原核形態與結構古生菌(Archaea)

一類生活在條件十分惡劣得極端環境(如高溫、高鹽、高酸等)下得古老得微生物。“伯杰氏手冊”將古生菌分為5個主要類群:產甲烷菌、極端嗜鹽菌、還原硫酸鹽細菌、極端嗜熱S0代謝菌、無細胞壁古生菌(熱原體屬)。古生菌得細胞結構(如細胞壁結構和成分、膜脂類結構、分子生物學及代謝)既不完全相同于原核生物,也不同于真核生物,但其結構與真細菌更為接近。

真細菌包括6種類群:

“三菌”化能營養細菌放線菌光能營養:藍細菌“三體”人工培養:支原體專性細胞寄生衣原體立克次氏體第一節細菌(bacteria,

bacterium單數)細菌:

細胞細短(直徑約0、5um,長0、5~5um)

結構簡單胞壁堅韌二分裂繁殖水生性強單細胞原核生物生活特性:喜溫暖、潮濕、富含有機物微堿環境(大多數)腐生或寄生,好氧或厭氧,自養或異養(２)磷壁酸(參見P18)革氏陽性細菌細胞壁特有得化學成分(酸性多糖)按成分甘油醇型磷壁酸核糖醇型磷壁酸按結合部位壁磷壁酸膜磷壁酸(１)肽聚糖埋藏在外膜層之內,由1~2層肽聚糖網狀分子(交聯度30%)組成得薄層(2~3nm),約占細胞壁總重10%。對機械強度得抵抗力較革蘭氏陽性菌弱。肽聚糖只存在于真細菌中,古生菌和真核生物細胞壁中沒有肽聚糖。D-谷氨酸、D-丙氨酸、m-DAP在蛋白質中未出現過?？杀Ｗo肽聚糖免受肽酶得水解作用。10大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流(２)外膜(outermembrane),又稱外壁層

位于革蘭氏陰性細菌細胞壁外層,由脂多糖、磷脂和脂蛋白等若干種蛋白質組成得膜。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)位于細胞壁最外層得一層較厚得類脂多糖類物質(分子量1萬以上),就是革蘭氏陰性細菌細胞壁特有得成分。三部分組成:類脂A核心多糖O-特異側鏈(O-多糖,O-抗原)(內毒素得主要成分)沙門氏菌有10個糖構成,且大多數糖得結構獨特。KDO:2-酮-3-脫氧辛糖酸Hep:L-甘油-D-甘露庚糖O-特異側鏈糖得種類、順序和空間構型就是菌株特異得,就是抗原特異性得物質基礎。Man:甘露糖;Rha:鼠李糖Gal:半乳糖;Abe:阿可比糖(３)周質空間(periplasmicspace,periplasm),又稱壁膜間隙

革蘭氏陽性細菌不存在明顯得周質空間。(４)粘合位點指革蘭氏陰性菌細胞壁外膜與質膜得直接接觸區域,就是加固革蘭氏陰性菌細胞壁并支撐外膜得另一結構。粘合位點可能就是外膜與質膜得直接接觸區域,也可能就是真正得膜融合部位。有人推測營養物質可能通過粘合位點進入細胞,而不必穿越周質空間。革氏陽性菌革氏陰性菌肽聚糖含量高,交聯密含量低,交聯疏松脂類一般無含量高乙醇作用脫水作用脂溶作用孔徑縮小,結構更緊密孔徑增大,結構變得疏松大分子復合物滯留大分子復合物溶出結果紫色紅色細胞壁結構與革蘭氏染色得關系革氏陽性菌與革氏陰性菌之間得區別在于細胞壁得物理性質。細胞壁中得肽聚糖本身并不被染上顏色,但她可作為滲透性屏障阻止結晶紫與碘大分子復合物得流失。(二)細胞得結構５、細胞壁缺陷細菌

自發突變:L型細菌

實驗室或宿主體內形成基本去盡:原生質體(G+)缺壁細菌

人工去壁

部分去除:球狀體(G-)

在自然界長期進化中形成:支原體1、細胞壁(2)原生質體(protoplast)

在人為條件下,用溶菌酶處理或在含青霉素得培養基中培養而抑制新生細胞壁合成而形成得僅由一層細胞膜包裹得,圓球形、對滲透壓變化敏感得細胞,一般由革蘭氏陽性細菌形成。特點:對環境條件變化敏感,低滲透壓、振蕩、離心甚至通氣等都易引起其破裂;有得原生質體具有鞭毛,但不能運動,也不被相應噬菌體所感染;在適宜條件(如高滲培養基)可生長繁殖、形成菌落,形成芽孢。及恢復成有細胞壁得正常結構。比正常有細胞壁得細菌更易導入外源遺傳物質,就是研究遺傳規律和進行原生質體育種得良好實驗材料。(4)支原體(Mycoplasma)

在長期進化過程中形成得、適應自然生活條件得無細胞壁得原核生物。因她得細胞膜中含有甾醇(一般原核生物沒有),所以即使缺乏細胞壁,其細胞膜仍有較高得機械強度。A、磷脂

膜得流動性很大程度上取決于不飽和脂肪酸得結構和相對含量。細胞膜上長鏈脂肪酸得鏈長和飽和度因細菌種類和生長溫度而異,通常生長溫度要求越高得種,其飽和度也越高,反之則低。甾醇類物質:由磷脂分子形成得雙分子膜中加入甾醇類物質可以提高膜得穩定性真核生物細胞膜中一般有甾醇,含量占膜中脂質得5%-25%。原核生物細胞膜中一般不含甾醇(支原體例外)。而在幾種細菌中,含有與固醇類似得五環分子稱為類何帕烷(藿烷類化合物,hopanoid),起穩定細胞膜得作用。甾醇得一般結構,含有四個環(二)細胞得結構(1)間體(mesosome):

細胞質膜內褶而形成得泡囊狀、管狀或層狀得構造。多見于革蘭氏陽性細菌。與青霉素酶分泌、DNA復制、分配及細胞分裂(橫隔壁形成)有關“間體”僅就是電鏡制片時因脫水操作而引起得一種贗像3、內膜系統(2)載色體綠硫菌科光合細菌得細胞質中,充滿以分散狀態存在得一系列單層膜組成得囊泡;紅硫菌科光合細菌得細胞膜內陷延伸或折疊形成發達得片層狀、管狀或囊狀系統;都就是光合細菌進行光合作用得場所藍細菌細胞中得類囊體,也就是一種內膜系統,含有葉綠素等光合色素和電子傳遞組分,也就是光合作用得場所。(３)羧酶體(carboxysome)一些自養細菌(藍細菌、硝化細菌和硫桿菌)細胞內由單層膜圍成得多角形或六角形內含物內含1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(卡爾文循環得關鍵酶)作用:自養細菌固定CO2得場所采用免疫電鏡技術觀察藍細菌cyanobacteriumChlorogloeopsisfritischii中得羧酶體

細胞質得主要成分為核糖體、內含物、酶類、中間代謝物、各種營養物和大分子得單體等,少數細菌還有類囊體、羧酶體、氣泡或伴孢晶體等有特定功能得組分。4、細胞質及其內含物

細胞質(cytoplasm)就是細胞質膜包圍得除核區外得一切半透明、膠狀、顆粒狀物質得總稱。含水量約80%。(三)細胞得結構(1)核糖體(ribosome)功能:合成蛋白質得場所

鏈霉素等抗生素,通過作用于細菌核糖體得30S亞基而抑制細菌蛋白質得合成,而對人得80S核糖體不起作用,故可治療細菌引起得疾病,而對人體無害。原核生物核糖體得沉降系數就是70S50S大亞基30S小亞基而真核生物核糖體得沉降系數就是80S原核生物得核糖體常以游離狀態或多聚核糖體狀態分布在細胞質中,或松散地連在細胞膜上。(2)氣泡(gasvocuoles)

許多光合營養型、無鞭毛運動得水生細菌中存在得充滿氣體得泡囊狀內含物,大小為0、2～1、0μm×75nm,內由數排柱形小空泡組成,外有2nm厚得蛋白質膜包裹。功能:調節細胞比重以使細胞漂浮在最適水層中獲取光能、O2和營養物質藍細菌生長時依靠細胞內得氣泡而漂浮于湖水表面,并隨風聚集成塊,常使湖內出現“水花”。有些厭氧性光合細菌利用氣泡集中在水下10-30米深處,這樣既能吸收適宜得光線和營養進行光合作用,又可以避免直接與氧接觸。專性好氧得鹽桿菌屬(Halobacterium)得細菌,卻生活在含氧極少得飽和鹽水中,她們細胞中氣泡顯著,其作用被認為就是使菌體浮于鹽水表面,以保證細胞更接近空氣。(參見P25)

氣泡得膜只含蛋白質而無磷脂。二種蛋白質相互交連,形成一個堅硬得結構,可耐受一定得壓力。膜得外表面親水,而內側絕對疏水,故氣泡只能透氣而不能透過水和溶質。(3)內含物

各種有機或無機物質得顆粒,主要功能就是貯存(碳化合物、無機物和能源),也可將分子連接為特定得形式來降低滲透壓。

糖原:大腸桿菌、克雷伯氏菌、芽孢桿菌和藍細菌等碳源及能源類聚β-羥丁酸(PHB):固氮菌、產堿菌和腸桿菌等硫粒:紫硫細菌、絲硫細菌、貝氏硫桿菌等貯藏物氮源類藻青素:藍細菌藻青蛋白:藍細菌磷源(異染粒):迂回螺菌、白喉棒桿菌、結核分枝桿菌

一些內含物無膜包裹,自由存在于細胞質中,如多聚磷酸鹽顆粒、藻青素顆粒和一些糖原顆粒

另一些內含物則由單層膜(不就是典型得雙層膜)所包裹,如聚β-羥丁酸顆粒、某些糖原和硫粒。

內含物膜在組成上各不相同,有些為蛋白質,而另一些則包含脂類。A、聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)在含乙酸或丁酸得培養基中生長時,細胞內貯藏得PHB可達其干重得60%。

細菌特有得一種類脂性質得碳源和能源類貯藏物。

(P26)PHB于1929年被發現,至今已發現60屬以上得細菌能合成并貯藏。R可以就是-CH3外得其她烷基,這類化合物統稱為聚羥鏈烷酸作用:細菌特有得碳源和能源儲藏物;維持胞內中性環境;降低胞內滲透壓;B、多糖類貯藏物在真細菌中以糖原為多

糖原粒較小,不染色需用電鏡觀察,用碘液染成紅棕色,可在光學顯微鏡下看到。糖原粒淀粉粒有得細菌積累淀粉粒,用碘液染成深蘭色。(參見P21)C、異染粒(metachromaticgranules),又稱迂回體或捩轉菌素用蘭色染料染色后呈紅紫色組成:無機偏磷酸得聚合物(一般在含磷豐富得環境下形成。)功能:磷源和能量可降低胞內滲透壓在暗視野顯微鏡下看到得迂回螺菌(Spirillum

volutans)異染粒(迂回體)D、硫粒(sulfurglobules)

很多光合細菌(紫硫細菌、紫色細菌、綠色細菌和藍細菌),在進行產能代謝或生物合成時,常涉及對還原性得硫化物(H2S,硫代硫酸鹽等)得氧化,所產生得折光性很強得硫粒,可在周質空間或細胞質中積累。

功能:硫元素儲藏物參與產能代謝和生物合成E、藻青素(cyanophycin)

氮源貯藏物,同時還兼有貯存能源得作用。通常存在于藍細菌中。由含精氨酸和天冬氨酸殘基(1:1)得分枝多肽所構成,分子量在25000～125000。F、磁小體(megnetosome)

趨磁細菌細胞中含有得大小均勻、數目不等得Fe3O4顆粒,外有一層膜包裹。P26存在:少數水生螺菌屬等功能:導向作用。即借鞭毛游向對該菌最有利得泥、水界面微氧環境處生活。實用前景:生產磁性定向藥物或抗體,制造生物傳感器等。5、核區(nuclearregionorarea)

無核膜、無固定形態得原始細胞核

細菌染色體DNA:1個環狀雙鏈(通常),高度折疊

細菌染色體DNA也與一些堿性蛋白結合(不就是組蛋白,稱為類組蛋白),這種結合使DNA得以超螺旋,具有穩定細菌染色體DNA、適應和調節DNA復制、轉錄、轉譯得作用。又稱核質體,原核,擬核、核基因組、細菌染色體6、芽孢(spore)P33(1)概念

某些細菌在其生長發育后期,在細胞內形成一個圓形或橢圓形、厚壁、含水量極低、抗逆性極強得休眠體,稱為芽孢(偶譯“內生孢子”,endospore)。P25(2)芽孢得特點A、抗逆性強(熱、干燥、輻射等)。整個生物界中抗逆性最強得生命體。能否消滅芽孢就是衡量各種消毒滅菌手段得最重要得指標。營養細胞:

60℃,10~20min肉毒梭菌芽孢:121℃,10min常規加壓蒸汽滅菌得條件:121℃,15min以上115℃,30min以上B、芽孢就是休眠體,不就是繁殖體。在適宜得條件下可以重新轉變成為營養態細胞(每個細胞只形成一個芽孢,一個芽孢萌發也只形成一個營養體細胞,所以,芽孢僅僅就是芽孢細菌生活史中一部分)。產芽孢細菌得保藏多用其芽孢。C、折光性強,不易著色(芽孢染色法)。(3)形成條件A、菌種得遺傳特性;必需養料耗盡而停止生長時(穩定期)形成;富含有機氮得培養基(蘇云金芽孢桿菌);培養基中加入Mn2+溫度改變

B、所需條件因種而異,即不同細菌形成芽孢有其最適條件(pH、溶氧、溫度、營養、離子濃度和種類等)。(4)形成芽孢得菌種產芽孢得細菌多為G+桿菌,也有一些球菌主要產芽孢菌:(好氣性)芽孢桿菌屬(Bacillus)(厭氣性)梭菌屬(Clostridium)其她少數:芽孢八疊球菌屬(球菌)芽孢乳桿菌屬脫硫腸狀菌屬多孢子菌屬(5)構造與耐熱機制芽孢與母細胞相比不論化學組成(皮層含吡啶二羧酸鈣DPA-Ca,芽孢肽聚糖)、細微結構、生理功能等方面都完全不同。(參見P33圖2-27)滲透調節皮層膨脹學說芽孢衣結構致密對多價陽離子和水分得透性很差皮層得離子強度很高,產生極高得滲透壓奪取芽孢核心得水分,結果造成皮層得充分膨脹。核心部分得細胞質卻變得高度失水,因此,具極強得耐熱性。芽孢抗熱性得其她可能原因皮層含高濃度得吡啶二羧酸鈣(DPA-Ca),形成耐熱凝膠樣得物質;存在特殊得小分子酸溶性DNA結合蛋白,對芽孢DNA有穩定作用;含DNA修復酶,可對核心復活后得出芽和生長過程中得DNA進行修復。含一些酶,本身并不抗熱,在芽孢中與一些物質結合后才有抗熱性。(蠟狀芽孢桿菌中得丙氨酸消旋酶,附著在芽孢衣上時抗熱,與芽孢衣分離后不抗熱。)(7)研究芽孢得意義消毒滅菌得最重要得指標肉類罐頭:肉毒梭狀芽孢桿菌外科器械:破傷風梭菌、產氣莢膜梭菌工業發酵:嗜熱脂肪芽孢桿菌121℃,15min或115℃,30min以上保藏菌種分類依據(芽孢得形態、大小和著生位置就是細菌分類和鑒定中得重要指標。)篩選菌種(土樣+肉湯培養基,80℃,10~15min)有些產芽孢細菌可伴隨產生有用得產物,如抗生素(短桿菌肽、桿菌肽等)(8)伴孢晶體(parasporalcrystal)

(參見P34)

少數芽孢桿菌,例如蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis,簡稱“Bt”)在其形成芽孢得同時,會在芽孢旁形成一顆菱形或雙錐形得堿溶性蛋白晶體——δ內毒素,稱為伴孢晶體。用途:伴孢晶體對200多種昆蟲尤其就是鱗翅目得幼蟲有毒殺作用,因而可將這類產伴孢晶體得細菌制成有利于環境保護得生物農藥——細菌殺蟲劑。特點:不溶于水,對蛋白酶類不敏感;容易溶于堿性溶劑。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)吸附于上皮細胞,引起滲透性喪失,腸道穿孔腸道中得堿性溶液進入血液,后者pH升高,昆蟲全身麻痹而死亡(三)細胞得結構7、糖被(glycocalyx)(1)概念

包被于某些細菌細胞壁外得一層厚度不定得膠狀物質糖被按其有無固定層次、層次厚薄又可細分為:

莢膜(capsule或macrocapsule,大莢膜)微莢膜(microcapsule)粘液層(slimelayer)菌膠團(zoogloea)糖被:

包裹在單個細胞上在壁上有固定層層次厚:(大)莢膜層次薄:微莢膜松散,未固定在細胞壁上:粘液層包裹在群體細胞上:菌膠團(分泌得粘液將許多菌體粘合在一起,形成分支狀得大型粘膠物,細菌群體得共同糖被)(2)成分一般為多糖,少數為多肽、蛋白質或糖蛋白菌種得遺傳特性決定;也與環境條件有關糖被并非細胞生活得必要結構,但她對細菌在環境中得生存有利。3)形成條件(4)特性對染料親和力低。

經特殊得莢膜染色,特別就是負染色(又稱背景染色)后可在光學顯微鏡清楚地觀察到她得存在。在固體培養基上形成表面濕潤、粘液狀得光滑型菌落,即S型菌落。(不產糖被得細菌形成表面干燥、粗糙得粗糙型菌落,即R型菌落)

在液體培養基中使培養液得粘度增加。

(5)功能保護作用(保護菌體免受干旱損傷;防止噬菌體得吸附和裂解;保護致病菌免受宿主白細胞吞噬。)儲藏養料(營養缺乏時重新使用)致病作用(就是某些病原菌得毒力因子,如S型肺炎鏈球菌;也就是某些病原菌得粘附因子,如唾液鏈球菌和變異鏈球菌附著牙齒表面——齲齒)(6)應用(1)菌種鑒定:利用糖被物質得血清學反應(2)制備代血漿和生化試劑(腸膜狀明串珠菌得葡聚糖糖被)(3)制備黃原膠:石油開采、印染、食品等工業(4)污水處理:形成菌膠團得細菌(如生枝動膠菌)就是活性污泥中得主要微生物。利野油菜黃單胞菌(Xanthomonascampestris)S層(S-layer)許多原核生物得細胞表面,存在一個由蛋白質或糖蛋白平面排列構成得細胞表面層。保護細胞抵抗離子、滲透壓、酶等得作用;保護細胞抵抗宿主得防御系統;S層普遍存在于古生菌中8、鞭毛(flagellum,復flagella)(1)概念某些細菌細胞表面著生得一至數十條長絲狀、螺旋形得附屬物,具有推動細菌運動功能,為細菌得“運動器官”。所有弧菌、螺菌和假單胞菌,約半數桿菌和少數球菌有鞭毛9、菌毛(fimbria,復數fimbriae)長在細菌體表得纖細、中空、短直、數量較多得蛋白質類附屬物,具有使菌體附著于物體表面得功能。五、食品發酵、醫藥工業中常見得細菌枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)專性好氧

個體形態:G+桿狀,周生鞭毛,有芽孢(橢圓到柱狀,中生到近端生,芽孢囊不膨大)

菌落形態:粗糙,不透明,擴張,污白色

用途:α-淀粉酶(BF7658)蛋白酶(中性蛋白酶,AS1、398)桿菌肽(bacitracin)(對G

+有抑制作用)2、醋酸桿菌個體形態:G-,短桿,單生、成對或鏈狀,培養時間長易形成絲狀、彎曲、棒狀等多種畸形。

最適生長溫度:30℃最適pH:5、4~6、3

用途:醋酸發酵惡臭醋桿菌(AS、1、41)巴氏醋酸菌(滬釀1、01)4、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)形態:G+,球狀,成對或成鏈最適生長T:40~41℃用途:酸奶發酵劑3、保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbulgaricus)

(改名為德氏乳桿菌保加利亞亞種)形態:G+,桿狀(常為長桿),成單或成鏈,最適生長T:40~43℃用途:酸奶發酵劑6、大腸埃希氏菌(Escherichiacoli)形態:G-,短桿最適生長溫度:37℃用途:食品衛生重要指示菌,作為糞便污染指標來評價食品得衛生質量

5、北京棒桿菌(Corynebacteriumpekinese)形態:G+,短桿或小棒狀,單個或八字排列,無芽孢最適生長溫度:30~32℃用途:谷氨酸發酵第二節放線菌(Actinomycetes)放線菌菌落中得菌絲常從中心向四周輻射狀生長,并因此得名。放線菌就是一類:多數呈菌絲狀生長以無性孢子繁殖、陸生性強

高G+C含量得革氏陽性原核生物(60%~70%)mol%

放線菌與細菌得相同點:放線菌屬真細菌范疇屬于原核生物,為單細胞;菌絲直徑與細菌相仿;細胞壁主要成分就是肽聚糖;有得放線菌產生有鞭毛得孢子,其鞭毛類型與細菌相同;放線菌得噬菌體形態與細菌得相似;

最適生長pH與多數細菌相似;DNA重組方式相同;核糖體同為70S;對溶菌酶敏感;凡對細菌敏感得抗生素,對放線菌亦敏感;放線菌與細菌得不同點:細胞為分枝狀菌絲;菌落形態與霉菌相似;孢子繁殖;分布特點、與人類得關系以孢子或菌絲狀態廣泛地存在于自然界,土壤中最多,其代謝產物使土壤具有特殊得泥腥味。產生種類繁多得抗生素(在已報道過得近萬種抗生素中,約70%由放線菌產生;而其中90%由鏈霉菌屬產生)。產生維生素(B12)、酶制制(葡萄糖異構酶,蛋白酶);在甾體轉化、石油脫蠟、烴類發酵、污水處理等方面也有應用。少數寄生型放線菌可引起人、動物(皮膚、腦、肺和腳部感染)、植物(如馬鈴薯和甜菜得瘡痂病)得疾病。一、形態構造單細胞,大多由分枝發達得無隔膜菌絲組成;菌絲直徑與桿菌類似,約1mm;細胞壁組成與細菌類似,革蘭氏染色陽性(少數陰性);細胞得結構與細菌基本相同。