链饱和度因细菌生长的温度而异

51 细菌和古菌的细胞膜比较 : 甘油和脂肪链之间是酯键, 古生菌是醚键 ; 细菌的脂肪链有不饱和键, 古菌都是饱和键 ; 细菌细胞膜是双层膜, 有些古菌是单层或单双交替的细胞膜

52 参见 P51 无甾醇类物质 (steroid): 原核生物与真核生物的区别就是其细膜中一般不含甾醇类物质支原体例外原核生物的细胞膜中含有何帕烷类 (Hopanoids) 而无甾醇类物质, 是石油生成的主要来源之一真核生物细胞膜中一般含有胆固醇 (steroid) 等甾醇而无何帕烷类, 含量为 5%-25% 双分子膜中加入甾醇类物质可以提高膜的稳定性多烯类 (polyene antibiotics) 抗生素可破坏含甾醇的细胞膜

53 细胞膜的生理功能 : ( 参见 P 24) 选择性地控制细胞内外的营养物质和代谢产物的运送 ; 维持细胞内正常渗透压的屏障 ; 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 ; 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 ; 是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位

54 3. 细胞质 (cytoplasm) 指被细胞质膜包围的除核区外的一切半透明胶状颗粒状物质的总称, 含水量约 70% 细胞质的主要成分为 : 细胞骨架核糖体贮藏物多种酶类和中间代谢物质粒各种营养物和大分子的单体等, 少数细菌还有类囊体羧酶体气泡或伴孢晶体等

55 3.1 细胞骨架 (prokaryotic cytoskeleton) 指微丝 (microfilaments) 中间丝 ( intermediate filaments) 微管 (microtubules) 三部分构成的骨架结构, 以维持细胞内微环境的稳定有序在古生菌也有发现功能参与细胞分裂 ; 蛋白定位 ; 决定细胞形态

56 ( 参见 P53) 3.2. 包涵体 (inclusion bodies): 染色后光镜可见的不溶性的颗粒状结构, 包括有碳源氮源磷源和能源, 气泡和液泡糖原 : 大肠杆菌克雷伯氏菌芽孢杆菌和蓝细菌等碳源及能源类聚 β- 羟丁酸 (PHB): 固氮菌产碱菌和肠杆菌等包涵体硫粒 : 紫硫细菌丝硫细菌贝氏硫杆菌等氮源类 : 藻青素藻青蛋白 : 蓝细菌磷源 ( 异染粒 ): 迂回螺菌白喉棒杆菌结核分枝杆

57 聚 -β - 羟丁酸 (poly-β-hydroxybuty PHB) 属于碳源类贮藏物它无毒可塑易降解, 被认为是生产医用塑料生物降解塑料的良好原料 PHB 于 1929 年被发现, 至今已发现 60 属以上的细菌能合成并贮藏巨大芽孢杆菌在含乙酸或丁酸的培养基中生长时, 细胞内贮藏的 PHB 可达其干重的 60% Electron micrograph of Bacillus megaterium (30,500). Poly-β-hydroxybutyrate inclusion body, PHB; cell wall, CW; nucleoid, N;plasma membrane, PM; esosome, M; and ribosomes, R.

58 多糖类贮藏物糖原粒淀粉粒在真细菌中以糖原为多, 糖原粒较小, 不染色需用电镜观察, 用碘液染成褐色, 可在光学显微镜下看到有的细菌积累淀粉粒, 用碘液染成深兰色藻青素 (cyanophycin) 由天冬氨酸和精氨酸以等量的形式形成的多肽, 是内源性氮源贮藏物, 同时还兼有贮存能源的作用通常存在于蓝细菌中右图为蓝细菌中的藻青素藻青素的结构单元

59 异染粒 (metachromatic granules) 颗粒大小为 0.5~1.0μm, 是无机偏磷酸的聚合物, 一般在含磷丰富的环境下形成可被美蓝或甲苯胺蓝染成红紫色功能是贮藏磷元素和能量, 并可降低细胞的渗透压右图显示的是棒状杆菌中的异染颗粒

60 羧酶体 (carboxysomes) 一些自养细菌细胞内的多角形或六角形内含物其大小约 10nm, 内含 1,5- 二磷酸核酮糖羧化酶, 在自养细菌的 CO 2 固定中起着关键作用. 下图中的黑色的颗粒.

61 气泡 (gas vocuoles) 许多光合营养型无鞭毛运动的水生细菌中存在的充满气体的泡囊状内含物, 大小为 0.2~1.0μm 75nm, 内由数排柱形小空泡组成, 外有 2nm 厚的蛋白质膜包裹功能 : 调节细胞比重以使细胞漂浮在最适水层中获取光能 O 2 和营养物质

62 储藏物的特点及生理功能 : 不同微生物其储藏性内含物不同 ; 微生物合理利用营养物质的一种调节方式 ; 储藏物以多聚体的形式存在, 有利于维持细胞内环 ; 境的平衡, 避免不适合的 ph, 渗透压等的危害储藏物在细菌细胞中大量积累, 还可以被人们利用

63 3.3 磁小体 (megnetosome) 趋磁细菌细胞中含有的大小均匀数目不等的 Fe 3 O 4 颗粒, 外有一层磷脂蛋白或糖蛋白膜包裹功能是导向作用, 即借鞭毛游向对该菌最有利的泥水界面微氧环境处生活右图是细菌 Aquaspirillum magnetotacticum(x123,000) 磁小体 MP 实用前景, 包括生产磁性定向药物或抗体, 以及制造生物传感器等

64 3.4 核糖体 (ribosome)

65 细菌的细胞结构 3.5 核区 (nuclear region or area) 原核生物绝大部分没有细胞核,DNA 集中在无核膜结构无固定形态的核区, 也叫拟核 (nucleoid ) 或染色质体 (chromatin body) 大部分的单细胞原核微生物的 DNA 是环状的, 如大肠杆菌等 ; 个别是线性的, 如霍乱弧菌 (Vibrio cholerae), 伯氏疏螺旋体菌 ( Borrelia burgdorferi ); 多细胞的丝状微生物如放线菌的 DNA 是线性的原核微生物的基因组绝大多数是单倍体

66 拟核的特点组成 : 原核微生物的拟核中, 按重量比例, 大约 60% 为 DNA, 30% 为 RNA, 最后 10% 是 protein 包装 : 在细菌和古生菌中, 在 RNA 和一些核蛋白的协助下,DNA 被高度有序地包装起来, 形成紧密浓缩的形态, 通常也叫染色体, 成为原核生物的基因组 ; 原核的染色体的包装不是组蛋白, 而是组蛋白类的非常保守的蛋白质右图为轻柔裂解的大肠杆菌释放出的染色体 DNA 电镜照片在上图中,DNA 的长度约为 1,400um, 大约是细胞体长的倍

67 例外 : 在个别的细菌中, 现在也发现有核膜, 如在浮霉菌门 (Planctomycetes) 的细菌 Gemmata obscuriglobus 中有单层的核膜存在. An electron micrograph of Gemmata obscuriglobus showing the nuclear body envelope (E).

68 3.6 孢子 (spore) 孢子是放线菌的繁殖细胞, 是由气生菌丝分化而来的细胞结构, 每个孢子都可以生长分化为一株细菌 ; 孢子通常成串排列成特定的形态结构, 成为孢子丝 ; 孢子丝的形态, 孢子的表面形态, 是放线菌分类的依据之一真菌的繁殖细胞也叫孢子

69 3.7 芽孢 (endospore) 一些革兰氏阳性菌产生的抗逆性极强的特殊的休眠体结构, 称为芽孢, 也叫内生孢子芽孢构造如右图 : 从外到内依次为 : 芽孢外壁, 芽孢衣, 皮层, 芽孢壁, 芽孢核区, 核糖体芽孢质除了 DNA RNA 及酶外, 含有大量的皮考林二羧酸 - 钙 (DPA-Ca). 芽孢的有无形态大小和着生位置是细菌分类鉴定的重要指标 ; 细菌如枯草芽孢杆菌是研究单细胞微生物发育分化的模式菌

70 细菌芽孢的特点整个生物界中抗逆性最强的生命体, 在沸水中可存活 1 到几个小时, 耐热抗辐射抗消毒剂耐干燥等, 保存 100,000 年可保持活力 ; 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产芽孢的多为杆菌, 也有一些球菌 ; 芽孢与营养细胞存在较大差异, 易在光学显微镜下观察

71 芽孢的萌发和芽孢的产生

72 ( 参见 P58) 芽孢的耐热机制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, 具极强的耐热性枯草芽孢杆菌的透射电镜图片 : 即将成熟的芽孢

73 3.8 伴孢晶体 (parasporal crystal) 少数芽孢杆菌, 例如苏云金芽孢杆菌在其形成芽孢的同时, 会在芽孢旁形成一颗菱形或双锥形的碱溶性蛋白晶体 δ 内毒素, 称为伴孢晶体特点 : 不溶于水, 对蛋白酶类不敏感 ; 容易溶于碱性溶剂伴孢晶体对 200 多种昆虫尤其是鳞翅目的幼虫有毒杀作用, 因而可将这类产伴孢晶体的细菌制成有利于环境保护的生物农药细菌杀虫剂

74 细菌的其他休眠构造 ( 参见 P60) 棕色固氮菌产生孢囊 : 细胞壁加厚, 细胞失水, 抗旱不抗热的休眠体黏细菌产生黏液孢子 ; 蛭弧菌产生蛭孢囊 ;

75 4. 细菌细胞壁以外的构造糖被 (glycocalyx) 包被于某些细菌细胞壁外的一层厚度不定的胶状物质按其有无固定层次层次厚薄可分为荚膜 ( 大荚膜 ) 微荚膜粘液层和菌胶团

76 糖被的特点 ( 见 P 27) 糖被的功能主要成分是多糖多肽或蛋白质, 尤以多糖居多经特殊的荚膜染色, 特别是负染色后可在光学显微镜清楚地观察到它的存在产生糖被是遗传特性, 其菌落特征及血清学反应是分类鉴定的指标之一并非细胞生活的必要结构, 但对细菌在环境中生存有利细菌糖被与人类的科学研究和生产实践有密切的关系 ( 肠膜状明串珠菌代血浆 ; 野油菜黄单胞菌黄原胶 ) 保护作用贮藏养料透性屏障和离子交换系统表面附着作用细菌间的信号识别堆积代谢产物

77 参考 P 生物膜 (biofilm): 在生物或非生物的表面生长的微生物菌群被包裹在自身产生的胞外聚合物基质中, 细胞之间彼此粘连在一起所形成的结构胞外聚合物为多糖蛋白质 DNA 是近年来非常活跃的研究领域生物膜的生理功能为 : 生理保护屏障 ; 创造有利生境 ; 促进信息交流 ; 保证营养供应生物膜的形成有复杂的机制, 研究表明与细胞间的生物通迅有直接关系揭开成膜机制, 对于微生物细胞通讯病原菌的控制和耐药性细菌的治疗有重要的医学价值和科研意义生物膜的形成是微生物细胞间抱团协作互利共赢的典型案例! 图中红色为死细胞, 绿色为活细胞铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa) 是研究微生物成膜机制的主要模式菌

78 拓展阅读

80 6. 细菌细胞壁以外的构造 S 层由蛋白质组成的晶格状结构, 位于细胞壁或细胞膜外层, 是生物进化过程中最简单的一种生物膜细菌的每一个分类群都存在 S- 层, 涉及 300 多个种, 在古细菌中分布更广过去,S- 层的广泛存在并不被人们所关注, 因为在实验室条件下, 过长的培养时间会导致 S- 层的丢失, 而且必须用电镜才能观察

81 7. 细菌的运动器官 : 鞭毛 ( flagella) 观察和判断细菌鞭毛的方法 ( 参见 P62) 电子显微镜直接观察光学显微镜下观察 : 鞭毛染色和暗视野显微镜根据培养特征判断 : 半固体穿刺菌落 ( 菌苔 ) 形态

82 鞭毛的分布单鞭毛, 丛生鞭毛, 对生鞭毛, 周生鞭毛 ; 鞭毛的分布方式是分类鉴定的重要依据

84 鞭毛的结构革兰氏阴性菌革兰氏阳性菌

85 鞭毛的生长和菌体的运动

86 鞭毛的特点鞭毛蛋白由 III 型分泌蛋白系统转运并完成自我装配 ; 鞭毛的运动是旋转式, 而不是摆动式 ; 鞭毛是弯曲的, 突变的笔直的鞭毛则丧失了运动机能 ; 鞭毛的运动由质子泵来驱动, 而非 ATP 的水解 ; 鞭毛逆时针转动则前进, 相反则翻滚 ; E. coli motor rotates 270 revolutions per second; Vibrio alginolyticus averages 1,100 rps

87 试看天下谁能敌? VS Usain Bolt: 百米记录 :9.58 秒身高 : 1.9 米, 最快速度 :5.5 体长 / 秒细菌 : 最快速度 90μm/second, 体长 0.9μm, 最快速度 :100 体长 / 秒.

信号传导, 鞭毛的旋转, 菌体运动详细的机制还不完全清楚 1 B 含有不同浓度的乙酸的圆片在大肠杆菌的平板, 从

88 趋化性 (chemotaxis): 指细菌趋向有利的生化环境或避开有害环境的生理行为特性这些环境因子包括, 碳源 ph 氧渗透压温度等 A 依赖鞭毛的旋转来实现趋化行为有多个蛋白的参与和一套复杂的机制, 包括感受器, 信号传导, 鞭毛的旋转, 菌体运动详细的机制还不完全清楚 1 B 含有不同浓度的乙酸的圆片在大肠杆菌的平板, 从 1 开始顺时针依次升高浓度, 细菌逐渐远离 A 图和 B 图中翻滚和跑动频率和节奏有何区别? 哪个图显示的是趋化性?

90 8. 菌毛 (fimbriae) 细菌体表纤细中空短而稠密的蛋白质类附属物, 具有许多生物功能每个细菌约有 250~300 条菌毛有菌毛菌一般以革兰氏阴性致病菌居多借助菌毛可牢固地粘附于宿主的呼吸道消化道泌尿生殖道等的粘膜上, 进一步定植和致病此外, 菌毛还参与微生物的侵入生物膜的形成 DNA 和蛋白的跨膜转运等事件

91 型革及兰装氏配阴机性器菌常见菌毛的类

92 拓展阅读

93 9. 性毛 (pilus) 构造和成分与菌毛相同, 但比菌毛长, 数量仅一至少数几根性毛镶嵌在 IV 型分泌系统的装置中 ; 一般见于革兰氏阴性细菌的雄性菌株 ( 即供体菌 ) 中, 其功能是连接雌性菌株 ( 即受体菌 ) 当两个菌被性毛连接后, 性毛收缩, 将两个菌拉近并最终接触, 介导结合作用 (conjugation) 有的性毛还是 RNA 噬菌体的特异性吸附受体

94 1.2 细菌的细胞结构性毛和鞭毛的结构比较性毛结构鞭毛结构

95 1.3 细菌的分裂细胞分裂是生物自我复制的极端重要的机制, 是生命科学最基本的问题之一, 认识和解读细胞分裂的奥秘, 是生命科学重大的课题细菌的分裂有一套精确而严格的机制来提供保障, 有严格的时间空间的时位性, 涉及到众多基因的参与和调控, 是许多蛋白协调配合精确合作的结果 ; 细菌的分裂首先涉及到 DNA 的复制和肽聚糖合成的引发, 涉及到负调控因子的限制和分裂复合体 (divisome) 的装配, 尤其是 FtsZ 蛋白在细胞中间形成 Z 环, 是细菌分裂的标志性事件 ; Z 环形成后, 紧接着在众多蛋白的参与下, 分裂复合体 (divisome) 的装配完成, 然后间隔形成,Z 环收缩, 缢裂痕处肽聚糖水解, 细胞分离, 成为两个同样大小的子细胞大肠杆菌 E.coli 和枯草芽孢杆菌 B.subtilis 是研究细菌分裂的代表菌

96 1.3 细菌的分裂拓展阅读 :

97 1.3 细菌的分裂 1. 裂殖 (fission): 指细菌通过无丝分裂产生两个子代细胞的过程二分裂 (binary fission): 细菌通过无丝分裂产生两个相同大小子代细胞的过程 ; 三分裂 (trinary fission): 某些细菌在特定阶段, 细胞一分为三, 形成一个 Y 形细胞, 然后进行二分裂 ; 复分裂 (multiple fission): 蛭弧菌在宿主体内生长时, 形成不规则盘曲长细胞, 然后多出同时发生均等长度的分裂, 产生弧形子细胞

98 1.3 细菌的分裂 2. 芽殖 (budding) 某些细菌先在细胞表面长出一个小突起, 然后突起变大, 直至与母体细胞相仿, 然后分离成为独立的细胞此类细菌称为芽生细菌 (budding bacteria) 出芽过程中, 母细胞保留原有的细胞壁, 而子细胞则合成新壁子细胞形成后, 母细胞仍然存在一般不运动, 但脱离母细胞的新生子细胞常以鞭毛运动大多数芽生细菌水栖, 少数栖居在土壤中

100 2. 原核微生物的类群 1. 丝状细菌 : 放线菌 (Actinomycetes) 指菌体成丝状并以孢子繁殖的革兰氏阳性细菌因在固体培养基上呈辐射状生长而得名大多数有发达的分枝菌丝菌丝纤细, 宽度近于杆状细菌, 约 0.5~1 微米可分为 : 营养菌丝 (vegetative mycelium), 又称基内菌丝 (substrate mycelium), 主要功能是吸收营养物质, 有的可产生不同的色素, 是菌种鉴定的重要依据 ; 气生菌丝 (aerial mycelium), 叠生于营养菌丝上, 气生菌丝可分化为孢子丝 (spore hypha) 放线菌大多喜欢陆生, 近年来在海洋中发现大量的新的放线菌放线菌的代表菌之一 : 链霉菌 (streptomyces)

101 2. 原核微生物的类群游动放线菌属 (Actinoplanete) 的孢子囊发育示意图. 不同的孢子丝的形态

102 2. 原核微生物的类群

103 2. 原核微生物的类群链霉菌 (Streptomyces) 链霉菌属 (Streptomyces) 共约 500 多种, 虽然一些链霉菌可见于淡水和海洋, 但它主要生长在含水量较低通气较好的土壤中, 土壤中 20% 的微生物为链霉菌, 是土壤中最多的微生物链霉菌产生土嗅素 (geosmin) 赋予土壤以土腥味链霉菌有营养菌丝气生菌丝和孢子丝, 产分生孢子固体培养有典型的三种菌丝, 以孢子繁殖, 光秃突变株不产孢 ; 在液体生长一般只有营养菌丝, 突变株也会产孢子链霉菌是重要的微生物的资源, 在天然产物领域和医药领域, 尤其在抗生素的生产方面, 50% 抗生素来源于链霉菌, 典型的代表有氨基糖苷类的抗生素, 大环内酯安莎等在抗癌免疫抑制降低胆固醇等方面有巨大的医药价值链霉素的发现者 Selman Waksman 发明了抗生素 antibiotic 一词, 本人获得 1952 年诺贝尔奖天蓝色链霉菌 :Streptomyces coelicolor 是链霉菌研究重要的模式菌株

104 2. 原核微生物的类群 Growth of Streptomyces coelicolor on a solid substrate S. coelicolor vegetative hyphae Chains of S. coelicolor spores Smooth spores of S. niveus Spiney spores of S. viridochromogenes. Warty spores of S. pulcher

105 2. 原核微生物的类群蓝细菌 (Cyanobacteria) 旧名蓝藻 (blue algae) 或蓝绿藻 (blue-green algae) 革兰氏染色阴性, 无鞭毛, 含叶绿素无叶绿体, 可进行产氧光合作用的大型原核细菌 ; 古老的蓝细菌改变了大气的组成, 为好氧生物的出现创造了条件, 有先锋生物之美誉 ; 体积比一般细菌大, 形态多样, 分布广泛 ; 可引发赤潮和水华

106 2. 原核微生物的类群

107 2. 原核微生物的类群蓝藻和真核藻类在富营养的池塘形成的水华 (bloom)

108 2. 原核微生物的类群 Figure 21.9 Examples of Heterocysts and Akinetes.(a) Cylindrospermum 末端的异形胞 ( heterocysts) (H) 和次末端的静息孢子 (akinetes) (A) (x500). (b) Anabaena 的异形胞.

109 2. 原核微生物的类群寄生性的细菌 : 革兰氏阴性, 体积小, 介于病毒与细菌之间, 代谢能力差, 需要宿主细胞提高营养或能量, 属于软膜体纲 (Mollicutes) 支原体 (mycoplasma): 无细胞壁, 体积小 ; 细胞膜含甾醇 ; 对渗透压敏感 ; 菌落小, 以二分裂和出芽繁殖 ; 基因组小, 约为大肠杆菌的 1/5;

110 2. 原核微生物的类群生物特性专性厌氧或兼性厌氧 ; 能合成生物大分子, 生长需要维生素脂肪酸氨基酸嘌呤和嘧啶, 也需要甾醇 ; 没有完整的三羧酸循环途径, 可通过磷酸戊糖途径和糖酵解途径产生 ATP; 对四环素红霉素和去污剂敏感经常污染哺乳动物细胞培养 ; 作为病原, 在动物植物和昆虫中经常寄生, 可引起牛的牛传染性胸膜肺炎, 鸡的慢性呼吸性疾病和猪肺炎等疾病 ; 目前鉴定的种有 104 种

2. 原核微生物的类群衣原体 (Chlamydiae): 是一类专门在真核细胞内寄生的球状的小型的革兰氏阴性细菌 Figure 21.13 The Chlamydial Life Cycle.

111 2. 原核微生物的类群衣原体 (Chlamydiae): 是一类专门在真核细胞内寄生的球状的小型的革兰氏阴性细菌 Figure The Chlamydial Life Cycle. elementary bodies (EB), larger reticulate bodies (RB), and an intermediate body (IB) betweeneb and RB. The RBs accumulate high concentration of ribosomes. infectious cycle of chlamydiae.

112 2. 原核微生物的类群值得中国人永远铭记的名字和学术史 : 汤飞凡生物特性 : 有细胞构造 ; 有细胞壁, 但无肽聚糖和磷壁酸 ; 缺乏产能系统, 但能合成 DNA RNA 蛋白质和脂类; 革兰氏染色阴性, 对抑制细菌的抗生素和药物敏感 ; 有原体 (elementary body ) 和始体 (initial body) 及中间体 (intermediate body) 多数是病原, 猫衣原体 ( Chlamydia psittaci) 研究最为深入 ; 有较复杂的生活史汤非凡 ( ) 1955 年首次分离出沙眼衣原体 (Chlamydia trachomatis )!

113 2. 原核微生物的类群立克次氏体 (Rickettsia): 是营专性的寄生性细菌, 有细胞壁, 无鞭毛, 革兰氏阴性的细菌特点 : 细胞较大, 无滤过性 ; 形态多样, 球形, 杆状, 双球状, 杆状和丝状 ; 有细胞壁,LPS 对宿主细胞有毒性 ; 以二分裂方式分裂, 分裂一次 8 小时 ; 存在不完整的代谢途径, 基因组相似线粒体的基因组 ; 对四环素和青霉素敏感 ; 对热敏感,56 摄氏度 30 分钟可杀死 ; 培养在鸡胚和敏感动物或 Hela 细胞株为纪念 1910 年为研究落基山斑疹伤寒 (Rocky Mountain typhus ) 而献出生命的美国科学家 H.T.Ricketts( ), 故名之

114 2. 原核微生物的类群 Figure 22.4 Rickettsia Rickettsial morphology and reproduction. (a) A human fibroblast filled with Rickettsia prowazekii(x1,200).(b) A chicken embryo fibroblast late ininfection with free cytoplasmic R. prowazekii(x13,600)

115 微生物学 Thanks for your attention!

微生物学课件

微生物学课件第 3 章微生物类群与形态结构 ---- 原核生物原核生物一一般形态及细胞结构二放线菌三支原体立克次氏体和衣原体四粘细菌 (Myxobacteria) 五蛭弧菌 (Bdellovibrio) 六蓝细菌 (Cyanobacteria) 1 细菌 (bacteria) 一一般形态及细胞结构 ( 一 ) 个体形态和排列 ( 二 ) 大小 ( 三 ) 细胞的结构 1 细胞壁 2 细胞膜