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1 環境微生物學 講義 焦點 1 細菌學 一 微生物的定義 微生物一群構造簡單 形體微小, 無法以肉眼觀察, 需要在顯微鏡下才能辯別的生物, 例如細菌 病毒 寄生蟲等 二 微生物的分類 Whittaker R.H. 的五界分類 : 動物界鼎文公職 植物界 : 具葉綠體, 可行光合作用 真菌界 : 異營性生物, 具細胞壁的真核細胞, 除了酵母菌例外外, 大多為多細胞生物, 可行無性生殖或有性生殖 原生生物界 : 真核的單細胞生物, 以無性生殖為主, 也些種類同時具有有性與無性生殖, 包括藻類 原生動物 黏菌等 原核生物界 : 單細胞生物, 有時會聚集成群, 形成 biofilm, 行無性生殖, 包括真細菌試閱講義 (eubacteria) 古細菌(archaeobacteria) 藍細菌(cyanobacteria) 等 鼎文文理補習班 1 版權所有翻印必究

2 鼎文公職 試閱講義 細菌以外的其他微生物 病毒 (virus): 病毒介於無生物及生物之間, 並非以細胞的形態存在 病毒顆粒是由核酸 (DNA 或 RNA) 及蛋白質外衣 (capsid) 所組成 有些病毒具有套膜 (envelpoe), 有些則無 為絕對細胞內寄生, 無法自行合成 ATP 等物質 類病毒 (viroid): 小的單股環狀 RNA 分子, 不具蛋白質殻外衣 常引起植物的疾病 靠植物宿主細胞的 DNA- 依賴的 RNA 聚合酶複製 類病毒在有感受性的細胞中可以自行複製, 不需要 helper virus 的幫助 普恩蛋白 (prion): Prion:Proteinaceous infectious particle 分子量 :33-35 kd 蛋白質 ( 約 250 個氨基酸 ) 基因 : 位於人類第 20 號染色體上 鼎文文理補習班 2 版權所有翻印必究

3 引起羊搔癢症與 CJD 之外, 普恩蛋白還會造成其他的海綿狀腦病, 包括 BSE 和發生在鹿與糜鹿身上的慢性消粍病 但最讓人震驚的是普恩蛋白 (PrP) 並非都是不好的 事實上, 所有目前研究過的動物都具有製造 PrP 的基因 正常的普恩蛋白, 現在稱之為 PrP C (C 為細胞之意 ), 主要出現在神經細胞, 可能有助於維持正常的神經功能 但這個蛋白質扭成不正常 會致病的形狀後, 就變成 PrP Sc (Sc 代表羊搔癢症, 這是截至目前為止研究最多的普恩蛋白疾病 ) Prion 是由一種正常的細胞蛋白 PrP c 經過改變而得 製造 PrP c 的基因僅含單一的 exon, 且在正常細胞中僅含一個 PrP c 基因 ;PrP c 主要位於神經細胞的表面, 以 glycoinositol phospholipid 與細胞膜連結 ; 對蛋白質水解脢 (Protease) 有高度敏感性 ; 推測其生理作用與突觸 (synapse) 的功能相關 經過改變的 PrP c PrP sc, 則具有致病力 相較於 PrP c, 抵禦蛋白質分解脢的能力較強, 不易被分解, 在病患體內可見 PrP sc 堆積於細胞質小泡 (cytoplasmic vesicles) 中 傳染性海綿狀腦病 (transmissible spongiform encephalopathies; TSEs), 因其會造成鼎文公職人類或動物腦組織海綿狀病變而被命名 1982 年美國神經生化學家 Prusiner S.B 於科學 (Science) 雜誌發表羊搔癢症 (scrapie) 之致病物質為一不含核酸, 僅具蛋白質之粒子, 並將其命名為 proteinaceous infection particle, 此具感染力之病因簡稱 prion 正常動物及人類許多細胞表面皆含有 prion, 簡稱 PrP C,c 代表細胞 (cellular); 此 PrP C 正常結構為四個螺旋結構, 由於不明原因使其中兩個螺旋結構異構 (conformation) 為褶板樣結構, 發生異構現象之 prion 稱 PrP Sc,Sc 代表 scrapie, 以試閱講義下簡稱 PrP Sc, 具感染力與病原性 PrP Sc 無法被正常蛋白酵素所水解, 故會堆疊於腦組織中, 尤其是神經細胞, 引起神經細胞凋零 (apoptosis), 繼而星狀細胞移除凋零死亡之神經細胞, 形成腦組織之空洞變化 綜合近年來相關文獻可得知人類或動物感染 PrP Sc, 大致可分為兩種路徑, 一為經口感染受污染之食物, 將 PrP Sc 經口食入, 在扁桃腺增殖, 經由免疫系統, 主要是 B 細胞, 將 PrP Sc 帶入周邊淋巴結與脾臟,follicular dendritic cells 會幫助 PrP Sc 之複製, 再經由 B 細胞將 PrP Sc 帶入周圍神經, 最後感染腦神經細胞 ; 另一感染途徑為醫源性感染 (iatrogenic), 經注射荷爾蒙 輸血 外科手術等醫療行為而感染 PrP Sc, 此具病原性 prion 可經由血液或淋巴液感染周圍神經, 最後感染腦神經細胞, 造成海綿狀腦病 鼎文文理補習班 3 版權所有翻印必究

4 鼎文公職 試閱講義 原核細胞與真核細胞的比較 : 原核生物 (Prokaryotic cell) 無膜系胞器 有膜系胞器 真核生物 (Eukaryotic cell) 細胞壁成分為肽聚糖 (peptidoglycan) 細胞壁成分為纖維素 (cellulose) 無核膜 DNA 裸露 有核膜 無 cell cycle 有 cell cycle( 受調控的 ) RNA 只有 exon RNA 具有 intron 及 exon 鼎文文理補習班 4 版權所有翻印必究

5 原核生物 (Prokaryotic cell) mrna 不經過剪切等作用 核糖體 :70S = 30S + 50S 真核生物 (Eukaryotic cell) mrna 具剪接作用,5 - 加帽 3 -poly A 加尾作用 核糖體 80S = 40S + 60S 鼎文公職 試閱講義 三 細菌分類上常用的特徵 形態或特徵 細胞的形態 : 如球菌 桿菌 弧菌 螺旋菌等 菌落形態 細胞的大小 細胞壁染色的特性 運動的機制 顏色 芽胞的產生與否 鼎文文理補習班 5 版權所有翻印必究

6 生理學及代謝的特徵 氮與碳的來源 細胞壁的組成成分 能量來源 發酵後的產物 最適生長的溫度與生長溫度的範圍 氧氣的需求與否 鹽類的需求與耐受性 對於抗生素或抑制劑的耐受性 基因序列的分析 :RNA 序列最常用 16S rrna 及 5S rrna 蛋白質胺基酸序列的比較 血清學試驗 核酸鹼基 G+C 的組成比例 鼎文公職四 微生物的命名規則 由瑞典植物學家 Linnaeus Carolus 所創立的二名法 屬名 + 種小名 屬名第一個字母要大寫 書寫二名法時, 應斜體或 underline, 例如 Escherichia coli 或 Escherichia coli 試閱講義五 微生物的發展史 A. Van leeuwenhoek( 雷文霍克, ): 利用自製之單式顯微鏡觀察了極微小的生物, 並於 1676 年首次利用肉眼從雨水中, 河水 污水 齒垢和腐敗肉汁等物質, 在顯微鏡下 ( 約 270~300) 倍, 觀察到了球狀 桿狀和螺旋狀微小, 能動的物體, 他認為那些是具有生命的微小動物, 稱為微生物 (animalcules), 但沒有受到應有的重視 自然發生說 (spontaneous generation ): 早期人們即相信自然發生說 (spontaneous generation), 意即生活的生物係從無生命物質而來的, 換言之, 生物係從植物或動物組織分解的結果, 而非原因, 也就是一般所說的無生源論 (abiogenesis) 巴斯德 (L. Pasteur): 在 1860 年時以附有長而彎曲呈 S 型的鵝頸燒瓶內注入肉汁並加熱之, 空氣可自由進入開放之頸部, 但肉汁中未見有微生物, 因塵粒與微生物都沉集於彎曲 S 型管的 U 形底部, 而不能達到肉汁的緣故, 因此自然產生說就徹底被否認了 巴斯德被後人稱為 微生物學之父 巴斯德還發現 可利用微生物來製造酒精或乳酸 ; 微生物會引起傳染病, 例如巴斯德於研究蠶病時指出, 若將病蠶隔離, 即可防止其他健康的蠶受到感染 ; 巴氏滅菌法 (pasteurization): 將酒於 62 下加熱 30 分鐘則可防止生變 ( 變質 ), 此法現亦被應用 鼎文文理補習班 6 版權所有翻印必究

7 於牛奶之消毒 ;( 四 ) 炭疽病疫苗與狂犬病疫苗 : 巴斯德發現, 將減弱毒力後的炭疽病或狂犬病毒, 接種於動物或人身體上時, 可預防此種病毒的感染 奠定了傳染病的細菌學說 (germ theory) 的基礎 1860 年,J.Lister(1827~1912) 他認為傷口感染係由微生物所引起, 他利用石碳酸 (carbolic acid), 又稱酚 (phenol) 之稀釋液浸濕手術衣及噴灑手術室, 以減少常發生於手術後之感染所造成的死亡, 並設計手術器具使用前的滅菌方法, 其試驗乃是今日用於防止感染之無菌技術 (aseptic techniques) 之啟蒙 R.Koch(1843~1910) 是德籍醫生, 為疾病的細菌學說奠定了牢固的基礎, 這些研究工作包括了微生物純種的純培養 (pure culture), 從馬鈴薯的固體培養技術改進為明膠平板培養技術, 又進而改為瓊脂平板培養技術, 此法沿用到現在 ; 他首先分離炭疽病的病原菌, 而以此菌的感染提出了柯霍氏法則 (Koch s postulates), 確立了病原菌的嚴格標準, 其內容為 : 某一動物常與罹病微生物存在, 而健康動物則否 此一微生物可以從寄主分離出來, 且可得到純種培養鼎文公職 分離出之純種培養物接種到感受性動物時, 必然出現特有之疾病症狀 從人工接種的致病動物體, 可以再分離出同樣的微生物 試閱講義 鼎文文理補習班 7 版權所有翻印必究

8 細菌的構造 一 研究細菌的方法 染色法 : 簡單染色法 (simple staning): methylene blue: 染白喉棒狀桿菌的異染顆粒 safranin O 鑑別染色法 (differential staining): 革蘭氏染色 (Gram stain) 鑑別染色需用經熱固定之抹片, 且連續使用三種化學藥劑 最初試劑是謂初染劑 (primary stain), 其目的使細菌著色 為形成顏色對比 鼎文公職第二試劑為脫色劑 (decolorizing agent), 依細胞化學組成之不同, 脫色劑可完全除去初染或僅除去部份細胞構造之顏色 最後試劑是謂複染劑 (counterstain), 與初染呈對比顏色 脫色時若初染未洗去, 則複染不能吸收, 細胞與其組成將保留初染顏色 若初染脫色, 則細胞組成即吸收複染之對比顏色 因此細胞之形成或其構造, 可依保留之染色劑而鑑別之 用於細菌學上最重要之鑑別染色法是謂革蘭氏染色 此法乃微生物分類與鑑別之主要試閱講義工具, 可將細菌區分為兩大類, 即革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌 拭淨玻片 以無菌操作, 每菌分別製備一抹片之外, 另 Escherichia coli 及 Staphylococcus aureus 混合製備一抹片 於空氣中乾燥或玻片烘乾器烘乾, 熱固定後備用 將塗抹覆以結晶紫, 靜置一分鐘 以自來水輕洗去多餘染液 覆以革蘭氏碘液媒染劑, 靜置一分鐘 以自來水輕洗去多餘革蘭氏碘液 以 95% 乙醇脫色, 勿脫色過度, 逐滴滴下至發現結晶紫未自塗抹中釋出為止 以蒸餾水輕洗去 95% 乙醇 以番紅複染 45 秒 以自來水輕洗去番紅 以吸水紙吸乾或烘乾, 並用油鏡觀察 鼎文文理補習班 8 版權所有翻印必究

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