细 菌 的 形 态 与 结 构 Bacteria: Morphology and Structure 2008 年 9 月 刘 树 林 北 京 大 学 医 学 部 病 原 生 物 学 系 病 理 楼 334 室 电 话 :82802961, 传 真 :82802961, slliu@ucalgary.ca 1 细 菌 的 定 义 Definition of Bacteria 细 菌 属 于 地 球 上 三 大 类 生 物 之 一, 为 原 核 生 物, 单 细 胞, 具 有 细 胞 壁 其 形 体 微 小, 结 构 简 单, 无 成 形 的 细 胞 核, 无 核 仁 及 核 膜, 除 核 蛋 白 体 外, 无 其 它 细 胞 器 多 数 在 自 然 界 中 自 由 生 活, 少 数 严 格 寄 生 于 宿 主 广 义 的 细 菌 包 括 狭 义 细 菌 支 原 体 衣 原 体 立 克 次 氏 体 螺 旋 体 放 线 菌 2 细 菌 的 基 本 形 态 细 菌 形 态 结 构 检 查 法 光 学 显 微 镜 (light microscope) 电 子 显 微 镜 (electron microscope) 染 色 法 (staining): 革 兰 氏 染 色 法 等 3 G+ 菌 G- 菌 4 5 Figure 3.1 - Overview 6 Table 3.2 (1 of 7) 1
7 Table 3.2 (2 of 7) 8 Table 3.2 (3 of 7) 9 Table 3.2 (4 of 7) 10 Table 3.5 (5 of 7) 革 兰 氏 染 色 Gram staining 11 初 染 : 结 晶 紫 染 液 媒 染 : 卢 戈 氏 碘 液 脱 色 :95% 乙 醇 复 染 : 稀 释 复 红 液 Primary stain: Crystal violet Mordant: Iodine Decolorizing agent Counter stain: Safranin Color of G+ cells Color of G cells Colorless Red 12 Table 3.2 (6 of 7) 2
The Mechanism of Gram Staining 革 兰 氏 染 色 的 意 义 Crystal violet-iodine crystals form in cell 初 染 : 结 晶 紫 染 液 Gram-positive: 媒 染 : 卢 戈 氏 碘 液 脱 色 :95% 乙 醇 Alcohol dehydrates peptidoglycan CV-I crystals do not leave 复 染 : 稀 释 复 红 液 Gram-negative Alcohol dissolves outer membrane and leaves holes in peptidoglycan CV-I washes out 13 将 细 菌 区 分 为 革 兰 阳 性 革 兰 阴 性 两 大 类, 有 助 于 细 菌 的 鉴 别 诊 断 选 择 药 物 : 革 兰 阳 性 菌 与 革 兰 阴 性 菌 对 各 种 抗 生 素 的 敏 感 性 不 同 研 究 细 菌 的 致 病 性 : 革 兰 阳 性 菌 只 有 外 毒 素 致 病, 革 兰 阴 性 菌 内 外 毒 素 常 同 时 致 病 14 细 菌 的 大 小 与 形 态 细 菌 大 小 的 测 量 单 位 : 微 米 (micrometer, μm) 1 μm = 1/1000 mm 球 菌 (coccus): 葡 萄 球 菌 球 菌 (coccus): 双 球 菌 淋 球 菌 光 镜 下 葡 萄 球 菌 电 镜 下 葡 萄 球 菌 15 16 杆 菌 (Bacillus) Differential Stains: Acid-Fast Stain 大 肠 杆 菌 扫 描 电 镜 照 片 Cells that retain a basic stain in the presence of acid-alcohol are called acid-fast. Non acid-fast cells lose the basic stain when rinsed with acid-alcohol, and are usually counterstained (with a different color basic stain) to see them. 17 18 大 肠 杆 菌 油 镜 下 形 态 3
Special Stains 排 列 Negative staining is useful for capsules. Heat is required to drive a stain into endospores. Flagella staining requires a mordant to make the flagella wide enough to see. 19 20 枝 原 体 电 镜 下 形 态 支 原 体 油 煎 蛋 样 菌 落 21 细 菌 的 细 胞 结 构 22 多 糖 包 被 Glycocalyx Outside cell wall Usually sticky A capsule is neatly organized A slime layer is unorganized and loose Extracellular polysaccharide allows cell to attach Capsules prevent phagocytosis The Structure of a Typical Gram-Positive Cell. Electron micrograph of Bacillus megaterium (30,500). Note the thick cell wall, CW; mesosome, M; nucleoid, N; poly--hydroxybutyrate inclusion body, PHB; plasma membrane, PM; and ribosomes, R. 23 24 4
细 胞 壁 cell wall 包 绕 在 细 胞 膜 外 的 一 层 坚 韧 结 构 细 胞 壁 化 学 组 成 肽 聚 糖 (peptidoglycan) Made of peptidoglycan (in bacteria) Prevents osmotic lysis 25 聚 糖 支 架 : N- 乙 酰 胞 壁 酸 N- 乙 酰 葡 糖 氨 组 成 四 肽 侧 链 : 与 聚 糖 支 架 上 的 胞 壁 酸 分 子 连 接 五 肽 交 联 桥 : 连 接 两 个 相 邻 的 四 肽 侧 链 26 G+ 和 G- 菌 肽 聚 糖 结 构 比 较 G+ 细 胞 壁 的 其 他 成 分 磷 壁 酸 teichoic acid 多 糖 : 细 胞 壁 水 解 后 产 生 蛋 白 质 : 表 面 特 殊 蛋 白 质 ( 如 A 族 链 球 菌 M 蛋 白 ; 金 葡 菌 A 蛋 白 ) G+: 肽 聚 糖 含 量 丰 富, 层 厚,15~50 层 G-: 肽 聚 糖 1-2 层, 无 五 肽 交 链 桥 四 肽 侧 链 与 五 肽 交 联 桥 相 连, 形 成 三 维 立 体 结 构 几 种 抗 生 素 的 作 用 机 理 溶 菌 酶 : 切 断 聚 糖 支 架 的 β1,4 糖 苷 键, 抑 制 细 菌 细 胞 壁 的 合 成 27 青 霉 素 : 切 断 四 肽 侧 链 与 五 肽 交 联 桥 之 间 的 连 接, 抑 制 细 菌 细 胞 壁 的 合 成 28 膜 磷 壁 酸 ( 与 胞 膜 糖 脂 共 价 结 合 ) 壁 磷 壁 酸 ( 与 胞 壁 酸 共 价 结 合 ) 微 孔 蛋 白 肽 聚 糖 特 异 多 糖 脂 蛋 白 脂 多 糖 脂 质 双 层 外 膜 层 胞 质 周 围 间 隙 及 肽 聚 糖 G+ 细 胞 壁 的 其 他 成 分 : 磷 壁 酸 内 膜 肽 聚 糖 ( 细 胞 膜 ) 在 磷 壁 醛 酸 中, 糖 醛 酸 (N- 乙 酰 甘 露 醛 酸 或 D- 葡 萄 糖 醛 酸 ) 代 替 磷 酸 29 30 G- 细 胞 壁 的 其 他 成 分 : 脂 蛋 白 脂 质 双 层 和 脂 多 糖 5
A gram-negative bacterium undergoing lysis following exposure to an antibiotic releases spherical fragments of lipopolysaccharide. This component of the cell wall acts as an endotoxin that seriously disrupts several systems of the body. 31 32 革 兰 阳 性 菌 细 胞 壁 结 构 革 兰 阴 性 菌 细 胞 壁 结 构 细 菌 细 胞 壁 缺 陷 型 (L 型 ) 原 生 质 体 原 生 质 球 33 34 细 胞 膜 ( 革 兰 阴 性 菌 的 细 胞 膜 也 称 为 内 膜 ) G- 细 菌 分 泌 系 统 G+ 细 菌 直 接 把 水 解 酶 和 效 应 蛋 白 分 泌 到 外 环 境 中,G- 细 菌 则 需 要 分 泌 系 统 来 完 成 其 分 泌 过 程 III 型 分 泌 系 统 在 沙 门 氏 菌 致 病 机 制 中 起 重 要 作 用 这 是 一 种 贯 穿 细 菌 细 胞 膜 和 细 胞 壁 的 针 状 结 构 位 于 细 胞 壁 内 侧, 化 学 组 成 为 脂 质 双 层 ; 参 与 细 胞 内 外 的 物 质 交 换 ; 膜 上 有 多 种 酶, 参 与 生 物 合 成 ; 参 与 细 胞 的 呼 吸 过 程 ; 形 成 中 介 体 35 36 6
细 胞 质 Cytoplasm 30S 核 蛋 白 体 : 由 50S 和 30S 两 个 亚 基 组 成 50S 红 霉 素 杀 菌 机 理 : 与 50S 亚 基 结 合, 干 扰 细 菌 蛋 白 质 的 合 成 mrna 红 霉 素 蛋 白 质 合 成 中 断 几 种 抗 生 素 的 作 用 机 理 红 霉 素 : 与 细 菌 核 糖 体 大 亚 基 结 合, 阻 断 细 菌 蛋 白 质 的 合 成 链 霉 素 : 与 细 菌 核 糖 体 的 小 亚 基 结 合, 阻 断 细 菌 蛋 白 质 的 合 成 37 38 胞 质 颗 粒 Inclusion 胞 质 颗 粒 : 由 细 菌 储 存 的 营 养 物 质 ( 多 糖 脂 类 磷 酸 盐 等 ) 堆 积 而 成 异 染 颗 粒 : 胞 质 颗 粒 的 一 种, 嗜 碱 性 强, 美 蓝 染 色 时 呈 蓝 紫 色, 常 见 于 白 喉 棒 状 杆 菌, 有 助 于 鉴 定 核 质 ( 拟 核 ) Nucleoid 是 细 菌 的 遗 传 物 质, 由 闭 合 的 环 状 双 股 DNA 组 成 控 制 细 菌 各 种 遗 传 性 状 39 40 特 殊 结 构 : 荚 膜 Capsule 荚 膜 : 包 绕 在 细 胞 壁 外 的 一 层 粘 液 性 物 质 功 能 : 抵 抗 吞 噬 细 胞 的 吞 噬 和 消 化 抵 抗 体 液 因 子 的 杀 菌 作 用 必 要 时 提 供 细 菌 代 谢 时 所 需 的 水 分 化 学 组 成 : 多 糖 少 数 为 多 肽 ( 如 炭 疽 杆 菌 ) Outside cell wall Made of chains of flagellin Attached to a protein hook Anchored to the wall and membrane by the basal body 鞭 毛 Flagella 肺 炎 球 菌 及 其 荚 膜 形 态 细 菌 荚 膜 电 镜 下 形 态 41 42 7
鞭 毛 种 类 Motile Cells 43 44 特 殊 结 构 : 菌 毛 Fimbriae and pili 菌 毛 : 菌 体 表 面 纤 细 的 蛋 白 质 丝 状 物, 包 括 普 通 菌 毛 和 性 菌 毛 普 通 菌 毛 fimbriae: 遍 布 菌 体 全 身, 具 有 粘 附 细 胞 的 能 力 性 菌 毛 pili:1-4 根, 细 菌 通 过 性 菌 毛 相 互 间 传 递 遗 传 物 质 特 殊 结 构 : 芽 孢 spore 某 些 细 菌 在 一 定 环 境 中, 在 体 内 形 成 的 圆 形 或 卵 圆 形 小 体, 即 芽 孢, 其 功 能 是 增 强 细 菌 抵 御 外 界 不 良 环 境, 能 保 存 细 菌 全 部 生 命 所 必 需 的 物 质 芽 孢 的 特 性 及 医 学 意 义 具 有 多 层 厚 膜 结 构, 通 透 性 低, 构 成 芽 孢 抵 抗 化 学 药 物 特 性 的 基 础 高 度 的 脱 水 状 态, 核 心 内 含 大 量 吡 啶 二 羧 酸 钙 ( 稳 定 芽 孢 内 酶 的 作 用 ), 使 芽 孢 耐 热 力 增 强 消 毒 灭 菌 时, 以 杀 死 芽 孢 作 为 灭 菌 是 否 彻 底 的 指 标 45 46 47 Figure 4.21a, step 1 48 Figure 4.21a, step 2 8
49 Figure 4.21a, step 3 50 Figure 4.21a, step 4 51 Figure 4.21a, step 5 52 Figure 4.21a, step 6 53 Figure 4.21b 54 9
Functions of Prokaryotic Structures Plasma membrane Ribosomes Inclusion bodies Nucleoid Periplasmic space Cell wall Capsules/slime layers Fimbriae Pili Flagella Endospore Selectively permeable barrier, mechanical boundary of cell, nutrient and waste transport, location of many metabolic processes (respiration, photosynthesis), detection of environmental cues for chemotaxis. Protein synthesis Storage of carbon, phosphate, and other substances Localization of genetic material (DNA) Contains hydrolytic enzymes and binding proteins for nutrient processing and uptake Gives bacteria shape and protection from lysis in dilute solutions Resistance to phagocytosis, adherence to surfaces Attachment to surfaces Bacterial mating Movement Survival under harsh environmental conditions 55 56 10