第三章微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能

第三章微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能§1原核微生物

細(xì)菌雖小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可分為基本結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)。基本結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、質(zhì)粒、核糖體及內(nèi)含物。特殊結(jié)構(gòu)包括糖被、鞭毛和芽孢。Figure1.Schematicdiagramofatypicalprocaryoticcell.Minimally,aprocaryoteiscomposedofacellwallandplasmamembranethatsurroundsitscytoplasmcontainingachromosome,ribosomes,enzymes,severalclassesofRNA,andsmallmolecules(precursors).

一、細(xì)胞壁cellwall㈠細(xì)菌壁的功能①

保護(hù)細(xì)胞，免受外界因素的損傷②

維持細(xì)胞形態(tài)。③

是鞭毛運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)④

起分子篩的作用此外，與細(xì)菌的抗原性、致病性及對(duì)噬菌體的敏感性有關(guān)。G＋與Gˉ細(xì)菌cw的模式結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁是位于菌體的外層，內(nèi)側(cè)緊貼細(xì)胞膜的一層無(wú)色透明，堅(jiān)韌而有彈性的結(jié)構(gòu)。細(xì)胞壁約占細(xì)胞干重的10%—25%。（二）細(xì)胞壁的化學(xué)組成主要成分：肽聚糖由N—乙酰氨基葡萄糖（G）N—乙酰胞壁酸（M）短肽（常是4—5個(gè)氨基酸）構(gòu)成。此外，磷壁酸、脂多糖、脂蛋白革蘭氏陽(yáng)性菌肽聚糖單體肽聚糖是由N—乙酰胞壁酸（NAM）和N—乙酰葡糖胺（NAG）以及短肽鏈（主要是四肽）組成的亞單位聚合而成的大分子聚合物。細(xì)胞壁的基本骨架——肽聚糖（共有成分）肽聚糖網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)

①由G與M重復(fù)交聯(lián)構(gòu)成骨架，短肽結(jié)在M上，相鄰短肽交叉相聯(lián)形成多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)②短肽連結(jié)方式及組成成分依不同種類(lèi)的細(xì)菌而異在金黃色葡萄球菌中，短肽間通過(guò)一條由甘氨酸組成的短肽（五肽、肽橋）相連的。N—乙酰葡糖胺通過(guò)β-1，4-糖苷鍵與N—乙酰胞壁酸相連。肽聚糖中任何鍵的斷裂，都有可能使肽聚糖對(duì)細(xì)菌的保護(hù)作用喪失。步驟：結(jié)果:

陽(yáng)性菌——紫色

陰性菌——紅色結(jié)晶紫初染碘液媒染乙醇脫色番紅復(fù)染涂片固定由丹麥醫(yī)生HansChristianGram于1884年創(chuàng)立。（三）革蘭氏染色法（GramStain）Figure1-AGramstainofGram+Staphylococcuscells.Figure2-GramstainofGram-E.colicellsFigureG＋與Gˉ細(xì)胞壁G＋與Gˉ細(xì)菌cw的模式結(jié)構(gòu)★共有組分—肽聚糖★特有組分—G＋磷壁酸Gˉ脂多糖細(xì)胞壁cellwall:GramPositiveG＋菌細(xì)胞壁（1）肽聚糖（2）磷壁酸主要成分為甘油磷壁酸或核糖醇磷壁酸，分：壁磷壁酸：分布于肽聚糖分子間，含量10%-50%膜磷壁酸：跨越肽聚糖層與細(xì)胞膜交聯(lián)功能：①使細(xì)胞壁形成負(fù)電荷環(huán)境，加強(qiáng)質(zhì)膜對(duì)二價(jià)離子尤其是鎂離子的吸收。②貯藏磷元素③增強(qiáng)某些致病菌對(duì)宿主細(xì)胞的粘連、避免被白細(xì)胞吞噬及抗補(bǔ)體作用④賦予細(xì)胞以表面抗原⑤作為噬菌體吸附受體⑥能調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)自溶素的活力，防止細(xì)胞自溶根據(jù)結(jié)合部位的不同分為：壁磷壁酸:含量多，通過(guò)共價(jià)鍵與肽聚糖分子結(jié)合,并延伸到肽聚糖分子表面,帶有負(fù)電荷。膜磷壁酸:與菌細(xì)胞原生質(zhì)膜的脂類(lèi)結(jié)合。GramNegative

Gˉ菌細(xì)胞壁

（1）肽聚糖僅由1-2層肽聚糖網(wǎng)狀分子組成的薄層，短肽之間直接相連，沒(méi)有肽橋，因而疏松、機(jī)械強(qiáng)度較差。

（2）外膜位于最外層，有脂多糖、磷脂和脂蛋白組成。

脂多糖：最外層，由類(lèi)脂A、核心多糖和O-特異側(cè)鏈三部分組成。其主要功能：①類(lèi)脂A是革蘭氏陰性細(xì)菌內(nèi)毒素的物質(zhì)基礎(chǔ)；②有吸附陽(yáng)離子的作用；③決定抗原的多樣性；④作噬菌體的吸附受體；⑤具選擇性屏障功能。

（3）外膜蛋白鑲嵌在脂多糖和磷脂層上，其中有孔蛋白、脂蛋白（使外膜層牢固地與肽聚糖連接）。

（4）周質(zhì)空間（壁膜間隙）含有許多周質(zhì)蛋白（水解酶、合成酶、結(jié)合蛋白等。革蘭氏染色機(jī)理：主要是由于二者細(xì)胞壁化學(xué)成分的差異造成的。G（+）與G（-）細(xì)胞壁成分比較：成分G（+）G（-）肽聚糖高30—95%低5—20％磷壁酸高<50％０脂多糖１～4%11—22%脂類(lèi)無(wú)<2%較高10—20%蛋白質(zhì)無(wú)<10%較高60%（五）古生菌的細(xì)胞壁（六）缺壁細(xì)菌L型細(xì)菌：指那些實(shí)驗(yàn)室或宿主體內(nèi)通過(guò)自發(fā)突變而形成的遺傳性穩(wěn)定的細(xì)胞壁缺陷菌株。原生質(zhì)體：指在人為條件下，用溶菌霉除盡原有壁或用青霉素抑制新生細(xì)胞合成后，僅有一層細(xì)胞膜包裹著的圓球形滲透敏感細(xì)胞。球狀體：指還殘留著部分細(xì)胞壁。支原體：是長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成，適應(yīng)自然生活條件的無(wú)細(xì)胞壁的原核生物。二、細(xì)胞壁以?xún)?nèi)的構(gòu)造----原生質(zhì)體1、細(xì)胞質(zhì)膜(Cellmembrane)①化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)組成：主蛋白質(zhì)60—70%磷脂30—40%少量多糖結(jié)構(gòu)：由具有高度定向性的磷脂雙分子層鑲嵌著可移動(dòng)的膜蛋白構(gòu)成。細(xì)胞質(zhì)膜化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)A．具有高度的選擇性B．是氧化代謝和能量產(chǎn)生的部位與呼吸有關(guān)的酶及電子傳遞體系均位于細(xì)胞膜上，故氧化代謝在膜上進(jìn)行，產(chǎn)生的電子通過(guò)膜上的電子傳遞體系傳遞，偶聯(lián)ATP的產(chǎn)生。C．是細(xì)胞壁和莢膜生物合成機(jī)構(gòu)D．與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，細(xì)胞鞭毛的基體位于細(xì)胞膜上，提供運(yùn)動(dòng)所需要的能量。E．間體與DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂有關(guān)。②生理功能2、細(xì)胞質(zhì)(cytoplast)及其內(nèi)含物(inclusin)

細(xì)胞質(zhì)功能：細(xì)胞質(zhì)中含有豐富的酶系，是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成、轉(zhuǎn)化、代謝的場(chǎng)所。

細(xì)胞膜內(nèi)除核質(zhì)體外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質(zhì)可總稱(chēng)為細(xì)胞質(zhì)。其主要成分有：核糖體、貯藏物、各種酶類(lèi)、中間代謝物及質(zhì)粒等,少數(shù)細(xì)菌還存在有伴胞晶體或氣泡等。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形狀較大的顆粒狀構(gòu)造為內(nèi)含物，包括各種貯藏物和氣泡、羧酶體等。核糖體（ribosome)是分散在細(xì)胞質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)，由核糖體核酸（占60%）和蛋白質(zhì)（占40%）組成。細(xì)菌的核糖體沉降系數(shù)為：70s，由50s大亞基和30s小亞基構(gòu)成。功能：是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的機(jī)構(gòu)。顆粒狀內(nèi)含物概念：是普遍存在的貯藏物，大小為0.5—1μm

，主要成分是多聚偏磷酸鹽的聚合物，分子呈線狀，嗜堿性強(qiáng)，用美蘭染色時(shí)著色較深，呈紫紅色，與菌體其他部位不同，故稱(chēng)異染粒。功能：貯存磷元素和能量，降低滲透壓。

含異染粒的細(xì)菌種類(lèi):棒狀桿菌和某些芽孢桿菌等.

①異染粒（metachromaticgranule）：②聚-β-羥基丁酸（poly-β-hydroxybutirate，PHB）：聚β－羥丁酸顆粒是許多細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)常含有的碳源類(lèi)儲(chǔ)藏物.PHB不溶于水,易被脂溶性染料(如蘇丹黑)著色。功能:貯存碳源、能源和降低滲透壓。許多好氧菌和光合厭氧菌都含有聚β－羥丁酸顆粒。③硫粒:是硫元素的貯藏體功能：a.好氧硫細(xì)菌的能源b.厭氧硫細(xì)菌的電子供體形成：當(dāng)環(huán)境中H2S含量高時(shí)，在體內(nèi)積累S；當(dāng)H2S不足時(shí),S氧化成硫酸鹽，以提供被菌細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量：H2S→S→SO4-2淀粉粒和肝糖:都是α-1,4或α-1,6糖苷鍵的葡萄糖聚合物。這些貯藏物通常較均勻地分布在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，顆粒較小。若這類(lèi)貯藏物大量存在時(shí)，用碘使對(duì)其染色，肝糖粒能被碘液染成紅色，淀粉粒被碘成藍(lán)色。脂肪粒：脂肪粒的折光性較強(qiáng)，它可被脂溶性染料染色；細(xì)胞生長(zhǎng)旺盛時(shí)，脂肪粒增多，細(xì)胞遭破壞后，脂肪?？捎坞x出來(lái)。④肝糖、淀粉粒、脂肪滴⑤氣泡

由蛋白質(zhì)膜構(gòu)成的充滿氣體的泡狀物。有些細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中含有幾個(gè)或多個(gè)氣泡。常見(jiàn)于光合細(xì)菌和水生細(xì)菌。氣泡的功能：■調(diào)節(jié)細(xì)胞比重，加大菌體的浮力,借氣泡漂浮能力，以使其漂浮在合適的水層中，使無(wú)鞭毛菌在合適的環(huán)境中生長(zhǎng)?！鰵馀菸湛諝?，空氣中的氧氣可供代謝需要。例：許多光合細(xì)菌和水生細(xì)菌、鹽桿菌常含有氣泡。3、核質(zhì)體(nuclearbody;nucleoid)細(xì)菌DNA：長(zhǎng)度：一般為：1—3mm例：大腸桿菌的DNA長(zhǎng)約1mm。

生長(zhǎng)迅速的細(xì)菌在核分裂之后細(xì)胞往往來(lái)不及分裂,所以細(xì)胞中常有2—4個(gè)核，而生長(zhǎng)緩慢的細(xì)菌細(xì)胞中一般只有1—2個(gè)核，不在染色體復(fù)制時(shí)期一般是單倍體。由大型環(huán)狀雙鏈DNA纖絲不規(guī)則地折疊或纏繞而構(gòu)成的無(wú)核膜、核仁的區(qū)域4、質(zhì)粒(plasmids)細(xì)菌染色體外的共價(jià)閉合環(huán)狀雙鏈DNA分子．分子量約為２—100×106D.攜帶1—100個(gè)基因,一個(gè)菌細(xì)胞可有一至數(shù)十個(gè)質(zhì)粒。Structureofabacteriumhighlightingthebacterialplasmid.質(zhì)粒的特點(diǎn)：1、可以在細(xì)胞質(zhì)中獨(dú)立于染色體之外（即以游離狀態(tài)）存在，也可以插入到染色體上以附加體的形式存在；2、在細(xì)胞分裂時(shí)，可以不依賴(lài)于細(xì)菌染色體而獨(dú)立進(jìn)行自我復(fù)制，也可以插入到細(xì)菌染色體中與染色體一道進(jìn)行復(fù)制；3、質(zhì)?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、或接合作用而由一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞，使兩個(gè)細(xì)胞都成為帶有質(zhì)粒的細(xì)胞；4、質(zhì)粒對(duì)于細(xì)胞生存并不是必要的。質(zhì)粒的種類(lèi)1、大腸桿菌的F因子2、細(xì)菌抗藥質(zhì)粒（R因子）3、大腸桿菌素質(zhì)粒（Col因子）4、降解質(zhì)粒5、Vi質(zhì)粒質(zhì)粒應(yīng)用概念：某些細(xì)菌生長(zhǎng)到一定階段或在一定環(huán)境條件下，細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和分裂停止，細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)濃縮，逐步行成一個(gè)圓形、橢圓形或圓柱形的，對(duì)不良環(huán)境有較強(qiáng)抵抗力的特殊結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為芽胞。芽胞成熟后可自行從芽胞囊中釋放出來(lái)。因芽胞的形成都是在細(xì)胞內(nèi)，故又稱(chēng)內(nèi)生孢子。5、芽胞(endospore，spore)芽胞芽胞囊

Figure.GramstainofBacillusanthracis,thecauseofanthrax芽孢形狀：圓形、橢圓形、短柱形大?。?>菌體?《菌體著生位置：中生，一端生，極端生（1）Shape,locationandrelativesizetothesporeofparentcell★1、折光性強(qiáng)，不易著色?！?、耐熱性強(qiáng)，任何營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞無(wú)法比擬?！?、抵抗其它不良環(huán)境因子的能力強(qiáng)。對(duì)高溫、干燥、輻射、化學(xué)藥物有強(qiáng)大的抵抗力★4、一個(gè)芽孢萌發(fā)只產(chǎn)生一個(gè)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的細(xì)胞。（2）芽孢的特性芽孢的結(jié)構(gòu)芽孢的外壁層厚而致密，主要成分為脂蛋白，通透性差,不易著色。核心含有大量的DNA、RNA、蛋白質(zhì)酶等物質(zhì)，還含有2,6—吡啶二羧酸（DPA）,DPA是芽孢特有的成分。一般以DPA—Ca的形式存在。皮層主要含芽孢肽聚糖、DPA—Ca，皮層體積大，比較致密。芽孢平均含水量低,約40%.（3）芽孢的組成和結(jié)構(gòu)芽孢有多層結(jié)構(gòu)，主要包括孢外壁、芽孢衣、皮層和核心：軸絲形成

形成前芽孢

前芽孢隔膜形成

前芽孢發(fā)育成熟芽孢形成芽孢囊裂解

（4）芽孢的形成過(guò)程（5）芽孢抗熱機(jī)制滲透調(diào)節(jié)皮層膨脹學(xué)說(shuō)：芽孢衣對(duì)多價(jià)陽(yáng)離子和水分的透性很差，皮層的離子強(qiáng)度很高，從而使皮層產(chǎn)生極高的滲透壓去奪取芽孢核心的水分，結(jié)果皮層充分膨脹，而核心部分高度民主失水，因此具極強(qiáng)的耐熱性。此外，具有厚而致密的不易滲透的壁；；含水量低；具有獨(dú)特的抗熱性強(qiáng)的吡啶二羧酸（DPA）；具有耐熱性酶類(lèi)芽孢的本質(zhì)即不是細(xì)菌生活周期的必經(jīng)階段，也不是細(xì)菌繁殖的一種形式，又不是對(duì)環(huán)境的消極反應(yīng)，而是一種生命形式，一種獨(dú)立的休眠體。研究芽孢的意義：1、分類(lèi)鑒定2、保存菌種3、分離菌種4、生物殺蟲(chóng)5、滅菌標(biāo)準(zhǔn)常見(jiàn)細(xì)菌舉例：大腸埃希氏桿菌（Escherichiacoli）枯草芽孢桿菌（Bacillussubtilis）北京棒桿菌（CorynebacteriunPekinensis）熟記以下基本細(xì)菌學(xué)名：Bac.ThuringiensisClostridiumacetobutylicumStreptococcuspneumoniaeMycobacteriumtuberculosisPseudomonasaeruginosaSalmonellatyphimuriumSlaphylococcusaureusLactobacilluslactisSarcinalutae6、伴胞晶體（parasporalcrystal）少數(shù)芽孢桿菌，如Bacillusthuringiensis（蘇云金芽孢桿菌）在形成芽孢的同時(shí)，會(huì)在芽孢旁形成一個(gè)菱形或雙錐形的堿溶性蛋白晶體（即δ內(nèi)毒素）稱(chēng)為伴胞晶體。它的干重可達(dá)芽孢囊的約30%，由18種氨基酸組成，大小約0.6＊2.0μm。伴胞晶體對(duì)200多種昆蟲(chóng)尤其是鱗翅目昆蟲(chóng)的幼蟲(chóng)有毒殺作用，因此可以用做生物農(nóng)藥。

三、細(xì)胞壁以外的構(gòu)造

1、糖被(glycocalyx)及其類(lèi)型：定義：是細(xì)菌細(xì)胞在其生命活動(dòng)過(guò)程中在一定營(yíng)養(yǎng)條件下向細(xì)胞表面分泌的一層膠狀透明的粘性物質(zhì)，位于細(xì)胞壁的外側(cè)。(大）莢膜：如果分泌的粘性物質(zhì)與細(xì)胞壁結(jié)合緊密，有一定的外形和明顯的邊緣，則稱(chēng)莢膜。微莢膜（microcopsule)：粘液狀物質(zhì)較薄，厚度：＜0.2μm，與細(xì)胞表面牢固結(jié)合。粘液層(slimelayer)：若與細(xì)胞壁結(jié)合較松散，無(wú)一定的外形和明顯的邊緣，則稱(chēng)粘液層。菌膠團(tuán)(zoogloea):通常一菌一膜，若多個(gè)細(xì)胞存在于一個(gè)共同的莢膜內(nèi)稱(chēng)菌膠團(tuán)。莢膜與菌落形態(tài)光滑（Smooth,S-)型菌落——產(chǎn)莢膜的細(xì)菌在固體培養(yǎng)基上形成的菌落表面濕潤(rùn)、有光澤、呈粘液狀，稱(chēng)S-型菌落。粗糙（Rough,R-)型菌落——不產(chǎn)莢膜的細(xì)菌形成的菌落表面干燥、粗糙、稱(chēng)R-型菌落?；瘜W(xué)成分：大量水分約90%以上多糖或多肽莢膜的觀察：熒光顯微鏡負(fù)染色特殊染色熒光顯微鏡下的莢膜莢膜的生理功能1、莢膜富含水分，可保護(hù)細(xì)胞免于干燥；2、能抵御吞噬細(xì)胞的吞噬；3、為主要表面抗原（K抗原），是有些病原菌的毒力因子；4、能保護(hù)菌體免受噬菌體和其他物質(zhì)（溶菌酶和補(bǔ)體）的侵害；5、是某些病原菌必須的粘附因子；如S型肺炎雙球菌毒力強(qiáng)6、貯藏養(yǎng)料，是細(xì)胞外碳源和能源的儲(chǔ)備物質(zhì)莢膜與生產(chǎn)實(shí)踐的關(guān)系應(yīng)用：Leucomostocmesenteroides的葡聚糖莢膜已用于生產(chǎn)代血漿的主要成分——右旋糖酐和葡聚糖凝膠制劑；從野菜黃單胞菌（Xanthomonascampestris）莢膜提取黃原膠，它是優(yōu)良的食品添加劑，又是石