第三章微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能(沈萍版)

教師：李懿微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和動植物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有一些共同特征，同時也存在許多不同的地方。具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微生物中，按細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化水平的差別可以分為原核微生物和真核微生物2大類。前言：原核微生物原核微生物指一大類細(xì)胞核無核膜包裹的原始單細(xì)胞生物。它與真核微生物的主要區(qū)別有：基因組由無核膜包裹的雙鏈環(huán)狀DNA組成。缺乏由單位膜分割，包圍的細(xì)胞器。核糖體為70S型。原核生物細(xì)胞構(gòu)造細(xì)胞壁

細(xì)胞壁概念：是細(xì)胞最外的一層厚實(shí)、堅韌的外被，主要成分為肽聚糖，具有固定外形和保護(hù)細(xì)胞等多種功能。細(xì)胞壁功能：①固定細(xì)胞外形和提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)細(xì)胞免受外力的損傷；②為細(xì)胞生長、分裂和鞭毛運(yùn)動所必需；③阻攔酶蛋白或抗生素等有害物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞；④賦予細(xì)菌特有的抗原性和致病性(如內(nèi)毒素)，并與細(xì)菌對抗生素和噬菌體的敏感性密切相關(guān)。1、革蘭氏陽性細(xì)菌的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：細(xì)胞壁厚度大，20~80nm；化學(xué)組分簡單，一般含90%肽聚糖和10%磷壁酸。由一層壁構(gòu)成。(1)肽聚糖：肽聚糖是由多糖鏈經(jīng)短肽相交聯(lián)而形成的網(wǎng)絡(luò)狀分子，是真細(xì)菌細(xì)胞壁特有的成分，構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞壁堅硬的骨架部分。多糖鏈

短肽交聯(lián)革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁肽聚糖的單體圖解左：簡化的單體分子間的連接；右：單體的分子構(gòu)造。箭頭示溶菌酶的水解位點(diǎn)表肽聚糖分子中的四種主要肽橋類型類型甲肽尾上連接點(diǎn)肽橋乙肽連接點(diǎn)例I第四氨基酸-CO.NH-直接相連第三氨基酸E.coli(G-)II第四氨基酸-(Gly)5第三氨基酸S.aureus(G+)III第四氨基酸-(肽尾)1~2-第三氨基酸M.luteus(G+)IV第四氨基酸-D-Lys-第二氨基酸C.poinsettiae(G+)（2）磷壁酸（teichoicacid）磷壁酸是結(jié)合在革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁上的一種酸性多糖，是革蘭氏陽性細(xì)菌所特有的成分之一。磷壁酸類型：

根據(jù)糖成分：甘油磷壁酸核糖醇磷壁酸根據(jù)與壁中結(jié)合分子類型及分布：壁磷壁酸膜磷壁酸磷壁酸的主要生理作用：①因帶負(fù)電荷，故可與環(huán)境中的Mg2+等陽離子結(jié)合，提高這些離子的濃度，以保證細(xì)胞膜上一些合成酶維持高活性的需要；②對一些革蘭氏陽性致病菌(如A族鏈球菌)而言，可借此(主要為膜磷壁酸)與其宿主粘連；③賦予革蘭氏陽性菌以特異的表面抗原；④是某些噬菌體特異性吸附受體；⑤儲藏磷元素；⑥調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)自溶素的活力，防止細(xì)胞因自溶而死亡。2、革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：肽聚糖層很?。▋H2~3nm），在肽聚糖層外還有一個外膜，成分較復(fù)雜，整個壁厚度較G+菌薄，機(jī)械強(qiáng)度較G+

菌弱。由2層壁組成。格蘭氏陰性菌肽聚糖層的特點(diǎn)（以大腸桿菌為例）：肽聚糖層?。?~3nm）；四肽尾的第三個不是L-Lys，而是內(nèi)消旋二氨基庚二酸（M－DAP）；沒有特殊的肽橋，其前后兩個單體間的聯(lián)系僅由前一肽尾的第4個氨基酸即D－丙氨酸的羧基與后一肽尾第3個氨基酸即M－DAP的氨基直接連接。（因而只能形成較疏密、機(jī)械強(qiáng)度較差的肽聚糖網(wǎng)絡(luò)）。外膜特點(diǎn)：a.是G-細(xì)菌細(xì)胞壁特有的結(jié)構(gòu)，位于壁的最外層；b.化學(xué)成分是脂多糖、磷脂和若干種外膜蛋白。功能：a.控制細(xì)胞透性;b.提高M(jìn)g2+濃度;c.決定細(xì)胞壁抗原性;d.類脂A是類毒素的主要成分外壁層可分為3層，分別是：內(nèi)層：脂蛋白層，以脂類部分與肽聚糖相連；中層：磷脂層。外層：脂多糖層，外壁重要成分，8-10nm。脂多糖

lipopolysaccharide（LPS）G-特有成分。結(jié)構(gòu)：類脂A+核心多糖+O-側(cè)鏈。功能：1）內(nèi)毒素物質(zhì)基礎(chǔ)；2）吸附鎂、鈣離子；3）決定G-表面抗原；4）噬菌體受體位點(diǎn)。5）有控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的屏障功能。鈣離子是維持LPS穩(wěn)定性所必需的。脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)沙門氏菌屬脂多糖中的類脂A結(jié)構(gòu)外膜蛋白鑲嵌在脂多糖和磷脂層外膜上的蛋白。有20余種，大多數(shù)功能還不清楚。脂蛋白孔蛋白周質(zhì)空間周質(zhì)空間：在革蘭氏陰性菌中指外膜和細(xì)胞膜間的空隙，呈膠狀，肽聚糖薄層夾在其中。周質(zhì)空間中有許多周質(zhì)蛋白。一般認(rèn)為革蘭氏陽性菌沒有周質(zhì)空間，一些水解酶無法保留在周質(zhì)空間只能釋放到外環(huán)境。外膜與內(nèi)膜的粘合位點(diǎn)革蘭氏陰性菌存在許多外膜和內(nèi)膜直接接觸的位點(diǎn)，每點(diǎn)直徑約20-100nm，其功能是促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)直接進(jìn)入細(xì)胞。成分

革蘭氏陽性細(xì)菌

革蘭氏陰性細(xì)菌革蘭氏染色反應(yīng)肽聚糖含量肽聚糖結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁厚度及層次磷壁酸脂多糖與類脂質(zhì)脂蛋白質(zhì)對溶菌酶對青霉素和磺胺與細(xì)胞膜的關(guān)系菌體呈紫色含量高，占細(xì)胞壁干重的30～95%)多層,緊密20-80nm,單層多數(shù)有,含量較高(<50)一般無一般無敏感敏感不緊密經(jīng)脫色、復(fù)染后菌體呈紅色含量低，占細(xì)胞壁干重的5～20%1-2層,疏松10nm左右(其中外壁層約8nm),多層無含量較高（分布在外壁層）含量較高（分布在外壁層）不敏感不敏感緊密表革蘭氏陽性細(xì)菌與陰性細(xì)菌細(xì)胞壁成分的比較革蘭氏染色革蘭氏染色的原理革蘭氏陽性菌由于細(xì)胞壁較厚，肽聚糖層次多交聯(lián)緊密，用乙醇脫色時，因失水網(wǎng)孔收縮，加之其細(xì)胞壁不含類脂，不會因乙醇溶解類脂產(chǎn)生細(xì)胞壁的漏洞，因此結(jié)晶紫和碘的復(fù)合物被牢牢留在了壁內(nèi)，使細(xì)胞仍為紫色。溶菌酶對細(xì)胞壁的作用◆可切斷N-乙酰葡糖氨和N-乙酰胞壁酸之間的

—1，4糖苷鍵，引起細(xì)菌裂解。

◆溶菌酶處理后的菌細(xì)胞應(yīng)保存在弱高滲（0.1~0.2M）蔗糖液中。青霉素對細(xì)胞壁的作用Penicillium與轉(zhuǎn)肽酶結(jié)合，而使該酶失活，抑制了肽聚糖四肽尾的丙氨酸與五肽橋的連接，破壞了細(xì)菌細(xì)胞壁的完整性（即抑制肽聚糖的合成），因此，Penicillium僅對正在生長著的細(xì)菌，且主要是對G+菌有效?？顾峒?xì)菌的細(xì)胞壁抗酸細(xì)菌是一類細(xì)胞壁中含大量分枝菌酸等蠟質(zhì)的特殊革蘭氏陽性菌。因被酸性復(fù)紅染色后不能在被鹽酸乙醇脫色，故稱抗酸細(xì)菌。古細(xì)菌的細(xì)胞壁大多古細(xì)菌有和真細(xì)菌功能相似的細(xì)胞壁，但從化學(xué)成分看，兩者存在巨大的差異。4、細(xì)胞壁缺損幾類細(xì)胞壁缺損或無細(xì)胞壁的細(xì)菌類型：①原生質(zhì)體(protoplast)：指在人工條件下用溶菌酶除盡原有細(xì)胞壁或用青霉素抑制細(xì)胞壁的合成后，所留下的僅由細(xì)胞膜包裹著的細(xì)胞，常見于革蘭氏陽性菌；②球狀體或原生質(zhì)球(sphaeroplast)：指還殘留部分細(xì)胞壁的原生質(zhì)體，常見于革蘭氏陰性細(xì)菌；③L型細(xì)菌：L型細(xì)菌應(yīng)專指那些在實(shí)驗(yàn)室中通過自發(fā)突變而形成的遺傳性穩(wěn)定的細(xì)胞壁缺陷菌株。1935年時，在英國李斯特(Lister)預(yù)防醫(yī)學(xué)研究所中發(fā)現(xiàn)一種由自發(fā)突變而形成的細(xì)胞壁缺損的細(xì)菌——念珠狀鏈桿菌(Streptobacillusmoniliformis)，它的細(xì)胞膨大，對滲透壓十分敏感，在固體培養(yǎng)基上形成“油煎蛋”似的小菌落。由于Lister研究所的第一字母是“L”，故稱L型細(xì)菌。細(xì)胞質(zhì)膜定義：在細(xì)胞壁與細(xì)胞質(zhì)之間的一層柔軟而富有彈性的半透性膜。厚7-8nm。占細(xì)胞干重的10%左右?；瘜W(xué)組成：蛋白和磷脂，蛋白含量高達(dá)50%~70%，種類也多。脂類含量為20%~30%，此外，還有少量糖蛋白、糖脂?；窘Y(jié)構(gòu)：1972年由辛格和尼科爾森提出“液態(tài)鑲嵌”模型。功能：1）高度選擇透性膜，控制物質(zhì)運(yùn)輸：2）滲透屏障，維持正常滲透壓；3）重要代謝活動中心；4）與壁、莢膜合成有關(guān)；5）鞭毛著生點(diǎn)，提供鞭毛運(yùn)動能量。6）膜上的某些蛋白與趨化性有關(guān)。

1）膜的主體是磷脂質(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）周邊蛋白表面含有親水基團(tuán)，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)分子間無其共價結(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(yùn)動，而整合蛋白則似“冰山”狀沉浸在其中作橫向移動。

細(xì)菌細(xì)胞膜的特點(diǎn):1.原核微生物的細(xì)胞膜一般不含膽固醇等甾醇（支原體除外），這一點(diǎn)與真核生物明顯不同。多烯類抗生素因可破壞含甾醇的細(xì)胞質(zhì)膜，故可抑制支原體和真核生物，但對其他的原核生物則無抑制作用。2.很多革蘭氏陽性細(xì)菌可由細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)褶而形成囊狀構(gòu)造-間體（mesosome），其中充滿著層狀或管狀的泡囊。間體與某些酶如青霉素酶的分泌有關(guān)，還可能與DNA的復(fù)制、分配以及與細(xì)胞分裂有關(guān)。Bacillusfastidiosus間體（mesosome）細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)含物

細(xì)胞質(zhì)（cytoplasm）:是細(xì)胞質(zhì)膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠體狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱。原核微生物的細(xì)胞質(zhì)是不流動的，這一點(diǎn)與真核生物明顯不同。細(xì)胞質(zhì)是進(jìn)行新陳代謝的主要場所，絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)都在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。同時它對細(xì)胞核也有調(diào)控作用。細(xì)胞質(zhì)組成:水分，約80％;核糖體70S（由50S大亞基和30S小亞基組成）各種化合物：如基質(zhì)成分、中間代謝物、營養(yǎng)物和大分子等;細(xì)胞內(nèi)含物（inclusionbody）：如類囊體、羧酶體、氣泡或伴孢晶體等。（細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形狀較大的顆粒狀構(gòu)造稱為內(nèi)含物，包括各種儲藏物和羧酶體、氣泡等。）貯藏物是一類由不同化學(xué)成分累積而成的不溶性沉淀顆粒，主要功能是貯存營養(yǎng)物。A、聚β-羥基丁酸：是存在于許多細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)屬于類脂性質(zhì)的碳源類貯藏物，具有貯藏能量、碳源和降低細(xì)胞內(nèi)滲透壓的作用。B、多糖類貯藏物：糖原和淀粉

C、異染粒：又稱迂回體，是無機(jī)偏磷酸的聚合物。功能是貯藏磷元素和能量，并可降低細(xì)胞的滲透壓。

D、藻青素：是一種內(nèi)源性氮源貯藏物，同時還兼有貯存能源的作用。E、硫滴

趨磁水生螺菌(Acuaspirillummagnetotacticum)電鏡照片磁細(xì)菌在磁場中做波狀遷移鏈狀排列的磁性顆粒分離的磁小體磁小體(magnetosome):成分為Fe3O4,外有一層磷脂、蛋白質(zhì)或糖蛋白包裹，具導(dǎo)向功能。鏈狀排列的磁性顆粒羧酶體（carboxysome）存在于一些自養(yǎng)細(xì)菌胞內(nèi)的多角形或六角形內(nèi)含物，內(nèi)含1，5二磷酸核酮糖羧化酶，是自養(yǎng)細(xì)菌固定二氧化碳的場所。存在于硫桿菌屬（Thiobacillus）、貝日阿托氏菌屬（Beggiatoa）、硝化細(xì)菌和一些藍(lán)細(xì)菌中。圖示硫桿菌的羧酶體羧酶體氣泡（gasvacuoles）：泡囊狀內(nèi)含物，內(nèi)中充滿氣體，內(nèi)有數(shù)排柱形小空泡，外為蛋白質(zhì)膜包裹。具有調(diào)節(jié)細(xì)胞比重，使其漂浮在水中，借以獲取光能、氧和營養(yǎng)物質(zhì)。主要存在于多種藍(lán)細(xì)菌中。質(zhì)粒（plasmid)

是指原核生物基因組外具有獨(dú)立復(fù)制能力的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA環(huán)。核糖體（1）為多肽和蛋白質(zhì)合成場所，70S顆粒，由50S和30S2個亞單位組成；（2）化學(xué)成分為蛋白質(zhì)和核酸；（3）原核生物中游離于細(xì)胞質(zhì)中或以多聚核糖體存在；（4）真核生物中核糖體游離于細(xì)胞質(zhì)中或結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上；

核區(qū)（nuclearregion）核區(qū)又稱原核（prokaryon）或擬核（nucleoid），指原核生物所特有的無核膜結(jié)構(gòu)、無固定形態(tài)的原始細(xì)胞核。細(xì)菌擬核的特征：1）位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，無核膜，無核仁，僅為一核區(qū)，稱為擬核（Nucleoid）或原核(Protonucleus)2）只有一條染色體(Chromosome)，主要為DNA，還有少量RNA和蛋白質(zhì)，但無組蛋白3）染色體為雙螺旋的大分子鏈構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。靜止期呈球形或不規(guī)則的棒狀或啞鈴形4）DNA總長0.25~3mm,E.coliDNA長約1.1~1.4mm,枯草芽孢桿菌的約為1.7mm。MW為3x109Da,約5x106bp,至少含5x103個基因5）細(xì)菌細(xì)胞活躍生長時，復(fù)制先于細(xì)胞分裂而細(xì)胞內(nèi)往往有2~4個核區(qū)，低速生長時可見有1~2個核區(qū)特殊的休眠構(gòu)造——芽孢

某些細(xì)菌在其生長發(fā)育后期，在細(xì)胞內(nèi)形成一個圓形或橢圓形、厚壁、含水量極低、抗逆性極強(qiáng)的休眠構(gòu)造，稱為芽孢或內(nèi)生孢子(spore，Endospore)。主要種類：芽孢桿菌屬和羧菌屬芽孢的特性A、芽孢的著生位置、大小、形狀因種而異，可作鑒定依據(jù)B、芽孢具有較強(qiáng)的抗熱、抗輻射、抗靜水壓和抗化學(xué)藥物的能力。C、含水量低、壁厚而致密，通透性差,不易著色，折光性強(qiáng)。

D、芽胞內(nèi)新陳代謝幾乎停止，處于休眠狀態(tài)，但保持潛在萌發(fā)力。E、一個芽孢萌發(fā)只產(chǎn)生一個營養(yǎng)狀態(tài)的細(xì)胞。注意：芽孢沒有繁殖意義，僅是一個休眠體產(chǎn)芽孢細(xì)菌的種類

在桿菌中能形成芽孢的種類較多，在球菌和螺旋菌中只有少數(shù)菌種可形成芽孢。好氧性的芽孢桿菌屬(Bacillus)厭氧性的梭菌屬（Clostridium):少數(shù)其他桿菌芽孢的構(gòu)造：芽孢的形成1.DNA濃縮，束狀染色質(zhì)形成。2.細(xì)胞膜內(nèi)陷，細(xì)胞發(fā)生不對稱分裂，小體積部分即為前芽孢。3.前芽孢的雙層隔膜形成。芽孢抗輻射率提高。4.在兩層隔膜間填充肽聚糖后，合成DPA2,6—吡啶二羧酸（DPA），累積鈣離子，開始形成皮層。使折光率提高。5.芽孢衣合成結(jié)束6.皮層合成完成，芽孢成熟?？篃嵝猿霈F(xiàn)。7.芽孢囊裂解，芽孢游離外出。芽孢的耐熱機(jī)制：“滲透調(diào)節(jié)皮層膨脹”學(xué)說

芽孢的耐熱性在于芽孢衣對多價陽離子和水分的透性很差和皮層的離子強(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，其結(jié)果造成皮層的充分膨脹，而核心部分的細(xì)胞質(zhì)卻變得高度失水，因而具有極強(qiáng)的耐熱性。芽孢的應(yīng)用（1）滅菌指標(biāo)：例1：罐頭滅菌：肉毒梭菌，它的芽孢耐熱性？在100℃下煮沸5.0~9.0小時才能殺死；要115℃需10~40分鐘。121℃需10分鐘；生產(chǎn)上滅菌采?。?21℃20分鐘以上例3：實(shí)驗(yàn)室或在發(fā)酵工業(yè)中，則要以是否能殺死自然界中存在的耐熱性最強(qiáng)的嗜熱脂肪芽孢桿菌為標(biāo)準(zhǔn)，這種細(xì)菌的芽孢在121℃下一般需要超過12分鐘才能殺死。例2：外科器械滅菌中，常以破傷風(fēng)梭菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌這兩類致病菌的芽孢耐熱性作為滅菌指標(biāo)。即121℃加壓10分鐘或115度滅菌30分鐘。規(guī)定濕熱滅菌至少要在121℃下維持15分鐘。

伴孢晶體少數(shù)芽孢桿菌，例如蘇云金芽孢桿菌在其形成芽孢的同時，會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形的堿溶性蛋白晶體－δ內(nèi)毒素，稱為伴孢晶體。它的干重可達(dá)芽孢囊重的30%左右，由18種氨基酸組成。由于伴孢晶體對200多種昆蟲尤其是鱗翅目的幼蟲有毒殺作用，因而可將這類產(chǎn)伴孢晶體的細(xì)菌制成有利于環(huán)境保護(hù)的生物農(nóng)藥－細(xì)菌殺蟲劑。腸道中的堿性溶液進(jìn)入血液，后者pH升高，昆蟲全身麻痹而死亡伴孢晶體鱗翅目幼蟲口服伴孢晶體在腸道迅速溶解（中腸pH為9.0-10.5）吸附于上皮細(xì)胞，引起滲透性喪失，腸道穿孔細(xì)菌其它休眠構(gòu)造-孢囊

孢囊是固氮菌尤其是棕色固氮菌等少數(shù)細(xì)菌在缺乏營養(yǎng)的條件下，由營養(yǎng)細(xì)胞的外壁加厚、細(xì)胞失水而形成的一種抗干旱但不抗熱的圓形休眠體，一個營養(yǎng)細(xì)胞僅形成一個孢囊，因此與芽孢一樣只是休眠體。孢囊在適宜的外界條件下，可發(fā)芽和重新進(jìn)行營養(yǎng)生長。

細(xì)胞壁以外的結(jié)構(gòu)糖被是某些細(xì)菌在一定營養(yǎng)條件下向胞外分泌出厚度不定的膠粘狀物質(zhì)包被